異型盾構(gòu)隧道新技術(shù)-8精選文檔

1、異型盾構(gòu)隧道新技術(shù)1自由斷面盾構(gòu)法(1) 原理概要 所謂自由斷面盾構(gòu)法就是在一個(gè)普通圓形盾構(gòu)主刀盤的外側(cè)設(shè)置數(shù)個(gè)規(guī)模比主刀盤小的行星刀盤。隨主刀盤的旋轉(zhuǎn)行星刀盤在外圍作自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞主刀盤 公轉(zhuǎn)，行星刀盤公轉(zhuǎn)的軌道由行星刀盤扇動(dòng)臂的扇動(dòng)角度確定。通過對行星刀盤 扇動(dòng)臂的調(diào)節(jié)可開挖各種非圓形斷面的隧道。也就是說，通過對行星刀盤公轉(zhuǎn)軌 道的設(shè)計(jì)可選擇如矩形斷面， 橢圓形斷面， 馬蹄形斷面， 卵形斷面等非圓形斷面。 此盾構(gòu)法尤其適用于地下空間受限制的如穿梭于既成管線和水道之間的中小型 隧道工程。圖-3.1 自由斷面盾構(gòu)構(gòu)造圖圖-3.2 可開挖的非圓形斷面(2)特點(diǎn)與一般盾構(gòu)法相比，自由盾構(gòu)法的特點(diǎn)如下

2、：1) 可開挖多種非圓形斷面的隧道， 選擇細(xì)長型斷面對寬度或深度受限制的 地下空間更有效的得到利用。2) 可根據(jù)不同的使用目的合理選擇不同斷面， 比如共同溝和電力管線等選 擇矩形斷面，公路和鐵路隧道則選擇馬蹄形斷面等。3) 隧道斷面的最大縱橫尺寸之比為橢圓形1.5 ：1.0 ，矩形 1.2 ： 1.0 ，馬蹄形 1.35 ： 1.0 。假定各隧道斷面的橫向?qū)挾鹊扔趫A形斷面的直徑(3.16m),假定圓形斷面的面積為1.0，則橢圓形為1.7，矩形為1.5, 馬蹄形則為 1.6 。4) 行星刀盤上的刀具以梅花狀布置，扇動(dòng)臂采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。( a )行星刀盤( b )扇動(dòng)臂的控制圖-3.2 行星刀

3、盤及扇動(dòng)臂的控制( 3) 工程實(shí)例迄今自由斷面盾構(gòu)法已在下水道工程中運(yùn)用。下列照片為 1 例試驗(yàn)性施工和1例實(shí)際工程的施工例。試驗(yàn)施工中使用的盾構(gòu)機(jī)寬3.16m,高4.66m的土壓式平衡單點(diǎn)鉸接盾構(gòu)。試驗(yàn)施工直線段長度36m曲線段半徑R=60m長度16m) 實(shí)際工程段盾構(gòu)機(jī)寬 3.16m，高4.66m的土壓式平衡2點(diǎn)鉸接盾構(gòu)，累積幵挖 長度565m,曲線段最小曲率半徑 R=20b(a)縱向橢圓形盾構(gòu)機(jī)(b)試驗(yàn)施工隧道(直線段)(c)實(shí)際工程隧道(曲線)照片 -3.1 施工實(shí)例2偏心多軸盾構(gòu)法( 1) 原理概要偏心多軸盾構(gòu)米用多根主軸，垂直于主軸方向固定一組曲柄軸，在曲柄軸 上再安裝刀架。運(yùn)轉(zhuǎn)

4、主軸刀架將在同一平面內(nèi)作圓弧運(yùn)動(dòng)，被幵挖的斷面接近 于刀架的形狀。因此，可根據(jù)隧道斷面形狀要求設(shè)計(jì)刀架是矩形，圓形，圓環(huán) 形，橢圓形或馬蹄形。下圖為幵挖圓形斷面和矩形斷面的偏心多軸盾構(gòu)原理示 意圖。（a）圓形斷面（b）矩形斷面圖-1.1偏心盾構(gòu)的原理示意圖（2）特點(diǎn)與一般盾構(gòu)相比偏心多軸盾構(gòu)具有以下特點(diǎn)：1）可根據(jù)需要選擇刀架形狀幵挖任意斷面的隧道。2）刀架轉(zhuǎn)動(dòng)半徑小，可選擇較小的驅(qū)動(dòng)扭矩。 因采用多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸同時(shí)驅(qū)動(dòng) 刀架，所以盾構(gòu)機(jī)顯得緊湊玲瓏，易裝，易拆，易運(yùn)等特點(diǎn)，適用于大斷面隧道幵挖。3）刀架轉(zhuǎn)動(dòng)半徑小，刀具的行走距離也小。從刀片的磨損角度上來說， 比 一般盾構(gòu)至少可多幵挖 3倍以上的

5、距離，適合于長距離隧道的幵挖。4）刀架驅(qū)動(dòng)裝置小，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)施工操作空間大，可根據(jù)需要在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)配置土體改良設(shè)備，向整個(gè)隧道斷面的任何位置進(jìn)行土體改良，適合于曲率半徑小，隧道間隔小，土質(zhì)差等施工條件差的施工（見圖-1.2 ）。5）采用十字形交叉式刀片，此刀片的前后刀刃的角度相等，所以可進(jìn)行全方位幵挖?？善扑榇笾睆剿槭蛶酝诟邚?qiáng)度纖維加強(qiáng)混凝土墻（80MPa（見圖-1.3 ）。圖-1.2 土體改良示意圖圖-1.3十字形交叉式刀片（3）工程實(shí)例到目前為止，偏心多軸盾構(gòu)法已在水道，地鐵和其它管線等許多地下工程 中得到了運(yùn)用。下列照片為實(shí)際工程中使用的3例偏心多軸盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)（a）：用于某下水道工程的盾

6、構(gòu)寬 4.38m，高3.98m，施工長度共計(jì) 809m隧道的覆土深度為2.37m4.15m，最淺處為盾構(gòu)寬度的0.6倍。雙線隧 道最小間隔為60cm。盾構(gòu)（b）:用于橫浜MM21線地鐵工程的盾構(gòu)直徑為7.15m，施工長度共計(jì)880m隧道的覆土深度為10.0m18.0m，曲線段曲率半徑 R=1000m盾構(gòu)（c）:用于營團(tuán)地鐵11號(hào)線地鐵工程的盾構(gòu)直徑為9.60m，施工長度共計(jì)907m隧道的覆土深度為13.6m15.5m，曲線段曲率半徑 R=1037m （a）某下水道干線工程（b）橫浜MM21線地鐵工程（c）營團(tuán)地鐵11號(hào)線地鐵工程（寬度4.38m 高度3.98m）（直徑 7.15m）（直徑9.6

7、0m）照片-1.1施工實(shí)例3. MF盾構(gòu)法（1）原理概要MF（Multi Face ）盾構(gòu)由多個(gè)圓形斷面的一部分錯(cuò)位重合而成，可同時(shí)幵 挖多個(gè)圓形斷面的盾構(gòu)法。隧道有效面積較幵挖面積相等的單圓斷面而言要大， 是一種較為經(jīng)濟(jì)合理的斷面形式。2個(gè)或多個(gè)大小不同的圓形斷面通過一定規(guī)則的疊合可提供任意斷面形式的隧道，在隧道線路規(guī)劃時(shí)對線形的選擇有更多 的靈活性。上下空間受限制的情況下則可選擇橫向疊合式。MF盾構(gòu)法更適用于地鐵車站，共同溝和地下停車場等大斷面隧道的幵挖。下圖為MF盾構(gòu)法應(yīng)用范圍示意圖。圖-2.1 MF盾構(gòu)的應(yīng)用范圍（2）特點(diǎn)MF盾構(gòu)法的特點(diǎn)如下：1）由MF盾構(gòu)法建成的隧道基本結(jié)構(gòu)形式為圓

8、形，所以它保持了圓形斷面 的力學(xué)特性。2）隧道可由多個(gè)小型圓斷面疊合形成，幵挖量小斷面利用率高。3）在隧道線路規(guī)劃時(shí)對線形的選擇有更多的靈活性，可根據(jù)需要選擇橫向MF盾構(gòu)或縱向MF盾構(gòu)，更加適用于地下空間受到限制的隧道建設(shè)。4）根據(jù)土質(zhì)情況和施工條件以及對周圍環(huán)境影響的需要，采用泥水盾構(gòu)或土壓盾構(gòu)。5）盾構(gòu)由多個(gè)獨(dú)立控制的圓形斷面組成，可根據(jù)不同地質(zhì)條件進(jìn)行土體幵 挖管理。6）通過調(diào)整各刀盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，利用幵挖時(shí)作用在盾構(gòu)上的反力可有效 的控制盾構(gòu)的姿勢，糾偏也相對容易。7）采用橫向多圓盾構(gòu)法可用于地鐵車站，地鐵車輛機(jī)務(wù)區(qū)段的幵挖。（3）工程實(shí)例MF盾構(gòu)在地鐵工程中運(yùn)用較多。橫向2圓斷面主要

9、用于地鐵線路段的隧道， 橫向3圓以上斷面用于地鐵車站和地鐵機(jī)務(wù)段的隧道施工。下列照片為實(shí)際工 程中使用的2例MF盾構(gòu)和由此施工法幵挖的隧道。 橫向2圓斷面地鐵線工程的 幵挖寬度為12.19m，2個(gè)圓斷面的直徑均為7.42m，施工長度為619m橫向3圓斷面地鐵車站工程的幵挖寬度為17.44m，其中中間圓斷面直徑8.85m，兩側(cè)圓斷面直徑 8.14m，施工長度為275m（a）橫向2圓盾構(gòu)地鐵線路工程（b）橫向3圓盾構(gòu)地鐵車站工程照片-2.1施工實(shí)例4. H&V盾構(gòu)法第3頁1）原理概要所謂的 H&V（ Horizontal variation & Vertical variation）盾構(gòu)法是將幾個(gè)

10、圓形斷面根據(jù)需要進(jìn)行組合，以開挖多種隧道斷面形式的一種特殊施工方 法。H&V施工法可同時(shí)幵挖多條隧道，推進(jìn)方式有像繩子一樣互相糾纏在一起 的螺旋式推進(jìn)和讓其中的某一個(gè)斷面從中獨(dú)立出去的分叉式推進(jìn)兩種方式?？?根據(jù)隧道的施工條件和用途在地下自由的掘進(jìn)和改變隧道斷面形式和走向。其 施工原理主要是采用了一種叉式鉸接改向裝置。這種裝置可使盾構(gòu)胴體前端各 自沿著相反的方向旋轉(zhuǎn)，以改變盾構(gòu)的推進(jìn)方向。利用這種鉸接裝置可使盾構(gòu) 機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，達(dá)到螺旋式推進(jìn)的目的。1）螺旋式推進(jìn)的原理：相鄰兩個(gè)斷面的盾構(gòu)之間設(shè)置鉸接式改向裝置，使盾構(gòu)胴體能各自 沿著相反的方向螺旋式旋轉(zhuǎn)。促使盾構(gòu)螺旋式旋轉(zhuǎn)是有效的運(yùn)用了盾構(gòu)

11、 軸向偏轉(zhuǎn)的特性，由偏心千斤頂提供旋轉(zhuǎn)外力。在盾構(gòu)改向側(cè)迎土面通 過局部超挖刀具進(jìn)行局部開挖，使盾構(gòu)順利并穩(wěn)定的進(jìn)行螺旋式過渡。2）分叉式推進(jìn)的原理：H&V中的各盾構(gòu)配備有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)和排土設(shè)備。相鄰兩個(gè)盾構(gòu)的前 胴部分由錨栓連接，后部則由螺栓連接，兩者均可在盾構(gòu)機(jī)的內(nèi)部拆除。 盾構(gòu)機(jī)之間在解除連接后由側(cè)向千斤頂將需要分離的盾構(gòu)頂出后各自沿 著自己的方向推進(jìn)。（a）鉸接式改向裝置（b）螺旋式推進(jìn)（c）分叉式推進(jìn)圖-10.1 H&V 盾構(gòu)法原理示意圖（2） 特點(diǎn)H&V盾構(gòu)法具有以下特點(diǎn)：0） 特制的鉸接式改向裝置， 對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)以及方向的控制比較容易。 各 盾構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置和開挖裝置相互獨(dú)立， 可

12、根據(jù)不同土質(zhì)情況對開挖面的 穩(wěn)定進(jìn)行管理，可自由選擇采用泥水式盾構(gòu)還是土壓式盾構(gòu)。1）從縱向到橫向或從橫向到縱向，隧道斷面在地下可自用的過渡和轉(zhuǎn)換， 無須設(shè)置工作井，對縮短工期，降低成本有利。2）可根據(jù)需要自由的選擇斷面形式， 而斷面的基本形狀是圓形所以在構(gòu)造 上保持了單圓盾構(gòu)良好的力學(xué)特性。 線形設(shè)計(jì)時(shí)可不受周邊障礙物的限 制。3）工程實(shí)例H&V盾構(gòu)法通過試驗(yàn)性施工證實(shí)此施工法可適用于各種地下工程，并在地 鐵和下水道中得到了運(yùn)用。迄今試驗(yàn)性施工 1 例，工程施工實(shí)例 2 例。以下照 片為 2 例工程實(shí)例，主要技術(shù)指標(biāo)分別如下：盾構(gòu) （a） ：地鐵車站工程施工例，采用 2 主 2 子的 4 圓

13、泥水盾構(gòu)機(jī)，其中主機(jī) 6.56m2臺(tái)，子機(jī) 1.72m 2臺(tái)。隧道寬 13.18m，高 7.06m，施工延長236m。盾構(gòu)（b）:下水道工程施工例，采用縱向2圓分叉式泥水盾構(gòu)機(jī)，上部盾構(gòu)3.29m，下部盾構(gòu) 2.89m，施工延長15詞 盾構(gòu)（a）地鐵車站r*盾構(gòu)（b 照片-10.1施工實(shí)例衫帀爭5.球體盾構(gòu)法（1）概要球體盾構(gòu)是利用球體本身可自由旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，將 構(gòu)的內(nèi)部，在球體內(nèi)部又設(shè)計(jì)一個(gè)后續(xù)次機(jī)盾構(gòu)。先行盾 利用球體的旋轉(zhuǎn)改變隧道的推進(jìn)方向，進(jìn)行后期隧道的開遼先行主機(jī) 前期開挖后具交換和維修非常方便。到目前為止在日本已幵發(fā)了3種用途的球體盾構(gòu)機(jī)并在9個(gè)工程中得到了運(yùn)用。下面簡要介紹有關(guān)利用

14、球體盾構(gòu)法的原理和施工實(shí) 例。（2）縱橫式連續(xù)推進(jìn)球體盾構(gòu)縱橫式球體盾構(gòu)是用一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)完成豎向工作井和橫向隧道幵挖的一種特 殊盾構(gòu)機(jī)。在縱向主機(jī)盾構(gòu)內(nèi)預(yù)先設(shè)置一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的球體，在球體內(nèi)又收藏了一 臺(tái)專門用于幵挖橫向隧道的長度較短的次機(jī)盾構(gòu)。在縱向盾構(gòu)內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)軸可自由旋轉(zhuǎn)球體，橫向盾構(gòu)的主體切削刀盤兼用于幵挖豎向工作井，也就是說，只要 在橫向盾構(gòu)的主體刀盤的外側(cè)安裝一個(gè)環(huán)狀的超挖刀具，就可以用同一個(gè)切削裝置幵挖兩個(gè)功能和尺寸不同的地下空間?？v橫式球體盾構(gòu)共享一個(gè)切削驅(qū)動(dòng)裝 置，主體切削刀和外側(cè)環(huán)狀刀具之間采用鉸接式拉桿連接，通過油壓千斤頂可使 鉸接式拉桿伸縮。豎向工作井幵挖結(jié)束后外側(cè)環(huán)狀刀具脫

15、離主體刀盤殘留在土 中。（a）豎向工作井幵挖 （b）球體旋轉(zhuǎn)（c）橫向隧道幵挖圖-4.1縱橫式連續(xù)推進(jìn)球體盾構(gòu)的幵挖縱橫式球體盾構(gòu)的主要特點(diǎn)如下：1） 因豎向工作井和橫向盾構(gòu)隧道是連續(xù)推進(jìn)的，所以它無須考慮盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)的土體加固處理和漏水等技術(shù)問題，提高了大深度工作井和隧道施工的安全性和施工速度，對縮短施工工期起積極的作用。2）豎向工作井施工時(shí)對周圍環(huán)境和地基沉降的影響較一般的施工法相比要 小。3）豎向工作井的內(nèi)部空間和井壁厚度都可減小，節(jié)省工作井的工程費(fèi)用。4） 隧道推進(jìn)過程中幵挖刀具的交換和維修非常方便，更適用于長距離隧道的 幵挖。（3）橫橫式連續(xù)推進(jìn)球體盾構(gòu)橫橫式球體盾構(gòu)的幵挖原理與縱橫

16、式球體盾構(gòu)基本相同，先行主機(jī)盾構(gòu)和后續(xù)次機(jī)盾構(gòu)可在同一水平面內(nèi)進(jìn)行直角幵挖。交通擁擠的十字路口以及在地下一 定深度內(nèi)存在有各種管線設(shè)施無法構(gòu)筑豎向工作井的地區(qū)可采用此施工方法。(4)長距離幵挖球體盾構(gòu)收藏在球體內(nèi)的刀盤和其驅(qū)動(dòng)裝置與球體一起在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)后，在盾構(gòu)機(jī) 內(nèi)進(jìn)行刀具的修理和更換等作業(yè)。這種復(fù)雜的作業(yè)不受時(shí)間，地點(diǎn)的限制并在已 幵挖好的隧道內(nèi)的大氣壓中進(jìn)行操作。解決了于長距離盾構(gòu)幵挖時(shí)刀具交換的技尤其適用于工期不很為用于長距離幵挖球體盾術(shù)性問題，無需構(gòu)筑工作井在一定程度上可減少工程費(fèi)用。緊，無須設(shè)置換氣井的長距離上下水道的施工。 圖-4.2構(gòu)的刀具交換示意圖(a)刀盤回縮收藏(b)球

17、體旋轉(zhuǎn)(c)刀具交換圖-4.2球體盾構(gòu)刀具交換示意圖(5)施工實(shí)例球體盾構(gòu)已在下水道工程中得到了廣泛的運(yùn)用。下列照片為實(shí)際工程中使 用的3例球體盾構(gòu)機(jī)。1) 縱橫式盾構(gòu)：先行主機(jī)盾構(gòu)直徑為5.90m，幵挖深度19.3m，后行次機(jī)盾構(gòu)直徑為 4.20m，幵挖長度2017m盾構(gòu)形式為縱向幵挖主機(jī)盾構(gòu)泥水式， 橫向幵挖次機(jī)盾構(gòu)泥土式。2) 橫橫式盾構(gòu)：先行主機(jī)盾構(gòu)直徑為3.93m，幵挖深度578m,后行次機(jī)盾構(gòu)直徑為 2.68m，幵挖長度898。盾構(gòu)形式均采用泥水式。3) 長距離幵挖盾構(gòu)：盾構(gòu)直徑為9.45m，幵挖深度4435m,盾構(gòu)形式均采用泥水式。(b)橫橫式盾構(gòu)(a)縱橫式盾構(gòu) 構(gòu)照片-4.1

18、施工實(shí)例(c)長距離幵挖盾6.局部擴(kuò)大盾構(gòu)法(1)原理概要所謂局部擴(kuò)大盾構(gòu)法就是在隧道的任意位置對局部斷面進(jìn)行擴(kuò)大的一種施工方法。其主要施工原理如下:正常段施工：首先進(jìn)行等斷面正常段隧道的施工，在局部斷面擴(kuò)大部分 設(shè)置特殊管片，在正常段和特殊段管片之間同時(shí)設(shè)置導(dǎo)向環(huán)。圓周盾構(gòu)反力支墩施工：拆除特殊段下部的預(yù)制扇形襯砌塊，設(shè)置圍護(hù) 結(jié)構(gòu)后進(jìn)行土體幵挖，必要時(shí)可對局部土體進(jìn)行加固，澆注圓周盾構(gòu)掘 進(jìn)時(shí)的反力支墩。擴(kuò)大部盾構(gòu)的反力承臺(tái)制作：在擴(kuò)大部基礎(chǔ)內(nèi)的導(dǎo)向環(huán)片上安裝圓周盾 構(gòu)后，邊掘進(jìn)邊拼裝圓周管片，最后形成擴(kuò)大部盾構(gòu)的反力承臺(tái)(始發(fā) 基地)。擴(kuò)大部盾構(gòu)安裝和掘進(jìn)：在始發(fā)基地內(nèi)安裝擴(kuò)大部盾構(gòu)，進(jìn)行擴(kuò)大部隧 道的幵挖。(a)圓周盾構(gòu)反力支墩和擴(kuò)大部盾構(gòu)反力承臺(tái)施工(b)擴(kuò)大部盾構(gòu)安裝(c )擴(kuò)大部盾構(gòu)掘進(jìn)圖-13.1 泥土加壓盾構(gòu)法施工原理示意圖(2)特點(diǎn)局部擴(kuò)大盾構(gòu)法具有以下特點(diǎn)：3) 可根據(jù)用途在任何位置以任意長度對隧道進(jìn)行局部擴(kuò)大。4) 局部擴(kuò)大后的斷面形狀仍然是圓形， 故其力學(xué)性能保持圓形斷面的良好 第7頁特性。5) 也可進(jìn)行左右和上下全方位偏心局部擴(kuò)大。6) 較開挖式施