隧道施工第十二章掘進(jìn)機(jī)與盾構(gòu)施工技術(shù)PPT

1、第十二章 掘進(jìn)機(jī)與盾構(gòu)本章學(xué)習(xí)的內(nèi)容：掌握掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成；盾構(gòu)的構(gòu)造與分類(lèi)。重難點(diǎn)：重點(diǎn)：掘進(jìn)機(jī)和盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造，分別適用的地質(zhì)情況；難點(diǎn)：掘進(jìn)機(jī)與盾構(gòu)機(jī)的區(qū)別。1 掘進(jìn)機(jī)2 盾構(gòu)法施工目 錄12.1 掘 進(jìn) 機(jī)一、掘進(jìn)機(jī)的概述隧道掘進(jìn)機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)TBM）是一種機(jī)械化的隧道掘進(jìn)設(shè)備。掘進(jìn)機(jī)法是利用掘進(jìn)機(jī)切削破巖，開(kāi)鑿隧道的施工方法。掘進(jìn)機(jī)施工有著鉆爆法施工不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。世界上采用掘進(jìn)機(jī)施工的隧道已有1000余座，總長(zhǎng)度在4000km左右。二、掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型1、開(kāi)敝式掘進(jìn)機(jī)一般而言，開(kāi)敝式掘進(jìn)機(jī)要適合于硬巖隧道的開(kāi)挖。（1）單支撐式掘進(jìn)機(jī)二、掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型（2）雙支撐式掘進(jìn)機(jī)二、掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型2、護(hù)盾式

2、掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)中利用尾部已安裝的襯砌管片作為推進(jìn)的支撐，圍巖由于有護(hù)盾防護(hù)，在護(hù)盾長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，不暴露。因此護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)更適用于軟巖。（1）單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)在軟巖及硬巖中都可以使用。當(dāng)它在自穩(wěn)條件不良的地層中施工時(shí)，其優(yōu)越性更突出。二、掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型（2）雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)Single Shield TBM 護(hù)盾；液壓推進(jìn)油缸；管片；刀盤(pán)；裝渣斗；皮帶輸送機(jī)二、掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型Double Shield TBM 可伸縮護(hù)盾；刀盤(pán)；活動(dòng)支撐鞋；輔助推進(jìn)油缸；管片二、掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型Gripper TBM支撐鞋；鋼支架舉升器；錨桿安裝機(jī)構(gòu)；鋼筋網(wǎng)舉升器二、掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型其基本構(gòu)造有刀盤(pán)開(kāi)挖系統(tǒng)、支撐

3、與推進(jìn)系統(tǒng)、后配套等三大部分。1、刀盤(pán)刀盤(pán)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。從而使施加在刀盤(pán)上的推力平均分配到全部盤(pán)形滾刀上，使它們達(dá)到同時(shí)壓擠巖石至同一深度，并使掘進(jìn)機(jī)處高效率運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下。三、掘進(jìn)機(jī)的基本構(gòu)造一般掘進(jìn)機(jī)能提供的支撐反力就是刀盤(pán)額定推力的3倍左右（秦嶺隧道為60000KN），足夠大的支撐反力是保證在強(qiáng)大推力下掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)有足夠的穩(wěn)定和正確的導(dǎo)向，并三、掘進(jìn)機(jī)的基本構(gòu)造2、支撐與推進(jìn)系統(tǒng)（1）支撐系統(tǒng)有利于刀具減少磨耗。開(kāi)挖刀盤(pán)推進(jìn)力是按照每把盤(pán)形刀所能居愛(ài)的推力和盤(pán)刀數(shù)量來(lái)決定的，目前較為成熟的確良17英寸盤(pán)形刀，可承受的推力為250KN。隧道掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)是通過(guò)交叉換步實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)循環(huán)的。后配

4、套設(shè)備包括液壓傳動(dòng)站、變電設(shè)備、開(kāi)關(guān)柜、主駕駛室、通訊系統(tǒng)、備用發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)、噴射混凝土設(shè)備、圍巖加固堵水注漿設(shè)備以及供水系統(tǒng)。三、掘進(jìn)機(jī)的基本構(gòu)造（2）掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)方式3、后配套設(shè)備(1) 管片式襯砌其優(yōu)點(diǎn)是：適合軟弱圍巖，特別是當(dāng)圍巖允許承載力很低，支撐靴不能支撐巖面時(shí)，可利用尾部推力千斤頂，頂推已安裝的管片獲得推力反力(2) 二次混凝土襯砌二次混凝土襯砌，根據(jù)地地質(zhì)條件可用噴射混凝土做為永久襯砌四、掘進(jìn)機(jī)施工 1、掘進(jìn)巖石隧道掘進(jìn)機(jī)法是利用巖石隧道掘進(jìn)機(jī)在巖石地層中暗挖隧道的一種施工方法。掘進(jìn)時(shí)盤(pán)形刀沿巖石開(kāi)挖面滾動(dòng)，同時(shí)通過(guò)刀盤(pán)均勻地在每個(gè)盤(pán)形刀上對(duì)巖面施加壓力，形成滾動(dòng)擠

5、壓切削而實(shí)現(xiàn)破巖的。2、襯砌施工掘進(jìn)機(jī)施工的隧道，其襯砌結(jié)構(gòu)一般是初期支護(hù)和二次襯砌組成。拼裝管片襯砌示意圖模筑混凝土襯砌四、掘進(jìn)機(jī)施工 為了滿(mǎn)足不良地質(zhì)的要求，掘進(jìn)機(jī)可安裝一些設(shè)備進(jìn)行特殊功能作業(yè)。加裝的地質(zhì)超前鉆機(jī)安裝在主機(jī)頂部、刀盤(pán)后部的平臺(tái)上，它在主機(jī)停機(jī)時(shí)進(jìn)行掌子面前30m的超前鉆孔，以預(yù)報(bào)前方地質(zhì)情況，為掘進(jìn)提供可靠消息。超前鉆機(jī)還具備注漿和安裝管棚的功能，以對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)先加固.TBM超前支護(hù)示意圖四、掘進(jìn)機(jī)施工 3、不良地質(zhì)地段施工12.2 盾構(gòu)法施工一、盾構(gòu)機(jī)原理及發(fā)展1、盾構(gòu)施工的基本原理盾構(gòu)，英文名稱(chēng)為“shield machine”，它是一種具有金屬外殼的筒狀機(jī)械，主要用

6、于軟土隧道暗挖施工，在金屬外殼的掩護(hù)下盾構(gòu)可以同步完成土體開(kāi)挖、土渣排運(yùn)、整機(jī)推進(jìn)和管片安裝等作業(yè)，將隧道一次開(kāi)挖成形。2、盾構(gòu)法施工的主要技術(shù)特點(diǎn)（1）對(duì)周?chē)h(huán)境的影響很小。（2）盾構(gòu)是根據(jù)隧道施工對(duì)象“量身定做”的。（3）對(duì)施工精度的要求高。（4）盾構(gòu)施工是不可以倒退的。1806年，法國(guó)工程師布魯諾爾（Mare Isambard Brunel）從蛀蟲(chóng)在船板上蛀孔成洞的過(guò)程中得到啟示，提出了使用盾構(gòu)掘進(jìn)隧道的構(gòu)想，并注冊(cè)了專(zhuān)利。在1823年制作了世界上第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，用于修建倫敦泰晤士河隧道。布魯諾爾設(shè)計(jì)的手掘式盾構(gòu)一、盾構(gòu)機(jī)原理及發(fā)展3、盾構(gòu)施工的發(fā)展1963年，第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)正式問(wèn)世到20

7、08年4月，中鐵隧道集團(tuán)在引進(jìn)消化吸收和自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，研制成功了我國(guó)第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式土壓平衡式盾構(gòu)。在短短的60年中，我國(guó)的盾構(gòu)由無(wú)到有，在引進(jìn)推廣的同時(shí)堅(jiān)持自主研發(fā)，當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)掌握了多種類(lèi)型盾構(gòu)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，盾構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域尤其是地鐵工程建設(shè)中，我國(guó)的盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模。一、盾構(gòu)機(jī)原理及發(fā)展3、盾構(gòu)施工的發(fā)展二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)1、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造（1）盾殼 1）前盾 2）中盾 3）盾尾（2）開(kāi)挖系統(tǒng)1）刀盤(pán)與刀具有切刀、齒刀、滾刀及各種輔助刀2）主軸承與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主軸承與刀盤(pán)連接，為刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)與開(kāi)挖提供動(dòng)力。主軸承的動(dòng)力來(lái)源于其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，常見(jiàn)的驅(qū)

8、動(dòng)系統(tǒng)主要有變頻電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)等。目前廣州比較多采用的盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)配備了17寸的單刃滾刀31把、 17寸的中心雙刃滾刀4把、1把行程為50mm的超挖刀、64把切刀、8把刮刀。二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)1）刀盤(pán)和刀具切 刀二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)17寸單刃及雙刃滾刀二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)刮 刀二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)超 挖 刀二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi) 推進(jìn)系統(tǒng) 導(dǎo)向系統(tǒng)管片裝運(yùn)系統(tǒng) 壁后注漿系統(tǒng) 出渣系統(tǒng) 后配套系統(tǒng)皮帶輸送機(jī)出渣螺旋輸送機(jī)二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)2）主軸承與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三個(gè)315kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵為刀盤(pán)后方的8個(gè)液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，這8個(gè)液壓馬達(dá)又帶動(dòng)其相應(yīng)的小齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)大齒圈

9、從而實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)。 二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)主軸承大齒圈二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)及液壓泵推進(jìn)系統(tǒng)由一個(gè)75kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)20組油缸共30個(gè)千斤頂實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)。二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)推進(jìn)系統(tǒng)（1）按斷面形狀分類(lèi)單圓盾構(gòu)、復(fù)圓盾構(gòu)（多圓盾構(gòu)）、非圓盾構(gòu)，其中復(fù)圓盾構(gòu)可分為雙圓盾構(gòu)和三圓盾構(gòu)。非圓盾構(gòu)可分為橢圓形盾構(gòu)、矩形盾構(gòu)、馬蹄形盾構(gòu)、半圓形盾構(gòu)。復(fù)圓盾構(gòu)和非圓盾構(gòu)統(tǒng)稱(chēng)為“異形盾構(gòu)”。 單圓盾構(gòu) 多圓盾構(gòu) 矩形盾構(gòu) 二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)2、盾構(gòu)機(jī)的分類(lèi) 球形盾構(gòu) 異性盾構(gòu) （2）按支撐條件分類(lèi)盾構(gòu)按支護(hù)地層的形式分類(lèi)，主要分為自

10、然支護(hù)式、機(jī)械支護(hù)式、壓縮空氣支護(hù)式、泥漿支護(hù)式，土壓平衡支護(hù)式五種類(lèi)型。二、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造與分類(lèi)盾構(gòu)法施工的概貌其主要施工步驟為：（1）在盾構(gòu)法隧道的起始端和終端各建一個(gè)工作井；（2）盾構(gòu)在起始端工作井內(nèi)安裝就位；（3）依靠盾構(gòu)千斤頂推力（作用在已拼裝好的襯砌環(huán)和工作井后壁上）將盾構(gòu)從起始工作井的墻壁開(kāi) 孔處推出；（4）盾構(gòu)在地層中沿著設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，在推進(jìn)的同時(shí)不斷出土和安裝襯砌管片；（5）及時(shí)向襯砌背后的空隙注漿，防止地層移動(dòng)和固定襯砌環(huán)位置；（6）盾構(gòu)進(jìn)入終端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推進(jìn)。三、盾構(gòu)施工1、盾構(gòu)法施工程序以防止開(kāi)挖面泥漿流失。目前常用的密封止水裝置如圖

11、所示，其中a為滑板式結(jié)構(gòu)；b為鉸接式結(jié)構(gòu)。密閉止水裝置三、盾構(gòu)施工2、盾構(gòu)掘進(jìn)（1）盾構(gòu)密封裝置和盾構(gòu)出洞順序土體開(kāi)挖方式根據(jù)土質(zhì)的穩(wěn)定狀況和選用的盾構(gòu)類(lèi)型確定。具體開(kāi)挖方式有以下幾種。1）敞開(kāi)式開(kāi)挖在地質(zhì)條件好，開(kāi)挖面在掘進(jìn)中能維持穩(wěn)定或采取措施后能維持穩(wěn)定，用手掘式及半機(jī)械式盾構(gòu)時(shí)，均為敞開(kāi)式開(kāi)挖。開(kāi)挖程序一般是從頂部開(kāi)始逐層向下挖掘。2）機(jī)械切削開(kāi)挖利用與盾構(gòu)直徑相當(dāng)?shù)娜珨嗝嫘D(zhuǎn)切削刀盤(pán)開(kāi)挖，配合運(yùn)土機(jī)械可使土方從開(kāi)挖到裝運(yùn)均實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。三、盾構(gòu)施工（2）土體開(kāi)挖與推進(jìn)3）網(wǎng)格式開(kāi)挖開(kāi)挖面用盾構(gòu)正面的隔板與橫撐梁分成格子，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，土體從格子里是條狀擠入盾構(gòu)中。這種出土方式效率高，是我

12、國(guó)大、中型盾構(gòu)常用的方式。4）擠壓式開(kāi)挖擠壓式和局部擠壓式開(kāi)挖，由于不出土或部分出土，對(duì)地層有較大的擾動(dòng)，施工中應(yīng)精心控制出土量，以減小地表變形。三、盾構(gòu)施工（2）土體開(kāi)挖與推進(jìn)（1）襯砌施工（2）襯砌防水1）管片防水管片外防水涂層需根據(jù)管片材質(zhì)而定，對(duì)鋼筋混凝土管片而言，一般要求： 涂層應(yīng)能在盾尾密封鋼絲刷與鋼板的擠壓摩擦下不損傷； 當(dāng)管片弧面的裂縫寬度達(dá)0.3mm時(shí)，仍能抵抗0.6MPa的水壓，長(zhǎng)期不滲漏； 涂層應(yīng)具有良好的抗化學(xué)腐蝕性能、抗微生物侵蝕性能和耐久性； 涂層應(yīng)具有防迷流的功能，其體積電阻率、表面電阻率要高； 涂層要有良好的施工季節(jié)適應(yīng)性，施工簡(jiǎn)便，成本低廉。 管片拼裝。三、盾

13、構(gòu)施工3、襯砌施工與襯砌防水 彈性密封墊防水日本的密封墊類(lèi)型四孔形密封墊 國(guó)產(chǎn)密封墊三、盾構(gòu)施工2）管片接縫防水 接縫嵌縫防水接縫鉗縫防水構(gòu)造圖 接縫注漿 螺栓孔和壓漿孔防水三、盾構(gòu)施工為了防止隧道周?chē)馏w變形，有效控制地面沉降，在盾構(gòu)施工中應(yīng)及時(shí)對(duì)盾尾和管片間的空隙進(jìn)行壓注漿液，以增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的整體防水性能，并改善隧道襯砌的受力狀態(tài)。 目前，襯砌背部注漿，一般都采用在襯砌脫出盾尾及盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的盾尾同步注漿，且在60min內(nèi)完成。盾尾注漿裝置如圖，它是在盾尾的表面設(shè)置了若干塊凸板，每個(gè)凸板內(nèi)裝置一根同步注漿管，一根備用管，一根為盾尾密封刷的油膏注入管。盾尾密封裝置三、盾構(gòu)施工4、盾構(gòu)注漿室密封

14、劑泥漿管片泥漿刷式密封1刷式密封3刷式密封2尾部機(jī)殼三、盾構(gòu)施工盾尾密封：由三道鋼板密封刷組成三、盾構(gòu)施工盾尾密封刷三、盾構(gòu)施工注漿系統(tǒng)三、盾構(gòu)施工盾尾注漿管路1）地表變形的規(guī)律盾構(gòu)法施工時(shí)，沿隧道縱向軸線所產(chǎn)生的地表變形，一般在盾構(gòu)前方約與盾構(gòu)埋深相等的距離內(nèi)地表開(kāi)始產(chǎn)生隆起，在盾構(gòu)通過(guò)以后地表逐漸下沉，其下沉量隨著時(shí)間的推移由增加而最終趨于穩(wěn)定，其變形規(guī)律如圖所示。地表變形縱向沉降規(guī)律三、盾構(gòu)施工5、盾構(gòu)法施工地面沉降機(jī)理和防治（1）地面沉降機(jī)理2）導(dǎo)致地面沉降的因素盾構(gòu)法施工中，導(dǎo)致地面沉降的主要因素有以下幾種： 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，開(kāi)挖面土體的松動(dòng)和崩塌，破壞了地層平衡狀態(tài)，造成土體變形而引起

15、地表變形。 盾構(gòu)法施工中應(yīng)采用降水疏干措施時(shí)，因地下水浮力消失，土體自重壓力增加，地層固結(jié)沉降加速，引起地表下沉。 盾構(gòu)尾部建筑空隙充填不實(shí)導(dǎo)致地表下沉。施工糾偏及彎道掘進(jìn)的局部超挖，均會(huì)造成盾構(gòu)與襯砌間建筑空隙的不規(guī)則擴(kuò)大，而這些擴(kuò)大量有時(shí)難以估計(jì)或無(wú)法及時(shí)充填，給地表下沉帶來(lái)影響。三、盾構(gòu)施工（2）地表變形及隧道沉降的控制盾構(gòu)法施工中做不到完全防止地表變形，但能夠設(shè)法減少地表變形并使地表下沉得以控制，可以采取如下措施：1）采用靈活合理的正面支撐結(jié)構(gòu)或適當(dāng)壓力的壓縮空氣來(lái)疏干開(kāi)挖面土層，以此保持開(kāi)挖面土體的穩(wěn)定。2）采用技術(shù)上較先進(jìn)的盾構(gòu)，如土壓平衡式盾構(gòu)、泥水平衡式盾構(gòu)、復(fù)合式盾構(gòu)等。基本不改變地下水位，嚴(yán)格控制開(kāi)挖面的挖土量，防止超挖。三、盾構(gòu)施工3）及時(shí)、有效、足量地充填襯砌背后的建筑間隙，必要時(shí)還可通過(guò)在管