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1、地铁施工技术,盾构法,盾构法施工是以盾构(Shield)作为施工机械在地面下以暗挖修筑隧道的一种施工方法。盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，既能支撑地层压力，又能作为活动钢制圆形或半圆形装置在地层中推进。盾构是通过软弱含水层，特别是江河底、海底以及城市中心区修建隧道的一种机械，是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业一体化的大型暗挖隧道施工机械，主要用于软弱、复杂地层的隧道施工。,第一节 盾构法施工流程,一、盾构在隧道施工中的作用（1）将隧道前端约二环衬砌的外周用盾构壳体支护，形成外部支撑，在盾壳的掩护下开挖地层及装配隧道衬砌。（2）盾构壳体为内部结构所支撑，在内部结构中如有必要时可添设
2、水平及竖向隔板，将盾构分隔成一些小工作室，既增加了盾构的刚度又带来了操作上的方便。（3）盾构后部盾尾部分无内部支撑结构，可在其掩护下拼装隧道衬砌。（4）盾构的掘进靠液压千斤顶在已拼装好的隧道衬砌环上向前推进。,二 盾构法施工工序流程（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将盾构从起始端工作井的墙壁开孔处推出。（4）盾构在地层中沿着设计中轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片。（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位置。（6）盾构进入终端井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。,第二节 盾构法
3、施工技术要求,一、盾构法施工的优缺点及适用范围（一）盾构施工法的优点 1安全性 盾构施工方法属于暗挖施工，具有良好的隐蔽性，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工，可在盾构支护下安全地进行开挖、衬砌等。2高效率 盾构的推进、出土、拼装衬砌等可全部机械化、自动化作业，施工劳动强度较低，而掘进速度比较快。,3危害小 施工中噪声、振动引起的公害小对周围环境没有干扰；隧道穿越河底、海底及地面建筑群下部时，可完全不影响航道通行和地面建筑正常使用。4经济性 适宜在不同颗粒条件下的土层中施工，多车道的隧道可做到分期施工，分期运营，可减少一次性投资；在松软含水地
4、层中修筑埋置深度较大的长大隧道，具有经济、技术、安全等方面的优越性。（二）盾构施工法的缺点 1重复利用率低 盾构是一种价格较昂贵，针对性很强的专用施工机械，对每一座采用盾构法施工的隧道，均应根据工程地质、水文地质条件、衬砌结构断面尺寸的大小进行专门制造、运送、拼装与拆卸等，且设备较复杂。因此，一般不能随便将其他隧道施工用的盾构重复使用。,2施工复杂 盾构施工需要有气压供应设备、人工并点降水、衬砌管片预制、衬砌结构的防水设施及施工堵漏、隧道内的运输、施工测量、场地布置、拼装与拆卸工作并等施工技术的密切配合才能顺利施工；且用气压法施工时，会遇到压缩空气泄出倔压病等问题。3适用性受限 当工程对象规模
5、较小时，工程造价相对较高，如对于短于750m的隧道，有统计资料显示，被认为是不经济的；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工因难较大(对水底隧道当覆盖土太浅时施工反而不太安全)；盾构一次掘进的长度有限，国内、外的施工实绩分别为l400m和2500m左右。面且技目前的水平，盾构直径难以做到过大，一般认为：直径D12m时为超大型盾构，世界最大直径为14.14m。,4工作条件差 当盾构法施工采用全气压方法以疏干和稳定地层时，由于施工条件较差，因此对劳动保护要求较高。当采用气压施工时，工作面周围1Mm范围有缺氧和枯井的情况，井且有隧道冒顶和施工人员因减压不当而患减压病(沉箱病)的危险。5地表变形不易
6、控制 用盾构法施工时，在隧道上方一定范围内，尤其是饱和含水松软土层很难防止地表沉陷，而且拼装衬砌时对整体防水技术要求很高。,(三)盾构法施工的适用范围 现代的盾构能适用于各种复杂的工程地质和水文地质条件，从流动性很大的第四纪淤泥质土层到中风化和微风化岩层。既可用来修建小断面的区间隧道，也可用来修建大断面的车站隧道。而且施工速度快(540m/d)，对控制地面沉降有较大把握。但应指出，盾构法施工需要较长的时间和较高的投资用于质构与附属设备的设计和制造，以及建造端头工作井等工程设施。同时，盾构法的施工技术方案和施工细节对围岩条件的依赖件，较之其他方法尤甚，这就要求事先对沿线的工程地质和水文地质条件做
7、细致的勘探工作，井要根据围岩的复杂程度做好各种应变的准备。因此，在地面交通繁忙，地面建筑韧和地下管线密布，对地面沉降要求严格的城区不宣采用明挖法，且地下水发育，围岩稳定性差，或隧道很长而又工期要求紧迫，不能采用较为经济的矿山法时，采用盾构法施工才是经济合理的。,二、盾构分类与构造(一)盾构的分类 盾构的类型很多，可按盾构的断面形状、开挖方式、盾构前部构造和排水与稳定开挖面方式进行分类。按盾构断面形状不同可将盾构分为：圆形、拱形、矩形和马蹄形四种。圆形因其抵抗地层中的土压力和水压力较好，衬砌拼装简便，可采用通用构件，易于更换，因而应用较广泛。按开挖方式不同可将盾构分为：手工挖掘式、半机械挖掘式和
8、机械挖掘式三种。按盾构前部构造不同可将盾构分为：敞胸式和闭胸式两种。按排除地下水与稳定开挖面的方式不同可将盾构分为：人工并点降水、泥水加压、土压平衡式的元气压盾构，局部气压盾构，全气压盾构等。按开挖面与作业室之间隔墙构造可分为全敞开式、半敞开式及密封式三种。,(二)盾构的构造 1手工挖掘式盾构 手工挖掘式盾构是盾构的最基本形式，多用于开挖面基本能自稳的土层中，主要由盾壳、支护结构、推进机构、拼装机构和附属设备等五部分组成。(1)盾壳 盾壳为钢板焊成的圆形壳体，由切口环、支承环和盾尾三部分组成。切口环 切口环位于盾构的前部，前端设有刃口，施工时可以切人土中。刃口大都采用耐磨钢材焊成，加劲肋也制成
9、坡形，从而减少切入阻力，在稳定的地层中切口环上下长度可以相等，在开挖面不能自稳的地层(淤泥、流砂)中切口环顶部比底部长，长出部分称前檐，以掩护工人在开挖面安全地开挖。有的盾构设活动前檐靠干斤顶操纵可以向前伸长，以增加掩护长度。一般切口环不易过长，否则将使盾构稳定性变差，增大盾构推进阻力。,支承环 支承环位于盾构的中部，是盾构受力的主要部分，它由外壳、环状加强肋和纵向加强肋组成，环状加强肋焊在支承环两端，纵向加强肋焊在环状加强肋之间，盾构千斤顶就布置在此间并将千斤顶推力传给壳体。为增加盾构刚度须加固支承环，在支承环内安设竖向和水平向隔板形成井字型隔架，二层水平隔板上设置工作平台：盾尾 盾尾位于盾
10、壳尾部，由环状外壳与安装在内侧的密封装置构成。其作用是支承坑道周边，防止地下水与注浆材料被挤入盾构隧道内。同时也是进行隧道衬砌组装的地方。盾尽的环状外壳大都用高强度薄型钢板制作，以减少盾构向前推进后留下的环状间隙。,盾尾密封材料一殷安装在盾尾钢板和管片外表面之间，除了具有防止注桨材料和地下水漏入盾构的作用外，在后面所述泥水加压盾构和土压平衡盾沟中，还有保持其各自泥浆压力的作用。为了提高密封性，有时要安装几段密封材料；安装的段数，必须根据盾构外径、地质条件和施工中是否更换密封材料等条件决定。密封材料有橡胶、树脂、铜、不锈钢或由它们组合面成。密封材料的形状有板状、刷子状等。密封材料的寿命依其材质、
11、构造面定，此外还与管片材质及组装精度有关。手工挖掘式盾构的盾尾密封装置，多采用双级密封装置结构(图55)。,(2)支护结构 支护结构一般由活动前檐、活动工作平台和支护挡板构成。活动前据 活动前檐由多块扇形体组成，位于切口环拱部的滑槽和滚轮滑道内。扇形体的前端带有特殊的刃口，后端与千斤顶一端相连，千斤顶的另一端被固定在支承环后部的横向隔板上。当千斤顶伸出时，推动活动前檐向前伸出，伸出长度为千斤顶的行程o 活动平台 活动平台安置于横向两层工作平台内。后端与面定在工作平台内的千斤顶相连。当千斤顶伸出时，活动平台沿着工作平台内的轨道向前伸出，伸出长度和千斤顶的伸出行程相同。,支护挡板 支护挡板由挡板与
12、其相连的框架和支护千斤顶构成。支护挡板安装在框架的前端，支护千斤顶一端安装在框架内，另端固定在盾构的环形隔板上或纵向隔板上。千斤顶伸出时，推动框架在支座上滑动将挡板向前推进，伸出长度同千斤顶行程：由于切口环为倾斜式，上、下两层的支护挡板伸出长度将有不同。支护挡板可根据开挖面情况，每外挖一块就支护一块，根据需要可在较大区域内对开挖面进行支护。为确保盾构在推进过程中，不影响支护挡板的作用，支护千斤顶的行程要比盾构千斤顶长出100300mm。,(3)推进机构 推进机构主要由盾构千斤顶和液压设备组成。盾构千斤顶沿支承环圆周均匀分布，千斤顶的台数和每个千斤顶推力要根据盾构外径、总椎力大小、衬砌构造、隧道
13、断向形状等条件而定。盾构千斤顶支座一般用铰接形式与千斤顶端部联结，以使千斤顶推力能均匀分布在衬砌端面上，尤其在曲线段施工时铰接支座更有必要。推进机构的液压设备主要由液压泵、驱动马达、操作控制装置、油冷却装置和输油管路组成。除操作控制装置安装在支承环工作平台上外，其余大多数都安装在盾构后面的液压动力台车上。,(4)拼装机构 拼装机构即为衬砌拼装器其主要设备为举至臂，以液压为动力。一般举重臂安装在支承环后部。中小型盾构因受空间限制也有的安装在盾构后面的台车上。举重臂可以作旋转、径向运动，还能沿隧道中线作往复运动，完成这些运动的精度应能保证待装配的衬砌管片的螺栓孔与已拼装好的管片螺栓孔对好，以便插入
14、螺校固定。常用的衬砌拼装器有环形式、中空轴式、齿轮齿条式三种，其中以环形拼装器(图56)最多。(5)附属设备 手工挖掘式盾构的附属设备较简单，主要为液压动力台车、排水注浆设备台车以及真圆保持器等。真圆保持器是为把衬砌环组装在正确位置上而设置的调整设备，以顶伸式为最多(图57)。,手工挖掘盾构施工时，其工作过程为：开启全部或大部分盾构千斤顶，盾构在千斤顶推力作用下向前推进，切口环切人土层中，如开挖面自稳性好，开挖作业即可在切口环的保护下进行。当开挖面自稳性较差时，可开启活动前檐千斤顶使前檐贯入土层中，或同时时开启支护千斤顶与活动平台一起顶住开挖面，保证开挖作业的正常进行。盾构千斤顶不断地伸出，盾
15、构切口环不断地切人土层，直到盾构千斤顶伸出全部行程为止，这时盾构向前移动一个衬砌环的宽度。此时即可用拼装机进行管片衬砌作业和其他辅助作业，完成一个工作循环。,2半机械化盾构 半机械化盾构是在手工挖掘式盾构的基础上发展起来的一种盾构。它保留了手工挖掘式盾构的优点，克服了劳动强度大、效率低的缺点，将下半部的手工开挖改为机械开挖，减轻了劳动强度提高了劳动效率。在土质条件适合时，就成为盾构施工的首选盾构而受到重视。半机械化盾构具有结构简单、造价较低、施工效率较同等特点，主要用于开挖面基本上能白稳且又无水的土层中。下部的开挖机械根据不同地质条件可采用不同的挖掘机械。,3泥水加压盾构 泥水加压盾构由盾壳、
16、开挖机构、推进机构、送排泥浆机构、拼装机构，附属机构等组成。(1)盾壳 泥水加压盾构的盾完基本上同手工挖掘式盾构的盾壳。不同之处在于切口环为平直式，环口呈内锥形切口；支承环两端无井字形支撑架。盾尾密封装置为多级密封结构。(2)开挖机构 开挖机构由切削刀盘、泥水室、泥水搅拌装置，刀盘支承密封系统、刀盘驱动系统等部分组成o 切削刀盘 切削刀盘包括：刀盘，主、副刀槽，主、副刀梁，切削刀头，转鼓等。刀盘盘面开有呈放射状的主、副刀槽，盘背面焊有径向与环向加劲肋和环形座，环形座将刀盘、刀梁联结成一体。刀槽开口大小与主、副刀槽的个数取决于土质、地下水量、开挖速度、砾石大小等因素。刀梁有主、副刀梁，均在刀槽的
17、中间，断面呈箱形，是开挖机构中的传力与承力结构。刀梁上面定着刀头，刀头分切削刀、超挖刀、切割刀、保护刀等。,数量最多的是切削刀，呈环状或螺旋状，安装于刀架上。转鼓呈阶梯形环状结构，前端有凸台，通过凸台与切削刀盘上的环形座相联结。转鼓的后端联结有环状接盘接盘上有内、外齿圈供马达驱动刀盘做正、逆转。泥水室 由切削刀盘、切口环、锥形切口、固定鼓、支承密封结构、转鼓、圆形隔板围成的区域称为泥水室。在泥水室的上部有压力泥水的进人口，下部有搅拌器和泥浆排出口。泥水室和开挖面之间只有刀槽，刀盘与切口环端部接缝处是相通的，其余为完全封闭状态。刀盘支承系统 泥水加压盾构刀盘支承系统的结构随刀盘支承形式不同而异。
18、周边支承式的结构由固定鼓、转鼓、复合式或多唇式密封环、径向、轴向轴承等组成。大型泥水加压盾构常用周边支承式支承刀盘。这种支承式具有作业空间大、受力较好等特点。中小型泥水加压盾构的刀盘多用中心支承式。,(3)推进机构、拼装机构、真圆保持器 泥水加压盾构的推进机构、拼装机构、真圆保持器基本上同手工挖掘式盾构的推进机构、拼装机构、真圆保持器，仅结构尺寸大小、数量、行程、功率大小不同而已。(4)送、排泥机构 送、排泥机构由送泥水管、排泥浆管、闸门、碎石机、泥浆泵、驱动机构、流量监控机构等组成。该机构大部分设备都安装在盾构后端的后续台车上。(5)附属机构 泥水加压盾构的附属机构由操作控制设备、泥水处理设
19、备等组成。操作控制设备 操作控制设备包括开挖面状态监控设备、盾构位置与状态的检测控制设备、泥浆的输送与排出的控制设备等。后续台车设备 后续台车设备有以下几组平板车：动力组台车，自动闸门台车，碎石机台车，差压式密度计台车、注浆设备台车、送排泥泵台车等。上述这些后续台车是与盾构联结在一起的。,泥水处理设备 泥水处理设备由泥浆制备与泥水分离两部分组成。设备的规模大小取决于开挖速度与土质等条件。泥水加压盾构施工时的工作过程为：开启刀盘驱动液压马达，驱动转鼓并带动切削刀盘转动。开启送泥泵，将一定浓度的泥浆泵入送泥管压入泥水室中。再开启盾构千斤顶，使盾构向前推进。此时切削刀盘上的切削刀便切人土层，切下的土
20、渣与地下水顺着刀槽流人泥水室中，土渣经刀盘与搅拌器的搅拌而成为浓度更大的泥浆。随着盾构不断地推进，土渣量不断地增加，泥水不断地注入，泥水室内的泥浆压力逐渐增大。当泥水室的泥浆压力足以抵抗开挖面的土压力与地下水压力时，开挖面就能保持相对的稳定而不致坍塌，只要控制进入泥水室的泥水量和渣土量与从泥水室中排出去的泥浆量相平衡，开挖工作就能顺利进行。,当盾构向前推进到一个衬砌环宽度后，即可进行拼装衬砌；将缩回的千斤顶继续伸出，重新推进，进行下一工序。从泥水室排出的浓泥浆经排泥管及碎石机，由排泥泵运至地面泥水处理设备进行泥水分离处理，被分离山的渣土运至弃渣场处理后的泥水再送入泥水室继续使用。泥水加压盾构适
21、用范围较广，多用于含水率较高的砂质、砂砾石层、江河、海底等特殊的超软弱地层中。能获得其他类型盾构难以达到的较小的地表沉陷与隆起。由于开挖面泥浆的作用，刀具和切削刀盘的使用寿命相应地延长：泥水加压盾构排出的土渣为浓泥浆输出，泥浆输送管道较其他排渣设备结构简单方便。泥水加压盾构的操作控制亦比较容易，可实现远距离的运控操作与控制。由于泥水加压盾构的排渣过程始终在进行，故施工现场与沿途隧道十分干净而不受土渣污染。,泥水加压盾构也有缺点：由于切削刀盘和泥水室泥浆的阻隔，不能直接观察到开挖面的工作情况对开挖而的处理和故障的排除都十分困难。泥水加压盾构必须有泥水分离设备配套才能使用，面泥水分离设备结构复杂，
22、规模较大，尤其在粘土层中进行开挖时，泥水分离更加困难。庞大的泥水处理设备占地面积亦较大，不宜用于市内建筑物稠密区。泥水加压盾构在目前各类盾构中是结构员为复杂的，也是价格最贵的一种机械。4土压平衡盾构 土压平衡盾构是在总结泥水加压盾构和其他类型盾构优缺点的基础上发展起来的一种新型盾构，在结构和原理上与泥水加压盾构有很多相似之处。土压平衡盾构由盾壳、开挖机构、推进机构、拼装机构和附属机构等组成。,(1)盾壳 土压平衡盾构的盾壳结构同泥水加压盾构o(2)开挖机构 开挖机构由切削刀盘、泥土仓、切削刀盘支承系统、切削刀盘驱动系统等部分组成。除泥土仓不同于泥水室外，其余基本上同泥水加压盾构。土压平衡盾构的
23、泥土仓是由刀盘、转鼓、中间隔板所围成的空间，转鼓呈内锥形，前端与切削刀盘外缘连成一体，后端与中间隔板相配合。泥土仓与开挖而之间的唯一通道是刀槽，其余处于完全封闭状态。土压平衡盾构的刀盘支承系统，如图512c所示的混合支承式，既有周边支承，也有中心支承，这是大型土压平衡盾构常用的刀盘支承形式。(3)推进机构、拼装机构、真园保持器 土压平衡盾构的推进机构、拼装机构及真圆保持器同手工挖掘式盾构。,(4)排土机构 土压平衡盾构的排土机构出大螺旋输送机、小螺旋输送机、排土闸门、闸门滑阀、驱动马达等组成。(5)附属机构 土压平衡盾构的附属机构由操作控制设备、动力变电设备、后续台车设备等组成。在操作控制设备
24、中，土压平衡盾构重点是对土压的管理土压管理主要是通过电子计算机将安装于盾构有关重要部位的土压计信号收集并综合处理，进行自动调节控制。或者发出信号，指示出有关数据进行人工调节控制。土压平衡盾构的工作过程为：开启液压马达，驱动转鼓带动切削刀盘旋转，同时开启盾构千斤顶，将盾构向前推进。土渣被切下并顺着刀槽进入泥土仓。随着盾构千斤顶的不断推进，切削刀盘不断地旋转切削，经刀槽进人泥土仓的土渣不断增多。这时开启螺旋输送机，调整闸门，使土渣充满螺旋机。当泥土仓与螺旋输送机中的土渣积累到,一定数量时，开挖面被切下的土渣经刀槽进人泥土仓内的阻力加大，当这个阻力足以抵抗土层的土压力和地下水的水压力时，开挖面就能保
25、持相对稳定面不致坍塌。这时，只要保持从螺旋输送机与泥土仓中输送出去的土渣量与切削下来流人泥土仓中的土渣量相平衡，开挖工作就能顺利进行。土压平衡盾构就是通过土压管理来保持土压力或土渣量的相对平衡与稳定来进行工作的。土压平衡盾构能适应较大的土质范围与地匝条件，能用于粘结性、非粘结性，甚至含有石块、砂砾石层、有水与无水等多种复杂的土层中。土压平衡盾构无泥水处理设备，施工速度较高，比泥水加压盾构价格低廉，能获得较小的沉降量，也可实现自动控制与远距离运控操作。土压平衡盾构也有缺点：土压平衡盾构由于有隔板将开挖面封闭不能直接观察到开挖面变化情况，开挖面的处理和故障排除较为困难。切削刀头、刀盘盘面磨损较大，刀头寿命比泥水加压盾构短，要求刀头的耐磨性高。,
