盾构法隧道施工原理、常见难点和问题

盾构法隧道施工原理、常见难点和问题谈家龙

目录一、盾构法隧道施工发展历史二、盾构法隧道施工原理三、盾构法隧道施工流程四、盾构法隧道施工关键要素五、盾构法隧道施工常见难点和问题六、结语一、盾构法隧道施工的发展历史起源概念与分类盾构工法在中国发展趋势（一）起源1818年，英国工程师布鲁诺尔(M.I.Bruner)，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利。1825年，他第一次在伦敦泰晤河下开始用一个断面高6.8m、宽11.4m的矩形盾构修建隧道。1843年，经过18年施工，完成了全长1100m的第一条盾构法隧道。1828年1月12日泰晤河水涌入盾构机（二）概念与分类盾构机(ShieldMachine),是一种全封闭的隧道掘进设备,主要由掘进系统、同步注浆系统、出渣系统、渣土改良系统、拼装系统、密封系统、导向系统等组成，利用衬砌管片提供反力,不能连续掘进。隧道掘进机(TunnelBoringMachine),简称TBM，硬岩掘进机,部分封闭,围岩暴露并可提供反作用力,可连续掘进。（二）概念与分类“盾”——“防御、保护”，指刀盘、盾壳；“构”——“构筑、修建”，即管片衬砌和注浆；指使用盾构机，一边保持开挖面及围岩稳定，一边进行开挖面土体掘进、出渣，同步实施管片背后注浆，在盾尾内拼装管片形成衬砌，从而在最大减少扰动围岩条件下修建隧道的方法。

（二）概念与分类1.按照开挖面平衡方式分为：土压平衡式，适用于各种土层、岩层等复合地层；泥水平衡式，适用于含水砂层以及软流塑、流动性等软弱地层；对地面沉降要求高的项目；复合式，适应性更广（二二））概概念念与与分分类类2.按照照直直径径大大小小分分为为：：巨型型盾盾构构，，大大于于12米；；15.43、14.9米；；常规规盾盾构构，，大大于于6米；；6.28、6.34、6.68米；；微型型盾盾构构，，小小于于3米。。0.15到3米。。（二二））概概念念与与分分类类3.按照照开开挖挖面面敞敞开开程程度度分分为为：：全敞敞开开式式，，手手掘掘式式、、半半机机械械式式、、机机械械式式半敞敞开开式式，，半半挤挤压压、、全全挤挤压压、、网网格格式式全封封闭闭式式，，土土压压、、泥泥水水、、复复合合式式（二二））概概念念与与分分类类4.按照照断断面面形形式式分分为为圆形形盾盾构构矩形形盾盾构构异形形盾盾构构（（双双圆圆、、三三圆圆、、球球形形））（三三））盾盾构构工工法法在在中中国国北京京地地铁铁上海海地地铁铁广州州地地铁铁其它它城城市市北京京地地铁铁2000年9月，，北北京京地地铁铁五五号号线线雍雍和和宫宫站站至至北北新新桥桥站站区区间间首首次次采采用用盾盾构构法法施施工工。。2000年-2014年，，高高速速发发展展期期。。建建成成运运营营17条线线路路，，总总长长527公里里。。日日均均客客流流约约1000万人人次次。。是是国国内内最最繁繁忙忙的的轨轨道道交交通通系系统统。。根据据线线网网规规划划，，2020年将将建建成成30条线路，运营营里程超过1000公里。上海地铁1994年，上海延安安东路南线隧隧道首次使用用土压平衡盾盾构机施工。。2003年上海隧道股股份设计制造造第一台国产产盾构机。截至2014年，共建成运运营14条线路，总计计525.2公里。根据线线网规划，2017年总里程689公里，2020年总里程808公里。广州地铁1995-1999年1号线建成运营营；首次引入入盾构法进行行隧道施工。。1999年以后，2、3、4号线大量采用用盾构法隧道道修建；2010年高峰期，75台盾构同时掘掘进。截至2014年，共有9条营运路线（（1号线、2号线、3号线、4号线、5号线、6号线、8号线、广佛线线及APM线），总长为为260.5公里。2017年底，将新建建10条线路，260公里新线。总总里程超过500公里。其它城市国内目前地铁铁已经开工的的共23个城市，国务务院批准的有有33个城市，国内内地铁建设趋趋势由中心城城区向四周辐辐射，十二五五期间将是地地铁建设发展展高潮期。国内城市轨道道交通建设盾盾构工法的使使用比例已经经超过85%。（四）发展趋趋势超大直径复合型大深度、大坡坡度、小曲率率二﹑盾构法隧道施施工原理盾构法隧道施施工的工作原原理盾构法隧道施施工的特点盾构法隧道施施工的优点盾构法隧道施施工的缺点（一）盾构法法隧道施工工工作原理盾构机千斤顶顶利用已成型型管片提供反反力，向前施施加推力，利利用刀盘旋转转切削掌子面面土体（保持持土仓压力）），通过螺旋旋输送机（管管道）把渣土土输送出来，，拼装机拼装装管片形成衬衬砌，管片背背后同步注浆浆，形成永久久结构。土压平衡盾构构机工作原理理示意图泥水盾构机工工作原理示意意图（二）盾构法法隧道施工的的特点地下施工，必必须面对复杂杂的地质条件件和敏感的地地面环境。所用设备集成成度高，技术术含量高，对对人的要求较较高。涉及的专业领领域较多，对对复合型人才才有较多需求求。（三）盾构法法隧道施工的的优点高效率。机械械化作业程度度高，施工速速度快，采用用预制管片衬衬砌，一次成成型，施工质质量易于控制制。经济效率率显著。高安全。施工工作业环境好好，施工人员员安全得到有有效保障。对对周围环境影影响小，地表表沉降易于控控制。高适应。不影影响地面交通通，不影响航航运通航，不不受风雨等气气候条件影响响。不受地质质限制。（四）盾构法法隧道施工的的缺点盾构机制造周周期长，设备备投入较大；；准备难且费用用高，短距离离隧道不经济济；小曲线隧道施施工较为困难难，施工质量量得不到保障障；浅埋隧道覆土土太浅，盾构构法施工难度度很大；施工过程变化化断面尺寸困困难；三、盾构法隧隧道施工流程程总体流程：盾盾构法施工总总体流程局部流程：盾盾构机掘进流流程（一）总体流流程始发井（车站站）交付使用用→盾构托架架就位→盾构构机下井组装装、调试、验验收→初始掘掘进（L=80-100米）→负环拆拆除及其它调调整（换装））→正常掘进进→盾构机到到达中间站→→盾构机通过过中间站→盾盾构机再次组组装、调试、、验收→盾构构机再次初始始掘进→正常常掘进→盾构构机到达终点点站→盾构机机解体外运→→隧道清理、、管片修补、、堵漏→工程程验收。盾构机下井盾构机就位调试初始掘进正常掘进到达车站过站再次始发到达终点站盾构机解体外运负环拆除始发端头加固反力架安装洞门密封圈安装洞门围护墙凿除到达端头加固洞门密封圈安装盾构机托架再次就位调试始发井中间站到达站盾构法隧道施施工流程图（二）局部流流程准备工作（风风、水、电、、浆液、渣车车、管片）→→启动液压系系统→启动动刀盘→启启动次级渣土土运输系统（（皮带机）→→启动推进千千斤顶→启动动首级渣土运运输系统（螺螺旋机）→同同步注浆→停停止掘进→安安装管片→准准备下一环掘掘进。开挖→出土→→注浆→拼装装四盾构法隧隧道施工关键键要素研究对手，地地质研究兵器，盾盾构机研究招式，技技术（一）研究对对手，地质（二）研究兵兵器-盾构机系统总总成（二）研究兵兵器-盾构机系统总总成（二）研究兵兵器-盾构机系统总总成（二）研究兵兵器-盾构机系统总总成1掘进系统2同步注浆系统统3出渣系统4管片拼装系统统5导向系统6密封系统7渣土改良系统统8风、水、电、、气系统9管片管片型式主要参数连接方式防水材料管片选型盾构隧道管片片衬砌构造示示意图（三）研究招招式盾构机操作技技术盾盾构机过过站技术管片选型技术术端端头地地层处理技术术盾构机测量导导向技术隧隧道防水技术术管片背后回填填注浆技术其其它它技术盾构机始发掘掘进技术盾构机到达技技术1盾构机的操作作技术做好操作前的的准备工作严格按操作规规程进行操作作按照操作指令令的控制掘进进参数(刀盘转速﹑扭矩﹑土仓压力﹑推力﹑掘进速度﹑铰接角度﹑注浆压力等)对线路特点﹑工程地质和地地面的环境状状况有充分认认识对异常情况要要及时采取措措施并上报2管片选型技术术管片的类型管片的尺寸及及分块管片的连接接型式转弯环的楔楔形量管片选型应应遵循的原原则:管片跟着盾盾构走管片选型的的考虑因素素:盾尾间隙﹑千斤顶行程程差﹑铰接角度﹑盾构机姿态态趋势重要性:决定隧道的的质量(尤其是防水水质量)3盾构机导向向技术主流VMT导向系统4管片背后注注浆技术注浆的目的的注浆的方式式浆液的种类类注浆参数选选择(压力、数量量、强度））5盾构机始发发掘进技术术始发托架的的定位安装装盾构机、后后续台车的的下井组装装反力架的安安装洞门密封环环板的安装装洞门围护结结构的凿除除盾尾密封油油脂的涂抹抹负环管片的的安装6盾构机到达达技术到达阶段的的贯通测量量到达接收托托架的安装装洞门密封环环板的安装装洞门围护结结构的凿除除到达段管片片的安装﹑紧固和补充充注浆7盾构机过站站、过隧道道技术移动托架过过站滚轴法过站站盾构机整体体吊装过站站利用永久管管片过隧道道利用临时管管片过隧道道8端头地层处处理技术端头地层处处理的目的的端头地层处处理的主要要方法9隧道防水技技术管片的自防防水(抗渗等级)管片接逢止止水条的形形式和种类类嵌缝和手孔孔封堵堵漏和缺陷陷修补10其它技术刀具更换技技术发泡剂注入入技术使用泡沫处处理过的软软土没有使用泡泡沫处理的的软土五常见见难点和问问题软弱含水地地层且地面面沉降控制制要求高（（塌陷）富水地层（（如穿越江江河或断层层带）（喷喷涌）掘进断面内内地层软硬硬相差悬殊殊（管片上上浮）土质粘性大大易结泥饼饼（刀具磨磨损）设计线路复复杂五常见见难点和问问题隧道内有建建筑物桩基基等