盾構(gòu)法特點(diǎn)總結(jié)

1、地下工程盾構(gòu)法施工過程涉及的力學(xué)問題分析專業(yè)：土木工程系班級(jí)： 1009姓名：日 期：2013/04/27南京過江隧道（盾構(gòu)施工）一、南京過江隧道簡(jiǎn)介南京長(zhǎng)江隧道于2008年5月開工到2009年8月22日全線勝利貫通，是南京城市總體規(guī)劃確定的“五橋一隧”過江隧道之一，是南 京跨江發(fā)展戰(zhàn)略的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，工程位于南京長(zhǎng)江大橋和長(zhǎng)江 三橋之間，南起南京市和西新城區(qū)，北至浦口江、珠江鎮(zhèn)，全長(zhǎng)5853 米，由越江隧道、將西周大橋和接線道路三部分組成，隧道建筑長(zhǎng)度3790米，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)3020米。南京長(zhǎng)江隧道分左右兩條隧道，每條隧道設(shè)置三車道，設(shè)計(jì)行車 速度為80Km/ho盾構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)經(jīng)，外徑。圓形

2、襯砌環(huán)用環(huán)寬 2m厚、 每環(huán)由10塊管片組成。圖1 南京長(zhǎng)江圖2南京長(zhǎng)江越江隧道圖3隧道盾構(gòu)段圖4盾構(gòu)隧道直徑二、南京過江隧道施工南京長(zhǎng)江隧道是當(dāng)今世界上直徑最大的盾構(gòu)隧道之一，其江底埋深達(dá)60多米，水壓高達(dá)每平方厘米公斤，兼地質(zhì)情況復(fù)雜，地層透 水性強(qiáng)，一次掘進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)3公里多，面臨著多項(xiàng)世界級(jí)難題和挑戰(zhàn)， 泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)（如圖6）是水下隧道施工最安全最先進(jìn)的設(shè)備。 泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工隧道（如圖；圖；圖）圖泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工隧道圖泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工隧道圖泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工隧道圖6 泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)三、盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)與工作原理介紹南京長(zhǎng)江隧道，根據(jù)本工程的特點(diǎn)和地質(zhì)條件專門定制了兩臺(tái)超

3、大直徑溺水平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，下面展示這兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)和 工作原理：盾構(gòu)機(jī)主要包括主機(jī)和三個(gè)后配套車架， 總重多達(dá)四千多噸，主 機(jī)最前端是開挖地層的刀盤，直徑達(dá)米，刀盤上安裝有先行刀，重行 刮刀和邊緣鏟刀等類型的刀具 200多把，刀盤的六個(gè)主刀壁在正常的 大氣壓下進(jìn)土，維護(hù)人員可以通過中心人閘進(jìn)入主刀壁。圖7盾構(gòu)機(jī)的直徑圖8刀盤維護(hù)人員對(duì)磨損的刀具進(jìn)行更換，為了檢測(cè)刀具的磨損，部分刀具內(nèi)部安裝了傳感器感應(yīng)系統(tǒng)，一旦傳感器發(fā)出信號(hào)，整個(gè)刀盤上設(shè)計(jì)有77把可設(shè)置常壓更換的刀具，這些刀具安裝在刀閘中，當(dāng)?shù)毒吣p，需 要更換刀具時(shí)，工作人員進(jìn)入刀盤腹壁內(nèi)，將刀具通過刀閘回縮，刀閘關(guān)閉后就可以取走磨

4、損的刀具，新的刀具將重新安裝到位圖9綠色為傳感器顯示刀具磨損信號(hào)圖換磨損刀具圖去掉磨損刀具圖換上新刀具圖裝新刀具圖 新刀具安裝到位刀盤的旋轉(zhuǎn)由15個(gè)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，裝機(jī)功率為3750千瓦，三個(gè) 人閘用于刀盤和刀具的維護(hù)作業(yè)，中心人閘是專門為了在常壓下更換 刀具而配置的，兩條泥漿管道延伸至地面，將開挖的渣土輸送到隧道 以外，盾構(gòu)機(jī)借助28組液壓千斤頂推進(jìn)，管片拼裝機(jī)用于吊起管片， 并將其安裝到正確的位置，刀盤的后面是挖掘艙與工作艙， 他們是被 壓力腔隔板分割成的兩個(gè)封閉的區(qū)間，大約三分之二的工作艙充滿了 用膨潤(rùn)土配置的泥漿，這種泥漿被稱之為盾構(gòu)機(jī)的血液， 壓力平衡系 統(tǒng)采用先進(jìn)的氣墊加壓模式，通過

5、調(diào)節(jié)工作腔內(nèi)的氣壓來平衡外界的 水土壓力，從而維持開挖面的穩(wěn)定。進(jìn)漿管不停地向開挖艙內(nèi)注入新鮮的泥漿， 刀盤開挖下來的渣土 懸浮在泥漿里，通過排泥管輸送到隧道外，排泥管出口設(shè)有隔障和破 碎機(jī)，不能通過隔障的大石塊，將被碎石機(jī)粉碎，以確保泥漿流暢的 循環(huán)。圖11 刀盤驅(qū)動(dòng)馬達(dá)圖12維護(hù)人閘圖13泥漿管道圖14 盾構(gòu)機(jī)挖掘腔與工作腔管片在盾構(gòu)機(jī)殼體內(nèi)進(jìn)行拼裝，拼裝時(shí)管片由輸送機(jī)供給，液壓 千斤頂臨時(shí)回縮，為新的管片提供足夠的空間，由拼裝機(jī)吊起并安裝 到準(zhǔn)確位置，部位精度，精確到毫米。管片定位后，立即由千斤頂臨 時(shí)固定，隨后通過螺栓進(jìn)行連接，楔形的封頂塊將從前面插入，從而 使管片封閉成圓環(huán)。圖15管

6、片封裝成圓環(huán)管片安裝完成后，底部的滾筒篩將被從后面向前調(diào)運(yùn)到剛剛完成 的管片環(huán)上，用來支撐后配套車架，繼續(xù)向前移動(dòng)，1號(hào)后配套車架 位于主機(jī)的后面，由于龐大的盾構(gòu)機(jī)的直徑，車架被分為三層，安裝有控制室、變壓器、泥漿泵、液壓泵和砂漿的同步注入系統(tǒng)，2號(hào)車 架在1號(hào)車架與3號(hào)車架的之間，形成一個(gè)橋梁，3號(hào)車架位于口子 構(gòu)架兩側(cè)的輔助上移動(dòng)。圖1號(hào)后配套車架圖2號(hào)車架圖3號(hào)車架圖17 盾構(gòu)機(jī)總長(zhǎng)隨著盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)，后面的軌道逐一移動(dòng)到前部循環(huán)使用，包括 主機(jī)的車架和整個(gè)盾構(gòu)機(jī)總長(zhǎng)為134米，在2號(hào)車架與3號(hào)車架的區(qū) 域供給卡車可以行駛在口子形構(gòu)件上，將貨物運(yùn)送到前方的管片吊裝 部位，在車價(jià)的頂層一部管

7、片運(yùn)輸行車，將管片從盾構(gòu)機(jī)的后部運(yùn)送 到前部。圖18 貨物供給車與管片調(diào)運(yùn)這部行車也被用來位于1號(hào)車架的移動(dòng)砂漿罐，通過另一個(gè)安裝 在1號(hào)車架上后部的轉(zhuǎn)運(yùn)吊機(jī)，將管片運(yùn)輸行車提供的管片逐個(gè)提 起、旋轉(zhuǎn)，并放置到輸送機(jī)上，然后由管片輸送機(jī)供給到最前面的管 片拼裝機(jī)，在這個(gè)緊密銜接的工作流程中，運(yùn)輸車輛必須按照精確地 運(yùn)輸空間和次序來調(diào)動(dòng)運(yùn)行，設(shè)計(jì)獨(dú)特的運(yùn)輸車輛連續(xù)運(yùn)送管片，口 子構(gòu)件、砂漿罐和油脂筒等物件，并被行車向前傳遞，回程時(shí)空容器 又被運(yùn)走。盾構(gòu)機(jī)在液壓千斤頂?shù)耐苿?dòng)下前行， 旋轉(zhuǎn)的刀盤挖掘地層，并通 過排泥管運(yùn)出，每前進(jìn)2米便拼裝一環(huán)新的管片，在持續(xù)循環(huán)的工作 流程（掘進(jìn)、拼環(huán)、再掘進(jìn)、再

8、拼環(huán)），隧道在不斷地循環(huán)中向前延伸。圖19掘進(jìn)圖20 拼環(huán)圖21 再掘進(jìn)圖22再拼環(huán)-隧道不斷向前推進(jìn)南京長(zhǎng)江隧道的建設(shè)代表了中國(guó)當(dāng)今水下隧道建設(shè)的最高水準(zhǔn)， 工程建成后，不僅將極大地緩解南京市過江交通的壓力，加快跨江發(fā) 展戰(zhàn)略實(shí)施，而且也將極大地提升我國(guó)跨大江、 大河的交通隧道建設(shè) 的技術(shù)水平，擴(kuò)大我國(guó)在世界隧道建設(shè)領(lǐng)域的影響， 樹立中國(guó)水下超 大直徑盾構(gòu)隧道的品牌。圖23南京長(zhǎng)江隧道建成后入口圖24南京長(zhǎng)江隧道內(nèi)部運(yùn)營(yíng)圖25南京長(zhǎng)江隧道出口四、綜合分析南京長(zhǎng)江隧道1、管片的拼裝錯(cuò)縫拼裝，通過螺栓連接；2、本工程特點(diǎn)，難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析1）盾構(gòu)直徑超大目前世界上已建成的盾構(gòu)隧道，直徑最大的是荷蘭

9、的格林哈特隧 道，直徑為，而南京長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)直徑為，是目前世界上最大直徑盾 構(gòu)隧道之一。2）水壓力高目前世界上已施工或承建的超大直徑盾構(gòu)隧道，水壓在 6bar以 上尚屬罕見。而南京長(zhǎng)江隧道設(shè)計(jì)最大水壓近， 在同等或更大直徑的 盾構(gòu)隧道項(xiàng)目中，水壓力是最高的。3）地質(zhì)水文條件復(fù)雜盾構(gòu)穿越的土層分別為靈敏度高的軟弱土層，透水性強(qiáng)的松散 粉細(xì)砂層和富含水的礫砂層，特別是盾構(gòu)機(jī)所穿越的地層大都處在透 水性強(qiáng)的粉細(xì)砂層（粉細(xì)砂層地段長(zhǎng)2542m占盾構(gòu)隧道總長(zhǎng)的85%, 在高水壓作用下，易造成冒頂。另一難點(diǎn)是：盾構(gòu)機(jī)還要掘進(jìn)穿越長(zhǎng) 1250m的粉細(xì)砂、礫砂（粒徑 320mm和圓礫（粒徑820cn）混 合地

10、層。掌子面巖性、土層的明顯差異，對(duì)盾構(gòu)機(jī)性能、盾構(gòu)機(jī)的施工操作和施工管理提出了更高的要求4）水下一次掘進(jìn)距離長(zhǎng)超大直徑盾構(gòu)機(jī)在高水壓、高滲透系數(shù)的砂土混合地層中一次掘 進(jìn)近3km對(duì)盾構(gòu)機(jī)的性能，特別是盾構(gòu)機(jī)刀具的質(zhì)量提出了更高的 要求。5）盾構(gòu)進(jìn)出洞超淺埋盾構(gòu)進(jìn)出洞覆土厚度，按照國(guó)際慣例一般不小于倍盾構(gòu)直徑。 而 本工程權(quán)衡深基坑和進(jìn)出洞雙重困難，選擇盾構(gòu)機(jī)始發(fā)覆土厚度倍盾 構(gòu)直徑（）。如此超淺埋盾構(gòu)始發(fā)，尚屬世界首例。6）江中沖梢段盾構(gòu)覆土厚度淺由于受客觀條件制約，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)梅子洲接收井須穿越江中一沖 梢，沖梢局部覆土厚度僅（不足倍盾構(gòu)直徑），土層大都為透水性強(qiáng) 的松散稍密粉細(xì)砂層。在高水壓

11、的情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)安全風(fēng)險(xiǎn)極大。7）盾構(gòu)掘進(jìn)穿越長(zhǎng)江大堤，對(duì)地表沉降要求高。盾構(gòu)機(jī)兩次穿越長(zhǎng)江防洪大堤下的層粉細(xì)砂透水層，盾構(gòu)掘進(jìn) 宜對(duì)土層產(chǎn)生的擾動(dòng)，在加上地下承壓水作用，極可能對(duì)大堤產(chǎn)生不 均勻沉降，而大堤高標(biāo)準(zhǔn)的防洪安全要求，對(duì)地表沉降、盾構(gòu)機(jī)施工 操作和施工管理提出了很高的要求。南京長(zhǎng)江隧道工程是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)大、影響大、技術(shù)含量高，具有里 程碑意義的工程?！胺€(wěn)字當(dāng)頭、安全第一、萬無一失、確保成功。”1）管片接頭抗彎剛度ke重要性：管片接頭抗彎剛度的取值是梁-彈簧模型設(shè)計(jì)中襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)受力分析必不可少的重要參數(shù)，具綜合反映了盾構(gòu)隧道接頭性 能及其在外荷載作用下的變形大小和趨勢(shì)。定義：管片接縫產(chǎn)

12、生單位轉(zhuǎn)角所需要的彎矩即為片接頭抗彎剛度ke。取值：通過分析對(duì)比0 -M關(guān)系曲線求得管片接頭抗彎剛度 ke（割線法、切線法、多段直線法、曲線+直線法等，見圖26 ）圖26 （a）割線法 （b） 切線法 （c）兩段直線法圖26 （d）三段直線法（e）曲線+直線法2）數(shù)值模型建立計(jì)算中采用接觸力學(xué)平面有限元模型，平面有限元模型有著很高 的計(jì)算效率，能夠準(zhǔn)確把握接頭的力學(xué)行為。3）數(shù)據(jù)模擬分析在接頭有效高度位置最大張開量為 2m耐，正、負(fù)彎矩工況下 接頭抗彎剛度保持在RacHRad范圍內(nèi)，且正、負(fù)彎矩工況相差不大， 其差異主要原因是由于螺栓位置上下不對(duì)稱和兩管片體中螺栓長(zhǎng)度 的不一致引起的；在有限高

13、度位置最大張開量為 2mme右時(shí)，接頭受壓區(qū)高度占 有效高度的%接頭位置荷載偏心矩為,接頭附近混凝土最大拉、 壓應(yīng)力均已超過C60混凝土軸心抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彎曲抗 壓強(qiáng)度；在有效高度位置接頭最大張開量為 2m在右時(shí)，連接螺栓軸力 均未超過級(jí)螺栓的屈服強(qiáng)度。同時(shí)，在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)連接螺栓軸力、剪 力和彎矩的最大值均出現(xiàn)在有預(yù)埋套筒端預(yù)埋套筒口位置；在其他因素不變情況下，接頭抗彎剛度、連接螺栓最大軸力、接頭接觸面法向壓力隨預(yù)緊力的增大而增大； 受壓區(qū)高度隨預(yù)緊力增 大成階梯型增大；接頭附近混凝土最大壓應(yīng)力、接頭接觸面最大法向 應(yīng)力隨預(yù)緊力增大而減小。在其他因素不變情況下，改變接頭接觸面 摩擦

14、系數(shù)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果影響不大；相同荷載工況時(shí)加載試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的抗彎剛度系數(shù)要略小于數(shù)值模擬所對(duì)應(yīng)的抗彎剛度系數(shù)，但總體上看加載試驗(yàn)和數(shù)值模擬所得 出的抗彎剛度是相一致的。4）接頭可靠度分析圖27 縱縫張開量累積分布函數(shù)圖圖28縱縫張開量統(tǒng)計(jì)圖圖29縱縫張開量靈敏度圖圖30抗彎剛度系數(shù)靈敏度圖、抗彎剛度系數(shù)隨機(jī)輸入變量靈敏度表根據(jù)蒙特卡羅拉丁超立方法靈敏度結(jié)果得出管片接頭最大張 開量、抗彎剛度系數(shù)、連接螺栓軸力、接頭附近混凝土最大壓應(yīng)力等 對(duì)軸力、偏心矩、管片厚度、幅寬等各隨機(jī)參數(shù)的靈敏程度，并加以 量化，可為工程設(shè)計(jì)、施工提供參考；從接縫最大張開量靈敏度圖可知偏心矩、軸力、混凝土彈性模 量對(duì)接頭張開量的靈敏性最強(qiáng)，其次是螺栓合力點(diǎn)至內(nèi)弧面距離、螺 栓預(yù)緊力、管片厚度，其他參數(shù)敏感性不強(qiáng)，設(shè)計(jì)中對(duì)敏感性較強(qiáng)的 參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格控制；管片接頭抗彎剛度系數(shù)等在一定的置信度范圍內(nèi)的二次多項(xiàng) 式擬合方程，為工程設(shè)計(jì)提供簡(jiǎn)單實(shí)用并且具有相對(duì)精度的接頭抗彎 剛度計(jì)算公式。5）其他影響在錯(cuò)縫拼裝襯砌的受力中，縱縫接頭的剛