隧道其它施工方法-盾構法（隧道工程施工課件）

從它的定義可以看出：盾構施工法由穩(wěn)定開挖面、盾構機挖掘和襯砌三大部分組成。在鬧市區(qū)或軟弱地層中，盾構法是修建地鐵的主要施工方法之一。使用的主要機械就是盾構機。一盾構法施工概念盾構法施工（一）什么是盾構法施工？“使用盾構機在地下掘進，在護盾的保護下，在機內安全的進行開挖和襯砌作業(yè)，從而構筑成隧道的施工方法”。第1頁一盾構法施工概念盾構法施工（一）什么是盾構法施工？雙護盾盾構機單護盾盾構機第2頁一盾構法施工概念盾構法施工（二）盾構法的發(fā)展

?

1825年到1843年英國首次采用盾構法修建了一條河底隧道。

?早期盾構法是手掘式或機械開挖式盾構機用壓氣方法保證開挖面穩(wěn)定。

在地下水較豐富的地區(qū)，用注漿法進行止漏，而對軟弱地層，則采用掌子面封閉式施工。

?現在常用的是泥水平衡式和土壓平衡式兩種盾構機。將維持掌子面穩(wěn)定和開挖融為一體，不需要輔助施工措施，能適應地質較廣的變化。第3頁一盾構法施工概念盾構法施工（二）盾構法的發(fā)展

?盾構法應用范圍不斷擴大

盾構機斷面通常是圓形，但各種斷面形式（多圓盾構、橢圓形、矩形）和具有特殊功能的盾構機械(急轉變盾構、擴大盾構法、地下對接盾構等)的相繼出現，盾構法的應用范圍也不斷的擴大。第4頁一盾構法施工概念盾構法施工（三）盾構法施工的優(yōu)點

?施工作業(yè)在地下進行，不影響地面交通；

?采用機械開挖，減少了對附近居民的噪音和振動影響；?施工費用不受埋深的影響，有較高的技術經濟優(yōu)越性；

?盾構的推進、出土、拼裝襯砌等主要工序循環(huán)進行，易于管理，施工人員較少；

?穿越江、河、海時，不影響航運；?施工不受風雨等氣候條件影響；

?隧道內施工環(huán)境較好、安全性好，控制地表沉降的效果較好。

第5頁二盾構機盾構法施工（一）盾構機的種類全開敞式手掘式半機械式機械式半開敞式——擠壓式泥水式土壓式密封式泥土加壓式泥漿式土壓式泥土加壓式第6頁是指在機械開挖式盾構機內設置隔墻，進入刀盤與隔墻土倉的土體，由泥水壓力或土壓提供足以使開挖面保持穩(wěn)定的壓力。密封式盾構機又分成局部氣壓式、土壓平衡式和泥水平衡式幾種。二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機

第7頁在機械式盾構支承環(huán)的前邊裝上隔板，使切口環(huán)成為一個密封艙，其中充滿壓縮空氣，達到疏干和穩(wěn)定開挖面土體的作用。(1)局部氣壓式盾構二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機

第8頁(2)土壓平衡式盾構

前端是全斷面切削刀盤；后面有貯留切削土體的密封艙；在中心處或下方裝有長筒形的螺旋輸送機；在密封艙和螺旋輸送機，以及在盾殼四周裝設的土壓傳感裝置；還可裝設塑流化材料的注入設備——改善切削土體流動性。二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機

第9頁①刀盤：用于切削土體，同時將切削下來的土體攪拌混合，以改善切削土體的流動性。根據圍巖條件，切削刀盤可以是花板型的、輻條型的和礫石破碎型。在刀盤上裝有切削刀具。根據盾構直徑的大小，刀盤的主軸可以采用中空軸式、中間支承式和周邊支承式。

中空軸式中間支撐式周邊支撐式刀盤主軸形式二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-土壓平衡式盾構第10頁盾構機刀盤(花板型）第11頁盾構機刀盤(輻條型）第12頁盾構機刀盤(礫石破碎型）第13頁盾構機刀盤(輻條型）第14頁標準刮刀超挖刀中心刀滾刀箭型刀先行刀周邊刀第15頁②密封艙：用于存貯被刀盤切削下來的土體，并加以攪拌使其成為不透水的，具有適當流動性的塑流體，使其能及時充滿密封艙和螺旋輸送機的全部空間，對開挖面實行密封，以維持開挖面的穩(wěn)定性，同時，也便于將其排出。二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-土壓平衡式盾構第16頁③螺旋輸送機：用來將密封艙內的塑流狀土體排出盾構外，并在排土過程中，利用螺旋葉片與土體間的摩擦和土體阻塞所產生的壓力損失，使螺旋輸送機排土口的泥土壓力降至一個大氣壓力，使其不發(fā)生噴漏現象。

二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-土壓平衡式盾構第17頁④塑流化材料注入器：用來向密封艙、刀盤和螺旋輸送機內注入塑流化添加劑(泥漿材料、化學發(fā)泡劑兩類)。碴土的塑流性常用螺旋輸送機的排土率K來定量判定：二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-土壓平衡式盾構式中Vs——螺旋輸送機每旋轉一周的排土體積；

N——螺旋輸送機的轉速；

A——切削斷面積；

V——推進速度。Ｋ≈１——塑流性良好；柔軟而富有流動性的渣土—Ｋ<１;Ｋ>>１——塑流性不好；Ｋ≈0——產生噴涌現象。第18頁加注泡沫第19頁⑤土壓傳感器：用于測量密封艙和螺旋輸送機內的土壓力，密封倉內土壓力是判定開挖面是否穩(wěn)定的依據，螺旋輸送機內的土壓力用來判斷螺旋輸送機的排土狀態(tài)，如噴涌、固結、阻塞等。

二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-土壓平衡式盾構第20頁FPFF＞PminF=PF<PmaxPmaxQPminQmaxFQmin二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-土壓平衡式盾構

?土壓平衡式盾構維持開挖面穩(wěn)定的原理：

是依靠密封艙內塑流狀土體作用在開挖面上的壓力(P)(它包括泥土自重產生的土壓力與盾構推進過程中盾構千斤頂的推力)和盾構前方地層的靜止土壓力與地下水壓力(F)相平衡。第21頁

控制盾構推進過程中開挖面的穩(wěn)定，可以用以下兩種方法來實現：

一是控制螺旋輸送機排土量(調節(jié)其轉速)；二是調節(jié)盾構千斤頂的推進速度和螺旋輸送機轉速，直接控制密封艙內的土壓力P。不使開挖面產生影響的渣土壓力P的波動范圍（即較合理的P值）主動土壓力+地下水壓力<P<被動土壓力+地下水壓力

對于花板型刀盤，若刀盤面板開口率為x，刀盤上和密封艙內的碴土壓力分別為P1和P2，

主動土壓力+地下水壓力＜P1(1-x)+P2x＜被動土壓力＋地下水壓力二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-土壓平衡式盾構第22頁二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-土壓平衡式盾構

?土壓平衡式盾構適用條件：從理論上講，通過注入塑流化添加劑和強力攪拌能將各種土質改良成土壓平衡式盾構工作所需的塑流體，故這種盾構能適用于各種圍巖條件。

但在含水的砂層或礫砂層，尤其在高水壓的條件下，土壓平衡式盾構在穩(wěn)定開挖面土體、防止和減少地面沉降、避免土體移動和土體流失等方面都較難達到理想的控制。

進行地層改良后可采用泥水加壓式盾構。第23頁(3)泥水加壓式盾構

泥水加壓式盾構的總體構造與土壓平衡式盾構相似，僅支護開挖面方法和排碴方式有所不同。二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機

地層刀盤進泥管排泥管泥漿壓縮空氣連通管壓縮空氣泥模形成區(qū)第24頁?支護開挖面方法：密封艙內充滿特殊配制的壓力泥漿，刀盤(花板型)浸沒在泥漿中工作。通常是泥漿壓力和刀盤面板共同對開挖面支護，泥漿壓力主要是在掘進中起支護作用，刀盤面板主要是在停止掘進時起支護作用。?排碴方式：刀盤切削下的碴土在密封艙內與泥漿混合后，用排泥泵及管道輸送至地面處理，處理后的泥漿再由供泥泵和管道送回盾構重復使用。所以，采用泥水加壓式盾構時，還需配備一套泥漿處理系統(tǒng)。二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-泥水加壓式盾構

第25頁

泥水加壓式盾構泥漿壓力控制方式分為直接控制型(日本型)和間接控制型(德國型)。

①直接控制型盾構的泥漿壓力控制由一套自動控制泥漿平衡的裝置來實現。

泥水室大刀盤清水槽泥漿調整槽密度計流量計供漿管排漿管伸縮管VP2P3P4P1二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-泥水加壓式盾構

第26頁②間接控制型(德國型)盾構泥漿壓力控制由空氣和泥水雙重系統(tǒng)實現?？諝夤馨敫舭?/p>

氣壓室內的空氣壓力，根據開挖面需要的支護泥漿壓力而確定的。不論盾構是否掘進或液面位置產生波動，空氣壓力可以通過空氣調節(jié)閥保持恒定。在盾構推進時，由于泥漿流失或盾構推進速度變化，進、出泥漿量將會失去平衡，空氣和泥漿接觸面的位置就會發(fā)生上下波動現象。通過液位傳感器，即可根據液位變化來控制供泥漿泵的轉速和流量，使液位恢復到設定位置，以保持開挖面支護壓力的穩(wěn)定。當液位達到最高極限位置時，供泥漿泵自動停止；當液位達到最低極限位置時，排泥漿泵則自動停止。二盾構機盾構法施工（一）盾構機種類-密封式盾構機-泥水加壓式盾構

刀盤氣壓艙泥水艙P2P4P5第27頁(二)盾構的組成

從縱向可將盾構分為：切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾。

切口環(huán)：是盾構的前導部分，在其內部和前方可以設置各種類型的開挖和支撐地層的裝置；

支承環(huán)：是盾構的主要承載結構，沿其內周邊均勻地安裝有推進盾構前進的千斤頂，以及開挖機械的驅動裝置和排土裝置；

盾尾：主要是進行襯砌作業(yè)的場所，其內部設置襯砌拼裝機，尾部有盾尾密封刷、同步注漿管和盾尾密封油膏注入管等。

二盾構機盾構法施工切口環(huán)支承環(huán)盾尾第28頁(三)盾構尺寸

盾構外徑:取決于管片襯砌外徑、保證管片拼裝方便的裕量、曲線施工以及修正盾構蛇行時的間隙量、盾尾殼體的厚度等因素，一般可用下式計算：

D——盾構外徑；D0——管片襯砌外徑；t——盾尾殼體的厚度，一般取30~40mm；x——盾尾間隙，x=x1+x2；x1——為拼裝管片方便的裕量，一般在20~40mm；x2——曲線施工和修正盾構蛇行所需的間隙。

二盾構機盾構法施工L——盾尾覆蓋的襯砌長度；R——曲線半徑；第29頁盾構長度:應根據圍巖條件、隧道平面形狀、開挖方法、運轉操作、襯砌型式等條件確定，一般按下式計算：lH——切口環(huán)長度，取決于刀盤和刀盤支承型式；lC——支承環(huán)長度，取決于盾構千斤頂的沖程長，即每環(huán)管片的寬度；lr——盾尾長度，取決于盾尾需要覆蓋幾環(huán)管片，一般為1.5~2.5環(huán)。二盾構機盾構法施工第30頁(一)選型依據

三盾構機機型選擇第五節(jié)盾構法施工(1)工程地質與水文地質條件①隧道沿線地層圍巖分級、各級圍巖的工程特性、不良地質現象和地層中含瓦斯狀況；②地下水位，穿越透水層和含水砂礫透鏡體的水壓力、圍巖的滲透系數以及地層在動水壓力作用下的流動性。第31頁(一)選型依據

三盾構機機型選擇盾構法施工(2)地層的參數①地層固有特性的參數：顆粒級配、最大土粒粒徑、液限WL、塑限WP、塑性指數IP(IP=WL-WP)；②地層狀態(tài)的參數：含水量W、飽和度Sr、液性指數、孔隙比e、滲透系數K、濕土容重。

③地層強度和變形特性的參數：不排水抗剪強度Su、粘結力C、內摩擦角、準貫入度N、壓縮系數、壓縮模量Es；對于巖層則有：無側限抗壓強度、RQD值等。

第32頁(一)選型依據

三盾構機機型選擇盾構法施工(3)地面環(huán)境、地面和地下建(構)筑物對地面沉降的敏感度；(4)隧道尺寸：長度、直徑、永久襯砌的厚度；(5)工期；(6)造價；(7)經驗：承包商的經驗、有無同類工程的經驗。

第33頁(二)選型方法

三盾構機機型選擇盾構法施工在綜合分析比較的基礎上，從技術角度來探討最適宜的盾構型式，最終的選擇仍取決于經濟和企業(yè)的施工能力。第34頁四盾構法施工盾構法施工（一）盾構法施工的主要步驟

(1)在盾構法隧道的起始端和終端各建一個工作豎井；

(2)盾構機在始發(fā)井內安裝就位；

(3)依靠盾構千斤頂推力將盾構從始發(fā)井的墻壁開孔處（封門）推出。(4)盾構在地層中沿隧道設計軸線推進，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)的位置；

(6)盾構進入到達井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推進。第35頁四盾構法施工盾構法施工（二）盾構的掘進

盾構掘進時必須根據圍巖條件，保證工作面的穩(wěn)定，適當地調整千斤頂的行程和推力，沿所定路線方向準確地進行掘進。

(1)盾構千斤頂總推力與刀盤扭矩的計算

土壓平衡式盾構和泥水加壓式盾構的開挖、支護方式不盡相同，兩者所需的千斤頂推力和刀盤扭矩的計算方法也不同。

第36頁四盾構法施工盾構法施工（二）盾構的掘進盾構的各種阻力和計算公式如下：式中，F1—盾構與地層之間的摩擦力；F2—刀盤正面的側向土壓力

；F3—刀盤正面的地下水壓力

；F4—盾尾內部與管片襯砌之間的摩阻力；①土壓平衡式盾構需要的千斤頂推力第37頁式中μ——地層與鋼板的摩擦系數；

D、L——盾構的直徑和長度；

P0——盾構拱頂處的勻布圍巖豎向壓力，一般按全土柱計算，深埋情況下也可按泰沙基公式計算；

——盾構底部的勻布反力，，W為盾構重量；

P1——盾構拱頂處的側向水、土壓力；

P2——盾構底部的側向水、土壓力。(a)盾構與地層之間的摩擦力四盾構法施工盾構法施工第38頁(b)刀盤正面的側向土壓力式中Pd——刀盤中心處的側向土壓力

K0——側壓力系數；

——地層的浮重度；

R——盾構的外半徑；

——按泰沙基公式計算的盾構拱頂處的松動圍巖壓力。四盾構法施工盾構法施工第39頁(c)刀盤正面的地下水壓力式中——刀盤中心處的地下水壓力(d)盾尾內部與管片襯砌之間的摩阻力式中——管片與鋼板之間的摩擦系數，一般??；

——壓在盾尾上的管片襯砌重量，最大可取2~3環(huán)管片的自重；四盾構法施工盾構法施工第40頁泥水加壓式盾構千斤頂總推力的計算方法與前述的相同，只是在計算刀盤正面?zhèn)认蛲翂毫?F2)時，要增加泥漿充填壓力Q3(＝0.0015MPa)根據具體情況增加一項后方臺車的牽引阻力(F5)

式中——滾動阻力系數，一般取＝0.1；

Wb——后方臺車的重量。四盾構法施工盾構法施工（二）盾構的掘進②泥水加壓式盾構需要的千斤頂推力第41頁四盾構法施工盾構法施工（二）盾構的推進③土壓平衡式盾構需要的扭矩式中，T1—刀具切削土體所需的扭矩；T2—由于刀盤自重所產生的抵抗旋轉的扭矩；

T3—刀盤正面推力所產生的抵抗旋轉的扭矩；

T4—刀盤密封裝置抵抗旋轉的扭矩；T5—刀盤正面的摩擦扭矩；T6—刀盤周邊的摩擦扭矩；

T7—刀盤背面的摩擦扭矩；

T8—刀盤開口處切削碴土所需的扭矩；

T9—刀盤在密封艙內攪拌碴土所需的扭矩。第42頁四盾構法施工盾構法施工（二）盾構的推進④泥水加壓式盾構需要的扭矩式中，T1—刀具切削土體所需的扭矩；T2—由于刀盤自重所產生的抵抗旋轉的扭矩；

T3—刀盤正面推力所產生的抵抗旋轉的扭矩；

T4—刀盤密封裝置抵抗旋轉的扭矩；

T5—刀盤正面的摩擦扭矩；

T6—刀盤周邊的摩擦扭矩；

T7—刀盤背面的摩擦扭矩；

T8—刀盤開口處切削碴土所需的扭矩；

T9—刀盤在密封艙內攪拌碴土所需的扭矩。第43頁四盾構法施工盾構法施工（二）盾構的推進⑤盾構推力和扭矩的控制標準推薦值千斤頂總推力：

F=1000~1300kN/m2（kN·m）kN/m2kN/m23第44頁四盾構法施工盾構法施工（二）盾構的推進

(2)盾構掘進注意事項

①正確選擇推進千斤頂的個數與配置，以確保所