盾構(gòu)施工工藝及相關(guān)知識

1、盾構(gòu)施工工藝是市政工程常用工藝之一，盾構(gòu)法采用了特殊的施工工具盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)是根據(jù)施工對象“量身定做”的，盾構(gòu)機(jī)制造所依據(jù)的對象，稱之為施工環(huán)境，它是基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地貌、地面建筑物及地下管線和構(gòu)筑物等特征的總和。由此可以看出，如果不詳細(xì)研究施工環(huán)境，也就造不出適應(yīng)性強(qiáng)的盾構(gòu)機(jī)，也就談不上順利地進(jìn)行盾構(gòu)施工。在施工環(huán)境的諸多因素中，基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)特征是最重要的，因為它們是盾構(gòu)機(jī)選型及采用盾構(gòu)施工工藝最重要的先決條件。在實踐當(dāng)中，對地質(zhì)特征的研究往往被忽視。殊不知，沒有什么盾構(gòu)施工技術(shù)不是與地質(zhì)特征有關(guān)的，尤其是在復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工。 1、盾構(gòu)的外形 盾構(gòu)的外形就是指盾構(gòu)的斷

2、面形狀，有圓形、雙圓、三圓、矩形、馬蹄形、半圓形或與隧道斷面相似的特殊形狀等。例如：將人行隧道筑成矩形，最大地利用了挖掘空間；將水利隧道筑成馬蹄形，使流體的力學(xué)性能達(dá)到最佳狀態(tài)；將穿山隧道筑成半圓形，可以使底邊直接與公路連接等等。但是，絕大多數(shù)盾構(gòu)還是采用傳統(tǒng)的圓形。 2、制造盾構(gòu)的材料 盾構(gòu)在地下穿越，要承受水平載荷、垂直載荷和水壓力，如果地面有構(gòu)筑物，筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM3還要承受這些附加載荷，盾構(gòu)推進(jìn)時，還要克服正面阻力，所以，要求盾構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。盾構(gòu)主要用鋼板單層厚板或多層薄板制成，鋼板一般采用A3 鋼。鋼板間連接可采用焊接和鉚接兩種方法，大型盾構(gòu)考慮到水平

3、運(yùn)輸和垂直吊裝的困難，可制成分體式，到現(xiàn)場進(jìn)行就位拼裝，部件的連接一般采用定位銷定位，高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，最后焊接成型。二 、盾構(gòu)的基本構(gòu)造 盾構(gòu)的基本構(gòu)造主要分為盾構(gòu)殼體、推進(jìn)系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)三大部分，見簡單的手掘式盾構(gòu)的基本構(gòu)造圖52。 1、盾構(gòu)殼體 從工作面開始可分為切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾三部分。 (1)切口環(huán) 切口環(huán)位于盾構(gòu)的最前端，起開挖和擋土作用，施工時最先切入地層并掩護(hù)開挖作業(yè)，部分盾構(gòu)切口環(huán)前端還設(shè)有刃口以減少切入地層的擾動。切口環(huán)保持工作面的穩(wěn)定，并作為把開挖下來的土砂向后方運(yùn)輸，因此，采用機(jī)械化開挖、土壓式、泥水加壓式盾構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)開挖下來土砂的狀態(tài)，確定切口環(huán)的形狀、尺寸。

4、60;   切口環(huán)的長度主要取決于盾構(gòu)正面支承、開挖的方法，就手掘式盾構(gòu)而言，考慮到正面施工人員、挖土機(jī)具有回旋的余地等。大部分手掘式盾構(gòu)切口環(huán)的頂部比底部長，猶如帽檐，有的還設(shè)有千斤頂控制的活動前沿，以增加掩護(hù)長度；對于機(jī)械化盾構(gòu)切口環(huán)內(nèi)按盾構(gòu)種類安裝各種機(jī)械設(shè)備。盾構(gòu)直徑必須根據(jù)管片外徑、盾尾空隙和盾尾鋼板厚度等設(shè)計要素確定，而盾尾空隙應(yīng)根據(jù)管片的形狀尺寸、隧道的平面形狀、糾偏、盾尾密封結(jié)構(gòu)的安裝等進(jìn)行確定。盾構(gòu)直徑是指盾殼的外徑，而與刀盤、穩(wěn)定翼、同步注漿用配管等突出部分無關(guān)。所謂盾尾空隙，是指盾殼鋼板內(nèi)表面與管片的外表面的空隙。盾構(gòu)法施工技術(shù)方案盾構(gòu)法是暗挖隧道的專用機(jī)械在地

5、面以下建造隧道的一種施工方法。盾構(gòu)是與隧道形狀一致的盾構(gòu)外殼內(nèi)，裝備著推進(jìn)機(jī)構(gòu)、擋土機(jī)構(gòu)、出土運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、安裝襯砌機(jī)構(gòu)等部件的隧道開挖專用機(jī)械。采用此法建造隧道，其埋設(shè)深度可以很深而不受地面建筑物和交通的限制。近年來由于盾構(gòu)法在施工技術(shù)上的不斷改進(jìn)，機(jī)械化程度越來越強(qiáng)，對地層的適應(yīng)性也越來越好。城市市區(qū)建筑公用設(shè)施密集，交通繁忙，明挖隧道施工對城市生活干擾嚴(yán)重，特別在市中心，若隧道埋深較大，地質(zhì)又復(fù)雜時，用明挖法建造隧道則很難實現(xiàn)。而盾構(gòu)法施工城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設(shè)施等各種隧道具有明顯優(yōu)點。此外，在建造水下公路和鐵路隧道或水工隧道中，盾構(gòu)法也往往以其經(jīng)濟(jì)合理而得到采用。盾構(gòu)

6、施工技術(shù)盾構(gòu)施工技術(shù)在盾構(gòu)施工的過程中，圍巖巖土力學(xué)、基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)等特征的各向均勻性直接影響盾構(gòu)機(jī)的選型、盾構(gòu)施工工藝的選擇等關(guān)鍵性問題。從這個意義上講，可以宏觀地將圍巖地層區(qū)分為兩類：均一地層和復(fù)合地層。1.2.2復(fù)合地層盾構(gòu)施工的主要特點（1）經(jīng)常變換盾構(gòu)施工模式。在軟土地層或以軟土地層為主的“上軟下硬”地層施工時，一般要采用“閉胸模式”，而在以巖石地層，特別是自穩(wěn)性較好的（包括風(fēng)化程度不一）巖石地層施工時則可采用半開胸式（欠土壓平衡模式）或開胸模式；在以砂層或以砂層為主的“上軟下硬”地層中采用土壓平衡模式施工時，可能需要通過加注膨潤土等工藝轉(zhuǎn)化為“泥水平衡”模式等等。經(jīng)常根據(jù)地層結(jié)

7、構(gòu)來轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)模式，是在復(fù)合地層中施工的一大特點。（2）盾構(gòu)機(jī)的配置需要做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在硬巖段施工時，通常要采用全斷面滾刀破巖模式，采用的刀盤開口率會較小；當(dāng)掘進(jìn)在軟巖或軟土地段時，通常都要將部分或全部滾刀換成適應(yīng)軟巖或軟土的刮刀，此時的開口率也相應(yīng)增大。（3）采用的施工工藝和施工參數(shù)也要根據(jù)地層的變化而變化。這些變化主要表現(xiàn)在不同地層需要的添加劑的種類和數(shù)量的不同；需要的輔助設(shè)備（比如破巖機(jī)、超前鉆機(jī)）的不同；盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的不同等等。（4）某些特殊的復(fù)合地層，可能需要一些輔助工法。采用輔助工法的主要原因是由于盾構(gòu)機(jī)本身的設(shè)計功能的局限性造成的，而這種局限性在目前的技術(shù)發(fā)展階段還較難以克服

8、。比如，廣州地區(qū)白堊系紅層的粉砂巖、砂巖一般的單軸抗壓強(qiáng)度最大為3045MPa，但有時在這些區(qū)間會碰到幾十米或幾百米長的堅硬的花崗巖，或花崗巖的球狀風(fēng)化體，其強(qiáng)度一般達(dá)到80MPa以上，甚至?xí)^120MPa。在這種條件下，以軟巖為主設(shè)計的刀盤和刀具，顯然不能適應(yīng)硬巖的要求，在無法更換新刀盤的情況下，采用其它可行的輔助工法，比如先采用礦山法，開挖通過堅硬巖石段，之后，用盾構(gòu)機(jī)拼裝管片完成隧道，事實證明，這將是一種比較好的輔助選擇。2復(fù)合地層的分類及其對盾構(gòu)施工技術(shù)的影響復(fù)合地層的組合是極其復(fù)雜的，僅以在廣州、深圳地區(qū)常見的幾種形式說明其對盾構(gòu)施工的影響。2.1以第四系淤泥質(zhì)土層（工程地層編號為

9、<2>）或易液化的粉細(xì)砂層為主與其它松散地層的組合廣州地鐵一號線黃沙長壽路區(qū)間最北端約80m地段，盾構(gòu)機(jī)全斷面通過<2>地層（見圖6），這是廣州地鐵已建和在建盾構(gòu)工程中唯一的一段盾構(gòu)隧道下部有淤泥層的地質(zhì)剖面。隧道建成后不久，下沉了近100mm。2.1.1在類似地層的盾構(gòu)施工過程中應(yīng)密切注意和預(yù)防的主要問題有：（1）建筑物和構(gòu)筑物的沉降。隧道斷面上部為<2>地層時，應(yīng)注意土倉中土（水）壓平衡的問題，因為<2>地層大部分呈軟塑或流塑狀態(tài)，有些還具有液化特性，對盾構(gòu)機(jī)密封倉內(nèi)的土壓反映非

10、常靈敏，而土倉內(nèi)壓力是否保持動態(tài)平衡，直接關(guān)系到地面及其建筑物是否發(fā)生沉降的問題。（2）隧道的后期沉降。盾構(gòu)隧道下部如果有一定厚度的淤泥或液化層<2>，一旦由于某種原因造成失水發(fā)生淤泥層的重固結(jié)或液化，就會使已建好的隧道出現(xiàn)沉降，位移或變形。2.2以第四系砂層(工程地層編號為<3>)為主與風(fēng)化巖層的組合第四系砂層有二種成因，一是陸相沖洪積形成的，一種是海陸交互相沉積形成的，其特點是在河床及河漫灘內(nèi)十分發(fā)育，其形態(tài)多呈透鏡狀，有些地段厚度大。此層粉粒和粘粒成份低，滲透系數(shù)大，是盾構(gòu)施工過程中也應(yīng)十分重視的地層。以隧道上部斷面或隧道上方為<3>砂層的問題為例，這類圍巖情況在廣州地區(qū)的盾構(gòu)施工過程中經(jīng)常碰到，尤其是下部為較硬巖石的情況下會給施工造成較多的問題。典型的例子是廣地鐵一號線盾構(gòu)施工在長壽路中山七路區(qū)間橫通道地段時，干砂量變化發(fā)生異常，由于砂層流失很快，造成了較大的地面沉降，使三幢三層樓塌方（見圖7、8）。廣州地鐵二號線海珠廣場站市二宮區(qū)間采用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的刀盤（見圖10），41把滾刀。而地層是白堊系上統(tǒng)三水組東湖段的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖。