隧道工程(第7章-3盾構(gòu))

1、隧道工程 第7章 隧道工程其他施工方法邵 鵬 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院2022年3月22日星期二7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工1. 盾構(gòu)的起源和發(fā)展（1）起源）起源 英國的布魯諾爾發(fā)現(xiàn)船的木板中，有一種蛀蟲鉆出孔道，并用它自己分泌的液體覆涂在孔壁上。 1818年，布魯諾爾在蛀蟲鉆孔的啟示下，最早提出了用盾構(gòu)法建設(shè)隧道的設(shè)想，并且在英國取得了該施工法的專利。 1825年，布魯諾爾用他自己的想法制成盾構(gòu)，并第一次在泰晤士河施工了水底隧道。（2）發(fā)展）發(fā)展 1)自Brunel發(fā)明盾構(gòu)后，盾構(gòu)技術(shù)又經(jīng)過了23年的改進(jìn) 1869年首次用圓形斷面建造泰晤士河的第二條隧道，使用鑄鐵扇形管片

2、。 1887年南倫敦鐵道隧道施工中使用了盾構(gòu)和氣壓組合工法獲得成功，為現(xiàn)在的盾構(gòu)工法奠定了基礎(chǔ)。 2)1900s末到2000s中傳入美、法、德、日、蘇聯(lián) 1892年美國于最先開發(fā)封閉式盾構(gòu)；巴黎使用混凝土管片建造了下水道隧道； 1896年1899年德國使用鋼管片建造了柏林隧道； 1913年德國建造了斷面為馬蹄形的易北河隧道；7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工 1917年日本采用盾構(gòu)工法建造國鐵羽越線； 1931年蘇聯(lián)用英制盾構(gòu)建造了莫斯科地鐵隧道，施工中使用了化學(xué)注漿和凍結(jié)工法； 1939年日本采用手掘圓形盾構(gòu)建造了直徑7m的關(guān)門隧道； 1948年蘇聯(lián)建造了列寧格勒地鐵隧道； 1954

3、年中國阜新建造2.6m的圓形盾構(gòu)疏水隧道； 1957年中國北京建造了2m、2.6m的盾構(gòu)下水道隧道； 1957年日本采用封閉式盾構(gòu)建造東京地鐵隧道。 總之，在這5060年的時間里盾構(gòu)工法雖然也有進(jìn)步，但這一時期的特點是盾構(gòu)工法在世界各國得以推廣普及。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工3)20世紀(jì)6080年代盾構(gòu)工法繼續(xù)發(fā)展完善 1960年美國紐約最先使用油壓千斤頂盾構(gòu)； 1964年日本埼玉隧道中最先使用泥水盾構(gòu)； 1969年日本在東京首次實施泥水加壓盾構(gòu)施工； 1972年日本開發(fā)土壓盾構(gòu)成功； 1975年日本推出泥土加壓盾構(gòu)成功； 1978年日本開發(fā)高濃度泥水盾構(gòu)成功； 1981年日本

4、開發(fā)氣泡盾構(gòu)成功； 1982年日本開發(fā)ECL工法成功； 1988年日本開發(fā)泥水式雙圓搭接盾構(gòu)工法成功； 1989年日本開發(fā)注漿盾構(gòu)工法成功。 總之這一時期的特點是開發(fā)了多種新型盾構(gòu)工法，以泥水式、土壓式盾構(gòu)工法為主。 4)1990年至今這一段時間里盾構(gòu)工法的進(jìn)步極為顯著 盾構(gòu)隧道長距離化、大直徑化 英吉利海峽隧道，日本東京灣隧道，丹麥斯多貝爾特海峽隧道 德國易北河第4條隧道，荷蘭格累恩哈特隧道，第2條英吉利海峽隧道 盾構(gòu)多樣化 斷面形狀：出現(xiàn)了多種異圓斷面盾構(gòu)； 功能：出現(xiàn)了球體盾構(gòu)、母子盾構(gòu)、擴(kuò)徑盾構(gòu)、變徑盾構(gòu)、分岔盾構(gòu)、障礙物直接切除盾構(gòu)等特種盾構(gòu)。 施工自動化 管片供給、運送、組裝自動化

5、裝置；盾構(gòu)方向、姿態(tài)自動控制。 系統(tǒng)；施工信息化、自動化管理系統(tǒng)及施工故障自診斷系統(tǒng)。 7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工1825年盾構(gòu)機(jī)首次使用1830年使用氣壓的半機(jī)械式盾構(gòu)1840年能夠壁后注漿的機(jī)械式盾構(gòu)1865年圓形擠壓式盾構(gòu)1966年泥水加壓盾構(gòu)1974年土壓平衡盾構(gòu)EPB1976年鉸接式盾構(gòu)1981年壓注混凝土襯砌工法ECL19861988年復(fù)圓、多圓斷面盾構(gòu)MF 1993年球體盾構(gòu)、擴(kuò)徑盾構(gòu)7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工2. 盾構(gòu)的基本構(gòu)造及分類（1）盾構(gòu)的基本構(gòu)造盾構(gòu)的基本構(gòu)造 由盾構(gòu)殼體、推進(jìn)系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、出土

6、（泥）系統(tǒng)組成。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工1）盾構(gòu)殼體 切口環(huán)、支承環(huán)、水平和豎直隔板、盾尾7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工2）推進(jìn)系統(tǒng) 組成：液壓設(shè)備、千斤頂。上下左右活塞桿伸出長度不同 達(dá)到糾偏目的。千斤頂沿支承環(huán)圓周均勻分布。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工3）襯砌拼裝系統(tǒng) 杠桿式拼裝器、 回轉(zhuǎn)式拼裝機(jī)7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工4）出土系統(tǒng) 出土方式一般有三種 ： （1）有軌運輸：皮帶運輸機(jī)-礦車-洞口-垂直起吊至地面。 （2）無軌運輸：自卸卡車 （3）

7、管道運輸：混合泥漿，壓力輸出(出土連續(xù)化) 7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工（2 2）盾構(gòu)類型及其適用性）盾構(gòu)類型及其適用性1）按平衡開挖面的方式A、插板式B、擠壓網(wǎng)格式C、土壓平衡式D、泥水平衡式E、加泥式F、加水式7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工2、按機(jī)械化程度A、人工B、機(jī)械化C、全自動化3、按施工過程中的運輸方式A、皮帶傳送B、泥漿泵C、手工挖小車推7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工4、按掌子面敞開程度A、全敞口B、半敞口C、全封閉（面板式、條幅式、開口率）5、按斷面形式A、單圓B、雙圓C、三圓D、矩形E、球形7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工1）手

8、掘式盾構(gòu) 工作原理：自上而下開挖 順序調(diào)換支撐千斤頂 下半部出土 特點：便于觀察和清障，易糾偏，價廉；強(qiáng)度大，效率低；適用各種地層，可與氣壓、降水、化學(xué)注漿等輔助施工法同時使用。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工2）擠壓式盾構(gòu) 工作原理：擠壓推進(jìn)土體擠入盾構(gòu)土體外運 分類：全擠壓式、局部擠壓式 特點： 地表變形較大，適用地層取決于地層物理力學(xué)性能。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工日本：按含砂率-內(nèi)聚力、液性指數(shù)-內(nèi)聚力的關(guān)系來確定開口率開口率。 （1）含砂率60%、內(nèi)聚力 0.5kg/cm2時，開口率一般為20.8%；（2）極軟弱地層中，開口率也有小到的0.3%。 開口率開口

9、率過大，出土量增加，引起地層沉降；反之，會增大盾構(gòu)的切入阻力，使地面隆起。擠壓盾構(gòu)需注意設(shè)置好開口率、控制出土量。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工3）網(wǎng)格式盾構(gòu) 工作原理: 網(wǎng)格破土轉(zhuǎn)盤、皮帶運輸機(jī)、礦車或水力機(jī)械出土 特點：進(jìn)土量接近或等于出土量，帶有局部擠壓性質(zhì)，鋼板網(wǎng)格推進(jìn)中可切土，停止時可穩(wěn)定開挖面。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工4）半機(jī)械式盾構(gòu) 工作原理：機(jī)械挖土裝置前后、左右、上下均能活動和切土。 特點：介于手掘式和機(jī)械式盾構(gòu)之間，更接近于手掘式盾構(gòu)。安裝機(jī)械挖土和出土裝置，代替人工勞動。機(jī)械裝備形式機(jī)械裝備形式：適用于開挖面需作支撐的地層適用于開挖面能自立的

10、地層亞粘土與砂礫的夾層固結(jié)粘土層、硬質(zhì)砂土層粘土和砂礫混合層7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工5）局部氣壓盾構(gòu) 工作原理：在機(jī)械盾構(gòu)支承環(huán)前邊裝上隔板，使切口與隔板間形成密封艙。在密封艙內(nèi)充滿壓縮空氣，達(dá)到穩(wěn)定開挖面土體作用。 特點：在密封艙、盾尾及管片接縫處易產(chǎn)生漏氣問題。 7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工6）泥水加壓盾構(gòu) 工作原理: 支承環(huán)前設(shè)隔板密封艙注入帶壓泥漿支撐開挖面刀盤切土排泥泵及管道出土。 特點：對地層擾動最小，地面沉降也最小，但費用最高。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工泥水作用泥水作用：1）用泥水壓力平衡開

11、挖面水土壓力； 2）形成一層不透水的泥膜，使泥水產(chǎn)生有效的壓力； 3）滲透到地層某一區(qū)域，使得該區(qū)域內(nèi)的開挖面穩(wěn)定。泥水管理標(biāo)準(zhǔn)泥水管理標(biāo)準(zhǔn)： （1）容重：1.051.25（g/cm3）粘土、膨潤土等。 （2）粘度：2040（s），漏斗粘度500/500ml。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工 泥水加壓盾構(gòu)有日本體系及德國體系。 德系的密封艙中設(shè)置緩沖氣壓艙，人工控制泥漿壓力，構(gòu)造較簡單；日系的密封艙中全是泥水，需一套自動控制泥水平衡的裝置。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工適用性適用性：適于砂性土砂性土為主的洪積層中較為有利；在粘性土粘性土為主的沖積層中需較高的泥漿處理費用；

12、在松動的卵石層和堅硬土層卵石層和堅硬土層中會產(chǎn)生逸水現(xiàn)象，在泥水中應(yīng)加入一些膠合劑來堵塞漏縫。具體適用性具體適用性： （1）細(xì)粒土含有率在粒徑累積曲線的10%以上。 （2）礫石含有率在粒徑加積曲線的60%以上。 （3）自然含水量18%以上。 （4）無200300mm的粗礫石。 （5）滲透系數(shù)K10-2cm/s。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7）土壓平衡式盾構(gòu) 工作原理: 刀盤切土泥土進(jìn)入土腔（工作室），與開挖面壓力取得平衡螺旋輸送機(jī)出土（出土量與推進(jìn)量平衡，連續(xù)出土）。 7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工

13、隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工 特點: 可節(jié)省泥水盾構(gòu)中必須的泥水平衡及泥水處理裝置的大量費用，主要適用于粘性土或有一定粘性的粉砂土。 具體適用性具體適用

14、性： 細(xì)粒（粒徑0.074mm以下）含有率在粒徑加積曲線的7%以上。 礫石（粒徑2mm以上）含有率在粒徑加積曲線的70%以下。 粘性土（粘土、粉砂土含有率4%以上）的N值在15以下。 自然含水量，砂：18%以上，粘性土：25%以上。 滲透系數(shù)K510-2cm/s。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工（1）盾構(gòu)選型盾構(gòu)選型 1）選型依據(jù)：土質(zhì)條件、巖性 開挖面穩(wěn)定 隧道埋深、地下水位 設(shè)計隧道的斷面 環(huán)境條件、沿線場地 襯砌類型 工期 造價 輔助工法 設(shè)計路線、線形、坡度 電氣等其他設(shè)備條件7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工3. 盾構(gòu)的選型及參數(shù)2）選型流程7.37.3 隧道盾構(gòu)法

15、施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工方方式式類型類型盾構(gòu)名稱盾構(gòu)名稱開挖面穩(wěn)定措施開挖面穩(wěn)定措施適用地層適用地層附注附注手手掘掘式式敞胸敞胸普通普通臨時擋板、支撐千斤頂臨時擋板、支撐千斤頂穩(wěn)定或松軟穩(wěn)定或松軟需氣壓、需氣壓、井點降水井點降水等加固等加固網(wǎng)格式網(wǎng)格式利用土和鋼制網(wǎng)狀硌柵的磨擦利用土和鋼制網(wǎng)狀硌柵的磨擦粘土淤泥粘土淤泥閉胸閉胸半擠壓半擠壓胸板局部開孔，土砂自然流入胸板局部開孔，土砂自然流入軟塑粘性土軟塑粘性土全擠壓全擠壓胸板無孔、不進(jìn)土胸板無孔、不進(jìn)土淤泥淤泥半半機(jī)機(jī)械械式式敞胸敞胸反鏟式反鏟式手掘式盾構(gòu)裝上反鏟挖土

16、機(jī)手掘式盾構(gòu)裝上反鏟挖土機(jī)土質(zhì)堅硬穩(wěn)定開土質(zhì)堅硬穩(wěn)定開挖面能自立挖面能自立輔助措施輔助措施旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式同上，裝上軟巖掘進(jìn)機(jī)同上，裝上軟巖掘進(jìn)機(jī)軟巖軟巖機(jī)機(jī)械械式式敞胸敞胸旋轉(zhuǎn)刀盤式旋轉(zhuǎn)刀盤式單刀盤加面板多刀盤加面板單刀盤加面板多刀盤加面板軟巖軟巖輔助措施輔助措施閉胸閉胸局中氣壓局中氣壓面板和隔板間加氣壓面板和隔板間加氣壓多水松軟地層多水松軟地層不再另設(shè)不再另設(shè)輔助措施輔助措施泥水加壓泥水加壓面板和隔板間加壓力泥水面板和隔板間加壓力泥水含水地層、沖積含水地層、沖積層、洪積層層、洪積層輔助措施輔助措施土壓平衡土壓平衡（加水、泥）（加水、泥）面板和隔板間充滿土砂容積產(chǎn)生的壓力面板和隔板間充滿土砂容積

17、產(chǎn)生的壓力與開挖面處的地層壓力保持平衡與開挖面處的地層壓力保持平衡淤泥、淤泥混砂淤泥、淤泥混砂輔助措施輔助措施7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工在高壓水地層防噴涌的保壓泵7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工輻條式刀盤(無滾刀)7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工裝有滾刀的輻條式刀盤7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工（2 2）盾構(gòu)參數(shù)）盾構(gòu)參數(shù) 1）盾構(gòu)幾何尺寸 主要指盾構(gòu)外徑D、長度L和靈敏度L/D。 a）外徑 D=d+2(x+) 其中，d為

18、襯砌外徑， 為盾殼厚度， x為盾構(gòu)與襯砌間的建筑空 隙，x=0.0125m （m為盾尾遮掩部分的襯砌長度，一般m取3060mm）。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工b）盾構(gòu)長度L L=L0+L1+L2+L3式中， L0盾尾長度，一般為（1.22.2）倍襯砌環(huán)寬度； L1支承環(huán)長度，襯砌環(huán)寬度(0.2m0.3m)； L2切口環(huán)長度,一般小于2m； L3前檐長度,0.30.5m。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工c）盾構(gòu)靈敏度 定義：盾構(gòu)長度與直徑之比定義：盾構(gòu)長度與直徑之比(L/D)稱為盾構(gòu)靈敏度。稱為盾構(gòu)靈敏度。 意義：對盾構(gòu)操縱的靈活性影響很大,其值越小盾構(gòu)操作越靈活。 經(jīng)驗

19、數(shù)值 : 小型盾構(gòu)D=23m，L/D=1.5 中型盾構(gòu)D=36m, L/D=1.00 大型盾構(gòu)D=69m, L/D=0.75 特大型盾構(gòu)D12m, L/D=0.450.757.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工2）盾構(gòu)千斤頂推力計算 阻力包括：1）盾構(gòu)外表面與四周地層的摩阻力； 2）盾尾內(nèi)殼與襯砌結(jié)構(gòu)之間的摩阻力； 3）刃口切入土層的阻力； 4）切口環(huán)切入土層的正面阻力； 5）開挖面正面支撐阻力； 6）盾構(gòu)自重引起的阻力； 7）糾偏時的阻力； 8）局部氣壓或泥水壓力；確定千斤頂總頂力時，一般采用1.52.0的安全系數(shù)7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工隧道名稱直徑D(m)長度L(m)

20、靈敏度L/D重量W(t)盾構(gòu)千斤頂只數(shù)(104N)盾殼厚度(mm)荷蘭Vehicular9.175.730.6340030600070美國林肯隧道9.634.710.4930428644063美Brooklyn-battery9.634.710.4931528644063美Queen-Midtown9.655.700.59285600比Antwerpen9.505.500.57627532640070Rotherhite9.355.490.586406700原蘇聯(lián)莫斯科地鐵9.504.730.5340363500中國上海打浦路隧道10.206.630.65400408000中國上海延安東路隧道

21、11.267.800.694804488007.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工（1）盾構(gòu)工作井（始發(fā)井、接收井）施工）盾構(gòu)工作井（始發(fā)井、接收井）施工 7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工4. 盾構(gòu)施工技術(shù)始發(fā)井洞口密封加固（旋噴等）、安裝止水簾幕7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工（2）盾構(gòu)安裝）盾構(gòu)安裝7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工（3）盾構(gòu)始發(fā)）盾構(gòu)始發(fā)7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法

22、施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工（4）掘進(jìn)）掘進(jìn)7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工（5）管片拼裝）管片拼裝7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工1）管片拼裝在盾構(gòu)尾部殼保護(hù)下進(jìn)行，分通縫拼裝和錯縫拼裝。2）按其程序可分為“先縱后環(huán)先縱后環(huán)”和“先環(huán)后縱”。3）拼裝原則是自下而上，左右交叉，最后封頂成環(huán)。7.37.3 隧道盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工（6）盾尾密封和壁后注漿）盾尾密封和壁后注漿 1）盾尾密封 緊急止水裝置最大落込時7.37.3