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1、盾构施工技术,山东科技大学土建学院 乔卫国 教授,第五章 盾构施工技术第四节 盾构尺寸和盾构千斤顶推力的确定,盾构是针对性很强的专用施工机械。每个盾构法施工的隧道要根据地质水文条件、隧道断面尺寸、建筑限界、衬砌厚度、衬砌拼装方式等专门设计制造专用盾构。盾构设计内容：1、盾构的几何尺寸：盾构外径D、盾构本体长度Lm、盾构灵敏度Lm/D；2、千斤顶的推力。,一、盾构外径D 盾构外径D根据管片外径、盾尾空隙、盾尾板厚确定。D=D0+2(x+t)式中 D0管片外径；t盾尾钢板厚度，根据经验公式选用t=0.02+0.01(D-4),当D4m时，第二项为0；即当D4m时，t=20mm；当D=10m时，t=
2、80mm。x盾尾空隙。管片组装时富裕量，x=0.01 D00.008 D0，根据日本经验，x=20 30mm。,二、盾构长度L盾构长度L盾构前端至后端的最大距离，即全长。盾构本体长Lm盾构壳体范围内的盾构长度。Lm=LH+LG+Lr式中 LH切口环长度，LH=L1+L2 L1切口环前檐长度，取300 500mm。L2 开挖所需长度，（能容纳开挖机具）一般小于2m。,LG支撑环长度，取决于千斤顶长度（与管片宽度b有关）；LG=b+(200 300mm)，200 300mm 为便于维修千斤顶的富余量。Lr 盾尾长度，Lr=kb+m+c 式中 k盾尾遮盖衬砌长度系数，取1.3 2.5；m千斤顶尾座长
3、度；c管片安装富余量，取200 300mm。,三、盾构灵敏度 Lm/D盾构灵敏度从盾构结构上保持或改变掘进方向 的难易程度。采用Lm/D 表示。保证盾构灵敏度和推进稳定性的经验数据（灵敏度）:小型盾构：D=2 3m时，Lm/D=1.5中型盾构：D=3 6m时，Lm/D=1.0大型盾构：D=6 9m时，Lm/D=0.75特大型盾构：D=9 12m时，Lm/D=0.45 0.75,四、千斤顶推力的确定千斤顶群推力应足以克服盾构推进所遇阻力。设计推力盾构推进所遇各种阻力总和。装备推力各种推进阻力总和以及富裕量。1、推进阻力主要包括：1）盾构壳体与地层间的摩擦力或粘结力F1；2）切口环切入土层产生的贯
4、入阻力F2；3）开挖面正面阻力F3：对机械化开挖盾构，F3 为作用于刀盘的推进阻力；4）曲线施工、纠偏时的变向阻力F4；5）盾尾板与衬砌间的摩擦阻力F5；6）盾构后面平台车的牵引阻力F6；,2、设计推力 盾构千斤顶推进阻力总和F F=F1+F2+F3+F4+F5+F6 砂性土；粘土。,钢与土的摩擦系数；钢与钢或砼的摩擦系数；车轮与钢轨间的摩擦系数；G1盾构重量；G2衬砌重量；G3平台车重量；Pm作用在盾构上的平均土压力；Pf开挖面正面阻力；C土的粘结力；Kp被动土压力系数；R地层抗力；u开挖面周长；,t切环刀口贯入深度；S阻力板（与盾构推进方向垂直伸出的板，以控制盾构方向）在推进方向的投影面积
5、。可用F1+F3定义设计推力 因为，F1、F3占总推力的9599%。3、装备推力Fe盾构装备推力必须大于各种推进阻力总和(即设计推力)。（1）根据设计推力和安全系数确定Fe Fe=AF A安全系数，通常取2。,（2）经验估算法 根据盾构外经和经验推力估算。Fe=0.25D2P 式中：P开挖面单位面积经验推力。P=700KN/m21100KN/m2(人工、半机械化)P=1000KN/m21300KN/m2(闭胸式，土压、泥水加压平衡式),4、千斤顶数量、每个千斤顶推力 与断面大小有关。千斤顶数量N估算公式 N=(D/0.3)+(23)中小断面：2030台，6001500KN/台 大断面：3140
6、台，16002500KN/台 例：（1）上海打浦路隧道D=10.2m，重量400t，40台，2000KN/台，总推力8000t；（2）上海延安东路隧道D=11.26m，重量 480t，40台，2200KN/台，总推力8800t。,第五节 隧道衬砌,一、衬砌结构根据隧道功能、外围土层特点、隧道受力等条件，隧道衬砌结构分为：,11等分管片拼装图,单层结构双层结构,1、单层结构 预制管片装配式，隧道掘进时，随掘随装。施工工艺简单，施工周期短，投资省。优先采用。,二次衬砌的实例,2、双层结构 在管片衬砌内再整体套砌一层混凝土（或钢筋混凝土）内衬（二次衬砌）。多用于管片补强、防蚀、防渗、矫正中心线偏离、
7、防震、使内表面光洁、隧道内部装饰。,按隧道使用要求，二次衬砌分为：浇注底板混凝土 浇注1200下拱混凝土 浇注2400下拱混凝土 浇注全内衬混凝土。,二、隧道衬砌管片类型,1、按管片材料分类（1）铸铁管片成本高、脆。应用少。（2）钢管片成本高、易锈蚀、变形。做临时衬砌（主隧与旁侧通道相接处）。（3）钢筋混凝土管片(RC管片)易加工、耐腐蚀、造价低、运输安装易损坏。广泛应用。C40以上。（4）复合管片 钢壳混凝土管片(SSPC)扁钢加筋混凝土管片(FBRC)用于矩形、椭圆形等特殊断面。（5）挤压混凝土衬砌盾尾现浇混凝土衬砌。施工速度快、防水效果好、造价低。应用少，发展方向。,2、按管片位置不同分
8、类标准管片若干块，两侧直边。邻接管片封顶管片两侧各1块，标准管片侧直边，封顶 管片侧斜边封顶管片1块，两侧均为斜边楔形管片转弯时用,上海地铁隧道外径6.2m，环宽1m，管片厚0.35m，由6块管片拼装而成。,平板式管片（标准片）,平板式管片（封顶管片、邻接管片）,3、按形状分类（1）箱型管片由主肋、接头板或纵向肋构成 的凹形管片。（2）平板型管片具有实心断面的弧板状管片。,三、钢筋混凝土管片尺寸与制作1、管片几何尺寸考虑因素（1）运输能力水平运输、垂直运输（2）拼装机举重臂能力（3）盾构千斤顶行程大小2、管片宽度（衬砌环宽度）B B=7501500mm，1000mm左右,3、管片厚度根据隧道直
9、径、埋深、围岩荷载、施工荷载、材质等因素确定。一般=0.040.06D当D6m时，=250350mm当D6m时，=350600mm4、管片最大弧弦长度：小于4m,管片钢筋笼制作,高精度管片钢模,高精度钢筋 混凝土管片,管片堆放及防水条、衬垫,四、衬砌环管片数量 与隧道直径D有关。小直径 D=3m左右，4块中直径 D=6m左右，68块大直径 D=10m左右，810块五、管片拼装形式1、通缝拼装施工简单，用于主隧道完工后需建旁侧通道，便于拆卸管片。常用。2、错缝拼装空间刚度好，结构变形小，应优先采用。但应用较少。,上海地铁隧道直缝拼装,南京长江隧道错缝拼装,南京长江隧道错缝拼装,武汉长江隧道错缝拼
10、装,武汉长江隧道错缝拼装,管片试拼装,隧道拼装作业,9.4 双圆隧道结构试验,第六节 盾尾建筑空隙注浆,盾尾建筑空隙=管片和土体之间的建筑空隙一、注浆的作用1、防止和减少地面沉降；2、改善衬砌受力状态；3、提高衬砌防水抗渗能力。,二、注浆浆液的选择1、壁后注浆主要材料 水泥、石灰膏、黏土、粉煤灰、黄沙、水玻璃等。2、浆液选择考虑的因素 土质条件、工法的种类、施工条件、价格等因素。应在掌握浆液特性的基础上，按实际条件选用最合适的浆液材料。,（1）双液型浆液根据施工经验，在地层不稳定、易塌方的砂砾层和的砂层时，同步注浆，60%使用双液型浆液（瞬凝型浆液）；淤泥层、黏土层中使用双液型浆液的小于50%
11、；砂层、淤泥层，使用砂浆中添加纸浆纤维的浆液比例占 10%（速凝）。（2）单液型浆液土体稳定，无须壁后注浆一定与掘进同时进行。对于砂砾层地下水含量大的地层来说，应选定不易被水稀释的浆液。,目前施工中使用最多的石灰膏浆液材料配合比见表 注浆材料配合比(体积比),三、注入时期和注入方法1、壁后注浆的最佳注人时期 应在盾构推进的同时进行注入或者推进后立即注入；2、注入的宗旨必须完全填充空隙；3、确定注人工法的先决条件地层的土质条件。对易坍塌的均粒系数小的砂质土和含黏性土少的砂、砂砾及软黏土，必须在尾隙产生的同时，对其进行壁后注浆。当地层土质坚固、尾隙的维持时间较长时，不一定在产生尾隙的同时进行壁后注
12、浆。,四、充填盾尾空隙的注浆方法 1、同步注浆：在盾构尾部外壳上设26根同步注浆 管,在盾构推进的同时进行注浆充填空隙。2、壁后注浆：在管片上留有注浆孔,随时可进行壁 后注浆。自下而上，左右对称，避免单孔超压注浆。,盾尾同步注浆管和壁后注浆孔示意图,五、注入量和注入压力1、注入量使用双液型浆液时，注入量多为理论空隙量的150%200%，也少量有超过250%的情况。注入量原则必须能很好地填充尾隙。壁后注入量影响因素渗漏损失、压力大小、土层性质、超挖、壁后注浆的种类等，这些因素的影响程度目前尚不明确。施工中如果发现注入量持续增多，必须检查超挖、漏失等因素。而注入量低于预定注入量时可能是注入浆液的配
13、比、注入时期、注入地点、诸如机械不当或出现故障所致，必须认真检查并采用相应的措施。,2、壁后注浆压力大致等于地层阻力强度加上0.10.2Mpa，一般为0.20.4Mpa。二次注浆的压力要比先期一次注入的压力大0.050.1Mpa，并以此作为压力管理的标准。地层阻力强度是地层的固有值，它是浆液可以注入地层的压力最小值。地层阻力强度因土层条件及掘削条件的不同而不同，通常在0.10.2Mpa以下，但也有高到0.4Mpa的情形。,六、二次注浆需要进行二次注入的情形主要有：一次注入后未充填到部位的完全充填；一次注入浆液的体积缩减部分的补充注入；为了提高抗渗透等施工效果而进行的注入。七、注浆设备壁后注浆设
14、备材料储存设备、计量设备、搅拌机、贮浆槽（料斗、搅拌器）、注浆泵（压送泵、注入泵）、注入输浆管、注入控制装置、记录装置等构成，随注入方式的不同其构成也不同。,注浆设备：压浆可用往复活塞泵、单轴螺杆泵等。注浆泵、储浆泵等均放在盾构后车架。,盾构后车架上的注浆设备,第七节 盾构法施工的出洞进洞技术,出洞盾构机从始发工作井开始向隧道内推 进时叫出洞；进洞盾构机从隧道内到达接收井时叫进洞；盾构机出洞、进洞是盾构法施工的重要环节。需确定的技术方案包括：工作井设计与施工 工作井洞门的形式 洞门的加固 洞内设备布置等.,盾构进洞,盾构出洞,一、盾构机工作井1、工作井为便于进行盾构安装和拆卸，在盾构施工段的始
15、端和终端，建造的竖井或基坑。始发工作井 在盾构施工的始端，满足盾构掘进机安装和出洞施工的要求，并用于运送人员、管片、材料、设备、出渣。接收工作井 在盾构施工的终端，盾构隧道掘进完成后进入接收井,满足盾构拆卸或转场吊装移位的工作空间要求。,井下安装盾构,盾构推进进洞,2、工作井建筑尺寸作为拼装和拆卸用的竖井，其建筑尺寸应根据盾构拼装、拆卸及施工来确定，满足盾构装、拆的施工工艺要求。始发工作井井宽B=D+1.52.0，D为盾构直径；井长A=(1.52.0)Lm，主要考虑盾构设备安装余地，以及盾构出洞施工所需最小尺寸（初始出渣等所需空间）。接收工作井盾构拆卸井要满足起吊、拆卸工作的方便，其要求一般比
16、拼装井稍低。,3、盾构基座位置置于工作井的底板上。作用安装及搁置盾构；通过基座上的导轨为盾构出洞导向。基座结构钢筋混凝土(现浇或预制)；钢结构（常用）。导轨夹角一般为6090。,钢结构基座,盾构基座布置示意图,4、盾构后座（后盾）盾构后座盾构刚开始向前推进(出洞)时，其推力要靠工作井后井壁来承担，盾构与后井壁之间的传力设施称为后座。后座形式通常由隧道衬砌管片或专用顶块和顶撑作后座。专用工作井的后座形式由后盾环和细石混凝土组成，盾构掘进的轴向力由其传递至井壁上。利用地铁车站作为工作井的后座形式由后盾环、3榀56#工字钢柱和609mm钢管支撑组成，盾构掘进的轴向力由其传递至站台的顶板、底板上。,专
17、用工作井时的后座形式1-工作井井壁；2盾构后座管片；3-盾构基座；4-盾构,利用地铁车站时的盾构后座形式,后座特点不能是整环，应有开口，以作垂直运输通口；开口尺寸由盾构施工的时 进出设备材料尺寸决定；在第一环(闭口环)上都增加 后盾支撑，确保盾构顶力 传至后井壁。后座拆除当盾构向前掘进达到一定距离（一般不小于200m），盾构顶力可由隧道衬砌与地层间摩阻力来承担时，后座即可拆除。,二、盾构出洞、进洞方式临时基坑法、逐步掘进法、工作井法。1、临时基坑法 在采用板桩或大开挖施工建成的基坑内，先将盾构安装、后座施工及垂直运输出入通道的构筑完成，然后把基坑全部回填，将盾构埋置回填土中，仅留出垂直运输出入
18、通道口，并拔除原基坑施工的板桩，盾构就在土中进行推进施工。此种方法没有洞门拆除等问题，一般只适用于埋置较浅的盾构始发端。,2、逐步掘进法 用盾构法进行纵坡较大的、与地面有直接连通的斜隧道施工时，其后座依靠已建敞开式引道来承担，盾构由浅入深进行掘进，直至盾构全部进入土层。这种方法并没有盾构出洞、进洞的技术问题，技术关键是盾构在逐渐变化深度中，施工的轴线控制。,3、工作井法 在垂直工作井上预留洞口及临时封门，盾构在井内安装就位。所有掘进准备工作结束后，即可拆除临时封门，使盾构进入地层。目前使用较多。竖井施工方法沉井法、地下连续墙围护、钢板桩围护、高压旋喷桩围护、冻结法。竖井或基坑位置应尽量结合隧道
19、规划线路上的通风井、设备井、地铁车站、排水泵房、立体交叉、平面交叉、施工方法转换处等需要来设置。,三、临时封门 临时洞门盾构施工隧道时，为确保洞口暴露后正面土体的稳定和盾构能够准确进洞、出洞，在工作井施工的同时，预留出来的隧道口，叫做临时洞门。临时封门临时封闭的洞门。常用的临时封门形式 按设置位置分有内封门和外封门；按结构形式分有钢结构形式和砌体形式。,四、洞门土体加固盾构出洞、进洞门的施工，合理选用洞门结构形式；洞外土体加固（直径大、土质差、隧道深）。洞外土体自立稳定时，可不进行加固，盾构进出洞前拆除封门即可；洞外土体不稳定时，应提前加固洞口土体，防止泥水涌入。,1、土体加固方法土体常用加固
20、方法深层搅拌桩法、降水法、冻结法和注浆法等。（1）搅拌桩法是软土地基加固和深基坑围护中的常用方法。施工机具简单、操作方便、造价低，尤其适用于施工场地较小的地方。（2）注浆法将水泥浆液或化学浆液注入地层进行加固的方法，对含水丰富的砂土层较为有效。,（3）降水法是一种比较有效的、经常采用的加固方法。比较适用于含水丰富的流沙质土体。降水法对地面沉降影响较大，故在地面建筑密集的地方不宜采用。（4）冻结法用冻结法加固盾构进出洞洞口时，一般采用垂直冻结法，即在盾构进出洞口上部的土体内布置一定数量的冻结孔，经冻结后，在洞门处形成板墙状冻土帷幕来抵御盾构进出洞破壁时的水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井内。
21、,盾构进、出洞冻结加固模拟试验,2、土体加固范围应为盾构推进过程中，周围土体受到扰动、易出现塑性松动变形的范围。加固范围径向厚度、纵向厚度。（1）径向加固厚度一般为 24m，根据土层情况和加固方法确定。上海大连路隧道采用冻结法加固，厚度为2.5m；化学注浆加固时为1.52.5m。（2）纵向厚度根据水土压力进行计算，考虑一定的安全系数。冻结法加固，纵向厚度为 13 m；注浆加固更厚些；其他方法可根据经验取盾构长度再加长lm 左右。,土体在深度上的加固范围全深加固、局部加固。全深加固是隧道口上部一直到地面的土层全部加固；局部加固是只对盾构周围须穿透的土层进行加固，其他土体不进行加固。加固深度与加固
22、方法和隧道的埋深有关降水法和深层搅拌柱法一般为全深加固，注浆法一般为局部加固，冻结法可全深加固也可局部加固。隧道埋深大时可采用局部加固，埋深较浅的隧道可全深加固。,6 土压平衡盾构工程实例,6.1 4.35M土压盾构研制及工程应用,5.64M土压平衡盾构,合流污水治理6.1标过江倒虹管隧道工程,6.2 上海地铁隧道工程,与法国FCB公司合作设计制作的6.34M土压平衡盾构,盾构设备示意图,上海地铁盾构雄姿,地铁二号线穿越地铁一号线运营隧道,地铁盾构穿越污水隧道,6.3 外滩观光隧道工程,三龙过江示意图,6.5 600/800微型土压盾构,7 泥水平衡盾构工程实例,延安东路隧道南线11.22M泥水盾构,延安东路隧道复线工程平面示意图,平衡盾构,8.3 广州地铁二号线复合盾构掘进工程,9 盾构隧道模拟掘进试验,9.1 盾构穿越粉砂地层试验,9.2 盾构进洞冻结加固模拟试验,9.3 隧道衬砌接头试验,9.4 双圆隧道结构试验,10 国外盾构最新技术,10.1 德国大型 复合土压 平衡盾构,10.2 加拿大LOVAT公司制造的复合型土压平衡盾构,10.3 日本最新盾构,取排水隧道工程和取排水口垂直顶升工法,
