隧道施工第十二章掘進機與盾構(gòu)施工技術(shù)PPT

1、第十二章 掘進機與盾構(gòu)本章學(xué)習(xí)的內(nèi)容：掌握掘進機的結(jié)構(gòu)組成；盾構(gòu)的構(gòu)造與分類。重難點：重點：掘進機和盾構(gòu)機的構(gòu)造，分別適用的地質(zhì)情況；難點：掘進機與盾構(gòu)機的區(qū)別。1 掘進機2 盾構(gòu)法施工目 錄12.1 掘 進 機一、掘進機的概述隧道掘進機（簡稱TBM）是一種機械化的隧道掘進設(shè)備。掘進機法是利用掘進機切削破巖，開鑿隧道的施工方法。掘進機施工有著鉆爆法施工不可比擬的優(yōu)點。世界上采用掘進機施工的隧道已有1000余座，總長度在4000km左右。二、掘進機的類型1、開敝式掘進機一般而言，開敝式掘進機要適合于硬巖隧道的開挖。（1）單支撐式掘進機二、掘進機的類型（2）雙支撐式掘進機二、掘進機的類型2、護盾式

2、掘進機護盾式掘進機在掘進中利用尾部已安裝的襯砌管片作為推進的支撐，圍巖由于有護盾防護，在護盾長度的范圍內(nèi)，不暴露。因此護盾掘進機更適用于軟巖。（1）單護盾掘進機雙護盾掘進機在軟巖及硬巖中都可以使用。當它在自穩(wěn)條件不良的地層中施工時，其優(yōu)越性更突出。二、掘進機的類型（2）雙護盾掘進機Single Shield TBM 護盾；液壓推進油缸；管片；刀盤；裝渣斗；皮帶輸送機二、掘進機的類型Double Shield TBM 可伸縮護盾；刀盤；活動支撐鞋；輔助推進油缸；管片二、掘進機的類型Gripper TBM支撐鞋；鋼支架舉升器；錨桿安裝機構(gòu)；鋼筋網(wǎng)舉升器二、掘進機的類型其基本構(gòu)造有刀盤開挖系統(tǒng)、支撐

3、與推進系統(tǒng)、后配套等三大部分。1、刀盤刀盤具有足夠的強度和剛度。從而使施加在刀盤上的推力平均分配到全部盤形滾刀上，使它們達到同時壓擠巖石至同一深度，并使掘進機處高效率運轉(zhuǎn)狀態(tài)下。三、掘進機的基本構(gòu)造一般掘進機能提供的支撐反力就是刀盤額定推力的3倍左右（秦嶺隧道為60000KN），足夠大的支撐反力是保證在強大推力下掘進時，刀盤有足夠的穩(wěn)定和正確的導(dǎo)向，并三、掘進機的基本構(gòu)造2、支撐與推進系統(tǒng)（1）支撐系統(tǒng)有利于刀具減少磨耗。開挖刀盤推進力是按照每把盤形刀所能居愛的推力和盤刀數(shù)量來決定的，目前較為成熟的確良17英寸盤形刀，可承受的推力為250KN。隧道掘進機的推進是通過交叉換步實現(xiàn)掘進循環(huán)的。后配

4、套設(shè)備包括液壓傳動站、變電設(shè)備、開關(guān)柜、主駕駛室、通訊系統(tǒng)、備用發(fā)電機、空壓機、通風(fēng)系統(tǒng)、噴射混凝土設(shè)備、圍巖加固堵水注漿設(shè)備以及供水系統(tǒng)。三、掘進機的基本構(gòu)造（2）掘進機的推進方式3、后配套設(shè)備(1) 管片式襯砌其優(yōu)點是：適合軟弱圍巖，特別是當圍巖允許承載力很低，支撐靴不能支撐巖面時，可利用尾部推力千斤頂，頂推已安裝的管片獲得推力反力(2) 二次混凝土襯砌二次混凝土襯砌，根據(jù)地地質(zhì)條件可用噴射混凝土做為永久襯砌四、掘進機施工 1、掘進巖石隧道掘進機法是利用巖石隧道掘進機在巖石地層中暗挖隧道的一種施工方法。掘進時盤形刀沿巖石開挖面滾動，同時通過刀盤均勻地在每個盤形刀上對巖面施加壓力，形成滾動擠

5、壓切削而實現(xiàn)破巖的。2、襯砌施工掘進機施工的隧道，其襯砌結(jié)構(gòu)一般是初期支護和二次襯砌組成。拼裝管片襯砌示意圖模筑混凝土襯砌四、掘進機施工 為了滿足不良地質(zhì)的要求，掘進機可安裝一些設(shè)備進行特殊功能作業(yè)。加裝的地質(zhì)超前鉆機安裝在主機頂部、刀盤后部的平臺上，它在主機停機時進行掌子面前30m的超前鉆孔，以預(yù)報前方地質(zhì)情況，為掘進提供可靠消息。超前鉆機還具備注漿和安裝管棚的功能，以對圍巖進行預(yù)先加固.TBM超前支護示意圖四、掘進機施工 3、不良地質(zhì)地段施工12.2 盾構(gòu)法施工一、盾構(gòu)機原理及發(fā)展1、盾構(gòu)施工的基本原理盾構(gòu)，英文名稱為“shield machine”，它是一種具有金屬外殼的筒狀機械，主要用

6、于軟土隧道暗挖施工，在金屬外殼的掩護下盾構(gòu)可以同步完成土體開挖、土渣排運、整機推進和管片安裝等作業(yè)，將隧道一次開挖成形。2、盾構(gòu)法施工的主要技術(shù)特點（1）對周圍環(huán)境的影響很小。（2）盾構(gòu)是根據(jù)隧道施工對象“量身定做”的。（3）對施工精度的要求高。（4）盾構(gòu)施工是不可以倒退的。1806年，法國工程師布魯諾爾（Mare Isambard Brunel）從蛀蟲在船板上蛀孔成洞的過程中得到啟示，提出了使用盾構(gòu)掘進隧道的構(gòu)想，并注冊了專利。在1823年制作了世界上第一臺盾構(gòu)機，用于修建倫敦泰晤士河隧道。布魯諾爾設(shè)計的手掘式盾構(gòu)一、盾構(gòu)機原理及發(fā)展3、盾構(gòu)施工的發(fā)展1963年，第一臺國產(chǎn)盾構(gòu)正式問世到20

7、08年4月，中鐵隧道集團在引進消化吸收和自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，研制成功了我國第一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式土壓平衡式盾構(gòu)。在短短的60年中，我國的盾構(gòu)由無到有，在引進推廣的同時堅持自主研發(fā)，當前，我國已經(jīng)掌握了多種類型盾構(gòu)的設(shè)計制造技術(shù)，盾構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于國家基礎(chǔ)建設(shè)的各個領(lǐng)域尤其是地鐵工程建設(shè)中，我國的盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模。一、盾構(gòu)機原理及發(fā)展3、盾構(gòu)施工的發(fā)展二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類1、盾構(gòu)機的構(gòu)造（1）盾殼 1）前盾 2）中盾 3）盾尾（2）開挖系統(tǒng)1）刀盤與刀具有切刀、齒刀、滾刀及各種輔助刀2）主軸承與驅(qū)動系統(tǒng)主軸承與刀盤連接，為刀盤旋轉(zhuǎn)與開挖提供動力。主軸承的動力來源于其驅(qū)動系統(tǒng)，常見的驅(qū)

8、動系統(tǒng)主要有變頻電動驅(qū)動和液壓驅(qū)動等。目前廣州比較多采用的盾構(gòu)機刀盤配備了17寸的單刃滾刀31把、 17寸的中心雙刃滾刀4把、1把行程為50mm的超挖刀、64把切刀、8把刮刀。二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類1）刀盤和刀具切 刀二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類17寸單刃及雙刃滾刀二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類刮 刀二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類超 挖 刀二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類 推進系統(tǒng) 導(dǎo)向系統(tǒng)管片裝運系統(tǒng) 壁后注漿系統(tǒng) 出渣系統(tǒng) 后配套系統(tǒng)皮帶輸送機出渣螺旋輸送機二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類2）主軸承與驅(qū)動系統(tǒng)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)由三個315kW的電機驅(qū)動液壓泵為刀盤后方的8個液壓馬達提供動力，這8個液壓馬達又帶動其相應(yīng)的小齒輪來驅(qū)動大齒圈

9、從而實現(xiàn)刀盤運轉(zhuǎn)。 二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類刀盤驅(qū)動系統(tǒng)二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類主軸承大齒圈二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類主驅(qū)動電機及液壓泵推進系統(tǒng)由一個75kW的電機驅(qū)動液壓泵提供動力，驅(qū)動20組油缸共30個千斤頂實現(xiàn)盾構(gòu)機向前推進。二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類推進系統(tǒng)（1）按斷面形狀分類單圓盾構(gòu)、復(fù)圓盾構(gòu)（多圓盾構(gòu)）、非圓盾構(gòu)，其中復(fù)圓盾構(gòu)可分為雙圓盾構(gòu)和三圓盾構(gòu)。非圓盾構(gòu)可分為橢圓形盾構(gòu)、矩形盾構(gòu)、馬蹄形盾構(gòu)、半圓形盾構(gòu)。復(fù)圓盾構(gòu)和非圓盾構(gòu)統(tǒng)稱為“異形盾構(gòu)”。 單圓盾構(gòu) 多圓盾構(gòu) 矩形盾構(gòu) 二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類2、盾構(gòu)機的分類 球形盾構(gòu) 異性盾構(gòu) （2）按支撐條件分類盾構(gòu)按支護地層的形式分類，主要分為自

10、然支護式、機械支護式、壓縮空氣支護式、泥漿支護式，土壓平衡支護式五種類型。二、盾構(gòu)機的構(gòu)造與分類盾構(gòu)法施工的概貌其主要施工步驟為：（1）在盾構(gòu)法隧道的起始端和終端各建一個工作井；（2）盾構(gòu)在起始端工作井內(nèi)安裝就位；（3）依靠盾構(gòu)千斤頂推力（作用在已拼裝好的襯砌環(huán)和工作井后壁上）將盾構(gòu)從起始工作井的墻壁開 孔處推出；（4）盾構(gòu)在地層中沿著設(shè)計軸線推進，在推進的同時不斷出土和安裝襯砌管片；（5）及時向襯砌背后的空隙注漿，防止地層移動和固定襯砌環(huán)位置；（6）盾構(gòu)進入終端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推進。三、盾構(gòu)施工1、盾構(gòu)法施工程序以防止開挖面泥漿流失。目前常用的密封止水裝置如圖

11、所示，其中a為滑板式結(jié)構(gòu)；b為鉸接式結(jié)構(gòu)。密閉止水裝置三、盾構(gòu)施工2、盾構(gòu)掘進（1）盾構(gòu)密封裝置和盾構(gòu)出洞順序土體開挖方式根據(jù)土質(zhì)的穩(wěn)定狀況和選用的盾構(gòu)類型確定。具體開挖方式有以下幾種。1）敞開式開挖在地質(zhì)條件好，開挖面在掘進中能維持穩(wěn)定或采取措施后能維持穩(wěn)定，用手掘式及半機械式盾構(gòu)時，均為敞開式開挖。開挖程序一般是從頂部開始逐層向下挖掘。2）機械切削開挖利用與盾構(gòu)直徑相當?shù)娜珨嗝嫘D(zhuǎn)切削刀盤開挖，配合運土機械可使土方從開挖到裝運均實現(xiàn)機械化。三、盾構(gòu)施工（2）土體開挖與推進3）網(wǎng)格式開挖開挖面用盾構(gòu)正面的隔板與橫撐梁分成格子，盾構(gòu)推進時，土體從格子里是條狀擠入盾構(gòu)中。這種出土方式效率高，是我

12、國大、中型盾構(gòu)常用的方式。4）擠壓式開挖擠壓式和局部擠壓式開挖，由于不出土或部分出土，對地層有較大的擾動，施工中應(yīng)精心控制出土量，以減小地表變形。三、盾構(gòu)施工（2）土體開挖與推進（1）襯砌施工（2）襯砌防水1）管片防水管片外防水涂層需根據(jù)管片材質(zhì)而定，對鋼筋混凝土管片而言，一般要求： 涂層應(yīng)能在盾尾密封鋼絲刷與鋼板的擠壓摩擦下不損傷； 當管片弧面的裂縫寬度達0.3mm時，仍能抵抗0.6MPa的水壓，長期不滲漏； 涂層應(yīng)具有良好的抗化學(xué)腐蝕性能、抗微生物侵蝕性能和耐久性； 涂層應(yīng)具有防迷流的功能，其體積電阻率、表面電阻率要高； 涂層要有良好的施工季節(jié)適應(yīng)性，施工簡便，成本低廉。 管片拼裝。三、盾

13、構(gòu)施工3、襯砌施工與襯砌防水 彈性密封墊防水日本的密封墊類型四孔形密封墊 國產(chǎn)密封墊三、盾構(gòu)施工2）管片接縫防水 接縫嵌縫防水接縫鉗縫防水構(gòu)造圖 接縫注漿 螺栓孔和壓漿孔防水三、盾構(gòu)施工為了防止隧道周圍土體變形，有效控制地面沉降，在盾構(gòu)施工中應(yīng)及時對盾尾和管片間的空隙進行壓注漿液，以增強隧道結(jié)構(gòu)的整體防水性能，并改善隧道襯砌的受力狀態(tài)。 目前，襯砌背部注漿，一般都采用在襯砌脫出盾尾及盾構(gòu)掘進時的盾尾同步注漿，且在60min內(nèi)完成。盾尾注漿裝置如圖，它是在盾尾的表面設(shè)置了若干塊凸板，每個凸板內(nèi)裝置一根同步注漿管，一根備用管，一根為盾尾密封刷的油膏注入管。盾尾密封裝置三、盾構(gòu)施工4、盾構(gòu)注漿室密封

14、劑泥漿管片泥漿刷式密封1刷式密封3刷式密封2尾部機殼三、盾構(gòu)施工盾尾密封：由三道鋼板密封刷組成三、盾構(gòu)施工盾尾密封刷三、盾構(gòu)施工注漿系統(tǒng)三、盾構(gòu)施工盾尾注漿管路1）地表變形的規(guī)律盾構(gòu)法施工時，沿隧道縱向軸線所產(chǎn)生的地表變形，一般在盾構(gòu)前方約與盾構(gòu)埋深相等的距離內(nèi)地表開始產(chǎn)生隆起，在盾構(gòu)通過以后地表逐漸下沉，其下沉量隨著時間的推移由增加而最終趨于穩(wěn)定，其變形規(guī)律如圖所示。地表變形縱向沉降規(guī)律三、盾構(gòu)施工5、盾構(gòu)法施工地面沉降機理和防治（1）地面沉降機理2）導(dǎo)致地面沉降的因素盾構(gòu)法施工中，導(dǎo)致地面沉降的主要因素有以下幾種： 盾構(gòu)掘進時，開挖面土體的松動和崩塌，破壞了地層平衡狀態(tài)，造成土體變形而引起

15、地表變形。 盾構(gòu)法施工中應(yīng)采用降水疏干措施時，因地下水浮力消失，土體自重壓力增加，地層固結(jié)沉降加速，引起地表下沉。 盾構(gòu)尾部建筑空隙充填不實導(dǎo)致地表下沉。施工糾偏及彎道掘進的局部超挖，均會造成盾構(gòu)與襯砌間建筑空隙的不規(guī)則擴大，而這些擴大量有時難以估計或無法及時充填，給地表下沉帶來影響。三、盾構(gòu)施工（2）地表變形及隧道沉降的控制盾構(gòu)法施工中做不到完全防止地表變形，但能夠設(shè)法減少地表變形并使地表下沉得以控制，可以采取如下措施：1）采用靈活合理的正面支撐結(jié)構(gòu)或適當壓力的壓縮空氣來疏干開挖面土層，以此保持開挖面土體的穩(wěn)定。2）采用技術(shù)上較先進的盾構(gòu)，如土壓平衡式盾構(gòu)、泥水平衡式盾構(gòu)、復(fù)合式盾構(gòu)等?；静桓淖兊叵滤唬瑖栏窨刂崎_挖面的挖土量，防止超挖。三、盾構(gòu)施工3）及時、有效、足量地充填襯砌背后的建筑間隙，必要時還可通過在管