盾构施工技术

盾构施工技术第1页/共105页

一、盾构外径D

盾构外径D根据管片外径、盾尾空隙、盾尾板厚确定。

D=D0+2(x+t)

式中D0——管片外径；

t——盾尾钢板厚度，根据经验公式选用t=0.02+0.01(D-4),

当D＜4m时，第二项为0；即当D＜4m时，t=20mm；当D=10m时，t=80mm。

x——盾尾空隙。管片组装时富裕量，x=0.01D0～0.008D0，根据日本经验，x=20～30mm。第2页/共105页第3页/共105页二、盾构长度L盾构长度L——盾构前端至后端的最大距离，即全长。盾构本体长Lm——盾构壳体范围内的盾构长度。

Lm=LH+LG+Lr式中LH——切口环长度，LH=L1+L2

L1——切口环前檐长度，取300～500mm。

L2——开挖所需长度，（能容纳开挖机具）一般小于2m。第4页/共105页

LG——支撑环长度，取决于千斤顶长度（与管片宽度b有关）；

LG=b+(200～300mm)，

200～300mm——为便于维修千斤顶的富余量。

Lr——盾尾长度，Lr=kb+m+c

式中k——盾尾遮盖衬砌长度系数，取1.3～2.5；

m——千斤顶尾座长度；

c——管片安装富余量，取200～300mm。第5页/共105页第6页/共105页三、盾构灵敏度Lm/D盾构灵敏度——从盾构结构上保持或改变掘进方向的难易程度。采用Lm/D表示。保证盾构灵敏度和推进稳定性的经验数据（灵敏度）:小型盾构：D=2～3m时，Lm/D=1.5中型盾构：D=3～6m时，Lm/D=1.0大型盾构：

D=6～9m时，Lm/D=0.75特大型盾构：D=9～12m时，Lm/D=0.45～0.75第7页/共105页四、千斤顶推力的确定千斤顶群推力应足以克服盾构推进所遇阻力。设计推力——盾构推进所遇各种阻力总和。装备推力——各种推进阻力总和以及富裕量。1、推进阻力主要包括：1）盾构壳体与地层间的摩擦力或粘结力F1；2）切口环切入土层产生的贯入阻力F2

；3）开挖面正面阻力F3

：对机械化开挖盾构，

F3

为作用于刀盘的推进阻力；4）曲线施工、纠偏时的变向阻力F4

；5）盾尾板与衬砌间的摩擦阻力F5；6）盾构后面平台车的牵引阻力F6

；第8页/共105页2、设计推力

盾构千斤顶推进阻力总和∑F∑F=F1+F2+F3+F4+F5+F6

砂性土；粘土。第9页/共105页——钢与土的摩擦系数；

——钢与钢或砼的摩擦系数；

——车轮与钢轨间的摩擦系数；G1——盾构重量；G2——衬砌重量；G3——平台车重量；Pm——作用在盾构上的平均土压力；Pf——开挖面正面阻力；C——土的粘结力；Kp——被动土压力系数；R——地层抗力；u——开挖面周长；第10页/共105页t——切环刀口贯入深度；S——阻力板（与盾构推进方向垂直伸出的板，以控制盾构方向）在推进方向的投影面积。可用F1+F3定义设计推力

因为，F1、F3占总推力的95—99%。3、装备推力Fe盾构装备推力必须大于各种推进阻力总和(即设计推力)。（1）根据设计推力和安全系数确定FeFe=A·∑FA——安全系数，通常取2。第11页/共105页（2）经验估算法根据盾构外经和经验推力估算。

Fe=0.25πD2P

式中：P——开挖面单位面积经验推力。

P=700KN/m2~1100KN/m2(人工、半机械化)P=1000KN/m2~1300KN/m2(闭胸式，土压、泥水加压平衡式)第12页/共105页4、千斤顶数量、每个千斤顶推力与断面大小有关。千斤顶数量N估算公式

N=(D/0.3)+(2~3)

中小断面：20~30台，600~1500KN/台大断面：31~40台，1600~2500KN/台例：（1）上海打浦路隧道D=10.2m，重量400t，

40台，2000KN/台，总推力8000t；（2）上海延安东路隧道D=11.26m，重量

480t，40台，2200KN/台，总推力8800t。第13页/共105页第五节隧道衬砌一、衬砌结构根据隧道功能、外围土层特点、隧道受力等条件，隧道衬砌结构分为：11等分管片拼装图单层结构双层结构1、单层结构

预制管片装配式，隧道掘进时，随掘随装。施工工艺简单，施工周期短，投资省。优先采用。第14页/共105页第15页/共105页二次衬砌的实例2、双层结构

在管片衬砌内再整体套砌一层混凝土（或钢筋混凝土）内衬（二次衬砌）。多用于管片补强、防蚀、防渗、矫正中心线偏离、防震、使内表面光洁、隧道内部装饰。

第16页/共105页按隧道使用要求，二次衬砌分为：浇注底板混凝土浇注1200下拱混凝土浇注2400下拱混凝土浇注全内衬混凝土。第17页/共105页二、隧道衬砌管片类型1、按管片材料分类（1）铸铁管片——成本高、脆。应用少。（2）钢管片——成本高、易锈蚀、变形。做临时衬砌（主隧与旁侧通道相接处）。（3）钢筋混凝土管片(RC管片)——易加工、耐腐蚀、造价低、运输安装易损坏。广泛应用。C40以上。（4）复合管片——钢壳混凝土管片(SSPC)

扁钢加筋混凝土管片(FBRC)

用于矩形、椭圆形等特殊断面。（5）挤压混凝土衬砌——盾尾现浇混凝土衬砌。施工速度快、防水效果好、造价低。应用少，发展方向。第18页/共105页2、按管片位置不同分类标准管片——若干块，两侧直边。邻接管片——封顶管片两侧各1块，标准管片侧直边，封顶管片侧斜边封顶管片——1块，两侧均为斜边楔形管片——转弯时用第19页/共105页上海地铁隧道外径6.2m，环宽1m，管片厚0.35m，由6块管片拼装而成。第20页/共105页平板式管片（标准片）第21页/共105页平板式管片（封顶管片、邻接管片）第22页/共105页3、按形状分类（1）箱型管片——由主肋、接头板或纵向肋构成的凹形管片。（2）平板型管片——具有实心断面的弧板状管片。第23页/共105页三、钢筋混凝土管片尺寸与制作1、管片几何尺寸考虑因素（1）运输能力——水平运输、垂直运输（2）拼装机举重臂能力（3）盾构千斤顶行程大小2、管片宽度（衬砌环宽度）BB=750~1500mm，1000mm左右第24页/共105页3、管片厚度δ根据隧道直径、埋深、围岩荷载、施工荷载、材质等因素确定。一般δ=0.04~0.06D当D≤6m时，δ=250~350mm当D＞6m时，δ=350~600mm4、管片最大弧弦长度：小于4m第25页/共105页◢管片钢筋笼制作高精度管片钢模◣第26页/共105页第27页/共105页◢高精度钢筋混凝土管片管片堆放及防水条、衬垫◣第28页/共105页四、衬砌环管片数量

与隧道直径D有关。小直径D=3m左右，4块中直径D=6m左右，6~8块大直径D=10m左右，8~10块五、管片拼装形式1、通缝拼装——施工简单，用于主隧道完工后需建旁侧通道，便于拆卸管片。常用。2、错缝拼装——空间刚度好，结构变形小，应优先采用。但应用较少。第29页/共105页上海地铁隧道直缝拼装第30页/共105页南京长江隧道错缝拼装第31页/共105页南京长江隧道错缝拼装第32页/共105页武汉长江隧道错缝拼装第33页/共105页武汉长江隧道错缝拼装第34页/共105页◢管片试拼装隧道拼装作业◣第35页/共105页9.4双圆隧道结构试验第36页/共105页

第六节盾尾建筑空隙注浆盾尾建筑空隙=管片和土体之间的建筑空隙一、注浆的作用1、防止和减少地面沉降；2、改善衬砌受力状态；3、提高衬砌防水抗渗能力。第37页/共105页二、注浆浆液的选择1、壁后注浆主要材料水泥、石灰膏、黏土、粉煤灰、黄沙、水玻璃等。2、浆液选择考虑的因素土质条件、工法的种类、施工条件、价格等因素。应在掌握浆液特性的基础上，按实际条件选用最合适的浆液材料。第38页/共105页（1）双液型浆液——根据施工经验，在地层不稳定、易塌方的砂砾层和的砂层时，同步注浆，60%使用双液型浆液（瞬凝型浆液）；淤泥层、黏土层中使用双液型浆液的小于50%；砂层、淤泥层，使用砂浆中添加纸浆纤维的浆液比例占10%（速凝）。（2）单液型浆液——土体稳定，无须壁后注浆一定与掘进同时进行。对于砂砾层地下水含量大的地层来说，应选定不易被水稀释的浆液。第39页/共105页目前施工中使用最多的石灰膏浆液材料配合比见表

注浆材料配合比(体积比)序号石灰膏黏土磨细粉煤灰黄砂原状粉煤灰水玻璃111～23～44～50.04～0.08214～54～5310.62.620.125第40页/共105页三、注入时期和注入方法1、壁后注浆的最佳注人时期应在盾构推进的同时进行注入或者推进后立即注入；2、注入的宗旨必须完全填充空隙；3、确定注人工法的先决条件地层的土质条件。对易坍塌的均粒系数小的砂质土和含黏性土少的砂、砂砾及软黏土，必须在尾隙产生的同时，对其进行壁后注浆。当地层土质坚固、尾隙的维持时间较长时，不一定在产生尾隙的同时进行壁后注浆。第41页/共105页四、充填盾尾空隙的注浆方法

1、同步注浆：在盾构尾部外壳上设2~6根同步注浆管,在盾构推进的同时进行注浆充填空隙。2、壁后注浆：在管片上留有注浆孔,随时可进行壁后注浆。自下而上，左右对称，避免单孔超压注浆。盾尾同步注浆管和壁后注浆孔示意图第42页/共105页

五、注入量和注入压力1、注入量——使用双液型浆液时，注入量多为理论空隙量的150%～200%，也少量有超过250%的情况。注入量原则——必须能很好地填充尾隙。壁后注入量影响因素——渗漏损失、压力大小、土层性质、超挖、壁后注浆的种类等，这些因素的影响程度目前尚不明确。施工中如果发现注入量持续增多，必须检查超挖、漏失等因素。而注入量低于预定注入量时可能是注入浆液的配比、注入时期、注入地点、诸如机械不当或出现故障所致，必须认真检查并采用相应的措施。第43页/共105页2、壁后注浆压力——大致等于地层阻力强度加上0.1～0.2Mpa，一般为0.2～0.4Mpa。二次注浆的压力要比先期一次注入的压力大0.05～0.1Mpa，并以此作为压力管理的标准。地层阻力强度是地层的固有值，它是浆液可以注入地层的压力最小值。地层阻力强度因土层条件及掘削条件的不同而不同，通常在0.1～0.2Mpa以下，但也有高到0.4Mpa的情形。第44页/共105页六、二次注浆需要进行二次注入的情形主要有：①一次注入后未充填到部位的完全充填；②一次注入浆液的体积缩减部分的补充注入；③为了提高抗渗透等施工效果而进行的注入。七、注浆设备壁后注浆设备——材料储存设备、计量设备、搅拌机、贮浆槽（料斗、搅拌器）、注浆泵（压送泵、注入泵）、注入输浆管、注入控制装置、记录装置等构成，随注入方式的不同其构成也不同。第45页/共105页注浆设备：压浆可用往复活塞泵、单轴螺杆泵等。注浆泵、储浆泵等均放在盾构后车架。盾构后车架上的注浆设备第46页/共105页第47页/共105页第48页/共105页第七节盾构法施工的出洞进洞技术出洞——盾构机从始发工作井开始向隧道内推进时叫出洞；进洞——盾构机从隧道内到达接收井时叫进洞；盾构机出洞、进洞是盾构法施工的重要环节。需确定的技术方案包括：工作井设计与施工工作井洞门的形式洞门的加固洞内设备布置等.第49页/共105页盾构进洞盾构出洞第50页/共105页一、盾构机工作井1、工作井为便于进行盾构安装和拆卸，在盾构施工段的始端和终端，建造的竖井或基坑。始发工作井在盾构施工的始端，满足盾构掘进机安装和出洞施工的要求，并用于运送人员、管片、材料、设备、出渣。接收工作井在盾构施工的终端，盾构隧道掘进完成后进入接收井,满足盾构拆卸或转场吊装移位的工作空间要求。第51页/共105页井下安装盾构盾构推进进洞第52页/共105页2、工作井建筑尺寸作为拼装和拆卸用的竖井，其建筑尺寸应根据盾构拼装、拆卸及施工来确定，满足盾构装、拆的施工工艺要求。始发工作井井宽B=D+1.5~2.0，D为盾构直径；井长A=(1.5~2.0)Lm，主要考虑盾构设备安装余地，以及盾构出洞施工所需最小尺寸（初始出渣等所需空间）。接收工作井盾构拆卸井要满足起吊、拆卸工作的方便，其要求一般比拼装井稍低。第53页/共105页3、盾构基座位置——置于工作井的底板上。作用——安装及搁置盾构；通过基座上的导轨为盾构出洞导向。基座结构——钢筋混凝土(现浇或预制)；钢结构（常用）。导轨夹角——一般为60°～90°。钢结构基座第54页/共105页盾构基座布置示意图第55页/共105页第56页/共105页4、盾构后座（后盾）盾构后座——盾构刚开始向前推进(出洞)时，其推力要靠工作井后井壁来承担，盾构与后井壁之间的传力设施称为后座。后座形式——通常由隧道衬砌管片或专用顶块和顶撑作后座。专用工作井的后座形式——由后盾环和细石混凝土组成，盾构掘进的轴向力由其传递至井壁上。利用地铁车站作为工作井的后座形式——由后盾环、3榀56#工字钢柱和609mm钢管支撑组成，盾构掘进的轴向力由其传递至站台的顶板、底板上。第57页/共105页

专用工作井时的后座形式1--工作井井壁；2—盾构后座管片；3--盾构基座；4--盾构第58页/共105页利用地铁车站时的盾构后座形式第59页/共105页后座特点——不能是整环，应有开口，以作垂直运输通口；开口尺寸由盾构施工的时进出设备材料尺寸决定；在第一环(闭口环)上都增加后盾支撑，确保盾构顶力传至后井壁。后座拆除——当盾构向前掘进达到一定距离（一般不小于200m），盾构顶力可由隧道衬砌与地层间摩阻力来承担时，后座即可拆除。第60页/共105页第61页/共105页二、盾构出洞、进洞方式临时基坑法、逐步掘进法、工作井法。

1、临时基坑法在采用板桩或大开挖施工建成的基坑内，先将盾构安装、后座施工及垂直运输出入通道的构筑完成，然后把基坑全部回填，将盾构埋置回填土中，仅留出垂直运输出入通道口，并拔除原基坑施工的板桩，盾构就在土中进行推进施工。此种方法没有洞门拆除等问题，一般只适用于埋置较浅的盾构始发端。第62页/共105页2、逐步掘进法

用盾构法进行纵坡较大的、与地面有直接连通的斜隧道施工时，其后座依靠已建敞开式引道来承担，盾构由浅入深进行掘进，直至盾构全部进入土层。这种方法并没有盾构出洞、进洞的技术问题，技术关键是盾构在逐渐变化深度中，施工的轴线控制。第63页/共105页第64页/共105页3、工作井法在垂直工作井上预留洞口及临时封门，盾构在井内安装就位。所有掘进准备工作结束后，即可拆除临时封门，使盾构进入地层。目前使用较多。

竖井施工方法——沉井法、地下连续墙围护、钢板桩围护、高压旋喷桩围护、冻结法。

竖井或基坑位置——应尽量结合隧道规划线路上的通风井、设备井、地铁车站、排水泵房、立体交叉、平面交叉、施工方法转换处等需要来设置。第65页/共105页三、临时封门临时洞门——盾构施工隧道时，为确保洞口暴露后正面土体的稳定和盾构能够准确进洞、出洞，在工作井施工的同时，预留出来的隧道口，叫做临时洞门。临时封门——临时封闭的洞门。常用的临时封门形式按设置位置分有内封门和外封门；按结构形式分有钢结构形式和砌体形式。第66页/共105页第67页/共105页四、洞门土体加固盾构出洞、进洞门的施工，合理选用洞门结构形式；洞外土体加固（直径大、土质差、隧道深）。洞外土体自立稳定时，可不进行加固，盾构进出洞前拆除封门即可；洞外土体不稳定时，应提前加固洞口土体，防止泥水涌入。第68页/共105页1、土体加固方法土体常用加固方法——深层搅拌桩法、降水法、冻结法和注浆法等。（1）搅拌桩法——是软土地基加固和深基坑围护中的常用方法。施工机具简单、操作方便、造价低，尤其适用于施工场地较小的地方。（2）注浆法——将水泥浆液或化学浆液注入地层进行加固的方法，对含水丰富的砂土层较为有效。第69页/共105页（3）降水法——是一种比较有效的、经常采用的加固方法。比较适用于含水丰富的流沙质土体。降水法对地面沉降影响较大，故在地面建筑密集的地方不宜采用。（4）冻结法——用冻结法加固盾构进出洞洞口时，一般采用垂直冻结法，即在盾构进出洞口上部的土体内布置一定数量的冻结孔，经冻结后，在洞门处形成板墙状冻土帷幕来抵御盾构进出洞破壁时的水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井内。第70页/共105页第71页/共105页盾构进、出洞冻结加固模拟试验第72页/共105页

2、土体加固范围应为盾构推进过程中，周围土体受到扰动、易出现塑性松动变形的范围。加固范围——径向厚度、纵向厚度。（1）径向加固厚度——一般为2～4m，根据土层情况和加固方法确定。上海大连路隧道采用冻结法加固，厚度为2.5m；化学注浆加固时为1.5～2.5m。（2）纵向厚度——根据水土压力进行计算，考虑一定的安全系数。冻结法加固，纵向厚度为1～3m；注浆加固更厚些；其他方法可根据经验取盾构长度再加长lm左右。第73页/共105页土体在深度上的加固范围——全深加固、局部加固。全深加固是隧道口上部一直到地面的土层全部加固；局部加固是只对盾构周围须穿透的土层进行加固，其他土体不进行加固。加固深度与加固方法和隧道的埋深有关降水法和深层搅拌柱法一般为全深加固，注浆法一般为局部加固，冻结法可全深加固也可