土压盾构施工技术.ppt

土压盾构施工技术一、盾构施工的基本介绍二、盾构机的分类及选型三、土压盾构的施工流程基本思路3一、盾构施工的基本介绍 1、背景 盾构法施工即采用盾构机施工的方法。盾构法是地下隧道施工中机械化程度较高的施工方法之一。1818年，英国工程师布鲁诺（M.I.Brunel）在蛀虫钻孔的启示下，最早提出了用于施工地下隧道的掘进机的雏形及施工方法。盾构施工法于19世纪初开始使用（法国工程师布鲁奈尔研发出来的，并于1818年申请专利），经过反复摸索，在近3040年间取得了飞速发展。20世纪90年代该项技术被引进我国，主要集中应用盾构技术来进行上、下水道、电力通讯隧道、人防工事、地铁隧道灯施工。2、盾构法施工概述 盾构（shield machine）是一种隧道掘进专用工程机械，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。盾构的工作原理就是一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行掘进。这个钢结构组件的壳体成为“盾壳”，盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道段起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾构的掩护下进行，并需随时排除地下水和控制地面沉降。刀盘切口环支撑环盾尾盾尾密封管片推进缸主轴承主驱动人员舱管片安装机盾构机构造盾构机(复合盾构土压平衡）)73.盾构法施工的特点 优点：（1）除竖井及施工场地外，施工作业均在地下进行，地面建筑和管线拆迁量小，对城市的交通和市民的生活影响小；（2）施工进度快，盾构法施工的月进尺一般在150-200m;（3）施工不需降水，在地下水位高、含水量大的地层采用，具有优越性；（4）施工机械化程度高，施工质量、施工安全易于保证，施工环境好；特别是在建筑密集区，地层扰动小，较容易控制地面沉降；（6）施工措施相对稳定，工程变更量小，投资容易控制。缺点：（1）由于盾构机初期投入费用高，设备摊销费用大，对投标企业资金实力要求高，因此选择施工队伍范围相对较小；（2）盾构机定购、制造及运输周期较长，同时盾构法施工与车站接口协调较多，对工程筹划要求较高。（3）盾构机是针对特定工程项目进行设计制造的，对其它项目的适用性较差。（4）用于施工小曲率半径隧道或浅埋隧道时，施工难度大。9国内盾构法施工造价比较序号工程项目 单价(万元/单线延米）1广州地铁1号线72广州地铁2号线4.73广州地铁3号线2.83.34深圳地铁1号线3.55北京地铁5号线 3.03.56沈阳地铁（总体设计指标）4.27矿山法 （总体设计指标）4.24.48明挖法 （总体设计指标）3.73.9102盾构机的分类盾构机类型敞开型人工挖掘式半机械式机械式部分敞开型密闭型复合型开挖面支护型式土体开挖方式 挤压盾构 泥水加压盾构土压平衡盾构支护方式出土方式采用多种支护或出土方式采用多种辅助措施 直接控制型间接控制型 气压式盾构二、盾构机的分类及选型二、盾构机的分类及选型11 根据开挖面的支护方式，一般可将盾构分为：敞开型、部分敞开型、封闭型及复合型等几类。现分别简述如下：敞开型盾构（Open)敞开型盾构是指开挖面与盾构内部没有形成完全封闭支护，开挖面敞开暴露的盾构。由于开挖面敞开，要求地层能够自稳，或采取注浆加固等辅助措施后能够自稳。对于含水地层，还需采取降水措施。这种盾构较难控制地面沉降。按其开挖方式还可分为：人工挖掘式、半机械式和机械式盾构。12人工挖掘式盾构 人工挖掘式盾构是靠人工开挖，工人采用铁锹、风镐等简易工具挖掘土体，弃土通过皮带运输机运出。在切口环的顶部设有前檐，根据不同的地质条件，工作面可以全部敞开，也可以在切口环内安装可移动的开挖面支撑系统（包括开挖面支撑千斤顶和伸缩工作平台），分层开挖，随挖随撑。这种盾构便于观察地层和消除障碍物，造价低，但劳动强度大，效率低，如遇正面塌方，易危及人身和工程安全。13半机械式 半机械式盾构：半机械式盾构：采在人工挖掘式盾构的基础上，在切口环内安装挖掘机械（包括反铲、臂式切削刀）进行开挖。与人工挖掘式盾构相比，提高了工作效率，降低了劳动强度。14半机械式15机械式盾构 机械式盾构机械式盾构是在切口环安装与盾构直径相适应的切削刀盘，进行全断面开胸切削开挖，弃土多采用皮带运输机排出。开挖方式与土压平衡式盾构等密闭型盾构基本相同，但开挖面不需要支护。16部分敞开型盾构 部分开放型盾构又称挤压式盾构，通过盾构推进挤压进行开挖面支护和土体开挖。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，在胸板上设置一些排土口。在盾构推进时，需要排出的土从开口处挤入盾构。这种盾构是适用于软弱粘土层，在推进中会引起较大的地面变形。也可以安装螺旋输送机出土。17密闭型盾构 通过各种方式在开挖面与盾构之间建立密闭压力平衡体，用于抵消土层压力和水压力，支护开挖面，在盾构内部形成密闭安全的施工作用空间。根据支护工作面的原理和方法可将密封型盾构分为：气压式、泥水平衡式、土压平衡式、混合平衡式等几种型式。18气压式盾构 在盾构的支撑环前边舱内充满压缩空气，用于抵消地下水压力和土层压力，达到疏干和稳定开挖面土体的作用。由于这种盾构靠压缩空气对开挖面进行密封，故要求地层透水性小。另外这种盾构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工作面坍塌，造成地面沉陷。19泥水加压盾构 通过供浆泵向密封舱内充满特殊配置的压力泥浆，作为开挖面支撑。通过控制供浆泵、掘进速度和出浆泵来调整密封舱内的泥浆压力，用于平衡土压力和地下室压力。刀盘切削下的泥土与泥浆混合后，通过出浆管道及排泥泵输送至地面，经过分离处理后的泥浆再由供泥泵和管道输送至密封舱重复使用。20泥水加压盾构（间接控制）密封舱内的泥浆压力由空气和泥水双重系统控制。在盾构的密封舱内装有半道隔板，将密封舱分隔成两部分。前面和后面的下半部分充满泥浆，后面的上半部分充满压缩空气，形成气压缓冲层。通过调节空气压力，控制泥浆对开挖面的支护压力，减小由于泥浆流失或盾构推进对支护压力的影响，对地面的控制更为有利。21土压平衡盾构 在切口环的密封舱内充满切削下来的泥土，用于支护开挖面。在密封舱隔板的中心或下边安装螺旋输送机，通过螺旋输送机排除切削下的泥土。22复合型盾构（Mixshields)采用多种支护方式或开挖方式的盾构，简接控制型泥水加压盾构即为泥水加压和气压复合型盾构。当某段隧道穿越不同地层结构时，根据相应土层采用两台或多台盾构事，在隧道长度短时很不经济，采用复合型土压平衡盾构，在掘进中可以选择敞开式、半敞开式、泥水平衡和土压平衡多种支护模式。232、土压平衡盾构机构造 后配套系统本 体 土压平衡盾构机由盾构本体和后配套系统组成。由于盾构机内空间狭小，盾构机的辅助设备设施均安装在后续的台车上，也称为后配套系统。24土压平衡盾构机本体构造 土压平衡盾构机本体主要由盾壳、刀盘、密封舱、人闸、盾构千斤顶、管片拼装机、螺旋输送机、盾尾密封装置和驱动系统等组成。25土压平衡盾构机 盾壳：是一个用厚钢板焊接成的圆柱形筒体，由切口环、支撑环、盾尾三部分组成，是盾构的主体结构。其作用是承受土压力、地下水，盾构千斤顶的推力及各种施工特殊荷载，支撑和安装各类机电设备。同时也是保护操作人员安全的掩护体。刀盘：切削刀盘用于切削土体，同时将切削下的土体搅拌混合。根据不同的地质条件可选用花板型、辐条型或砾石破碎型刀盘。在刀盘的正面装有切削刀具，其中齿形刀用于软弱地层，盘形刀用于较硬地层。刀盘的后面装有搅拌翼片，用于搅拌切削下的土碴。26刀盘、刀具型式27刀盘、刀具型式28密封舱 密封舱（泥土室）：通过密封隔板与盾构内部密闭隔绝，用于存储切削下来的土体，加以搅拌使其成为不透水的、具有流动性的塑流体，并充满密封舱及螺旋输送机的全部空间，维护开挖面的稳定。当土中的含砂量超过一定限度时，由于其内摩擦角大，流动性差，但靠刀盘的搅动很难使土体达到足够的塑流性，土体在密封舱内驻留，极易产生压密固结，造成排土困难。同时，在有地下水时，砂性土的渗透性强，容易在螺旋输送机的出土口产生水土流失或喷水。因此需加设膨润土泥浆或活性泡沫注入设备，向切削下的砂性土注入泥浆或泡沫，使之成为流动性好、不透水的塑流体，通过螺旋输送机排出。29密封舱泡沫加注效果加注泡沫30人闸 在排除故障或更换刀具等需进入密封舱时，需先将密封舱内的土体排出，同时充满压缩空气维持开挖面的稳定，工作人员通过人闸加、减压进出密封舱。人闸的主要作用是通过在人闸内加减压实现盾构内部与密封舱的压力转换。人闸由双室（主室和预备室）组成，其形状和尺寸根据在盾构内的安装空间设计。31螺旋输送机螺旋输送机：通过密封隔板倾斜安装，泥土入口端装在密封舱的底部，在排土口设有排土闸门和排土导槽。在排土过程中，利用螺旋叶片与土体的摩擦和土体阻塞所产生的压力损失，在螺旋输送机内形成压力梯降，保持土仓压力，同时使螺旋输送机排土口的压力降至一个大气压。螺旋输送机的最大排出石块直径为270mm。32盾构千斤顶 盾构千斤顶：沿支撑环圆周均匀布置，是盾构推进的动力装置。向前推进时，顶在已拼装完的衬砌环上。通过调整千斤顶的压力分布，可实现方向及坡度的调整及纠偏。33管片拼装机 管片拼装机：由大梁、支承架、旋转框架和拼装头组成。管片拼装机能够安全、迅速的拼装管片，它具有提升、前后移动、旋转等功能。34盾尾密封及同步注浆系统 盾尾密封装置：为防止地层中的泥水或衬砌外围的浆液通过盾尾与衬砌之间的间隙漏入盾构内，盾构尾部设有两道密封钢丝刷。另外，在两道钢丝刷之间注入专用油脂膏，以提高密封效果，并减少密封钢丝刷与衬砌表面的摩擦。同步注浆系统：在盾尾壳板外表面，设有同步注浆管。当盾构推进时，向管片外表面的环行空隙中同步注浆，以防地表沉陷。同步注浆有手动控制、自动控制及程序控制三种控制方式。35盾尾密封及同步注浆系统36注浆示意图水泥浆同步注浆效果37后配套系统 盾构的辅助设备和设施都安装在后配套系统上。后配套系统由连接桥和4-5个门架式平台车组成，跟在盾构的后面，以拖车的方式牵引。中间为通道，顶部安装皮带运输机，两侧布放盾构操作室、加泥设备、注浆设备、集中润滑设备、用于推进和旋转的油泵及马达、油冷却器、通风装置、配电柜、电缆盘等。中折装置 在小曲率半径曲线施工时，可以把盾构机做成2节、3节的中折形式。中折装置的设置不仅可以减少曲线部位的超挖量，同时减小作用在管片上的偏压，减小千斤顶的负担，提高施工效率。3 3、盾构选型的基本原则 开挖面稳定 地层的适应性 地下水处理 沉降 施工适宜性 安全性 辅助工法 环境及公害 盾构类型与渗透性的关系10110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-1010-1110-12卵石层卵石层粗砂粗砂砾层砾层中细砂中细砂砾层砾层粉细粉细砾层砾层粗砂层粗砂层中砂层中砂层细砂层细砂层淤泥质粘土淤泥质粘土淤泥淤泥粘土粘土土压盾构土压盾构泥水盾构泥水盾构渗透系数渗透系数(m/s)地层渗透系数地层渗透系数泥水、土压盾构泥水、土压盾构盾构类型与渗透性的关系 地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的影响因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的透水系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。盾构类型与颗粒级配的关系 一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的塑流体，容易充满土仓，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。粗颗粒含量高的碴土塑流性差，实现土压平衡困难。在城市地铁施工中，综合考虑工程质量、施工安全以及地面沉降控制和建筑物保护等方面因素，一般选型多在土压平衡盾构和泥水平衡盾构中选择。泥水平衡盾构适用于含水丰富的砂层及砂卵石地层。其缺点是盾构机价格较贵；泥水处理系统占地较大；对城市环境影响较大；冬季施工困难较多。土压平衡盾构在增加泡沫、泥浆加注等辅助措施后，地层适应性已大大增强，已成功的解决了在含水砂