盾构法隧道技术

  一、盾构法简介二、盾构技术的发展三、盾构施工原理及特点四、盾构法施工五、盾构工地基变及其控制所谓盾构法就是在称为盾构的钢壳之内保持开挖面稳定的同时，安全向前掘进，在其尾部拼装称其为管片的衬砌构件，然后用千斤顶顶住已拼装好的衬砌，利用其反力将盾构推进盾构法的基本要素：确保盾构内作业人员的安全；保持开挖面稳定，防止土体坍落，掘进隧道；盾构内拼装隧道衬砌；通过来自衬砌的反力向前推进；循环作业，建造隧道。要素中盾构机主体以前使用铸铁材料，现已全部使用钢材。要素中开挖面的稳定原来是将开挖面划分为几个小工作面，并用挡土板挡住土体，使土体稳定，后来代之以气压工法，目前是利用泥水及挖掘土砂保持开挖面稳定的密封式盾构占主流。另外，最初是人工开挖，后来变成装有液压铲或伸臂凿岩机、滚筒式切削刀等的半机械掘进方式，继而发展为在盾构的前面配置切削刀盘，通过旋转切削刀盘开挖土体的机械掘进方式。近几年又开发出了同步旋转挖掘非圆断面的新技术。要素中衬砌从原来的砌砖衬砌发展到目前使用铸铁管片、混凝土管片、钢管片及复合管片。这些管片一般都选择使用螺栓接头，但现在已开发出很多类型的接头，其形状也已多样化。另外，现已开发出用于混凝土的掺合料，现场浇筑混凝土衬砌的现浇衬砌工法也已达到实用阶段。要素中最初阶段是使用螺旋千斤顶，现在取而代之的是大容量大功率的液压千斤顶，盾构的姿势及推进方向的控制也已达到了自动化。要素现在盾构法的一个方向就是自动化控制，盾构法的自动化系统已达到适用化，在很多施工工法中盾构法慢慢的变成了最省力化的工法。盾构法的起源可以追溯到1818年，距今已有180多年的历史了，当时由法国工程师布鲁诺受到食船虫在船身上打洞一事启发，提出盾构施工方法，这能够说是敞胸式手掘盾构机的原型。1823-1841年，布鲁诺获得特许，首次在伦敦泰晤土河下修建了世界上第一条盾构法施工的隧道，全长458m。1874年在英国伦敦城南线修建Vyrnwy隧道时，格雷脱海特创造了比较完整的用压缩空气来防水的气压盾构施工工艺，使水底隧道有了惊人的发展，并为现代化盾构奠定了基础20世纪初，盾构法施工已在英国、美国、法国、德国和苏联等国开始推广，被大范围的使用在公路隧道、地铁和市政隧道的建设中，并在加气压施工方法和盾尾注浆技术等方面有了突破性的发展。从20世纪60年代起，盾构法在日本得到了迅速的发展，其用途也慢慢变得广。为防止地层沉降构成对建筑物、管道的威胁，日本和德国还研究开发了盾构开挖面的稳定技术和开挖技术，1967年世界上第一台泥水加压式盾构研制成功，1974年世界上第一台土压平衡盾构研制成功，并相继投入到正常的使用中，开辟了能有效控制地面沉降的新途径，这标志着盾构法实施工程技术进入了一个崭新的阶段，它们能在大范围的工程地质和水文条件下使用，机械化程度高且施工速度快。从全球范围来看，在盾构法隧道实施工程技术方面，日本和欧洲处于领头羊。日本建成的东京湾海底隧道，施工用盾构机直径达14.4m，隧道埋深20m，海底洞段长9.5km；英国和法国合建的英吉利海峡隧道，施工机械盾构机直径7.82m，隧道埋深达l10m，海底洞段长达39km。这两项工程的顺利完成，将世界盾构法隧道实施工程技术推进到一个新阶段。近30年来由于土压平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾构始发及接收等一系列技术难题的解决．盾构技术有了较快发展。主要的生产厂商有日本三菱重工、川崎重工、德国海瑞克公司等。各厂家能够准确的通过不同的地质条件和工程要求．设计不一样的盾构机以吼满足多种工程的需要。1.盾构工法的概念盾构机是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体的大型暗挖隧道施工机械。因此，盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，在它的掩护下，头部可以安全的开挖地层，尾部可以装配预制管片、砌块或现浇钢筋混凝土，迅速地形成隧道的永久衬砌。它借助于支撑在已完成的衬砌上的千斤顶的顶力不断前进，如果采用装配式衬砌，当盾构推进时，要将衬砌与土层之间的空隙用浆液填实，防止周围地层的继续变形和围岩压力的增长盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地层中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。盾构工法作为一个系统，包括开挖面的掘削、开挖面的稳定措施、渣土的运输、盾构机的前进、衬砌的拼装及盾尾的回填注浆等几个部分。盾构法的优点盾构法除竖井施工外，大部分均在地下进行，既不影响交通，也减小了对附近居民的噪声和振动影响。对周围环境影响较小，施工中不会引起地下水位降低，开挖引起地表沉降较小；掘进速度较快；隧洞成型质量较好；施工环境较好，机械化程度高，具有人性化，噪声小，占用场地少；施工中支护衬砌质量放心可靠且造价较低；穿越河道不受影响；施工受天气影响较小；在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道，有较高的技术经济优越性；盾构法施工不受季节气候的影响，在穿越河道时不影响航运。在施工中，其推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，实施工程人员较少，且土方量也比较少。盾构法的缺点盾构法施工时，当隧道半径过小时，施工较为困难；在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，则盾构法施工困难很大，而在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全；盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时，对劳动保护要求比较高，施工条件差；盾构法隧道上方一些范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别是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；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方面的要求很高。1.盾构机的选择采用盾构工法建造隧道，如果在工程进行途中欲变更工法则很难实现，因此选择正真适合的盾构机是工程成败的关键。故而在选择盾构机时，需要详细地调查掌握隧道沿线的工程地质和水文地质状况，地层围岩分类及分布状况，地区位置选择条件等。其中地层条件包括开挖面的自稳性，地下障碍物的有无，振动、噪声等对周围环境的影响，地面沉降等。地面环境包括附属设备的占地面积、掘进后废弃土的处理等。施工条件有隧道的长度、隧道的线形形状、工期的长短、作业环境及工程管理等。因此，合理地对应各种条件，选择安全、经济、可靠的盾构机是很重要的工作2.盾构法施工工序当盾构工法实施前的勘查、设计及准备工作都完成后，便可按勘查设计的线路进行实施工程。施工的顺序大致如下:选择适宜的施工场地;建造竖井;盾构机的搬入、组装及启动;盾构机的推进;掘进中的隧道支护;山体与隧道之间的间隙处理;盾构机的操纵、运行;盾构机到达终点;盾构工程的后续施工等。(1)施工场地选择施工场地的选择一般需根据以下条件考虑选定:隧道的规模(即隧道的总长度、断面大小)及盾构机的形式;占地面积大小、地上交通、居住环境状况;土砂、建筑器材搬运作业的难易程度;竖井施工的难易程度(地质条件、路面条件等);对施 工场地周围环境的影晌(交通、噪声、振动、对水 质以及环境的污染等)。 （2）竖井 盾构施工是在地面以下一定深度进行，在盾构 起始开挖位置上需要建造竖井以进行盾构机的搬入、 组装以及建筑器材、设备的搬运和土砂、泥水的运 输等作业。竖井按用途可分为始发竖井、中间竖井、 方向发生改变竖井和终点竖井等。 建造竖井的目的建造始发竖井的目的是为盾构 机组装、固定、始发及设置附属设备，同时也作为 盾构机掘进中出渣、搬运物资器材的基地。当使用 盾构机施工时，在急速转弯处，即小半径曲线段处 不可以进行施工时，设置方向发生改变竖井。盾构机到达 终点时所建造的终点用竖井。当隧道较长，掘进时 的出渣、材料的搬运较困难时，需设置中间竖井。 当隧道建成后，这些竖井常常被作为隧道的附属设 备而被利用，如作换气口、车站处的升降设施等 （3）盾构机的搬入、组装及启动盾构机的搬入、组装 竖井建成后，将由工字钢和钢轨等材料组成的始 发台吊入竖井内，然后在地面上使用起重机或门式起 重机将分解后的盾构机的各总成按一定的组装顺序吊 起，放入竖井内的始发台上进行组装(在工厂内制造 的盾构机在运往施工现场时，根据道路的情况，一般 盾构机的直径在3m以下，重量在4Ot以下时，可以整 体运输)。组装后调整好始发的正确位置和向前掘进 的正确姿势。 盾构机的启动 反力承受设备。反力承受设备包括承 压墙、临时支护、临时组装管片等。盾构机 在向地层中推进时，每平方米切削面积所需 要的推力大约为70-120t，盾构机的推力经 钢制的承受台、混凝土临时墙等，通过后方 的竖井墙壁传递给山体。承受反力的结构在 承受反力作用时应具有一定的刚度，不能产 生变形。承压墙的厚度，临时支护的长度以 及临时拼装管片的环数，应根据始发时土砂 的运出及施工用器材的搬运方便等因素考虑 确定。 始发洞口及其施工。盾构机向地层中推进的 顺序是，首先将竖井的临时墙拆除，由撑子面开挖 作业开始。为避免开挖面崩塌，一般多采用地基 改良的防护工程。防护工程的种类包括化学药剂灌 注施工法、冻结施工法、置换回填施工法、竖井压 气施工法和高压喷射注浆施工法等以保持开挖面的 采用泥水式或土压式盾构机掘进时，始发口周围要浇注混凝土将洞口补强，并设置环形入口密封 衬垫，以防止泥水压、泥土压、衬背灌浆等的倒流。 当盾构机穿过临时墙后，在管片与竖井临时墙的缝 隙之间灌注水泥砂浆等的填充材料，以防止土砂的 流出和山体(地层)的松动。 （4）盾构机的推进 盾构机推进的基本需要注意的几点:正确、恰当地运 用推进时所需要的盾构液压缸数量及位置；推进中 不破坏开挖面的稳定；不损坏管片及后部结构；按 设计线路正确推进，防止盾构机发生上下摆动、左 右晃动和转现象。 推进方式：切削方式、开挖面的挤压方式、土 砂的运输方式。 切削(开挖)方式包括人工挖掘式、半机械式、 机械式、密封式、土压式和泥水式。 开挖面的挤压方式开挖面的挤压是在盾构机的 前部(即切口环部)进行。这种构造形式有全敞开式， 半敞开式和密封式3种。 土砂的输送方式有以下几种:固体状态的输送 方式、使土砂形成半流动状态的输送方式、土砂 为流体状的输送方式、土砂以粉尘状态用空气输 送方式。 全敞开式、部分敞开式盾构工法以切削后的 固体状态使用皮带输送机或运土小车运输。密封 型的泥水式盾构机将切削的土砂与泥水混合为流 体状态，使用泵、管道进行输送。土压式盾构机 用螺旋输送机将切削的土砂运出，然后用小车输 送，或用土砂压送泵以半流动状态输送。利用空 气输送的方法是，将切削后的土砂近似成粉尘状 态，在管道内用喷射气流将土砂排出坑外。 （5）掘进后隧道的支护 隧道支护的目的是抵抗作用在隧道的载荷防止隧 道的崩溃，保持隧道的必要断面，承担隧道经常使用 的任务等。隧道的支护分为一次衬砌和二次衬砌。一 次衬砌是在隧道掘进中实施的，主要构件为管片;二 次衬砌是在隧道开挖成形后，在其内部(即管片的内 圆侧)所实施的浇注混凝土衬砌。 管片 管片的种类 盾构隧道所使用的管片按形状分为箱形和平板形，按 材质分为钢筋混凝土管片、钢制管片、球墨铸铁管片和复 合型管片。钢筋混凝土管片其刚度较高，耐盾构液压缸推 力大，但重量较重。钢制管片其刚度较小，易变形，耐推 力小，但重量轻。球墨铸铁管片适用于重载荷，耐较大的 推力，在隧道的曲线部使用较容易，但易腐蚀。复合型管 片其刚度较高，连接螺栓数量少，抵抗腐蚀能力较差。 隧道内采用哪种形状、材质的管片应根据土压、水压 的大小，管片的强度，变形性能，耐久性，施工难易程度 以及经济性等考虑确定。一般中小直径的隧道多使用 混凝土管片或钢制管片。大直径隧道以混凝土管片为主兼 用球墨铸铁或较厚的钢制管片以及复合型管片，在地下铁 站口以及隧道急转弯处使用不锈钢制管片或球墨铸铁管片 较为适宜。 管片的拼装 管片拼装前，特别是管片在搬运的过程中，对 管片的自身以及管片的密封等部位须格外的注意，防 止损伤、破坏密封材料。假如发现密封材料出现损 坏，应及时修补、加固或更换。同时须认真清扫管 片及盾尾的内部，以防止泥砂或异物夹杂在管片间 及螺栓孔内。管片按一定顺序由下自两侧向顶部拼 装成环形。在顶部最后拼装的管片，无论是形状还 是拼装方法都与其他管片不同。顶部管片形状多为 楔形，拼装方法有按隧道横断面的径向方向插入和