1、刘俊新 ( 西南科技大学土木工程与建筑学院 ),地下工程,第三篇 盾构法修建的地下工程,2.1 盾构的类型与构造1) 类型（一般分为：开放式、部分开放式和封闭式）开放式：手掘式、半机械式、机械式；部分开放式：网格式；封闭式：泥水平衡式、土压平衡式（泥土式、加泥式）,第一节 盾构法的发展历程 第二节 盾构法的基本概念,第一章盾构法发展历史及基本概念,2) 构造盾构的标准为园形，也有矩形、椭园形、马蹄形、半园形、双环及多环形等特殊形状，但其基本构造则由：钢壳、推进机系统、衬砌拼装系统三部分构成。,盾构钢壳：由切口环、支承环和盾尾三部分组成。盾构推进系统：由液压设备和盾构千斤顶组成。衬砌拼装系统：拼
2、装器它把管片按设计形状，安全迅速地进行拼装，具有夹钳、使管片位置伸缩、前后滑动、旋转等功能。,隧道施工的盾构机,大型盾构机,椭圆式盾构机,盾构施工,盾构施工,3) 盾构工法的选择（1）掌握各种盾构机的特征；（2）了解地层地质情况；（3）了解地上、地下环境情况；（4）考虑工期和成本。,4) 盾构施工中的衬砌技术在软土地层施工隧道，衬砌支护是非常关键。盾构施工多采用预制拼装衬砌形式，对于防护要求高的隧道也有采用整体浇筑混凝土支护、复合式衬砌等。预制拼装衬砌特点：施工快可立即承受荷载（保证掘进速度）、易于机械化施工易、保证施工质量，并可附加专门的防水装置。,预制拼装衬砌园环一般由标准块、邻接块和封顶
3、块在盾尾拼装而成。标准块是在工厂按设计要求专门加工，一般10m左右大直径隧道，每个衬砌环园采用810块标准块；6m左右中直径隧道采用68块标准块；3m左右小直径隧道采用4块标准块。园环的拼装形式有通缝和错缝两种，一般采用错缝形式它具有刚度均匀、接缝变形小、防水性能好等许多优点。,圆环衬砌片,联结盾构片,盾构片填加,2.2 盾构法施工步骤： 在盾构隧道的始发端和到达端各修建一个竖井。 盾构在始发竖井内安装就位。 依靠千斤顶（作用在已拼装好的衬砌环上） ，将盾构从始发竖井内始发。 盾构在地层中沿着设计轴线掘进，同时不断出土和安装衬砌管片环，并及时向盾尾空隙内注浆，防止地层下沉。 盾构进入到达竖井后
4、拆除。,1.盾构法施工的概貌,2.盾构法施工的衬砌结构主要解决以下问题：（1）满足结构强度和刚度要求；（2）提高管片自身抗渗性和制作精度；（3）解决接头的密封问题。,1. 竖井竖井是用于盾构设备的运入、运出、转向、组装、解体，出碴，以及设备、材料的运入运出，施工人员的出入，供电、给排水、通风等的作业坑道。 2. 衬砌衬砌是承受盾构隧道周围的土压力、水压力以确保隧道净空的结构物。衬砌分为一次衬砌和二次衬砌。在盾构隧道中，一次衬砌通常采用的是装配式管片环，二次衬砌是在一次衬砌内侧现浇的混凝土，一般而言，盾构法隧道中，管片衬砌为隧道的主体结构，用于承受外部荷载，而二次衬砌多用于管片衬砌防蚀、防渗、校
5、正中心线偏离、使表面光洁和隧道内部装饰等。,3. 壁后注浆壁后注浆是指在盾构隧道的管片衬砌与围岩之间的空隙（盾尾空隙）内注入填充材料的施工过程。壁后注浆的目的为防止地层变形、防止管片漏水确保管片环的早期稳定及 防止隧道的蛇行等。 4. 二次注浆二次注浆是对壁后注浆的补充注浆。有三种情况需要进行二次注浆：一是一次注浆后未完全填充；二是一次注浆的体积缩减部分的补充注入；三是为了提高抗渗透等施工效 果而进行的二次注浆。,2.3 盾构法施工的主要优点是： 除竖井施工外，隧道施工作业均在地下进行，不影响地面交通，可减少对地面环境的影响，包括噪声和振动等。 隧道的施工费用几乎不受埋深的影响。 盾构掘进、出
6、土、拼装管片衬砌等主要工序都靠机械完成，施工人员较少，施工易于管理。 隧道越江、河和海时，采用盾构法施工不影响航道。 施工不受风雨等气候条件影响。 在地质差和水位高的条件下修建埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性。 适用地层范围广，从软土、砂卵土、软岩直到岩层均可适用。,2.4 盾构法修建隧道也存在一定的技术问题： 隧道曲线半径过小时，施工较为困难，但从目前的盾构设备来看，曲线半径大于10m的隧道施工已不存在问题。 如隧道埋深太浅，则盾构法施工困难很大，地面沉降很难控制；在水下施工时，如覆土太浅，则盾构法隧道施工不够安全，容易产生渗漏和喷涌现象。 盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地
7、层时，施工条件差，对施工技术人员的身体影响大，全气压法目前已很少采用。,第二章 盾构设备类型及其选型,第一节 盾构设备的组成,随着盾构技术发展，盾构设备的种类也越来越多。从主体结构方面讲，盾构设备由盾构外壳、开挖系统、掘进系统、管片拼装系统和控制系统等组成。,1.1 盾构外壳,一台盾构设备的外壳沿纵向从开挖面开始，依次分为切口环、支承环和盾尾三部分。,1. 切口环切口环可保持开挖面的稳定，在该部位装有切削机械和挡土设备，故又称切削挡土部。在敞开式盾构中，切口环上装有挡土支护装置。通常采用阶梯形、斜承形和垂直形等形状，见图3-2-2 。阶梯形和斜承形切口环的上半部分较下半部分突出，呈帽檐状。为了
8、作业的安全，有时需要设置一组可以用千斤顶控制的移动式切口环，一方面可以替代盾构本体顶部突出的部分，另一方面还可以满足因地层条件差需要对固定环加长的要求。切口环的刀口顶端部分加工成刀片状，加强肋部分做成斜坡状。在封闭式盾构中，前端装有切削刀盘，刀盘后方到隔板的空间称为土舱（或泥水舱） 。土舱内设有搅拌装置，底部设有进入螺旋出土器的出土口，上部留有添加材料的注入口。,2. 支承环支承环是承受作用于盾构上全部荷载的主体结构。支承环的前部和后部均设有环状的刚性结构，在大、中断面盾构上，大多采用梁柱进行加固，故支承环板壳的厚度有时会比盾尾和切口环部分设计得稍薄一些。,3. 盾尾盾尾即盾构的后部结构（图3
9、-2-3） ，其长度需要根据管片在盾构设备内的组装长度和盾尾止水带的形状及其层数确定。此外，还需考虑由于隧道的曲线施工等因素增加的一些富余量，其厚度是在不产生过大变形的范围内尽可能薄一些，但必须确保盾尾止水带安装所需要的厚度。,为了防止地下水和壁后注浆材料渗入盾构设备内，在盾尾板壳和管片之间需设置止水带，即盾尾止水带。其材料常用橡胶、树脂、钢材、不锈钢或其中几种材料的复合体等，常用的形状有刷和板状等。,1.2 开挖系统,不同盾构设备安装有不同的开挖机构，对于手掘式盾构，开挖机构包括鹤嘴锄、风镐和铁锹等。对于半机械式盾构，开挖机构是铲斗和切削头。对于机械式盾构和封闭式盾构，则指的是切削刀盘或刀头
10、。,1. 刀盘的构成及其功能切削刀盘为可转动或摇动的盘状切削器，具有边旋转、边保持开挖面稳定和边开挖岩体的功能。由切削刀具、稳定开挖面的面板、出土槽口、转动或摇动的驱动机构和轴承机构等组成,2.刀盘形状切削刀盘的形状主要有轮辐式和面板式两种，面板式又分为平板型、轴芯型和鼓筒型等。轮辐式的切削刀盘实际负荷扭矩小，容易进土，多用于土压平衡式盾构。面板式的切削刀盘具有开挖面挡土功能，用于土压式和泥水式盾构。鼓筒式的切削刀盘用于开挖面自稳性强的地层，由于砾石和硬质地层对切削刀盘的强度需求高，所以应安装齿轮钻切削刀头，有利于开挖砂砾石地层。,3. 刀盘扭矩刀盘扭矩需根据围岩条件、盾构形式、盾构结构和盾构
11、直径来确定，一般认为刀盘所需扭矩由下式计算：,4. 切削刀头切削刀头的形状（图3-2-5）和材料可以根据地层条件来确定，其形状主要是确定其前角和 后角，对于胶结粘性土，前角和后角要大些，而砾石则相对小些。,常见的切削刀具有齿形刀具、屋顶形刀具、镶嵌形刀具及盘形刀具。其正视图和俯视图如图:,刀头的安装高度往往需要根据地层条件和旋转距离推算出其磨损量、掘进速度和切削转速以及根据设定位置求出的切入深度等确定。配置则需根据地层条件、盾构外径、切削转速及施工总长等确定。其安装方法如图:,5. 刀盘的支承方式切削刀盘的支承方式可分为中心支承式、中间支承式及周边支承式三种。构造示意图如图:,各种支承方式的性
12、能及特点如表:,由表不难看出，支承方式与盾构直径、土质对象、螺旋出土器、土体粘附状况等多种因素有关。确定支承方式时必须综合考虑表中各种因素的影响，通常多选择中心支承式和中间支承式。,6. 轴承止水带设置轴承止水带，其目的是为了保护切削轴承，防止土砂、地下水及添加剂等侵入，故要求轴承止水带能够承受压力舱内的泥水压、地下水压、泥土压、添加剂和注入压力及气压等。应根据刀盘支承方式来确定，即支承方式中切削轴承的支承部位就是轴承止水带的安装位置。,轴承止水带材料应满足耐压性、耐磨损性、耐油性和耐热性等要求。轴承止水带形状：密封件形状有单唇和多唇形。,1.3 掘进系统,1. 总推力的计算盾构的总推力应根据
13、各推进阻力的总和及其所需的富余量决定，其计算表达式如下：,2. 盾构千斤顶的选型和配置千斤顶选型和配置应根据盾构的操作性及管片组装施工方便性等确定，在其选型与配置时，需注意下列事项：,（）千斤顶选型 应选用结构紧凑的高液压千斤顶。 宜选用重量轻、耐久性好、易于维修和更换的千斤顶。 应充分考虑千斤顶的运转性能。,（）千斤顶配置 千斤顶等间距配置在盾构壳体内侧附近，在管片全周施加均等推力。但是，由于土质的关系，有时也采用不等间距配置。 千斤顶配置时，应使推进轴平行于盾构轴线。为了防止盾构设备转动，有一部分也采用倾斜配置。此时会有弯曲荷载作用于活塞杆上，应予注意。 千斤顶的台数：千斤顶的推力和台数应
14、根据盾构外径、总推力、管片结构和隧道路线等因素确定。一般台盾构千斤顶的推力，在中小断面盾构上为600-1500kN（60 -150t） ，大截面时则为2000-4000 kN（200 -400t） 。,（）压力垫 千斤顶的活塞杆顶端需设置压力垫，其结构应能保证推力均匀分布在管片的端面上。 为了减小作用于管片上的偏心力，也有的让支座中心偏离千斤顶中心线。 设置压力垫大小时，须遵循不会出现过大的局部力作用在管片上的原则。 根据管片的材质，有时需在压力垫接触面上覆盖橡胶板等，以保护管片端面。,3. 盾构千斤顶的工作速度盾构千斤顶的工作速度，当采用普通全装备千斤顶时，为50-100mm/min左右。千
15、斤顶回程速度，从提高施工效率来讲，要尽可能快一些。,1.4 管片拼装系统管片拼装系统设置在盾构的尾部，由管片拼装机械手和真圆保持器构成。 1. 管片拼装机械手管片拼装机械手是在盾尾内把管片按照所定形状安全、迅速地拼装成环的装置，包括搬运管片的钳夹系统和上举、旋转和拼装系统。 拼装机械手种类 常见的拼装机械手有环式、空心轴式和齿条齿轮式三种（如图3-2-10） 。因环式是空心的圆形旋转，即使在驱动中也可以确保作业的空间，同时土砂运出作业不受影响，故使用比较多。, 钳夹系统 该系统随着管片的形状而异，会影响管片组装效率。因此，设计时应以夹具能安全、迅速地夹住管片为目的，夹具有手动螺旋式和液压千斤顶
16、式等。具体如图3-2-11所示。, 管片自动拼装机械手 出于下列目的，有时会采用管片自动组装机。它具有如下特性：提高组装作业的安全性；提高组装精度（提高质量） ；降低作业的劳动强度；提高作业的效率。管片自动拼装机械手由管片供给、夹持、定位和接头紧固等装置组成。采用自动拼装机械手 时，应仔细研究管片的形状、洞内环境、机械耐久性和组装空间等。,2. 真圆保持器当盾构向前掘进时管片拼装环就从盾尾脱出，由于管片接头缝隙、自重力和土压的作用等原因，管片环会产生横向变形，使横断面成为椭圆形。当变形时，前面装好的管片环和现拼的管片环在连接时会出现高低不平（错台） ，给安装纵向螺栓带来困难。为了避免管片环的高
17、低不平，需 要采用真圆保持器。一般可采用下列方法： 利用设置在真圆保持器上的油压千斤顶矫正管片环。 通过加工盾尾内的结构矫正管片环：一般在盾尾内设置管片导轨以防止管片脱降；或设置真圆保持环以抑制管片变形。这些方法可以使管片拼装作业更为容易。但是使用这些方法会使盾尾内径变小，对方向控制等造成影响。,图3-2-12所示为上下扩张式和上部扩张式真圆保持器。,1.5 控制系统盾构控制系统是使各设备可靠地工作，使开挖、掘进、出土等相互关联设备和其他设备能平衡地发挥功能，需要注意下列事项： 自始至终显示出各设备的运行状态，发生异常时，要清楚地显示出相关信息。 设置联锁装置和报警系统，即便出现操作失误，也能
18、确保设备安全。 电源断开和紧急停止时，各工作部分应立即停止工作或停止在安全位置上。,第二节 盾构设备的分类,2.1 盾构设备按开挖面与作业室之间封闭情况分类,2.2 手掘式盾构手掘式盾构的开挖面是敞开的，通常设置防止开挖面坍塌的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面坍塌的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等工具并人工进行。,这种盾构适应的地层是自稳性强的洪积层密实砂、砂砾、固结粉砂和粘土等。对于开挖面不能自稳的冲积层软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采取稳定开挖面的辅助措施，如压气施工法、地层改良、降低地下水位等方法。目前手掘式盾构一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用十
19、分有限。,2.3 半机械式盾构半机械式盾构进行开挖及装运石渣都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘等挖土机械和皮带运输机等出渣机械，或配备具有开挖与出渣双重功能的机械。为防止开挖面顶面坍塌，盾构内装备了活动前檐和半月形千斤顶。,与手掘式盾构一样，应采取确保开挖面稳定的辅助措施。适应地层是以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主。也可用于软弱冲积层，但需同时采用压气施工法，或采取降低地下水位、改良地层等辅助工法。,2.4 机械式盾构机械式盾构前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构的开挖能力，开挖的土砂通过旋转铲斗和斜槽装入皮带输送机。由于土体开挖和排土可以连续进行，提高了工作效率，可缩短建设工期，并减
20、少作业人员。在开挖自稳性差的围岩时，机械式盾构适应的地层与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样，需采用辅助施工方法。,2.5 闭胸式盾构设备的基本组成 闭胸式盾构设备由刀盘、刀盘支承和切削刀头构成。,1. 刀盘 刀盘形状 刀盘的断面形式有垂直于主轴承的平板形、抽芯形和鼓筒形等。图3-2-17a 为平板形刀盘，图3-2-17b为抽芯形刀盘，在刀盘中心装备有突出的刀头，可提高开挖性能。 图3-2-17c为鼓筒形刀盘，这种设计引入了岩石掘进机的设计思路，主要用于巨砾层和岩石。, 刀盘形式 面板式刀盘：如图3-2-18a所示，是用面板来稳定开挖面，多用于泥水平衡式盾构。设计中，在面板上设有一定的开口装置，
21、以便在开挖停止时关闭，更有效地控制开挖面 轴； 横杆； 框架的稳定；同时，还可用于调节土砂的排出量和粒径大小。轮辐式刀盘：如图3-2-18b所示，轮辐式刀盘将面板开成辐条，增大刀盘开口率，从而提高排出土体的量和粒径大小，并将土舱内的土压有效地传给开挖面。,2. 刀盘支承方式如图3-3-19所示，刀盘支承方式有中心轴方式、中间支承方式和周边支承方式。 中心轴方式 刀盘由中心轴支承，滑动部位的密封短，扭矩损失小。构造简单、制造方便。缺点是机内空间除去驱动部件所占用之外所剩很小，难以处理大砾石。因此，这种方式多用于中小直径的盾构设备。 中间支承方式 用多根横梁支承刀盘，常用于大中直径的盾构设备。用于
22、小直径盾构时，横梁间隔变窄，土体排出，同时还必须充分研究防止横梁附近粘土附着的问题。 支承周边方式 刀盘用框架支持，机内中心部位的空间变宽，对处理大砾石、漂石及障碍物有利；但是，必须充分研究土舱内土体容易同时旋转的问题，以及防止刀盘周边的土砂附着等问题。,3. 切削刀具切削刀具的种类有T形刀、屋顶形刀、贝壳式刀和滚刀，应根据地质条件选用多种切削刀。 T形刀和屋顶形刀主要用于砂、粉砂和粘性土等比较软弱的围岩，提高了耐磨性的薄壳式刀和对付砾石的滚刀主要用于砾石层、岩层和风化花岗岩等硬质围岩。,2.6 挤压式盾构,挤压式盾构是将闭胸式盾构的刀盘设计成网格状，同时配上可调的出土装置。施工中，盾构由后方
23、油压千斤顶推进正面贯入围岩，使贯入部位土砂流动，由网格的开口处进入机器内部，再运送至地面。开挖面的稳定是靠调节开口大小，使千斤顶推力和开挖面土压力达到平衡来实现的。这种盾构适用于自稳性很差、流动性很大的软粘土和粉砂土地层，而不适用于含砂率高的围岩和硬质地层。若液性指数过高，则流动性过大，也不能获得稳定的开挖面。由于适用地质范围狭窄，目前采用这种盾构的工程较少。,2.7 泥水平衡式盾构,泥水平衡式盾构是在机械式盾构的前部设置了泥水舱，并装备刀盘面板、输送泥浆的送排泥管和推进千斤顶，同时在地面还配有分离排出泥浆的泥浆处理设备。开挖面的稳定是靠将泥浆送入泥水舱内，渗透到开挖面并形成不透水的泥膜，通过
24、该泥膜保持水压力，以便泥水舱内的泥水压与开挖面的土压力和水压力保持平衡。开挖的土体以泥浆形式输送至地面，通过泥水处理设备分离为土粒和泥水，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。由于不能用目视直接检查开挖面围岩状态，所以必须借助于传感器来进行掘进集中管理。一般泥浆处理设备设在地面，故比其他盾构需要更大的用地面积。泥水平衡式盾构适用的地层比较广，从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。早期，采用泥水平衡式盾构的工程比较多。但由于难以确保地面施工场地，近年来在市区选用逐渐减少。,2.8 土压平衡式盾构土压平衡式盾构，是在机械式盾构的前部设置土舱，使土舱内和排土用的螺旋出土器内充满开挖土体，并依靠盾构推
25、进千斤顶的推力给土舱内的土体加压，来稳定开挖面的土水压。螺旋出土器有轴式、带式和轴式与带式的混合型种，可根据地质条件选用。对于高水压和砂土，一般选用轴式；而带式多用于砾石层，由于中心无轴，所以对大砾石的排出非常有利。有轴式保持压力的效果较好，而无轴式因其中心开口较大，保持压力效果不佳，故常在出土口设置滑 动闸门等止水装置。,2.9 土压平衡式盾构： 1. 一般土压平衡式盾构如图3-2-22所示，该种盾构是将刀盘开挖的土砂充满土舱，由盾构千斤顶的推进力加压，使土压作用于整个开挖面，并稳定开挖面，同时由螺旋出土器进行排土。,这种盾构是在挤压式盾构上安装了切削刀盘，同时使开挖的土砂流动，以便排土。适
26、用于仅仅采用切削刀开挖且含砂量小的塑性流动性软粘土。,2. 加泥式土压平衡盾构加泥式土压平衡盾构装备有注入添加材料，促进开挖土砂塑性流动的系统和强力搅拌添加材料及开挖土砂的搅拌装置，通过盾构千斤顶的推进力对土舱内搅拌后的土砂进行加压，并使该泥土压力作用于整个开挖面，使开挖面获得稳定，同时用螺旋输送机排土。添加材料有膨润土、CMC、粘土、高吸水树脂、发泡剂等，可根据土质选用。加泥式土压平衡盾构的适用范围较广，可用于冲积粘土、洪积粘土、砂土、砂、砂砾、卵石土层等，以及这些土层的互层。由于加泥式土压平衡盾构适用的地层范围大，且竖井用地比较少，所以近年来得到了广泛的应用。,第三节 特种盾构设备的发展,
27、3.1 异形断面盾构,椭圆形断面的偏平率（短轴/长轴）的变化在0.7-0.9之间，与此相应的挖掘系统应同时采用三种刀头：一种是旋转刀头；另一种是安装在旋转刀头中与其一起旋转、同时作内外摆动的摇摆刀头；第三种是小圆板，一边旋转、一边作往返运动的滑动刀头。在旋转刀头内装备了两组摇摆刀头，根据刀头旋转方向分别使用。,3.2 球体盾构球体盾构设备亦称直角盾构设备，其刀盘部分设计为球体，可以进行转向，如图3-2-24所示。球体盾构法又称直角方向连续掘进施工法。主要是在难以保证盾构竖井用地或需要进行直角转弯时使用。球体盾构的施工方法分为“横 横”和“纵 横”两种。 “横 横”方向连续掘进是先沿一个方向完成
28、施工后，水平旋转球体进行另一个横向隧道的施工，可以满足盾构90转弯的要求。 “纵 横”方向连续掘进施工则是从地面开始连续沿直角方向向下开挖到达预定位置后进行转向，然后实施横向隧道施工的方法。球体盾构的关键技术是防水问题，可旋转的球体与周围的密封必须保证在施工和旋转时不发生渗漏。,3.2 多圆盾构多圆盾构又称MF（Multi桘Circular Face）盾构，MF盾构是使用多圆盾构设备修建多圆形断面的隧道施工机型。通过将圆形作各种各样的组合，可以构筑成多种多样断面的隧道。MF盾构可以采用泥水式、土压平衡式两种类型。在MF盾构中所使用的管片是由A形管片、K形管片（翼形管片）和中柱三种类型组成，并且
29、翼形管片的接头面是分别向着圆心的，可以可靠地传递轴力和剪力。,3.4 扩大断面盾构在上下水道、共用沟的分岔部位、管理用的中间人孔以及电力、通信隧道的地下电缆接头处等，隧道的断面常常要比标准断面大。这样，在隧道功能和维护管理所要求的扩大断面段长度比隧道长度短的情况下，将这段隧道局部扩大，比隧道全长都采用大断面更为经济。以往，扩大段的建造多采用明挖施工法，但由于许多必须扩大的隧道段都建设在城市道路下面，对明挖法来说存在很多问题，如对地上交通和近邻建筑物的影响、错综复杂的地下埋设物的防护，以及由此引起的工期延长和工程费的增加等。因此，希望扩大段的建设在地下施工，因而开发了可以从隧道内扩大断面的扩大盾
30、构施工法。,3.5 可分离式盾构图3-2-29连接方式与分离方式 研究这种盾构设备的目的是想利用盾构法完成在公路主干线上有扩宽段和分支段相结合的隧道结构和地铁车站等的修建（如图3-2-29） 。隧道扩宽段的结构为椭圆形（多心圆形） ，分支后变为圆形。具体又分成两种方式：连接方式和分离方式。,3.6 H&V盾构设备,H & V盾构可修建水平和垂直变化的隧道，可从水平双洞转变为垂直双洞，或者由垂直双洞转变为水平双洞，可以随时根据设计要求不断地改变断面形状，开挖成螺旋形曲线双断面。两条隧道的衬砌各自独立。,第四节 盾构设备选型分析,盾构选型时应遵循以下几项原则： 结合本工程的地层情况，选择与工程地质
31、相适应的盾构机型，确保施工安全。 选择相应的辅助工法。 盾构的性能应满足工程的掘进长度和线形的要求。 盾构与后续设备、施工竖井等匹配。 盾构对周围环境的影响小。 工作环境要好，比如要考虑洞内的噪声、温度等。,4.1 选型依据,二、盾构对环境条件的适应性 1. 不同类型盾构对地层条件的适应性分析。盾构有很多种不同的类型，如手掘式、半机械式、机械式、挤压式、泥水平衡式和土压平衡式盾构等。,手掘式盾构适用于开挖面自稳性强的地层，包括洪积层砂、砂砾、固结粉砂和粘土等。对于开挖面不能自稳的冲积层、软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采取稳定开挖面的辅助工法。目前，手掘式盾构一般用于开挖面有障碍物、巨砾石等特
32、殊场合，而且应用逐年减少。半机械式盾构适用的地层以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主，当用于软弱冲积层时，需采用压气施工法，或采取降低地下水位、改良地基等辅助措施。机械式盾构用于自稳性好的洪积层时，其地层条件与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样。如应用于冲积层，则必须采用压气施工法以及地层改良等辅助工法。,挤压式盾构适用于自稳性很差、流动性很大的软粘土和粉砂质地层，而不适用于含砂率高的地层和硬质地层。若液性指数过高，则流动性过大，不能获得稳定的开挖面。泥水平衡式盾构具有地层适应性广、对周围环境影响小、施工机械化程度高等优点。适用于从软弱砂质土层到砂砾层的各种地层，而且可用于地层中水压很大的情况
33、。根据工程的实践情况，在砂层中进行大断面、长距离掘进的隧道，大多采用泥水平衡式盾构修建。土压平衡式盾构适用范围也很广，可用于冲积粘土、洪积粘土、砂质土、砂砾、卵石等土层，以及这些土层的互层，有软稠度的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构的地层。随着盾构隧道施工技术的发展，土压平衡式盾构的应用越来越广泛,2. 按地层条件选择合适的盾构一般来说，一条隧道沿线穿越地层的地质条件是各不相同的，在选择盾构时，要选择能适用沿线大部分地层的机型,（）冲积粘土如果冲积粘土的自然含水率接近或超过液限，切削面不能自稳，则应选择闭胸式盾构。当整个切削面和施工沿线都是N（N为贯入度）值为0-5的软弱粉砂及粘土地层
34、时，宜采用挤压式盾构。在选用时要注意，挤压式盾构适用的地层范围极窄，在应用时必须对地层进行充分的调查研究。如果出现冲积粘土层含砂量大、有软硬交错层、液限指数过大并含有砾石的情况时，挤压式盾构就不再适用，应该采用泥水平衡式或土压平衡式盾构。,（）洪积粘土洪积粘土一般N值大，含水量低，切削面能够自稳。此外，因抗剪力大，变形小，故可无需采用挡土隔板。在洪积粘土中，可采用全敞开式盾构或闭胸式盾构，视不同情况而定。在切削面可以长时间自稳的情况下，根据切削地层的强度、隧道断面、长度，并结合切削能力、施工效率和省力等因素，宜采用手掘式盾构、半机械式盾构、机械式盾构等全敞开式盾构，并且通常辅以压气工法。在采用
35、压气工法且气压压力较高的情况下，应与泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构进行对比，以便择优选取。,（）砂土在砂土中修建盾构隧道，可以选用泥水平衡式盾构或土压平衡式盾构。泥水平衡式盾构通过排泥管将切削土体从泥水舱内输送到地面，安全性好，特别适用于高水压下掘进，且对周围地层的扰动小。但是，若含水砂性地层具备以下条件：渗水系数K 10-2cms、74m以下的微细颗粒含量低于10 、匀粒系数Uc 10 ，在采用泥水盾构时，开挖面易坍塌，很难保持稳定。这种情况下不宜使用泥水平衡式盾构。另外，在覆土层浅且渗水系数大的砂土中掘进时，容易出现地表割裂现象，应引起重视。在粘土含量少的砂土中掘进时，土压平衡式盾构是最适
36、用的。但是，必须充分注意土舱充填是否密实、均匀以及对切削面土压的正确检测，另外还要注意切削刀具、搅拌机械等机械的选择。,（）砂砾及巨砾地层砂砾及巨砾地层的渗水系数大，故必须选择闭胸式盾构。切削这种地层主要需要考虑以下几个问题： 该地层中含有较多的大直径砾石，排出比较困难，所以应考虑相应的碎石措施，以保证施工的顺利进行。 该地层的渗水系数大，注入普通泥浆容易出现喷涌现象，为此要考虑使切削面稳定的措施。 该地层砾石所占比例很大，在掘进时对刀具的磨耗很大，因此需要考虑减少刀具磨耗的措施。,（）泥岩泥岩是指堆积的粉砂、粘土，经压实、脱水固结而成的土层，根据粒径的差异可分为粉砂岩和粘土岩两种。泥岩的无侧
37、限抗压强度在0.5-1.0 MPa以上，N值在50以上，切削面自稳。在选择盾构机型时，水压小的地层，选用开放式盾构比较经济；在有承压地下水的泥岩层或在含水砂层、砂砾层的交错层中掘进时，由于存在喷涌问题，所以，应选择闭胸类的泥水平衡式或土压平衡式盾构,第五节 盾构设备选型实例,5.1 工程地质及水文地质,1. 围岩性质及分布特征 可塑或稍密的残积土层，多为粉质粘土，仅在与新滘南站相接地段洞顶有分布，洞身另呈透镜体分布，占2 。 硬塑或中密的残积土层，多为粉质粘土，在与新滘南站相接地段洞顶、洞身及洞底均有分布，洞身另呈透镜体分布，占4 。 全风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、细砂岩及砂砾岩，呈土状，硬塑
38、半干硬，局部地段洞身及洞顶有分布，洞身连续分布，占8 。, 强风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、细砂岩及砂砾岩，呈碎块状，局部为短柱状，普遍分布于洞身及顶、底部，洞身连续分布，占42 。 中等风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、细砂岩及砂砾岩，岩芯呈短柱状、柱状，部分为碎块状，在区间前半段洞身及顶、底部广泛分布，洞身连续分布，占36 。 微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、细砂岩及砂砾岩，岩芯呈柱状、长柱状，岩质致密坚硬，局部洞底有分布，洞身连续分布，占8 。,2. 围岩的水文地质特征根据隧道洞身设计的位置，围岩所穿过的六个岩层中的 、 、是弱透水层，岩体中基本无水，可视为隔水层， 、 、是基岩强风化、中等风化及
39、微风化带，仅裂隙中含少量裂隙水，为弱含水层。由此可预测，隧道洞身地下水不丰富。,3. 围岩的施工地质特征 区间有2090.3m隧道围岩为强风化和中等风化岩石，围岩类别为 、类；876.8 m段围岩为全风化和可塑至硬塑状残积层，围岩类别为 、类。 施工区段内仅局部分布薄层淤泥质土，埋深较浅且与洞顶之间有一定厚度的残积层，对工程影响较小。 区间内砂层主要为冲洪积中细砂，断续分布，位于隧道洞顶以上至少7m的地段，对隧道影响较小。 本段基岩以泥质粉砂岩为主，泥质胶结，遇水易软化，为软化岩石。 本区间为河间剥蚀残丘，砂层分布范围较小，地下水主要为基岩裂隙水，强风化及中等风化岩层裂隙较发育，预测的单位涌水
40、量为1.16-1.26 m3/（dm） ，对盾构施工段影响较小。,5.2 盾构掘进特点与适应性要求 1. 盾构掘进特点 隧道穿越地层地质条件较复杂。 隧道穿越建筑物多，因此地面沉降控制要求严格。 软硬地层中进行盾构掘进施工，需综合判断、全面考虑，技术难度大。 盾构工程施工系统性强，加之本工程地质复杂、工期紧，盾构机的适应性、耐久性与工作状态良好是本工程掘进控制的关键之一。,2. 盾构适应性要求 具有可对付土层及岩石的刀盘及刀具，且刀具具有可更换性。 根据不同的地层特点，盾构能提供不同的开挖模式。 盾构配备相应的渣土改良设备，以在不同的开挖模式下充分保持渣土的力学传递性能及其流动性。 有有效地控
41、制地面沉降的措施。,5.3 盾构选型根据工程情况选择复合式土压平衡式盾构进行施工，并且拟选盾构具有以下主要特点：,盾构可实现土压平衡（EPB） 、敞开（Open）和半敞开（Semi桘Open）三种掘进模式。 刀盘上设置超挖刀，以控制曲线施工、方向修正时的姿态。 刀盘、密封隔板及螺旋输送机均设有泡沫、膨润土注入装置，以在不同的开挖模式下充分保持渣土的力学传递性能及其流动性。 螺旋输送机螺杆可伸缩，能解决螺旋输送机的堵塞问题。 盾构操纵控制系统采用PLC，可对三种模式进行有效地控制和转换。数据采集处理和远程传输系统，可实现办公室的掘进工况信息管理。,采用混合式刀盘布局，刀具为背装式，结构的强度及刚
42、度满足要求；刀具设计为可更换式，且能够背后拆装。 配备了自动定压同步注浆系统，并设有备用的注浆管路。 配备SLS桘T APD自动测量导向系统，可适时测控盾构机姿态和管片拼装精度。 配备有超前钻机及预注浆装置，可实现特殊地层的超前加固及处理。 盾构采用中间铰接方式，可适应较小半径曲线的推进。 配备有稳定翼，可在盾构机壳受力不大，机壳与岩土的摩擦力不足以提供刀盘驱动扭矩的反力时，防止盾构翻滚。 推进油缸设计为可分组独立控制伸缩，行程 m，满足畅 m管片的拼装要求；辅以配置的超挖刀，可以较好地控制掘进方向和进行纠偏。,第三章 盾构法隧道设计,第一节 总体设计,1.1 设计前期工作设计前期工作主要包括
43、设计前期的调研、论证和筹备工作。其中最关键的是勘察，因为勘察是获取规划、设计、施工及维护管理各阶段所需基础资料的途径。勘察结果要用来选定隧道线路及平面位置，确定可否采用盾构法，进行环境保护措施的论证，决定工程的规模和内容，隧道竣工后还将成为维护管理的资料。,1.2 勘察工作主要有下列内容。 1.选址勘察 选址勘察必须包括以下项目：土地利用和权利的关系；将来规划；道路类别和路面交通情况；确保工程用地的难易程度；河川、湖沼、海的状况；工程用电和给排水设施。 2.障碍物勘察 障碍物勘察必须包含以下内容：地上、地下结构物；埋设物；水井和旧井；建筑物及临时建筑物遗迹；正在计划修建的结构物、埋设物。,3.
44、地形及地质勘察 必须按照下列各项进行地形和地质勘察：地形；地层构成；土质；地下水；缺氧空气、有害气体的有无。 4.环境保护勘察 为在隧道施工过程中保护周围环境，根据需要应对以下各项进行勘察：噪声、振动；地基变形；地下水；缺氧气体和沼气等有害气体；化学注浆等；施工副产物；熟悉了解环境保护的相关法律。盾构法隧道在设计前期，最关键的是查清隧道的围岩条件、施工总长、隧道线路以及施工深度，根据这些调查资料，才能对盾构的结构强度和刚度、耐久性、施工方便性、安全性和经济性进行综合评价，选出最适合工程情况的盾构，并进行正确的施工,1.3 平面设计 盾构法隧道在进行隧道的平面布置时，要注意以下三点： 隧道的线路
45、应根据隧道的使用目的、使用条件等因素进行规划，应尽可能选用直线或缓曲线，同时必须考虑地表情况、障碍物条件、围岩条件等施工因素。 采用小半径曲线时，要对设计、施工进行充分论证。 在两条以上隧道平行设置或隧道与其他建筑物近接时，要特别注意相互之间的影响来进行平面布置。,在曲线段进行盾构开挖时影响施工的主要因素为：盾构所通过位置的地质条件、开挖断面的大小、盾构长度、坡度的陡缓、盾构型式、盾构结构、管片的种类、管片环的宽度及楔形量等。对一般的曲线施工而言，盾构隧道的允许曲率半径R值，因盾构直径的不同而不同。,1.4 纵断面设计 1.隧道的覆土厚度决定隧道的覆土厚度时，必须考虑地面和地下结构物的状况、围
46、岩条件、开挖断面的大小、施工方法等。 在一般情况下，考虑到施工时作业效率的好坏、竖井建造的难易、地下水防止措施及水处理的便利以及竣工后对结构物的维护管理等因素，隧道埋深小一些为好。但是埋深太浅易发生地层沉陷和爆喷等事故，所以应以对周围环境不产生不良影响的条件选择覆盖土层的厚度H，通常选择H （1-1.5D，其中D为盾构机的外径。但隧道纵断面布置一般多根据隧道的使用目的和已有建筑物的障碍等情况来决定，所以也出现一些小于最小覆土厚度的施工实例，此时则需要考虑适当的辅助施工法，慎重地决定覆土厚度。,2.隧道的坡度隧道的坡度不仅取决于使用目的，还取决于河流、地下构造物及障碍物的分布状况。从隧道使用目的
47、考虑，公路隧道、铁路隧道、电力电缆隧道、通信电缆隧道，原则上设计成渗漏水可以自流排放的平缓坡度，以不低于畅 为宜；而下水道、供水隧道的坡度则必须根据下泄流量、流速等确定。特别应该注意的是，上水道则应考虑到管内排水和排气问题。为了不在中间部位出现凹凸，相邻两竖井间的上水道隧道应采用单向坡。从施工方面考虑，为了使施工时的涌水能够自流排放，使坡度提高到畅 畅 为宜。 但坡度超过 会降低盾构的推进以及出渣和运料等作业效率。再有当由于条件限制的原因坡度必须大于 时，不仅要选用特殊的井内运输方式，同时还必须采取各种安全防护措施。,1.5 横断面设计,1.地铁区间盾构隧道横断面隧道净空断面除建筑界限之外，还
48、要考虑轨道结构、维修躲避用通道、车辆电缆、信号通信、照明、通风及排水等附属设备所需的空间和盾构施工误差（上下、左右偏差，变形和下沉等） 。关于施工误差，一般从中心向上下左右各取50-150mm。由于隧道的建筑限界是纵向延续的，所以必须按在建筑限界（轮廓线）的上、下方留出所需裕度的方式决定内空尺寸。确定内空尺寸的关键是确定控制点。,2.公路盾构隧道横断面公路盾构隧道的净空断面除依据对应于公路级别的建筑界限之外，一般还要加上规定的富余量（维修躲避用通道、换气扇或喷气扇设置空间、照明设备、防灾设备、监视设备、管理设备、内装修和附属设备设置空间）和盾构施工误差（上下、左右偏差，变形和下沉等）来决定。施
49、工误差一般从中心向上下左右各取50-150mm，还要充分考虑施工条件来决定。,第二节 管片衬砌结构设计,2.1 主体结构设计,1.管片的外径盾构法隧道中由于一次衬砌是采用管片拼装而成的，因此习惯把隧道的外径称为管片的外径（D） ，如图3-3-3所示。管片的外径取决于隧道净空和衬砌厚度（管片厚度、二次衬砌厚度 等） 。对于地铁区间单线隧道，管片的外径一般为6 m左右,2.管片的厚度与幅宽管片的厚度（）是指盾构隧道一次衬砌的厚度。对于箱形管片，则为管片的主梁高。管片幅宽（B）是指一环管片在隧道纵向的宽度。如图3-3-3所示。管片的厚度与隧道断面大小的比，取决于土质条件、覆盖层厚度等，最主要是取决于荷载条件。一般情况下，管片厚度为管片外径的4左右，但对于大直径的隧道，尤其是箱形管片，约为5.5 左右。管片的幅宽应根据隧道的断面，结合实际施工经验，选择在经济性、施工性方面较合理的尺寸。从便于搬运、组装以及出于对隧道曲线段上施工时盾尾长度的考虑，管片幅宽是小一些为好。但是，从降低管片制造成本，减少易出现漏水等缺陷的接头部数量、提高施工速度等方面考虑，则幅宽大一些为好。根据目前的经验，视隧道断面大小而异，幅宽一般在300-1500 mm的范围之内。采用钢管片时，多为750-1200mm；采用混凝土管片时，多为900-1200 mm。,
