城市地下工程施工技术 第四章盾构法施工技术 主讲人 : 饶平平副教授
发展史 : 最早是在 1818 年由英国工程师布鲁诺尔 (M.I, Brunel) 发明的, 他是从船的木板中, 有一种蛀虫钻出孔道, 并用它分泌的粘液加固洞穴得到启发而研制出的, 并于 1825 年开始用一个宽 11.58m 高 6.7m 的矩形盾构, 在英国伦教的泰晤出河下面修建世界第一条水底隧道 施工中遇到泥水涌入隧道的极大困难, 两次被淹, 直至 1835 年对后构作了改良. 用压气辅助施工, 才于 1843 年完工 隧道全长 458m
1888~1890 年间用盾构法在美国和加拿大间的圣克莱 (St,Clair) 河下建成了一条直径为 6.40 m, 长为 1870m 的萨尔尼亚 (Sarnia) 水底隧道, 为盾构法修建隧道开拓了更为广阔地发展前景 20 世纪初, 盾构法施工已在美 英 法 俄等国开始推广, 已用在水底公路隧道 地下铁道 上下水道 电力 通讯煤气等市政公用地下设施管道 1932 年原苏联开始用直径为 6.6-9.5m 的盾构先后在其斯科 列宁格勒 基辅等城市修建地下铁道的区间隧道及车站
1922 年日本开始用盾构法修筑国铁奥羽线折渡隧道 1943 年修建关门水底隧道直径达 6.0m, 长 1100 多米 1956 年在海州露天矿用直径 2.66m 的盾构在砂土层开凿了疏水巷道 ; 1957 年起北京采用直径 2.0m 2.6m 的盾构施工下水道工程 ;
1972 年在江苏大屯矿用立井盾构施工了井筒达 150m 从 1960 年起上海在第四纪软弱饱和水土层中用不同类型盾构完成了一批水底公路隧道 地下人防通道 引水隧道 排水隧道 电缆隧道等工程
一 盾构法的主要优点 1 除竖井施工外, 施工作业均在地下进行, 噪音 振动引起的公害小, 既不影响地面交通, 又可减少对附近居民的噪音和振动影响 2 盾构推进 出土 拼装衬砌等主要工序循环进行, 施工易于管理, 施工人员也较少, 劳动强度低, 生产效率高 3 土方量外运较少 4 穿越河道时不影响航运
一 盾构法的主要优点 5 施工不受风雨等气候条件影响 6 隧道的施工费用不受覆土量多少影响, 适宜于建造覆土较深的隧道 在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道, 盾构法有较好的技术经济优越性 7 当隧道穿过河底或其他建筑物时, 不影响施工 8 只要设法使盾构的开挖面稳定, 则隧道越深 地基越差 土中影响施工的埋设物等越多, 与明挖法相比, 经济上 施工进度上越有利
二 盾构法存在的不足 1 当隧道曲线半径过小时, 施工较为困难 2 在陆地建造隧道时, 如隧道覆土太浅, 开挖面稳定甚为困难, 甚至不能施工, 而在水下时, 如覆土太浅则盾构法施工不够安全, 要确保一定厚度的覆土 3 竖井中长期有噪声和振动, 要有解决的措施 4 盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时, 对劳动保护要求较高, 施工条件差
二 盾构法存在的不足 5 盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止, 特别在饱和含水松软的土层中, 要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内, 目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降 6 在饱和含水地层中, 盾构法施工所用的拼装衬砌, 对达到整体结构防水性的技术要求较高
盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 网格挤压式盾构
掘削机构
盾构施工 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE
双圆和多圆盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE
地下连续墙的位置
土压平衡盾构机
盾构设备主要组成部分示意图
土压平衡盾构机后备台车
土压平衡盾构机工作原理 马达驱动刀盘旋转切削土体, 同时盾构机液压千斤顶将盾构机向前推进, 并向密封仓内加入塑流化改性材料, 与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌, 形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体 同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配, 经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力, 实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进
配套设施一 : 地面监控室
配套设施二 : 浆液搅拌站
配套设施三 : 龙门吊
配套设施四 : 管片堆放场
配套设施五 : 碴土堆放场
盾构机操作室
螺旋输送机出土口
皮带输送机 碴土
碴土落入土斗
电瓶车编组
运至提升区域
管片吊放
成型隧道
盾构法是在盾构保护下修筑隧道的一类施工方法 这类方法的特点是地层掘进 出土运输 衬砌拼装 接缝防水和盾尾间隙注浆充填等作业都在盾构保护下进行, 并需随时排除地下水和控制地面沉降, 因而是工艺技术要求高 综合性强的一类施工方法 出土转盘 盾构 盾构千斤顶 压浆孔 在盾尾空隙中的压浆 竖井 后盾管片 盾构正面网格 管片拼装机 管片 压浆泵出土机由管片组成的隧道衬砌结构 盾构法施工概貌 盾构法施工概貌
盾构简介 盾构组成 刀盘盾体后配套设备 前盾中盾尾盾 配套台车 管片运输设备 出土设备 注浆系统 监控系统等
盾构法主要施工程序 1 建造盾构工作井 2 盾构掘进机安装就位 3 出洞口土体加固 4 初推段掘进施工 5 掘进机设备转换 6 盾构连续掘进施工 7 接收井洞口土体加固 8 盾构进入接收井, 并运出地面
三 盾构法施工步骤 1 在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井 ; 2 盾构在起始端工作井内安装就位 ; 3 依靠盾构千斤顶推力 ( 作用在新拼装好的衬砌和工作井后壁上 ) 将盾构从起始工作井的壁墙开孔处推出 ; 4 盾构在地层中沿着设计轴线推进, 在推进的同时不断出土和安装衬砌管片 ;
三 盾构法施工步骤 5 及时地向衬砌背后的空隙注浆, 防止地层移动和固定衬砌环的位置 ; 6 盾构进入终端工作井并被拆除, 如施工需要, 也可穿越工作井再向前推进
四 盾构机的种类 盾构的分类方法较多, 可按盾构切削断面的形状 ; 盾构自身构造的特征 尺寸的大小 功能 ; 挖掘土体的方式 ; 掘削面的挡土形式 ; 稳定掘削面的加压方式 ; 施工方法 ; 适用土质的状况等多种方式分类
四 盾构机的种类 3. 按加压稳定掘削面的形式分类按加压稳定掘削面的形式, 盾构可分为压气式 泥水加压式, 削土加压式, 加水式, 加泥式, 泥浆式六种 1 压气式 : 即向掘削面施加压缩空气, 用该气压稳定掘削面 2 泥水加压式 : 即用外加泥水向掘削面加压稳定掘削面 3 削土加压式 ( 也称土压平衡式 ): 即用掘削下来的土体的土压稳定掘削面
四 盾构机的种类 5. 按盾构机的尺寸大小分类按盾构机的尺寸大小, 盾构机可分为超小型 小型 中型 大型 特大型 超特大型 超小型盾构系指 D( 直径 ) 1m 的盾构, 小型盾构系指 1m<D 3.5m 的盾构, 中型盾构系指 3.5m<D 6m 的盾构, 大型盾构系指 6m<D 14m 的盾构, 特大型盾构系指 14m<D 17m 的盾构, 超特大型盾构系指 D>17m 的盾构
五 盾构机的结构 设置盾构外壳的目的是保护掘削 排土 推进 施工衬砌等所有作业设备 装置的安全, 故整个外壳用钢板制作, 并用环形梁加固支承 盾构壳体从工作面开始可分为切口环 支承环和盾尾三部分
五 盾构机的结构 盾构纵剖图 切口环 支承环 盾尾三部分组成切口环 : 是盾构的前导部分, 在其内部和前方可以设置各种类型的开挖和支承地层的装置支承环 : 是盾构的主要承载结构, 沿其内周边均匀地装有推动盾构前进的千斤顶, 以及开挖机械的驱动装置和排土装置盾尾 : 是衬砌作业的场所, 其内部设置衬砌拼装机
管片的拼装 管片与管片之间可以采用螺栓连接或无螺栓连接形式 螺栓连接 无螺栓连接
管片结构 管片拼装形式 通缝拼装 拼装难度小, 衬砌空间刚度稍差 错缝拼装 接缝刚度分布均匀, 整体性较好, 管片精度要求高, 拼装难度较大
六 盾构推进系统 ( 一 ) 盾构的推力盾构的前进和方向调整是靠千斤顶推进实现的 因此, 要求盾构千斤顶有足够力可用以克服盾构推进过程中所遇到的各种阻力 决定盾构的推力主要有如下因素 (1) 盾构壳体与土之间的摩擦力 ; (2) 工作面推进阻力 ; (3) 推进中切口插入土中的阻力 ; (4) 管片与盾尾摩擦阻力等 除了考虑以上因素外, 还有转向 纠偏 防偏转的稳定装置, 挡板等的阻力和后车架的牵引阻力等 一般来说, 把考虑以上因素的计算值再乘以安全系数 2 所得的数值作为盾构的推力
隧道的二次衬砌 盾构隧道施工时, 在盾尾内组装的管片或现浇的混凝土叫一次衬砌, 而把其后施工的衬砌称二次衬砌或内衬 二次衬砌多用于管片补强 防蚀 防渗 矫正中心线偏离 防震 使内表面光洁和隧道内部装饰等 根据隧道使用要求, 可分成 : 浇筑底板混凝土, 浇筑 120 下拱混凝土, 浇筑 240 下拱混凝土和浇筑 360 全内衬混凝土四种形式
七 盾构机选型 盾构机的选型及设计 工程在前期准备时最重要的工作 盾构机选型考虑因素 地层土质条件断面大小线路周边环境排土方式 地铁盾构常用的机型 泥水平衡盾构土压平衡盾构 泥水平衡式盾构 土压平衡式盾构
七 盾构机选型 比较项目 泥水平衡式盾构 土压平衡式盾构
七 盾构机选型 土层地质 地层渗透性与盾构选型 卵石层 粗砂砾层 中细砂砾层 -10-1 -10-1 -10-2 泥水盾构 粉细砾层粗砂粉细砂泥砂 透水系数 (m/s) -10-3 -10-4 -10-5 -10-6 -10-7 -10-8 -10-9 土压平衡盾构 粘土 -10-10
土压平衡式盾构 定义 : 土压平衡式盾构机用开挖出的土料作为支撑开挖面稳定的介质, 适用条件 : 土料具有良好的塑性变形, 软稠度, 内摩擦角小及渗透率小 由于一般土壤不能完全满足这些特性, 所以要进行改良 改良的方法通常为 : 加水, 膨润土, 粘土, 聚合物和泡沫等, 根据土质情况选用 通过这些改良措施, 扩大了土压平衡式盾构机的应用范围
土压平衡式盾构 土压平衡式盾构机的主要部件 土压平衡盾构机的基本装置是切削刀盘, 开挖室以及螺旋输送机等
土压平衡式盾构 1 切削刀盘 切割开挖面上的土壤和在开挖室内搅拌使之变成可塑的泥土浆 切削刀盘前面一般布置有添加土壤改良剂料的灌注口, 对开挖面上的土壤进行改良处理 切削刀盘盘面有封闭式和敞开式两种 封闭式切削刀盘是用于开挖面不稳定的土层类型, 这样可以避免在开挖面有大量的土壤松动 缺点 : 是在开挖面上支撑压力的分布不均匀 承压隔板上测得的土压值不一定就是真实值, 它还和刀盘的位置和转向有关 敞开式切削刀盘 ( 敞开式星形设计 ), 一般不会发生阻塞, 此时开挖面支撑压力分布均匀且送到螺旋输送机上的土料流动稳定 缺点 : 是由于缺乏机械支撑, 进入压缩空气下的开挖室的危险较大 此外, 长时间运行时, 在覆土浅时易造成沉降, 稳定性和刀盘的强度降低
土压平衡式盾构 2 开挖室 ( 密封舱 ) 切削刀盘与后面的承压隔板之间所形成的一个空间 用于存储被刀盘削切下来的土体, 并加以搅拌使其成为不透水的, 具有具有适当流动性的塑流体, 使其能及时充满密封舱和螺旋输送机的全部空间, 对开挖面进行封闭, 以维持开挖面的稳定性, 同时也便于将其排出
土压平衡式盾构 3 螺旋输送机 功能 : 用来将密封舱内的塑流状土体排出盾构外, 并在排土过程中, 利用螺旋桨叶片与土体间的摩擦和土体阻塞所产生的压力损失, 将螺旋输送机排出口的泥土压力降至一个大气压, 使其不发生喷漏现象 螺旋输送机的圆柱形壳体有一段是可以伸缩的 它伸到开挖室内部, 可以改善土料的供应 由于存在摩擦, 在壳体内的土料不能旋转, 只能作轴向移动 螺旋输送机的安装位置较低时更好用, 因为土料是利用其自身重量压入螺旋输送机开口中的 当螺旋输送机位于中心时, 必须将在开挖室下部的土料向上压送以克服重力作用 若螺旋输送机位于更低的位置, 使用压缩空气将开挖室内的土料向低位压送没什么问题, 因此压缩空气气室的位置越高越好
八. 地铁盾构结构设计 地面变形阶段 变形分析 分五个阶段
八. 地铁盾构结构设计 地面变形机理 变形分析 阶段沉降类型主要原因 一初始沉降地下水位降低, 二 开挖面前方隆陷 隆起 : 盾构机推力过大 沉降 : 盾构机推力过小出碴过量 三盾构通过时地沉降施工震动扰动, 剪切错动 四盾尾沉降土体失去盾构支撑, 管片壁后注浆不及时 五固结沉降土体后续时效变形
八. 地铁盾构结构设计 衬砌内力分析 地层 - 结构法 ( 有限元法 ) 二维平面分析 三维空间分析 荷载 - 结构法 弹性均质圆环法 二维平面分析 三维空间分析 弹性铰接圆环法 地面超载 垂直水土压力 地面超载 垂直水土压力 日本修正惯用法 自重 自重 弹性铰 侧向水土压力 侧向水土压力 侧向水土压力 侧向水土压力 基底竖向反力 基底竖向反力 弹性均质圆环法 弹性铰接圆环法
八. 地铁盾构结构设计 衬砌内力分析 日本修正惯用法 考虑管片接头影响, 进行刚度折减后按均质圆环进行计算 ; 地层抗力按三角形抗力考虑 ; 计算结果考虑管片环间错缝拼装影响进行内力调整 管片内力 Mg: 计算的弯矩为 (1+ξ)M, 轴力为 N; 接头内力 Mf: 计算的弯矩为 (1-ξ)M, 轴力为 N; ξ: 弯距调整系数, 一般取 0.3~0.5
八. 地铁盾构结构设计 地面变形计算 变形分析 Peck 公式 数值计算有限元法 有限差分法进行隧道开挖施工过程模拟分析应用于盾构施工对周边构筑物影响分析
八. 地铁盾构结构设计 施工对周边构筑物影响 变形分析 桥梁 民建桩基础桩顶位移小于 6mm 铁路 任意 10m 范围内的最大沉降差 5mm 铁路两条钢轨间的横向高差 4mm 地下车行 人行通道 变形控制 :-20~+10mm 敏感构筑物 相关规范的允许范围地下管线 相关规范的允许范围 地铁 8 号线穿越竹叶山高架立交桥桩 地铁 8 号线下穿友谊大道通道 地铁 8 号线下穿徐东平价人行通道
八. 地铁盾构结构设计 变形控制 变形分析 盾构施工控制严格控制开挖面的出土量提高施工的速度和连续性及时同步注浆, 缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间 地层改良高压旋喷桩 搅拌桩 灌浆隔离桩
九. 附属结构设计 联络通道 联络通道设置 距离 方式 间距不大于 600 m 独立联络通道 联络通道与泵房合建
十. 地铁盾构设计重难点 注重与线路专业协调沟通 平面设计避绕构筑物 纵面设计地质选线 最低点控制 盾构始发 接收 联络通道 工作井洞门破除端头加固临时防水掌子面稳定 与盾构隧道连接节点加固方案 施工配合 增强现场分析解决问题的能力