盾构法隧道施工工艺及管片拼装方法[详细]

1、盾构法隧道施工工艺及管片拼装方法,盾 构 施 工 技 术,目录 1.1 关于地下建筑空间施工的几个概念 1.2 TBM和盾构机的具体区别 2.1 盾构法施工技术 2.2 盾构机械设备 3 盾构法隧道施工工艺,1.1关于地下建筑空间施工的几个概念,明挖法：也称挖盖法 暗挖法：也称矿山法,钻爆法等 浅埋暗挖法： 盾构法： 沉井法： 沉管法： 顶管法： 地下连续墙法： TBM法：,(1)明挖法地下结构施工示意图,(2)暗挖法地下结构施工示意图,一般坚硬岩层中的隧道均采用该方法施工,(3)浅埋暗挖法地下结构施工示意图,一般用于城市交通繁忙地带,不允许中断交通,且地质条件又较差的地段,武汉市的地下过街通

2、道大多采用该法施工,如武汉广场、武汉会展中心、洪山广场过街通道等,(4)盾构法地下结构(隧道)施工示意图,盾构法隧道施工适用于软土地区埋深大的隧道工程,可穿越江河、湖泊、海底、地面建筑物和地下管线密集区的下部,(5)沉井法地下结构施工示意图,沉井结构用途十分广泛,主要用于点式地下建筑工程：如自来水厂、电厂和化工厂的水泵房、地下沉淀池和水池、地下热电站、地下油库、地下车间和地下仓库等,此外,也可用作地铁、水底隧道等各种设备井、通风井、盾构拼装井、车间和区间段连续沉井等 ,(6)沉管法地下结构施工示意图1,(6)沉管法地下结构施工示意图2,沉管法一般用于水下隧道施工,目前国内已建成的最大的沉管隧道

3、是上海外环越江隧道,总长2880m(沉管段长736m),双向8车道,(7)顶管法地下结构施工示意图,顶管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地带的地下工程,其长度、断面尺寸均受到较大限制,国内最长的顶管隧道是西气东输工程穿越黄河的隧道,长度近3000m,直径约2m,(8) 地下连续墙法施工示意图,地下连续墙法可用于点式、条式地下工程的施工,如上海、广州大部分地铁车站均采用该法施工,其特点类似于明挖法,但比明挖法占用场地小,对周围环境影响较小,且造价相对较低,(9)TBM法地下结构施工示意图,目前国内,习惯上将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM,将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机,归类还是同在掘进机

4、门下,1.2TBM和盾构机的具体区别？,1.适用的工程不一样,TBM用于硬岩,盾构机用于土层的挖掘, 2.两者的掘进,平衡,支护系统都不一样, 3.TBM比盾构技术更先进,更复杂, 4.工作的环境也不一样,TBM是硬岩掘进机,一般用在山岭隧道或大型引水工程,盾构是软土类掘进机,主要是城市地铁,及小型管道, 其实 TBM和盾构除了这些本质的差别外,笼统的来说,都是一样,都是隧道全断面掘进,只是不同的工作环境应用不同的机械罢了,2.1盾构法施工技术,盾构(shield)是一种钢制的活动防护装置或活动支撑,是通过软弱含水层,特别是河底、海底,以及城市居民区修建隧道的一种机械, 头部可以安全地开挖地层

5、 ,尾部可以装配预制管片或砌块,迅速地拼装成隧道永久衬砌, 盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶,概述,适用条件,在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义,特别是该施工方法属地表以下暗挖施工,不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响,优点： 安全性、高效率、危害小、经济性 缺点： 重复利用率低、施工复杂、适用性受限、工作条件差、地表变形不易控制,盾构优缺点,盾构隧道的历史,用盾构法修建隧道开始于1818年 ,法国工程师布鲁诺尔； 1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道 ； 近代,日本盾构法得到了迅速发展,用途越来越广,并研制了大量新型盾

6、构； 我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构 ； 上海市延安东路过江道路隧道使用11.0 m直径的大盾构；,盾构按形状分类,大致有圆形(又称半盾构)、矩形、马蹄形等几种, 圆形因其抵抗水土压力较理想,衬砌拼装简便,构件可以互换,较为通用,数量最多, 圆形盾构中,敞胸盾构和闭胸盾构两大类, 按开挖方式分为：人工挖掘式、半机械挖掘式、机械挖掘式,一、盾构机定义 二、盾构机构造 三、盾构机分类及型式 四、盾构配套设施,2.2盾构机械设备,盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械,现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体,具有开挖切削土体、输送土碴、同步衬砌注浆、拼装隧道衬砌管片

7、、测量导向纠偏等功能,涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术,而且要按照不同的地质进行“定制式”的设计制造,可靠性要求极高,盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、地下公路、城市市政、水电等隧道工程,一、盾构机定义,二、盾构机构造,盾构机是在钢壳体的保护下,进行地下隧道工程掌子面开挖及衬砌连续作业,并依靠钢壳体内千斤顶的推力向前推进,盾构机主要由切削刀盘、前部盾体、连接桥架、后配套台车等部分组成,切削刀盘根据工程地质情况选择不同型式、配置相应刀具；前部盾体由主驱动系统、推进系统、渣土输送系统、管片拼装系统、同步注浆等系统组成；后配套台车主要为前部盾体内各系统配置动力源以及水、

8、电、气、液、测量与监测等辅助施工系统和人工操作系统；连接桥架是前部盾体和后配套台车的连接桥梁,各系统的动力通过桥架上的管线路从后配套台车提供给前部盾体内的执行元件,切削刀盘,面板式刀盘,辐条式刀盘,前部盾体,主驱动系统、推进系统、渣土输送系统、管片拼装系统、同步注浆等系统,后配套台车,主要配置盾构机各系统所需的动力源以及水、电、气、液、测量与监测等辅助施工系统以及人工操作等系统,三、盾构机分类及型式,开敞式,土压平衡式,泥水式,泥土加压式,复合式,岩石盾构,盾构机分类,不同型式的盾构机,适应不同工程的需要,圆形盾构,双圆盾构,矩形盾构,椭圆形盾构,球形盾构,异型盾构,多联盾构,子母盾构,转向盾

9、构,浆液 搅拌站,盾构配套设施与盾构机组成完备的施工系统,水平运输系统 电机车,垂直运输系统 龙门吊,地面监控室,管片生产厂,盾构配套设施,碴土坑,现场管片 堆放场,风、水、电、照明,一、盾构法的由来 二、土压平衡盾构法施工工艺,3.1盾构法隧道施工工艺,盾构法于19世纪初起源于欧洲,受启发于蛀虫挖洞,20世纪初日本引进盾构施工技术,并使其得以较大发展,上世纪60年代该技术引入中国,目前,日本及欧洲处于盾构技术的领先地位,随着盾构机制造业的发展和施工工艺的不断改进,逐步形成了比较完善的盾构系列施工工法, 近年来随着城市建设的发展,地下空间得到广泛的开发利用,盾构设备的自动化程度越来越高,其适用

10、性得以拓展,能够适用于多种地质条件和复杂环境条件,已在城市地铁、市政管道、地下公路、越江隧道等基础设施建设中得到广泛应用,一、盾构法的由来,目前在盾构工程中普遍采用的多为闭胸式盾构机,其中以泥水平衡式与土压平衡式盾构机最为普及,而且由于盾构工程大部分位于人口密集的城区,从减少施工污染、降低施工造价等多方面综合考虑,又以土压平衡盾构法施工为主,二、土压平衡盾构法施工工艺,土压平衡盾构法施工工艺流程,盾构施工工艺流程图(一个循环),盾渣 构土 掘排 进出,壁 后 同 步 注 浆,管 片 拼 装,始发台架图片,折叶式密封环,盾构机现场组装图片,盾构机主体组装过程,操作平台组装,螺旋输送机、整圆器组装

11、,桥架、皮带输送机、单轨梁、反力架的安装,反力架的结构型式,初始掘进,(1)洞口土体加固 (2)地面配套设施安装施工 (3)洞门范围内的钻孔灌注桩凿除 (4)始法台架安装 (5)盾构始发轨道铺设 (6)反力架安装 (7)洞门橡胶密封圈安装 (8)盾尾密封刷涂满密封油脂 (9)盾构机的联动调试满足要求 (10)临时管片准备就绪 (11)碴土运输准备工作就绪 (12)盾构机已准确定位 (13)自动导向系统安装、测试完毕 (14)初始掘进范围内的地面监测点已布设完毕并获得初始的数据 (15)供电系统(含备用电源)、给排水系统、通信系统等正常 (16)始发反力架和基准环已在始发井地面试拼装,在井下安装

12、时要经过精确定位测量,确保第一环临时管片的准确位置,-掘进前的准备工作,1、土压力的平衡(开挖过程控制) 2、进尺与出土量的平衡(即时控制) 3、注浆量与建筑孔隙量的平衡(填充控制) 4、盾构掘进参数变化量的平衡(掘进参数控制) 5、盾构与管片两者各项姿态间的平衡(轴线控制),通过盾构施工控制达到五种平衡状态,施工参数和开挖面稳定控制的好坏直接影响地表沉降大小、地下管线和地表建筑物的安全,因此施工中应对开挖面的稳定进行严格控制, 为了保证盾构机顺畅排土,需对掘削下来的土砂加泥或加化学泡沫等添加剂以控制土仓内土砂的塑性、流动性处于适当的范围内,以保证盾构机能够顺畅排土,开挖面稳定控制,管理重点：

13、 不同地层条件下进尺与出土量的平衡(即时控制),及时进行土质状态记录与分析,并及时调整每环总出土量,保证掘进过程中进尺与出土量的对应统一,出碴控制,在施工中实时进行施工数据采集,建立完善的信息化施工模式： 1、盾构机掘进参数的采集 2、盾构机导向数据的采集 3、施工监测系统 4、人工控制测量数据,盾构施工类似工厂流水线作业,因此施工中要求各环节紧密衔接,任何一道工序发生滞后,都将直接影响施工工效,或导致施工停止,因此应进行信息化施工管理,收集各阶段的施工参数,通过分析、归纳,在施工中不断对各种参数的设定进行优化,将会提高施工的质量、效率,盾构掘进参数控制-即信息化施工,地表沉降控制是盾构施工的

14、重点,及时的进行壁后注浆是有效控制地表沉降的措施之一,在壁后注浆施工中,由于盾构隧道穿越地层的多样性,注浆量变化幅度较大,因此采取以注入压力控制为主,兼顾注入量的方法进行注浆管理,注浆参数控制-注浆压力及注浆量平衡,注浆材料选用,壁后注浆浆液分为单液砂浆和双液化学浆液,单液砂浆浆液应具备以下性能： 1.具有良好的长时间稳定性及流动性,并能保证适当的初凝时间,以适应盾构施工以及远距离输送的要求, 2.具有良好的充填性能, 3.在满足注浆施工的前提下,尽可能早地获得高于地层的早期强度, 4.浆液在地下水环境中,不易产生稀释现象, 5.浆液固结后收缩率小,泌水率低, 6.原料来源丰富、经济,施工管理

15、方便,并能满足施工自动化技术要求, 7.浆液无公害,价格合理,通过施工测量以及盾构设备的自动导向系统,实时取得盾构的当前姿态,再通过盾构操作系统调整掘进控制,使盾构姿态保持在要求的偏差范围内；管片拼装前认真测量已经成环的管片姿态,根据盾构隧道曲线方向、推进千斤顶的行程差、盾尾间隙等条件合理选择管片类型,拼装过程中要注意保证管片的拼装质量满足要求,管理重点：盾构姿态；成环管片姿态；管片选型,隧道轴线控制,盾构掘进纠偏施工过程,已建隧道,设计轴线,盾构机,纠偏曲线,盾构方位,纠偏曲线隧道,六、盾构机接收及解体,盾构接收施工流程图,1、根据盾构机的贯通姿态及掘进纠偏计划进行推进,纠偏要逐步完成,每一

16、环纠偏量不能过大, 2、在盾构机距离端头墙50米时, 选择合理的掘进参数,逐渐放慢掘进速度,逐渐降低推力,缓慢均匀地切削洞口土体,以确保到达围护桩和墙体的稳定和防止地层坍塌, 3、加强地表沉降监测,及时反馈信息以指导盾构机掘进, 4、在拼装的管片进入加固范围后,浆液改为快硬性浆液,提前在加固范围内将泥水堵在加固区外,当最后一环管片拼装完成后,通过管片的二次注浆孔,注入双液浆进行封堵, 5、由于盾构到站时推力较小,致洞门附近的管片环与环之间连接不够紧密,因此作好后20环管片的螺栓紧固和复紧工作,防止管片松弛而影响密封防水效果,盾构到达施工技术措施,隧道剖面图,1-进风道；2-进风口；3-排风口；

17、4-排风道；5-路面(下拉杆) 6-天棚(上拉杆)；7-吊杆；8-照明灯；9-灭火器；10-消防栓； 11-电缆；12-排水管；13-给水管；14-纵向螺栓；15-环向螺栓,盾构的基本构造,1-1 (切口环)；2-2 (支承环)；3-3 (纵剖面),通常由盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等 四大部分组成,1)盾构壳体,盾构壳体由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板组成,并由外壳钢板连成整体, 切口环 ：开挖 ；上下宽度可以等值、也可以不等值,甚至是活动的, 容纳各种专门的挖土设备, 支承环：承受荷重的核心部分,刚性较好的圆环结构, 水平隔板和竖直隔板：增加盾构刚度 ,水平承受拉力,竖

18、直承受压力, 盾尾：掩护工人在其内部安装衬砌,2)推进系统,由盾构千斤顶和液压设备组成 ,上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的, 盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分布的 ；,3)拼装系统,衬砌拼装器又称举重臂,是拼装系统的主要设备,以油压系统为动力,一般举重臂均安装在支承环上, 举重臂能作旋转、径向运动,还能沿隧道中轴线作往复运动, 完成这些运动的精度应该保证待装配的管片上的螺栓孔能和已装配好的螺栓孔对齐,以便螺栓固定,4)出土系统,出土方式一般有三种 ： (1)有轨运输：皮带运输机矿车洞口垂直起吊至地面, (2)无轨运输：自卸卡车 (3)管道运输：混合泥浆,压力输出, 出土连续化,盾构分类

19、及其适用范围,1)人工开掘式、半机械式敞胸盾构 全部敞开,随时观察地层变化情况,并配备简便的液压、风动挖掘,机具、人工挖掘,当开挖面难以保持稳定时可以采用气压等人工措施及正面支撑、支撑千斤顶等随挖随撑 ,1)挤压式闭胸盾构,在塑性粘土及淤泥中采用,盾构正面用胸板密闭起来 , 厚兰隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用过半挤压及全挤压推进的闭胸盾构施工. 衬砌结构常发生椭圆率的现象,先衬砌水平直径缩小,竖向直径增大,继之,盾构离远时,竖向直径减小,水平直径增大, 主要是隧道上方土壤结构破坏、隆起,形成一个卸载拱,而水平压力仍然保持着初始数值之故,3)机械式闭胸盾构,(1)局部气压盾构 (2)泥水加压式

20、盾构 (3)土压平衡式盾构,盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力计算,主要指盾构外径D和盾构长度L、盾构灵敏度L/D, 最小建筑空隙值x x=m=m D=d+2(x+) =0.02+0.01(D-4),1)盾构长度L,L=L0+L1+L2+L3 L0盾尾长度； L1支承环长度； L2切口环长度； L3前檐长度,2)盾构灵敏度L/D,经验数值 : 小型盾构D=23m,L/D=1.5 中型盾构D=36m, L/D=1.00 大型盾构D=69m, L/D=0.75 特大型盾构D12m, L/D=0.450.75,4)盾构千斤顶推力计算,阻力包括： 盾构外表面与四周地层的摩阻力； 盾尾内壳与衬砌结构之间

21、的摩阻力； 盾构切口部分刃口切入土层的阻力； 盾构切口环切入土层时的正面阻力； 开挖面正面支撑阻力； 以及盾构自重引起的阻力,纠偏时的阻力,局部气压或泥水压力,阻力板阻力等,盾构推进及衬砌拼装,3.1 盾构推进 已建隧道所采用过的大直径盾构,大部分都属于手掘式敞胸盾构或闭胸挤压盾构,或者是两者兼有的盾构, 技术先进的泥水盾构或土压平衡盾构很少采用 , 本节将主要介绍在松软含水地层中采用手掘式敞胸盾构施工,辅以气压,人工井点降水及其它地层加固措施,盾构开挖掘进时的几种施工方法,1)人工井点降水加手工掘式敞胸盾构施工,人工井点降水 ,经济,适用于漏气量大的砂性土, 地下水位降低、疏干地层,增加土体

22、强度,以保证开挖面稳定,盾构在地下水位以上通过,施工场地较干燥, 一般都采用喷射井点,深度曾用到27 m,使埋深为25 m的隧道能顺利开挖,具体过程 ：,(1)先借助盾构千斤顶使盾构推进,将切口环部分切入地层,然后在切口环保护下进行土体开挖与运输,这样对周围地层扰动较小, (2)分层开挖,施工工具为普通手工工具或手持式风动工具, (3)每环管片可分数次开挖和推进,盾构纠偏时可以利用超挖解决, (4)可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑 ； (5)当用网格式盾构时 ,防止盾构后退,2)气压加手掘式敞胸盾构施工,盾构施工在含水松软不稳定地层中采用气压来疏干和支护开挖面,以防止涌水、开挖面崩坍

23、,增强地层强度,是一种极古老,且行之有效的施工方法, (1)气压大小及耗气量的确定 理论上,每10m水头必须用0.1Mpa的气压力来平衡, 实际上 ,仅为理论压力的50%60%,空气量仅为理论空气量的10%50%,中小型盾构,压力等于离盾构上端约D/2处的地下水压力; 大直径盾为2/3 D处的地下水压力 ; 顶部均超压,需有足够的覆盖层,施工时为了防止空气泄出,盾构顶部必须有足够厚的覆盖层t即 t值过大则直接影响到隧道埋置深度 ,过小则覆盖不足,往往容易发生喷发事故, 国外隧道规范规定；水底隧道的最小覆盖层必须大于盾构直径(日本)或等于盾构直径,覆盖层宽度应大于或等于盾构直径的6倍,采用经验公式计算耗气量： 土质系数,当压力大于0.1MPa时,粘性土=3.65；砂性土=7.30,(2)气压盾构施工,气压盾构施工中闸墙和气闸作用是将作业区与常压作业区隔开 , 闸墙必须有足够的强度与气密性. 气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形结构,分人行闸和外闸两部分, 人行闸的管理是气压施工的重要环节,要严格遵守气压作业的工作时间及进出气闸的变压时间,以防减压病,3)泥水加压盾构施工,用泥水加压盾构代替上述气压盾构施工,克服了气压施工的弊病