盾构基本部件、作用原理及施工沉降控制

盾构基基本部部件、、作用用原理理及施施工沉沉降控控制目录一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理二、盾构施施工沉沉降控控制三、案案例一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理1.盾盾构的的基本本部件件盾构机机主机机主要要由壳壳体、、刀盘盘及驱驱动系系统、、拼装装机、、螺旋旋输送送机、、推进进系统统、等等几大大部份份组成成。土压平平衡盾盾构机机主要要部件件构成成示意意图盾构机机主机机图一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理1.1盾构构壳体体保护掘掘进设设备的的钢结结构外外壳。。包括括切口口环、、支承承环、、盾尾尾一部部分。。切口环环：：切口口环是是保持持开挖挖面的的稳定定、将将挖掘掘下来来的土土砂向向后后方移移动的的通道道。支承环环：：支承承环是是盾构构承受受土压压力及及主机机设备备载荷荷的受受力构构件。。盾尾：：盾尾尾的长长度应应根据据衬砌砌环在在盾构构内的的组装装长度度和盾盾尾密密封的的形状状及其其段数数决定定，同同时考考虑到到隧道道的曲曲线施施工等等因素素，需需要有有一定定的富富裕量量。一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理1.2刀盘盘在盾构构前端端装有有刀具具，能能旋转转切削削土体体的钢钢结构构组合合体。。土压平平衡式式盾构构泥水加加压平平衡盾盾构海瑞克克刀盘盘有固定定搅拌拌棒刀刀盘无固定定搅拌拌棒刀刀盘一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理刀具贝壳刀刀一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理1.3刀盘盘驱动动装置置驱动刀刀盘旋旋转的的装置置。有有液压压驱动动、变变频电电机驱驱动、、定速速电机机驱动动一种种形式式。该该装置置包括括液压压马达达、电电动机机或变变频电电机、、减速速器、、大小小齿轮轮、大大轴承承等。。盾构或或顶管管大刀刀盘的的设计计扭矩矩(T)－－般按按T=αD3经经验验公式式计算算，其其中αα是扭扭矩系系数，，D是是盾构构的直直径。。一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理1.4管片片拼装装机拼装管管片的的机械械装置置。能能夹持持管片片，作作圆弧弧运动动、径径向运运动和和纵向向运动动等。。一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理及及施工工工法法拼装机机盘体体回转转有快快慢速速度，，采用用了遥遥控拼拼装机机技术术，降降低了了设备备的维维修率率，改改善了了作业业人员员的工工作强强度和和安全全性，，提高高了管管片的的拼装装质量量和工工作效效率。。一、盾盾构的的基本本部件件、作作用原原理驱动螺杆筒体螺旋机驱驱动结构构图闸门装置轴承油马达测速齿轮1.5螺旋输送送机输送土仓仓中土体体的机械械装置，，包括螺螺旋部分分、驱动动和闸门门等装置置。根据据螺旋的的形状，，可分为为有轴螺螺旋输送送机和无无轴螺旋旋输送机机。一、盾构构的基本本部件、、作用原原理一、盾构构的基本本部件、、作用原原理1.6盾尾密封封系统为防止衬衬砌环与与盾构之之间施工工空隙涌涌水、漏漏泥而设设置，由由盾尾密密封和油油脂加注注装置等等组成的的系统。。盾尾油脂脂泵盾尾密封封示意图图盾尾密封装置结构图

盾尾密封刷一、盾构构的基本本部件、、作用原原理1.7推进液压压缸用来推动动盾构前前进的液液压缸，，能克服服盾构推推进时所所遭遇的的阻力。。推进泵组组阀组一、盾构构的基本本部件、、作用原原理1.8后方台车车在隧道内内装载着着掘进所所需主要要机、电电、液装装备并跟跟随在盾盾构后行行走的台台车。一、盾构构的基本本部件、、作用原原理1.9皮带机

一、盾构构的基本本部件、、作用原原理1.10同步注浆浆系统盾构施工工隧道时时，当盾盾构的盾盾尾脱离离管片衬衬砌后，，管片背背面和地地层之间间形成一一定的建建筑空隙隙，若不不及时回回填这一一空隙，，会造成成地表沉沉陷，进进而对邻邻近的建建筑物等等产生破破坏性的的影响。。因此，，及时填填充这一一空隙的的注浆系系统是盾盾构的重重要组成成部分。。同步注浆浆系统图图一、盾构构的基本本部件、、作用原原理为确保隧隧道曲线线段施工工而设置置。主要要由铰接接液压缸缸、密封封装置以及及铰接止止转装置置等组成成。1.11铰接装置置一、盾构构的基本本部件、、作用原原理复合盾构构（混合合盾构））二、盾构施工工沉降控控制1、盾构施工工土体纵纵、横向位移移盾构施工工地面沉沉降规律律：盾构推进进施工引引起的地地表和土土体沉降降位移的的历时变变化一般般分为盾盾构到达达前、盾盾构到达达、盾构构通过时时、盾构构通过、、后续沉沉降5个阶段。。(1)盾构到达达前的超超前沉降降在切口3-20m处一般发发生沉降降，但沉沉降量很很小，主主要是盾盾构掘削削面引起起的地下下水位降降低而发发生的。。当离盾盾构切口口较近时时，受开开挖面后土体的位位移而引起应力力释放发生隆沉沉。(2)盾构到达达时的隆隆沉在切口0-3m范围内发发生隆沉沉变化。。当盾构构设定土土压值较较大、推推力较大大、出土土量小于于100%时，地表表呈隆起起；当设设定土压压值较小小、推力力较小、、出土量量大于100%时，地表表呈隆沉沉变化。。（3）盾构通通过时的的沉降：：在盾构构切口至至盾尾范范围内，，一般发发生沉降降变化，，主要由由盾构超超挖、土土仓压力力低、注注浆压力力不够、、纠偏蛇蛇行引起起的土体体扰动。。（4）盾尾通通过后的的隆沉：：盾尾离离开0-5m范围内，，因注浆浆不及时时及注浆浆压力不不够而会会发生较较大沉降降；若采采用同步步注浆，，并及时时、充足足地注浆浆，则不不易发生生沉降，，若过量量注浆，，则发生生隆起。。（5）后续沉降降：由于于盾构施施工过程程中因挤挤压、超超挖、蛇蛇形、注注浆等扰扰动土体体后，土土体缓慢慢固结产产生的沉沉降。其其特点是是沉降时时间很长长。盾构机推进方向向管片横向位移移1969年，美国国科学家家P.B.Peck结合采矿矿引起地地面沉降降槽的形形状近似似于概率率论中的的正态分分布曲线线，如图图1-1所示。并并给出地地面沉降降的横向向分布估估算公式式图1-1隧道上部部沉降槽槽断面形形状2、盾构到达达前隆沉沉（1）原因盾构到达达前，因因为土压压力的原原因，使使土层失失水，一一般造成成地层的的微沉；；（2）措施合理设定定土压力力，加强强塑流化化改造；；过建、构构筑物及及重要管管线准备备好后连连续通过过。3、盾构到达沉降及控控制（1)建立持续稳定定合理的土压（（图二））(2)影响建立立土压的的因素a土压仓土土体流塑塑添加材料料：加泥（（膨润土）），泡沫，水，化化合物；；加入位置置：刀盘辐辐条，中中心刀，，土舱内内；b盾构设备备盾构机扭扭矩：尽量确确保刀盘盘扭矩能能力，掘掘进过程程中施工工扭矩一一般控制制在额定定扭矩的的80%以下为宜宜；刀盘形式式：刀盘盘结构：：4盾构通过过沉降原原因及控控制（1）原因：：a设备原因因；b土压不平衡衡。（2）措施：：a设备改进进；b增稠泥浆浆注入系系统；c加快推进进。5、盾尾到达达沉降及及控制同步注浆浆的目的的：一、、防止地层层变形，二、提提高隧道道的抗渗渗性；三三、管片片受外力力均匀。。（1）影响沉降降的因素素：a浆液流动动性、稳稳定性；；b体积收缩缩率；c浆液凝结结时间；；d注浆压力力；e设备能力力（盾尾漏浆浆、被动铰接接、双液液注浆））（2）措施：：a加快浆液液凝结时时间；b提早二次次补浆；；c在保各项项参数的的情况下下加快推推进。静止土压压力=ɣH（图5）不同注浆浆浆液及及特性单液浆，，双液浆浆液；（2）注浆量及压力控制合理理注浆压压力，确确保填充充率，双双液浆沉沉降量小小。（3）盾尾密封封6、后期沉降降（1）机理由于盾构构土仓压力力变化作作用、推进中的的挤压作作用和盾盾尾压浆浆作用等等因素，，使周围围地层形形成正值值的超孔孔隙水压压区，其其超孔隙隙水压在在盾构隧隧道施工工后的一一段时间间内消散散复原，，在此过过程中地地层发生生体积损失失，引起地地面沉降降。地层层因孔隙隙水压力力变化而而产生的的地面沉沉降，称称之为主主固结沉沉降(排水固结结）。土体受到到扰动后后，土体体骨架还还会发生生持续很很长时间间的压缩缩变形。。在此土土体蠕变变过程中中产生的的地面沉沉降为次次固结沉沉降。在在孔隙比比和灵敏敏度较大大的软塑塑和流塑塑性土层层中，次次固结沉沉降往往往要持续续几年以以上。（2）采取措施施1）从隧洞洞内往土土体劈裂裂注浆；；2）从地面面进行注注浆补偿偿；3）盾构机壁壁外减阻阻。三、辅助工法法控制沉沉降1、隔离桩2、地层加固固3、洞内沉降降补偿劈劈裂注浆浆三.案例三.案例1.含水小粒粒径砂卵卵石，且且含砂量量不均变变化化地层案案例：北京南水水北调配配套工程程（一期期）2标段（颐颐和园北北宫门段段）550m北五环肖家河桥0-066.602+030638m780m京密引水渠清河盾构始发井盾构接收井西侧匝道桥东侧匝道桥老龙口排洪沟民宅区（平房）北五环中央党校宿舍区圆明园西路一期检修闸肖家河闸管理站1、曲线上上始发，，连续两两个R＝400m半径的急急曲线和和6.7‰‰大坡度，，并穿穿越高密密度、低低矮、结结构很差差的平房房和浅覆覆土河道道；2、不足2m的超近距距离条件件下穿大大型立交交桥越群群桩基，，桥桩竖竖向沉降降和水平平位移要要求十分分严格，，仅仅2mm，国内尚尚无同类类工程；；3、盾构全全程均在在圆砾石石低含砂砂量高水水位地层层内掘进进，其中中700m为全断面面圆砾层层。1.1工程概况况（1）盾构穿穿越断面面地层大大部分为为圆砾层层,富含地下下水,地层透水水性很强强；（2）盾构段段总长1961m，穿越断断面地层层主要为为含砂量量很低的的圆砾层层，部分分地段夹夹有中细细砂。地地勘报告告中显示示圆砾最最大粒径径为17cm，平均粒粒径5~10cm；（3）盾构穿穿越地层层地下水水比较丰丰富，且且工程位位置与清清河相距距较近（（约30m），地下下水与清清河存在在水力联联系。工程地质质条件和和水文条条件对盾盾构施工工影响较较大，是是本工程程的特点点和难点点。1.2地质、水水文条件件三.案例北京市市政四建设工程有限责任公司北五环肖肖家河立立交桥上上部结构构为预应应力混凝凝土连续续箱梁，，桥桩均均为直径径1.2m钻孔灌注注摩擦桩桩，桩长长约20m。两根一一组，通通过承台台联系，，承台上上为独柱柱。1.3穿越桥桩桩简介三.案例隧顶覆土土厚度约约12m，盾构由由西向东东依次穿穿越肖家家河桥北北侧B匝道ZB10#~ZB11#轴间、Y线YZ8#~YZ9#轴间以及及D匝道ZD-1#~ZD-2#轴间。所所穿越桥桥桩编号号为ZB10、ZB11、ZD1、ZD2和YZ8，共计有有16根桩受影影响，其其中，距距桩基YZ-8最小水平平距离仅仅1.975m，平均距距离在3m左右。输水隧洞轴线输水隧洞轴线ZB-10三.案例通过情况况：桥梁差异异沉降<2mm；完全满满足桥梁梁设计要要求及使使用要求求，得到到业主单单位的一一致好评评。该工程施施工时间间：2007年7月初至10月中旬。。（1）单班（（12小时）最最快18环；（2）单周最最快181环；（3）单月最最快634环。沿线沉降降最大值值<10mm中间全线线一次穿穿越，没有更换换刀具三.案例2含水小粒粒径砂卵卵石，且且含砂量量大于30%地地层案例例：沈阳地铁铁一号线线13标沈阳地铁铁一号线线13标工程施施工场地地位于沈沈阳市和和平区与与沈河区区交接地地段，标标段单线线长1330.267m。2.1工程概况况盾构穿越越断面地地层大部部分为圆圆砾层,富含地下下水,地层透水水性很强强本区间范范围内的的地形变变化平缓缓，地面面标高介介于49.64～51.72m，最大地面面高差2.08m。地貌类类型为浑浑河新扇扇。勘察察深度内内的由第第四系全全新统人人工填筑筑层（Q4ml）、第四四系全新新统浑河河新扇冲冲洪积层层（Q41al+pl）、第四四系上更更新统浑浑河老扇扇冲洪积积层（Q32al+pl）、第四四系下更更新统冰冰水沉积积地层（（Q1fg1）组成。。本区间隧隧道上覆覆地层主主要为杂杂填土①①层、粉粉质粘土土④－1层、粉细细砂④－－2层、中粗粗砂④－－3层，砾砂砂④－4层和圆砾砾④－5层，洞身身穿越地层层主要为为粉质粘粘土⑤－－1层、中粗粗砂④－－3层，中粗砂⑤⑤－3层，砾砂④－－4层、砾砂⑤－－4层，和圆砾④④－5层、圆砾⑤－－5层。怀～中区间场场地内无地表表水，在勘察察深度内均有有地下水，地地下水类型为为孔隙潜水，，稳定水位埋埋深在7.40～9.90m，相当于绝对对标高42.03～42.84m。地下水水温温14～15℃。地下水主主要补给来源源为浑河侧向向补给及大气气降水垂直入入渗补给。主主要排泄方式式为迳流排泄泄和地下水的的人工开采。。地下水流向向总的方向是是由东向西，，含水层的渗渗透系数平均均值为85m/d。标准冻结深深度1.2m。建筑物名称与隧道的关系线路通过范围结构类型基础类型及其它承载力隧道埋深(m)西顺城街双线上方DK16+767～+780双向8车道城市主干道460Kpa10.638怀远门双线上方DK16+780～+812主楼高约8层、耳楼高约5层，灰砂砖墙、砼过梁结构94年维修，桩基础，桩长约。460Kpa11.688兴隆轩右线上方DK16+783～+7956层砖混结构基础不详460Kpa11.438金昊名城左线外侧DK16+783～+7957层砖混结构古建筑物加固而成。460Kpa11.438古籍书店双线上方DK16+842～+8664层砖混结构年代久远，基础不详460Kpa13.088正阳小区81号双线上方DK16+866～+9837层砖混结构。桩底标高约，桩基础距离隧道顶部约。人工挖孔桩,桩长,桩径0.8,C20砼。开发商:沈河区房产局修建科；1993年修建460Kpa16.058盛京旅游文化广场双线上方DK17+018～dkDK7+0653层基础不详，开发商:沈河区房产局17.888地表建构筑物物统计表2.2盾构下穿建筑筑群简介建筑物名称兴隆轩线路通过范围DK16+768~DK16+780与隧道的关系右线隧道上方建筑物结构形式

6层砖混结构基础类型及其它基础不详地基承载力

460Kpa隧道覆土厚度(m)

11.438兴隆轩怀远门建筑物名称怀远门线路通过范围DK16+780~DK16+812与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式主楼高约8层、耳楼高约5层，灰砂砖墙、砼过梁结构基础类型及其它桩基础，桩长约10m地基承载力

460Kpa隧道覆土厚度(m)

11.688备注

94年维修过一次建筑物名称古籍书店线路通过范围DK16+842~DK16+866与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式

4层砖混结构基础类型及其它年代较久，基础不详地基承载力

460Kpa隧道覆土厚度(m)

13.088备注

94年维修过一次建筑物名称正阳小区线路通过范围DK16+866~DK16+983与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式

7层砖混结构基础类型及其它人工挖孔桩、桩长10米，桩基础距离隧道顶部约5.5m地基承载力

460Kpa隧道覆土厚度(m)

16.058备注

1993年建造建筑物名称盛京旅游文化广场线路通过范围DK17+018~DK17+065与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式

3层砖混结构基础类型及其它基础不详地基承载力

400Kpa隧道覆土厚度(m)

17.888备注

建筑物名称文轩阳光园线路通过范围DK17+170~DK17+240与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式

6层基础类型及其它挖孔桩最深9米，桩径0.8-1.2米地基承载力

400Kpa隧道覆土厚度(m)

20.965备注

2001年修建建筑物名称紫金商厦线路通过范围DK17+280~DK17+360与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式地上7层，地下1层基础类型及其它桩基类型不详，桩基础底标高为39米，距离隧道顶约12.5m地基承载力

400Kpa隧道覆土厚度(m)

21.968备注

1993年修建建筑物名称文化大楼线路通过范围DK17+385~DK17+422与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式

4层，局部5层基础类型及其它桩基类型不详，桩基础底标高为37.4m，距离隧道顶约11.1m地基承载力

400Kpa隧道覆土厚度(m)

21.968备注

1993年修建建筑物名称沈阳春天线路通过范围DK17+660~DK17+710与隧道的关系左线旁建筑物结构形式地上7层，地下2层基础类型及其它人工挖孔桩，桩长10m地基承载力

540Kpa隧道覆土厚度(m)

20.171备注

1993年修建，底部有防空洞区间隧道穿越越中街路的步步行街，长约约298.2m，右线隧道从从步行街南边边房屋底穿过过，左线从步步行街街中心心穿过，左线线距离北边房房屋基础最小小6.23m（沈洲商场）），距离南边边房屋最小5.54m。因此右线隧隧道掘进通过过步行街影响响最大的是南南边的房屋建建筑。工程特点分为圆砾层，富含地下水构筑物，控制地表沉降要求高

本段施工又不同于一般圆砾层的盾构施工，主要有以下几个特点，根据此特点，我们制定了一些针对性措施。2.3工程特点

下穿建筑物沉降的控制安全评估合