盾構(gòu)法特點(diǎn)總結(jié)

1、 地 下 工 程盾構(gòu)法施工過程涉及的力學(xué)問題分析專 業(yè)： 土木工程系 班 級： 1009 姓 名： 日 期： 2013/04/27南京過江隧道（盾構(gòu)施工）一、南京過江隧道簡介南京長江隧道于2008年5月開工到2009年8月22日全線勝利貫通，是南京城市總體規(guī)劃確定的“五橋一隧”過江隧道之一，是南京跨江發(fā)展戰(zhàn)略的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施項目，工程位于南京長江大橋和長江三橋之間，南起南京市和西新城區(qū)，北至浦口江、珠江鎮(zhèn)，全長5853米，由越江隧道、將西周大橋和接線道路三部分組成，隧道建筑長度3790米，其中盾構(gòu)段長3020米。南京長江隧道分左右兩條隧道，每條隧道設(shè)置三車道，設(shè)計行車速度為80Km/h。盾構(gòu)設(shè)計

2、內(nèi)經(jīng)13.3m，外徑14.m。圓形襯砌環(huán)用環(huán)寬2m、厚0.6m、每環(huán)由10塊管片組成。圖1 南京長江圖2 南京長江越江隧道圖3 隧道盾構(gòu)段圖4 盾構(gòu)隧道直徑二、南京過江隧道施工南京長江隧道是當(dāng)今世界上直徑最大的盾構(gòu)隧道之一，其江底埋深達(dá)60多米，水壓高達(dá)每平方厘米6.5公斤，兼地質(zhì)情況復(fù)雜，地層透水性強(qiáng)，一次掘進(jìn)距離長達(dá)3公里多，面臨著多項世界級難題和挑戰(zhàn)，泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)（如圖6）是水下隧道施工最安全最先進(jìn)的設(shè)備。泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工隧道（如圖5.1;圖5.2；圖5.3）圖5.1 泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工隧道圖5.2 泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工隧道圖5.3 泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工隧道圖6 泥水平衡式盾構(gòu)

3、機(jī)三、盾構(gòu)機(jī)設(shè)計與工作原理介紹南京長江隧道，根據(jù)本工程的特點(diǎn)和地質(zhì)條件專門定制了兩臺超大直徑溺水平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，下面展示這兩臺盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計和工作原理：盾構(gòu)機(jī)主要包括主機(jī)和三個后配套車架，總重多達(dá)四千多噸，主機(jī)最前端是開挖地層的刀盤，直徑達(dá)14.93米，刀盤上安裝有先行刀，重行刮刀和邊緣鏟刀等類型的刀具200多把，刀盤的六個主刀壁在正常的大氣壓下進(jìn)土，維護(hù)人員可以通過中心人閘進(jìn)入主刀壁。圖7 盾構(gòu)機(jī)的直徑圖8 刀盤維護(hù)人員對磨損的刀具進(jìn)行更換，為了檢測刀具的磨損，部分刀具內(nèi)部安裝了傳感器感應(yīng)系統(tǒng)，一旦傳感器發(fā)出信號，整個刀盤上設(shè)計有77把可設(shè)置常壓更換的刀具，這些刀具安裝在刀閘中，當(dāng)?shù)毒吣?/p>

4、損，需要更換刀具時，工作人員進(jìn)入刀盤腹壁內(nèi)，將刀具通過刀閘回縮，刀閘關(guān)閉后就可以取走磨損的刀具，新的刀具將重新安裝到位。圖9 綠色為傳感器顯示刀具磨損信號圖10.1 換磨損刀具圖10.2 去掉磨損刀具圖10.3 換上新刀具圖10.4 裝新刀具圖10.5 新刀具安裝到位刀盤的旋轉(zhuǎn)由15個電動馬達(dá)驅(qū)動，裝機(jī)功率為3750千瓦，三個人閘用于刀盤和刀具的維護(hù)作業(yè)，中心人閘是專門為了在常壓下更換刀具而配置的，兩條泥漿管道延伸至地面，將開挖的渣土輸送到隧道以外，盾構(gòu)機(jī)借助28組液壓千斤頂推進(jìn)，管片拼裝機(jī)用于吊起管片，并將其安裝到正確的位置，刀盤的后面是挖掘艙與工作艙，他們是被壓力腔隔板分割成的兩個封閉的區(qū)

5、間，大約三分之二的工作艙充滿了用膨潤土配置的泥漿，這種泥漿被稱之為盾構(gòu)機(jī)的血液，壓力平衡系統(tǒng)采用先進(jìn)的氣墊加壓模式，通過調(diào)節(jié)工作腔內(nèi)的氣壓來平衡外界的水土壓力，從而維持開挖面的穩(wěn)定。進(jìn)漿管不停地向開挖艙內(nèi)注入新鮮的泥漿，刀盤開挖下來的渣土懸浮在泥漿里，通過排泥管輸送到隧道外，排泥管出口設(shè)有隔障和破碎機(jī)，不能通過隔障的大石塊，將被碎石機(jī)粉碎，以確保泥漿流暢的循環(huán)。圖11 刀盤驅(qū)動馬達(dá)圖12 維護(hù)人閘圖13 泥漿管道圖14 盾構(gòu)機(jī)挖掘腔與工作腔管片在盾構(gòu)機(jī)殼體內(nèi)進(jìn)行拼裝，拼裝時管片由輸送機(jī)供給，液壓千斤頂臨時回縮，為新的管片提供足夠的空間，由拼裝機(jī)吊起并安裝到準(zhǔn)確位置，部位精度，精確到毫米。管片定

6、位后，立即由千斤頂臨時固定，隨后通過螺栓進(jìn)行連接，楔形的封頂塊將從前面插入，從而使管片封閉成圓環(huán)。圖15 管片封裝成圓環(huán)管片安裝完成后，底部的滾筒篩將被從后面向前調(diào)運(yùn)到剛剛完成的管片環(huán)上，用來支撐后配套車架，繼續(xù)向前移動，1號后配套車架位于主機(jī)的后面，由于龐大的盾構(gòu)機(jī)的直徑，車架被分為三層，安裝有控制室、變壓器、泥漿泵、液壓泵和砂漿的同步注入系統(tǒng)，2號車架在1號車架與3號車架的之間，形成一個橋梁，3號車架位于口子構(gòu)架兩側(cè)的輔助上移動。圖16.1 1號后配套車架圖16.2 2號車架圖16.3 3號車架圖17 盾構(gòu)機(jī)總長隨著盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)，后面的軌道逐一移動到前部循環(huán)使用，包括主機(jī)的車架和整個盾構(gòu)機(jī)

7、總長為134米，在2號車架與3號車架的區(qū)域供給卡車可以行駛在口子形構(gòu)件上，將貨物運(yùn)送到前方的管片吊裝部位，在車價的頂層一部管片運(yùn)輸行車，將管片從盾構(gòu)機(jī)的后部運(yùn)送到前部。圖18 貨物供給車與管片調(diào)運(yùn)這部行車也被用來位于1號車架的移動砂漿罐，通過另一個安裝在1號車架上后部的轉(zhuǎn)運(yùn)吊機(jī)，將管片運(yùn)輸行車提供的管片逐個提起、旋轉(zhuǎn)，并放置到輸送機(jī)上，然后由管片輸送機(jī)供給到最前面的管片拼裝機(jī)，在這個緊密銜接的工作流程中，運(yùn)輸車輛必須按照精確地運(yùn)輸空間和次序來調(diào)動運(yùn)行，設(shè)計獨(dú)特的運(yùn)輸車輛連續(xù)運(yùn)送管片，口子構(gòu)件、砂漿罐和油脂筒等物件，并被行車向前傳遞，回程時空容器又被運(yùn)走。盾構(gòu)機(jī)在液壓千斤頂?shù)耐苿酉虑靶?，旋轉(zhuǎn)的刀

8、盤挖掘地層，并通過排泥管運(yùn)出，每前進(jìn)2米便拼裝一環(huán)新的管片，在持續(xù)循環(huán)的工作流程(掘進(jìn)、拼環(huán)、再掘進(jìn)、再拼環(huán))，隧道在不斷地循環(huán)中向前延伸。圖19 掘進(jìn)圖20 拼環(huán)圖21 再掘進(jìn)圖22 再拼環(huán)-隧道不斷向前推進(jìn)南京長江隧道的建設(shè)代表了中國當(dāng)今水下隧道建設(shè)的最高水準(zhǔn)，工程建成后，不僅將極大地緩解南京市過江交通的壓力，加快跨江發(fā)展戰(zhàn)略實施，而且也將極大地提升我國跨大江、大河的交通隧道建設(shè)的技術(shù)水平，擴(kuò)大我國在世界隧道建設(shè)領(lǐng)域的影響，樹立中國水下超大直徑盾構(gòu)隧道的品牌。圖23 南京長江隧道建成后入口圖24 南京長江隧道內(nèi)部運(yùn)營圖25 南京長江隧道出口四、綜合分析南京長江隧道 1、管片的拼裝錯縫拼裝，

9、通過螺栓連接； 2、本工程特點(diǎn)，難點(diǎn)及風(fēng)險分析1）盾構(gòu)直徑超大 目前世界上已建成的盾構(gòu)隧道，直徑最大的是荷蘭的格林哈特隧道，直徑為14.87m，而南京長江隧道盾構(gòu)直徑為14.93m，是目前世界上最大直徑盾構(gòu)隧道之一。 2）水壓力高 目前世界上已施工或承建的超大直徑盾構(gòu)隧道，水壓在6bar以上尚屬罕見。而南京長江隧道設(shè)計最大水壓近7.5bar，在同等或更大直徑的盾構(gòu)隧道項目中，水壓力是最高的。 3）地質(zhì)水文條件復(fù)雜 盾構(gòu)穿越的土層分別為靈敏度高的軟弱土層，透水性強(qiáng)的松散粉細(xì)砂層和富含水的礫砂層，特別是盾構(gòu)機(jī)所穿越的地層大都處在透水性強(qiáng)的粉細(xì)砂層（粉細(xì)砂層地段長2542m，占盾構(gòu)隧道總長的85%）

10、，在高水壓作用下，易造成冒頂。另一難點(diǎn)是：盾構(gòu)機(jī)還要掘進(jìn)穿越長1250m的粉細(xì)砂、礫砂（粒徑320mm）和圓礫（粒徑820cm）混合地層。掌子面巖性、土層的明顯差異，對盾構(gòu)機(jī)性能、盾構(gòu)機(jī)的施工操作和施工管理提出了更高的要求。 4）水下一次掘進(jìn)距離長 超大直徑盾構(gòu)機(jī)在高水壓、高滲透系數(shù)的砂土混合地層中一次掘進(jìn)近3km，對盾構(gòu)機(jī)的性能，特別是盾構(gòu)機(jī)刀具的質(zhì)量提出了更高的要求。 5）盾構(gòu)進(jìn)出洞超淺埋 盾構(gòu)進(jìn)出洞覆土厚度，按照國際慣例一般不小于1.0倍盾構(gòu)直徑。而本工程權(quán)衡深基坑和進(jìn)出洞雙重困難，選擇盾構(gòu)機(jī)始發(fā)覆土厚度0.4倍盾構(gòu)直徑（5.0m）。如此超淺埋盾構(gòu)始發(fā)，尚屬世界首例。 6）江中沖槽段盾構(gòu)

11、覆土厚度淺由于受客觀條件制約，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)梅子洲接收井須穿越江中一沖槽，沖槽局部覆土厚度僅9.5m（不足0.7倍盾構(gòu)直徑），土層大都為透水性強(qiáng)的松散稍密粉細(xì)砂層。在高水壓的情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)安全風(fēng)險極大。 7）盾構(gòu)掘進(jìn)穿越長江大堤，對地表沉降要求高。 盾構(gòu)機(jī)兩次穿越長江防洪大堤下的層粉細(xì)砂透水層，盾構(gòu)掘進(jìn)宜對土層產(chǎn)生的擾動，在加上地下承壓水作用，極可能對大堤產(chǎn)生不均勻沉降，而大堤高標(biāo)準(zhǔn)的防洪安全要求，對地表沉降、盾構(gòu)機(jī)施工操作和施工管理提出了很高的要求。南京長江隧道工程是一項風(fēng)險大、影響大、技術(shù)含量高，具有里程碑意義的工程。“穩(wěn)字當(dāng)頭、安全第一、萬無一失、確保成功?！?、南京長江隧道涉及的力學(xué)問題

12、分析1）管片接頭抗彎剛度k重要性:管片接頭抗彎剛度的取值是梁-彈簧模型設(shè)計中襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)受力分析必不可少的重要參數(shù)，其綜合反映了盾構(gòu)隧道接頭性能及其在外荷載作用下的變形大小和趨勢。定義：管片接縫產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角所需要的彎矩 即為片接頭抗彎剛度k。取值:通過分析對比-M關(guān)系曲線求得管片接頭抗彎剛度k (割線法 、切線法、多段直線法 、曲線+直線法等, 見圖26 )圖26 (a)割線法 (b)切線法 (c)兩段直線法圖26 (d)三段直線法 (e)曲線+直線法2)數(shù)值模型建立計算中采用接觸力學(xué)平面有限元模型，平面有限元模型有著很高的計算效率，能夠準(zhǔn)確把握接頭的力學(xué)行為。3）數(shù)據(jù)模擬分析在接頭有效高度位置

13、最大張開量為2mm時，正、負(fù)彎矩工況下接頭抗彎剛度保持在110MN.M/Rad240MN.M/Rad范圍內(nèi)，且正、負(fù)彎矩工況相差不大，其差異主要原因是由于螺栓位置上下不對稱和兩管片體中螺栓長度的不一致引起的；在有限高度位置最大張開量為2mm左右時，接頭受壓區(qū)高度占有效高度的6.12%19.15%，接頭位置荷載偏心矩為0.17m0.23m，接頭附近混凝土最大拉、壓應(yīng)力均已超過C60混凝土軸心抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度設(shè)計值和彎曲抗壓強(qiáng)度；在有效高度位置接頭最大張開量為2mm左右時，連接螺栓軸力均未超過6.8級螺栓的屈服強(qiáng)度。同時，在計算中發(fā)現(xiàn)連接螺栓軸力、剪力和彎矩的最大值均出現(xiàn)在有預(yù)埋套筒端預(yù)埋套筒口

14、位置；在其他因素不變情況下，接頭抗彎剛度、連接螺栓最大軸力、接頭接觸面法向壓力隨預(yù)緊力的增大而增大；受壓區(qū)高度隨預(yù)緊力增大成階梯型增大；接頭附近混凝土最大壓應(yīng)力、接頭接觸面最大法向應(yīng)力隨預(yù)緊力增大而減小。在其他因素不變情況下，改變接頭接觸面摩擦系數(shù)，對數(shù)值模擬結(jié)果影響不大；相同荷載工況時加載試驗所對應(yīng)的抗彎剛度系數(shù)要略小于數(shù)值模擬所對應(yīng)的抗彎剛度系數(shù)，但總體上看加載試驗和數(shù)值模擬所得出的抗彎剛度是相一致的。4）接頭可靠度分析圖27 縱縫張開量累積分布函數(shù)圖圖28 縱縫張開量統(tǒng)計圖圖29 縱縫張開量靈敏度圖圖30 抗彎剛度系數(shù)靈敏度圖 、抗彎剛度系數(shù)隨機(jī)輸入變量靈敏度表根據(jù)蒙特卡羅拉丁超立方法靈敏度結(jié)果得出管片接頭最大張開量、抗彎剛度系數(shù)、連接螺栓軸力、接頭附近混凝土最大壓應(yīng)力等對軸力、偏心矩、管片厚度、幅寬等各隨機(jī)參數(shù)的靈敏程度，并加以量化，可為工程設(shè)計、施工提供參考；從接縫最大張開量靈敏度圖可知偏心矩、軸力、混凝土彈性模量對接頭張開量的靈敏性最強(qiáng),其次是螺栓合力點(diǎn)至內(nèi)弧面距離、螺栓預(yù)緊力、管片厚度，其他參數(shù)敏感性不強(qiáng)，設(shè)計中對敏感性較強(qiáng)的參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格控制；管片接頭抗彎剛度系數(shù)等在一定的置信度范圍內(nèi)的二次多項式擬合方程，為工程設(shè)計提供簡單實用并且具有相對精度的接頭抗彎剛度計算公式。5）其他影響在錯縫拼裝