盾构施工技术第13节.ppt

盾构施工技术,山东科技大学土建学院 乔卫国 教授,第四章 盾构施工技术 第一节 概述一、盾构施工法概念 盾构施工法是在钢制筒形壳体（盾构）掩护下，在地层中进行挖土和拼装预制衬砌构件，并以液压千斤顶逐步向前顶进壳体的一种暗挖隧道施工方法。盾构掘进机shield machine 特点在盾构保护下，进行地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水、盾尾间隙注浆充填等作业，并需随时排除地下水和控制地面沉降。是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。,二、盾构法主要施工程序,8、盾构进入接收井，并运出地面,7、接收井洞口土体加固,三、盾构法施工的优缺点,优点：1、作业场地小，因噪音、振动引起的环境影响小；2、在盾构保护下开挖和衬砌，施工安全；3、隧道施工不影响地面交通或水上航道；4、地下施工不受气候影响；5、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快（一般6m/d,最高12m/d）。,缺点：1、施工设备费用较高（直径6m土压平衡盾构机约500万美元，直径6m复合盾构机约800万美元）；2、短于750m隧道施工不经济；3、覆土较浅时，地表沉降较难控制；4、衬砌结构防水要求高；5、曲率半径较小的曲线段施工较困难。,适用范围：适用于各类软土地层和软岩地层的隧道掘进，尤其适用于城市地下隧道工程。水底公路隧道；地铁区间隧道；排水污水隧道；引水隧道；公用管线隧道。,已建成的地铁人行通道,地铁区间隧道,市政工程隧道,过江电缆隧道,三、盾构法隧道技术的发展历史1、国外盾构隧道的发展*1818年，法国的布鲁诺(Brunel)从蛀虫钻孔得到启示，提出盾构掘进隧道设想，并获得发明专利。*18251843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道（11.3m6.7m）,世界上第一条盾构隧道。*1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。*1869年，英国的巴劳(Barlow)首次采用圆形盾构和铸铁管片，在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。,*1874年，英国的格雷塞德(Greathead)较完整提出了气压盾构法施工工艺，首创盾尾空隙压浆的辅助工法，并用于伦敦地铁南线内径3.2m隧道施工。*18801890年，在英国和加拿大间的圣克莱河下用盾构法建成直径6.4m、长1800m的水底铁路隧道。*1896年，开始应用刀盘式机械掘进盾构。*20世纪初，美国、英国、德国、苏联、法国等国开始采用盾构法修筑地铁和水底公路隧道。*1940年后，苏联用直径6.09.5m盾构在莫斯科和列宁格勒修建地铁。,*19391942年，日本首次用盾构施工国铁关门隧道工程（盾构直径7.18m，隧道长度725.8m）。*1967年，英国开发成功首台泥水加压平衡盾构。*1974年，日本开发成功首台土压平衡盾构。*19871991年，英国、法国采用11台盾构掘进50km长的英法海峡隧道，创造单台盾构连续掘进21km的记录。*19891996年，日本采用8台世界最大直径14.14m泥水加压盾构，掘进东京湾海峡隧道，2条隧道各长15.1km。,英法海峡隧道示意图,2、我国盾构法隧道技术的发展*50年代，东北阜新海州露天煤矿首次采用直径2.6m手掘式盾构在沙土层施工疏水巷道。*1957年，北京市政工程局采用2台直径2.0m和2.6m手掘式盾构进行城市下水道施工。*1963年，上海隧道工程股份有限公司在软土地层进行直径4.2m手掘和网格盾构的浅推进和深推进工程试验。*1965年，上海采用直径10.22m网格挤压盾构掘进国内首条水底公路隧道打浦路隧道，掘进长度1322m。,*19851988年，上海采用自行研制的直径11.33m网格型水力出土盾构掘进机施工延安东路隧道，掘进长度1476m。*19851986年，上海引进日本川崎重工制造的直径4.33m小刀盘土压平衡盾构掘进芙蓉江路排水隧道1656m。*19871989年，上海研制了国内首台直径4.35m土压平衡盾构，掘进完成穿越黄浦江底的市南站电缆隧道583m。技术成果获国家科技进步一等奖。,*19911993年，上海与法国FCB公司合作设计制造7台直径6.34m土压平衡盾构，完成上海地铁1 号线78km区间隧道掘进施工。*19951997年，上海引进日本三菱重工直径11.22m泥水加压盾构掘进延安东路隧道南线工程1300m主隧道。*19961998年，广州引进日本1 台直径6.14m土压平衡盾构和2台直径6.14m泥水加压盾构，完成广州地铁1 号线8.8km区间隧道掘进施工。,*1999年，上海研制国内首台3.8m3.8m组合刀盘型矩形土压平衡盾构，掘进104m地铁2号线陆家嘴车站过街人行地道。*1999年，北京市政总公司引进日本石川岛播磨直径3.6m土压平衡盾构，完成亮马河排水隧道工程。2000年，广州地铁2号线采用改制的直径6.14m复合型土压平衡盾构，进行风化岩地层中的区间隧道掘进施工。武汉长江隧道，2004年11月2008年12月试通车。全长3630m，设计为左右道隔离双向4车道公路隧道。采用风格NFM公司生产的11.38m泥水加压平衡盾构和复合刀具，实现长距离不换刀掘进。,上海长江隧道，长江首条公铁隧道。2004年12月28日启动，08年9月6日双线贯通。全长8950m，水域隧道长7500m，双管双向6车道，单管外径15.0m,内径13.7m，采用德国海瑞克公司泥水平衡盾构机，直径15.43m，目前世界上直径最大的盾构机（盾构隧道）。,北桥南隧越江工程,上海长江隧道,上海长江隧道,南京长江隧道，2008年1月开挖，2009年8月22日贯通。双向六车道，长3825m，采用德国海瑞克公司生产的直径14.93m泥水平衡盾构机。,南京长江隧道,应用 各国盾构隧道中，上下水隧道70%，地铁和水底隧道15%，煤气、电力、通讯隧道15%。盾构技术发展方向 大埋深、高水压、大直径、长距离、高速度、异园化、机械化、自动化、可视化、智能化。,第二节 盾构的构造,盾构基本构造：盾构壳体 推进系统 拼装系统 出土系统,一、盾构壳体组成_切口环、支承环、盾尾三部分,1、切口环（1）位置盾构最前端，切入土层，掩护开挖 作业，长度2m；（2）形状（3）设备挖土设备（刀盘、挖土机）、排土设施、挡土千斤顶、活动平台等）（4）气压式、泥水平衡式、土压平衡式盾构，在切口环与支承环之间设置密闭隔板。,垂直形刀盘开挖，稳定土层手掘,倾斜形较不稳定土层手掘,阶梯形不稳定土层手掘,2、支承环（1）位置是连接切口环与盾尾的中间部分；（2）结构盾构结构的主体，较强刚性的圆环结构。设环向、水平、竖直支撑；承受荷载：地层土压力、千斤顶顶力、管片拼装等施工荷载；（3）设备推进千斤顶（沿结构外沿布置）、操纵控制室、衬砌拼装机；（4）长度取决于推进千斤顶长度，一般为衬砌环宽加0.20.3m。,3、盾尾（1）结构盾构外壳钢板延长，掩护隧道管片拼装；（2）盾尾装置密封装置，防地下水、加压泥水、衬砌背后注浆浆液从盾尾流入隧道；密封材料性能要求：富弹性、耐磨损、耐撕裂、耐压力、止水好。密封装置类型：,橡胶密封：L形、U形,钢丝束密封：弹簧钢板、钢丝束、密封油脂,二、推进系统 组成液压系统（液压站、控制系统）、千斤顶群。作用盾构的前进、方向调整(克服推进阻力)千斤顶布置在支承环周圈布置，单台推力，1000kN2000kN，行程比管片宽度长1020cm。推进速度：50100mm/min 油压：3040MPa(高液压系统),三、拼装系统 管片拼装机把管片按设计位置和形状进行拼装的机械装置；组成由举重臂和真圆保持器组成；,四、出土系统1、皮带输送机 用于手掘式或半机械化盾构；2、螺旋输送机 用于土压平衡盾构 或手掘式、半机械化盾构；3、泥浆泵 用于泥水加压平衡盾构。,半机械化盾构,土压平衡盾构,螺旋输送机出土,土箱运土,井口土箱吊运,管片吊运下井,管片水平运输,泥水平衡盾构,第三节 盾构分类,盾构分类划分的依据有多种，主要按断面形状和挖掘方法分类。一、按盾构的断面形状分类1.圆形盾构2.半圆形盾构3.马蹄形盾构4.矩形盾构5.眼镜形盾构6.双圆盾构,1、圆形盾构应用最广能承受较大外压、便于推进和管片安装、盾构转动不影响断面利用。,2、椭圆形,特殊隧道（铁路隧道）,3、矩形断面断面利用率高，但盾构刚度小，受力不佳，纠偏困难，少用。,3.8M3.8M矩形土压盾构及工程应用,上海地铁二号线一期工程陆家嘴路车站出入口工程,4、双园盾构用于区间隧道修建。,双圆盾构隧道技术在上海地铁工程中的应用,上海地铁8号线黄兴路开鲁路2.6km区间隧道采用双圆盾构，上海隧道工程股份有限公司引进了2台6300W10900双圆盾构掘进机，于2003年8月始发推进，于2003年12月底完成866m区间隧道掘进。6300W10900双圆盾构掘进机的刀盘为辐条式，开口率较大（80以上）。,双圆盾构掘进机,双圆盾构掘进机主要参数,2003年8月8日双圆盾构始发推进,双圆盾构管片堆放,双圆盾构管片拼装,双圆盾构管片拼装流程,双圆隧道施工,双圆管片拼装,二、按挖掘方式分为三大类 1.手掘式盾构 1）一般手掘式 在切口环前檐及部分挡土千斤顶保护下，人工开挖盾构前方土层的方法。该方法适用于开挖稳定土层。特点：盾构构造简单；施工操作、管理简单；便于纠偏；但劳动强度大，效率低，人员易受正面塌方危险。,2）挤压式盾构 靠强大推力将前方土层全部或部分挤入盾构四周外侧而向前推进。在盾构的前方设置胸板，以挡住正面的土体。分为：全挤压式和局部挤压式（半挤压式）。a.全挤压式盾构工作面胸板全部封闭不出土，而将盾构经过区域的土挤入到外部。适用于软塑土质。b.局部挤压式盾构要部分打开胸板，部分土体从胸板土孔挤入盾构。,3）网格式盾构盾构正面装有钢板网格。推进时，土层切成条状顺各网格挤入盾构内，通过输送机运走，停止推进时网格起挡土作用。网格盾构中网格的作用防止开挖面塌塌，减小地面沉降变形，在土体较稳定的土层中适用。另外：盾构切口的网格上可布置液压启动闸门，可根据需要随时调节开挖面进土部位和进土量，以控制地面变形和纠偏。,打浦路越江隧道工程,延安东路隧道工程,2、半机械化盾构 在手掘式盾构的正面装上挖土机械，以代替人工开挖。适用于良好地地质条件。特点：半机械式盾构，盾构造价低，效率也较高。,3.机械式盾构在盾构切口环部分部分装上与盾构直径相仿的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构。机械化盾构按稳定开挖面方式不同分：局部气压式；全气压式盾构；泥水加压式盾构；土压平衡式盾构。,1）局部气压式盾构在盾构的切口环和支承环之间装有封闭隔板，使切口环形成一个封闭仓。仓内通入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，维护其稳定。缺点：在封闭仓、盾尾、管片接缝处易漏气。被泥水加压盾构和土压平衡盾构取代。,2）泥水加压盾构原理向盾构封闭隔舱里注入调和泥浆，通过泥水压力与外部土压和水压平衡。排土方式刀盘切削下来的沙土，进入泥水舱，经搅拌装置搅拌形成高浓度泥浆，通过排泥管道由泥浆泵排出，送至地面进行泥水分离，然后泥浆送入地下盾构泥水室，循环使用。泥水作用,泥水压力与开挖面水土压力平衡；在地层表面形成一层不透水泥膜，使泥水产生有效压力；加压泥水渗透到地层，可使渗透区域开挖面稳定。,泥水压力比地下水压高0.2MPa。泥水容重1.051.25g/cm3。特点可抵抗水压，连续排土；对地层适应性广。但是盾尾漏水，开挖向状态不明，需较好的动态控制技术（泥水压力、泥水流量、泥水浓度等测定、控制 技术，以确定挖土、排土量），需要专门泥水分离设备（设备贵、占用场地）。适用条件适用范围广：软弱的淤泥质土层，松动的砂土层、砂砾层、卵石砂砾层等土层。注意：松动卵石层、坚硬土层会产生漏水，泥水应加胶合剂堵漏。,泥水平衡盾构,泥水平衡盾构泥水处理系统,3）土压平衡盾构该盾构是在上述两种机械化盾构的基础上发展起来的，避免漏气漏水的缺点。原理用刀盘切削下来的土，经刀盘后的叶片搅拌充满封闭仓，并保持一定压力，以平衡开挖面土压力，减少开挖面土体扰动，控制地表沉降。排土螺旋输送机出土。螺旋输送机充满泥土，通过调整刀盘转速、推进速度、螺旋机转速来调整切削土量和出土量，并保持土舱压力，使之与开挖面水土压力保持平衡。,分类根据开挖面的稳定机理分为：削土加压式、加水式、高浓度 泥水加压式、加泥式4类。削土加压式在土舱内喷入水、空气或添加 混合材料，保证土舱内土砂流动性；加水式向开挖面加入压力水，保证土的 流动性，平衡地下水压力；高浓度泥水加压式向开挖面加入高浓度泥 水，通过泥水与挖掘土搅拌，保证土 的流动性，平衡开挖面土压和水压；加泥式向开挖面注入粘土材料和泥浆，使 挖掘土具有止水性和流动性，平衡 开挖面土压和水压。目的增加挖掘土流动性、止水性，防止其 在土舱内压实固结。,优点适用性较广（有无水、粘结性、非粘结性、含砾石多种复杂土层）；施工速度快；无泥水处理设备，价格低。缺点开挖面状况不明，难处理；刀、刀盘磨损大，寿命短。适用条件最适用于软弱的冲积土层；砾石层或砂土层中，需加泥土。,应用现状 地铁区间隧道工程的施工已经越来越多地采用先进、安全地土压平衡盾构掘进。上海、广州、北京、深圳、南京、天津，目前有50余台土压盾构用于地铁区间隧道施工，其中90为6.14m6.34m的土压盾构，上海地铁还引进5台6.3mW10.9双圆型土压盾构进行双圆隧道掘进施工。,上海地铁6.34m土压平衡盾构,盾构外径6.34m，长6.54m，前端为大刀盘，有6条轮辐，各装有两排切削刀头。刀盘有12条轮辐面板，正面开口率为30。,6.34m土压平衡盾构主要工作参数,与法国FCB公司合作设计制作的6.34M土压平衡盾构,盾构掘进施工管理,土压值取为0.18MPa0.20MPa，盾构推力一般为10 000kN12 000kN，推进速度为1.5cm/min2.5cm/min。同步注浆量为2.5m33.5m3，注入率（注入量/盾尾空隙量）达140200。注浆压力一般采用0.3MPa0.4MPa。,7号盾构吊装就位,2号盾构设备车架,盾构设备车架,盾构准确进入接收井,地铁隧道装修照片,土压平衡盾构在上海地铁隧道工程中的应用,上海地铁区间隧道直径6.34m土压盾构掘进施工,1995年上海地铁2号线24.12km区间隧道开始掘进施工，地铁1号线工程所用的7台6.34m土压盾构经维修以后，继续用于2号线区间隧道掘进，同时又从法国FMT公司和上海的联合体购置2台土压盾构，上海隧道工程股份有限公司制造1台土压盾构，共计10台土压盾构用于隧道施工。于2000年开工兴建的上海地铁4号线工程区间隧道仍使用这10台6.34m土压平衡盾构施工。2001年，向日本三菱重工购置4台6.34m土压平衡盾构，共计14台盾构掘进施工。,20022003年，上海地铁8号线、6号线、9号线相继建设，由于1990年购置的7台土压盾构已经掘进9km/台以上，早已超过5km/台的设计使用寿命。2002年以来，又陆续采购10台6.34m土压盾构，使上海地铁使用的盾构达到24台。,南京地铁1号线区间隧道6.34m土压平衡盾构,南京地铁1号线全长22.72km，其中有10.9km区间隧道采用盾构法施工。隧道外径6.2m，隧道覆土6m15m，隧道穿越的地层有粉质粘土、粉砂、粉土，含水量饱和，透水性强。,南京地铁隧道试验段盾构法区间地质剖面图,南京地铁1号线三山街站珠江路站区间段隧道由上海隧道工程股份有限公司施工，其它2个标段分别由中铁隧道集团公司和上海机施公司施工。3台6.34m土压盾构分别引进日本三菱和德国海瑞克公司。2001年7月，第1台盾构从三山街站始发推进，盾构的主要工作参数与上海土压盾构相近。其推力约为10000k N12000k N，推进速度200250m/月。盾构穿越内秦淮河时，河底与隧道的最小覆土约为0.7m，采取多种技术措施，土压力设定控制在0.05MPa0.13MPa，使盾构顺利穿越。,南京地铁一号线约16km区间隧道全部采用6.34m土压盾构掘进施工，分别从日本和德国引进3台。目前，由上海隧道工程公司承包钓鱼台站三山街站区间隧道已完成上行线。,北京地铁5号线砂性地层6.19m盾构隧道试验段施工,北京地铁5号线北新桥站雍和宫站区间隧道近688m作为盾构试验段工程，于2000年9月25日始发推进。隧道外径6.0m，由6块管片组成，环宽1.2m，管片厚0.3m，隧道覆土12m18m，穿越地层为粉质粘土、细砂和砂卵石地层，地下水位10m，土砂的含水量较小（1823），孔隙比小（0.60.7），内摩擦角大（1837）。隧道施工选用德国海瑞克公司的6.19m土压盾构。,北京地铁5号线地质纵剖图,6.19m土压盾构掘进机,由于粘土含水少，粘结力大，易粘附于盾构刀盘，不易排土，因此盾构在粉质粘土和粘质粉土地层中掘进时注入24泡沫，以润滑刀盘和螺旋输送机。在砂砾和卵石地层掘进施工，为减少对刀盘、刀具的磨损，提高砂砾、卵石塑流性和止水性，除添加34的泡沫剂外，还注入膨润土泥浆。盾构的正面土压控制为0.15MPa0.2MPa，盾尾注浆采用单液同步注浆，地面沉降控制为0.5cm2.0cm。隧道掘进施工还配有SLS-T自动导向系统，具有盾构姿态测量和管片选型预测功能。,复合型土压平衡盾构,广州地铁混合地层6.14m复合型土压盾构掘进施工,广州地铁1号线始建于1995年，全长18.5km，其中8.78km区间隧道采用2台泥水加压盾构和1台复合型土压盾构施工，盾构直径6.14m6.25m；广州地铁2号线始建于1999年，全长21.34m，其中10.64km区间隧道采用6台6.14m复合型土压盾构掘进施工。,1996年，广州地铁一号线工程中有8.825km区间隧道采用3台6.14m盾构掘进施工，其中1台为复合型土压平衡盾构，2台为泥水加压盾构，均为日本川崎重工制造，由青木建设承包施工。烈士陵园站农讲所站公园前站2970m区间隧道采用复合型土压盾构，其刀盘上设置了两种刀具，切削粘土的割刀和切削风化岩石的盘形滚刀。2000年，广州地铁二号线工程海珠广场站至江南新村站3423m区间隧道选用2台由上海隧道工程公司改制的6.14m复合型土压盾构掘进施工。盾构从珠江底穿越，埋深1628m，掘进地层为含水丰富的弱风化岩、强风化岩和中风化岩。2001年，广州地铁工程购置4台6.14m德国海瑞克公司制造的复合型土压盾构，掘进速度8m/d，最快达20m。,广州地铁二号线复合盾构掘进工程,广州地铁复合型土压盾构主要工作参数表,6.14m复合盾构,当盾构穿越风化岩地层时，可根据地质和水文条件、盾构选择不同的掘进模式，如土压平衡（EPB）、敞开式（oPen）和半敞开式（semi-open），正确选择掘进模式可以提高掘进速度和降低成本。在EPB掘进模式中，遇砂性和风化岩地层时，必须注入泡沫剂或膨润土浆，具有改良切削土砂的塑流性、止水性，防止刀盘形成泥饼，减少刀盘扭矩和刀具磨损，提高掘进速度。广州地铁的掘进施工速度最高达到400m/月。,土压平衡盾构掘进隧道具有土层适应范围广、掘进速度快、施工安全、工程质量好的优点，其施工成本已与矿山法接近，是适用于各类隧道工程的一种掘进机。我国各大城市地铁区间隧道工程普遍选用土压平衡盾构，并通过在各种不同地层中施工形成了成熟的工艺技术。不同的地层条件必须选用不同的刀盘形式、刀具形式和刀具的合理布置，其动力配置和施工参数也必须适应土层条件。目前，我国地铁隧道工程所用的土压平衡盾构，大部分是国外厂家制造的。盾构是一种集机、电、液、传感和计算机技术于一体的先进工程机构，我国已起步研制各类土压盾构，并在工程中得到应用，在今后的隧道工程中将越来越多地采用自行设计制造地土压平衡盾构掘进机。,盾构选型 考虑因素地质条件、经济性、环境条件 综合考虑、选择方案 泥水平衡盾构、土压平衡盾构最先进、造价高；条件允许，尽量选用土压平衡盾构；手掘式、半机械式盾构土体稳定、有障碍物、隧道长度短，技术经济效益好；,盾构选型比较表,