盾构隧道施工原理及方法讲课.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,盾构隧道施工原理及方法,石家庄铁道学院土木分院地下工程系,朱 永 全,1.,盾构法的基本含义,盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法”。,按照这个定义，盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机掘进和衬砌三大部分组成。,一、盾构法施工的原理及方法,盾构法施工的概貌如图5-5-1所示。在隧道的一端建造竖井或基坑，将盾构安装就位，盾构从竖井或基坑的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的孔壁推进。,图 5-5-1 盾构法施工概貌图,车站,碴土储舱和料斗,龙门吊车,泥浆处理设备,竖井,皮带运输机,盾构机,螺旋输送机,管,片运输车,泥浆注入车,斗车,电瓶车,2.,盾构法施工的原理和过程,3.,密封式,(,平衡,),盾构机的组成,盾构机组成,(2)压力舱,压力测试,搅拌系统,压力控制,加浆系统,(3)排土、排泥系统,排土器,排浆管路,搅拌装置,加浆装置,(4)推进装置,千斤顶选,型和配置,工作速度,安全锁,总推力,千斤顶行程,压力垫,盾 构 机,通用装置,轴承止水带,(1)刀 盘,超挖装置,刀盘开口,旋转速度,形 式,润滑装置,刀 头,旋转力矩,支承方式,(6)附属装置,盾尾止水装置,壁后注浆装置,开挖面崩坏,探测装置,锁定装置,测量装置,后方台车,接头装置,起重臂,真圆保护,(5)管片组装装置,油压机油,油压机,油压管路,(7)油压装置,K,B,B,A,管 片,A,A,A,管片的组装顺序,K,管片(封顶块)的嵌入,半径方向插入型,B,K,K,B,B,B,盾构机是根据每一施工区段设计的专用设备,盾构施工不可退后,对施工的要求精度高,机械化程度高,对周围环境的影响较小,2.,盾构施工的特点,初期的盾构法是简易护盾下的人工掘进或机械开挖的形式，机械化程度低,不能稳定开挖面。,经过多年对盾构技术的研究开发和应用，已演变成现在非常盛行的泥水平衡式和土压平衡式两种盾构机。这两种机型的最大优点是在开挖功能中考虑了稳定开挖面的措施，将盾构施工法中的三大要素的前两者联系融为一体，无需辅助施工措施。并通过使用不同类型的,刀具,，就能适应地质情况变化范围较广的地质条件。,5.盾构机和盾构法的发展史,砾石、岩石等硬质围岩时的刀头,大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头,刀头的固定方式,焊接,螺栓式,插入式,焊接式,稳定开挖面技术的历史，是从“无”到“气”,再演变到泥水式的“水”和土压式的“土”。“开挖面稳定”和“盾构开挖”的技术已达到较完善的地步。目前盾构一般指密封式泥水平衡式和土压平衡式盾构。,盾构技术的发展动向：超大断面盾构、多圆盾构、异型盾构，加上在衬砌和开挖方面使用了挤压混凝土衬砌技术，以及自动测量技术，计算机自动管理系统等。,1.,盾构机的种类,按开挖面与作业室之间的隔墙构造分为：全开敞式、半开敞式及密封式三种。,二、盾构机的种类和构造,(1),全开敞式,全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。根据开挖方式的不同，又分为手掘式、半机械化式及机械式三种。这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时，则需进行地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面坍塌。,a.,手掘式盾构机,手掘式盾构机的正面是开敞的，通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。,图 5-5-2 手掘式盾构构造,b.,半机械式盾构机,半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有开挖与出碴双重功能的机械。,图5-5-3 半机械式盾构构造,c.,机械式盾构机,机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过旋转铲斗和排土可以连续进行，缩短了工期，减少了作业人员。,图 5-5-4 机械式盾构构造,(2),半开敞式,是指挤压式盾构机，它是在开放型盾构的切口环与支撑环之间设置胸板，以支挡正面土体，但在胸板上有一些开口，当盾构向前推进时，需要排出的土体将从开口处挤入盾构内，然后装车外运，见图5-5-5。这种盾构适用于软弱粘土层，在推进过程中要引起较大的地面隆起。,图5-5-5 部分开放型盾构构造,(3),密封式,是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，进入刀盘与隔墙土仓的土体，由泥水压力或土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。密封式盾构机根据仓内压力平很衡的形式又分成局部气压式、泥水平衡和土压平衡式几种。,局部气压式盾构,在机械式盾构支承环的前边装上隔板，使切口环成为一个密封舱，其中充满压缩空气，达到疏干和稳定开挖面土体的作用，见图5-5-6。,图5-5-6 局部气压式盾构构造,由于这种盾构是靠压缩空气对开挖面进行密封，故要求地层透水性小，渗透系数,K,小于110-5,m/s。,另外，这种盾构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工作面土体坍塌，造成地面降陷。,土压平衡式盾构,土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。它的前端有一个全断面切削刀盘，在它后面有一个贮留切削土体的密封舱，在其中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以及在盾壳四周装设的土压传感装置，根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。,泥水加压式盾构,泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相似，仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。在泥水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆，刀盘(花板型)浸没在泥浆中工作。对开挖面支护，通常是由泥浆压力和刀盘面板共同承担，前者主要是在掘进中起支护作用，后者主要是在停止掘进时起支护作用。,泥水室,图5-5-10 直接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制输送系统,大刀盘,清水槽,泥浆调整槽,密度计,流量计,供浆管,排浆管,伸缩管,V,p,2,p,3,p,4,p,1,在盾构推进时，进、排泥管需不断延长，管阻亦随之增大。为了保证管内的流速恒大于临界流速，排泥浆泵,P2,的转速应随时调整，故排泥浆泵,P2,必须是自动调速的。当,P2,泵达到最大扬程时，再加,P3、P4,接力泵。,为了保证盾构推进质量、减少地面沉降量，需要严格控制排土量，故应在进、排泥浆管路上分别装设流量计和比重计，根据检测数据即可计算实际排土量。,空气管,半隔板,图5-5-11 间接控制型泥水加压盾构泥浆压力控制系统,多圆盾构,(,Multi,CircularFaceShield,),多圆盾构是近年日本开发的新型盾构，其中的双圆盾构可以用来修建区间隧道，一次开挖完成双线区间隧道，可以比两个单独的圆形隧道降低工程成本工10%，减少开挖面积15%。三圆盾构既可用来修建地铁车站隧道，拆下中间盾构后又成为两个单独盾构，可以修建区间隧道。,2.,土压平衡式盾构机的构造,(1),切削刀盘,通过主轴承支撑和液压马达式电机驱动旋转的刀盘，正面安装土体切削刀并带有碴土进料口，背面安装有碴土搅拌桨。刀盘侧面还装有可伸缩的超挖刀。,刀盘的型式有花板型和辐条型的不同型式；,根据地层性质所需要安装刀具大小与数量不同；,进料口面积不同，有不同的开口率。,图5-5-7 切削刀盘形式,花板型,辐条型,(2),刀具,刀具的类型有齿刀、刮刀和滚刀等不同型式，齿刀、刮刀用于软土质地层、滚刀用于岩石地层。刀盘上可仅为一种类型的刀具，也可为多种刀具的组合，以适应不同形式的地层。现代盾构机刀盘设计上可在刀盘背面换刀。,砾石、岩石等硬质围岩时的刀头,大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头,刀头的固定方式,焊接,螺栓式,插入式,焊接式,(3)密封舱,用于存贮被刀盘切削下来的土体，并加以搅拌使其成为不透水的，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，对开挖面实行密封，以维持开挖面的稳定性，同时，也便于将其排出。,在密封舱后隔板上，一般留有进人舱孔，供人员进出入密封舱和进行维修工作。,压力舱(泥土压盾构),添加材料注入口,添加材料注入管,搅拌翼,搅拌翼,独立搅拌翼,螺旋排土器,(4)螺旋输送机,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，利用螺旋叶片与土体间的摩擦和土体阻塞所产生的压力损失，使螺旋输送机排土口的泥土压力降至一个大气压力，使其不发生喷漏现象。通过螺旋输送机排碴量的速度来控制和调解碴舱内的土体压力。,(5)塑流化材料注入器,用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注人添加剂。因为当土体中的含砂量超过一定限度时，由于其内摩擦角大，流动性差，单靠刀盘的旋转搅动很难使这种土体达到足够的塑流性，一旦在密封舱内贮留，极易产生压密固结，无法对开挖面实行有效的密封和排土。此时，就需要向切削土体内注入一种促使其塑流化的添加剂，经刀盘混合和搅拌后能使固结土成为流动性好、不透水的塑流体。,(6)土压传感器,用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力，前者是判定开挖面是否稳定的依据，后者用来判断螺旋输送机的排土状态，喷涌、固结、阻塞等。,土压平衡式盾构维持开挖面稳定的原理是依靠密封舱内塑流状土体作用在开挖面上的压力(,P)(,它包括泥土自重产生的土压力与盾构推进过程中盾构千斤顶的推力)和盾构前方地层的静止土压力与地下水压力(,F),相平衡的方法，见图5-5-9。,图5-5-9 土压平衡式盾构维持开挖面稳定示意图,F,P,GL,F,F,P,min,F,=,P,F,P,max,P,max,Q,P,min,Q,max,F,由图上可看出：螺旋输送机排土量大时，密封舱内土压力,P,就减小，当,F P,时，开挖面可能坍方而引起地面沉降；相反，排土量小时，,P,值就加大，一旦,F,Pmax,，,地面将会隆起。因此，要控制土压平衡式盾构在推进过程中开挖面的稳定，可以用两种方法来实现，其一是控制螺旋输送机排土量(调节其转速)；,但研究表明，对于粘性土来说，开挖面不破坏的排土量波动值必须控制在理论掘进体积的,2.8%,左右，这就需要量测精度在,l%,以内的切削土体积的检测系统。,其二是用调节盾构千斤顶的推进速度和螺旋输送机转速，直接控制密封舱内的土压力,P,，,一般情况下，不使开挖面产生影响的碴土压力,P,的波动范围如下：,主动土压力+地下水压力,P,被动土压力+地下水压力,(7)管片安装机,管片安装机由以下构件组成：,a.,悬臂梁,b.,移动机架,c.,回转机架,d.,安装头,操作员通过可移动的控制器来操纵管片安装机。,(8)后配套设备,主要有物料运输、液压系统、电力系统、控制系统、注浆系统、泡沫发生系统、测量系统和通风系统等。,