盾构施工技术PPT课件.ppt
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1、2022年6月3日星期五1第第4 4章章 盾构施工技术盾构施工技术2022年6月3日星期五2 盾构一词的含义在土木工程领域中为盾构一词的含义在土木工程领域中为遮盖物遮盖物、保护物保护物。 盾构机是由外形与隧道断面相同、但尺寸比隧道外形稍大的钢盾构机是由外形与隧道断面相同、但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地层中构成保护掘削机的外壳和壳内各种作业机械、筒或框架压入地层中构成保护掘削机的外壳和壳内各种作业机械、作业空间组成的组合体。盾构机是一种既能支承地层压力,又能作业空间组成的组合体。盾构机是一种既能支承地层压力,又能在地层中推进的施工机具。在地层中推进的施工机具。 使用盾构机在地下掘进,使用
2、盾构机在地下掘进,在护盾在护盾的保护下,在机内安全地进行的保护下,在机内安全地进行开挖和衬砌作业,从而开挖和衬砌作业,从而构筑构筑成隧道的施工方法,称为盾构施工法成隧道的施工方法,称为盾构施工法盾构隧道示意图盾构隧道示意图 盾构掘进机盾构掘进机(Shield)是是这种施工方法中最主要的这种施工方法中最主要的施工机具,它是一个既能施工机具,它是一个既能支撑地层压力又能在地层支撑地层压力又能在地层中推进的钢筒结构体。中推进的钢筒结构体。 由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、液压由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、液压中继顶进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机
3、构以及检测导向中继顶进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机构以及检测导向机构等几个部分组成。机构等几个部分组成。 2022年6月3日星期五4 盾构机由通用机械(外壳、掘削机构、挡土机构、推进机构、盾构机由通用机械(外壳、掘削机构、挡土机构、推进机构、管片拼装机构、附属机构等部件)和专用机构组成。专用机构因管片拼装机构、附属机构等部件)和专用机构组成。专用机构因机种的不同而异。机种的不同而异。 盾构的外形主要有:圆形(如左图)、双圆搭接形、三圆搭盾构的外形主要有:圆形(如左图)、双圆搭接形、三圆搭接形、矩形(如右图)、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特接形、矩形(如右图)、马蹄形、半圆形或与隧
4、道断面相似的特殊形状等,但绝大多数为传统的圆形断面。殊形状等,但绝大多数为传统的圆形断面。 盾构隧道施工主要工序盾构隧道施工主要工序n在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井;在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井;n盾构在起始端工作井内安装就位;盾构在起始端工作井内安装就位;n依靠盾构千斤顶推力依靠盾构千斤顶推力(作用在已拼装好的衬砌环和工作井后壁上作用在已拼装好的衬砌环和工作井后壁上)将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出;将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出;n盾构在地层中沿着设计轴线推进,在推进的同时不断出土和安装盾构在地层中沿着设计轴线推进,在推进的同时不断出土和安装衬砌管片;衬砌管片;
5、n及时地向衬砌背后的空隙注浆,防止地层移动和固定衬砌环位置;及时地向衬砌背后的空隙注浆,防止地层移动和固定衬砌环位置;n盾构进入终端工作井并被拆除,如施工需要,也可穿越工作井再盾构进入终端工作井并被拆除,如施工需要,也可穿越工作井再向前推进。向前推进。2022年6月3日星期五61、建造盾构工作井2、盾构掘进机安装就位4、初推段掘进施工5、掘进机设备转换6、盾构连续掘进施工8、盾构进入接收井,并运出地面7、接收井洞口土体加固3、出洞口土体加固技术要点2022年6月3日星期五7 盾构机大多为圆形,外壳由钢筒组成,盾构机大多为圆形,外壳由钢筒组成,钢筒直径稍大于钢筒直径稍大于隧道衬砌的外径隧道衬砌的
6、外径。在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开。在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置,在钢筒中段内沿周边安装顶进所需的挖土体的装置,在钢筒中段内沿周边安装顶进所需的千斤千斤顶顶,钢筒尾部是具有一定空间的壳体,在盾尾内可以安置,钢筒尾部是具有一定空间的壳体,在盾尾内可以安置数环拼成的隧道数环拼成的隧道衬砌环衬砌环。在盾构推进过程中不断从开挖面。在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。盾构每推进一环距离,就在盾尾支护下排出适量的土方。盾构每推进一环距离,就在盾尾支护下拼装一环衬砌,并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中拼装一环衬砌,并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体压注浆体,以防止
7、隧道及地面下沉。,以防止隧道及地面下沉。 技术要点2022年6月3日星期五8 盾构在地下穿越,要承受各种压力,推进时,要克服盾构在地下穿越,要承受各种压力,推进时,要克服正面正面阻力阻力,故要求盾构具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板,故要求盾构具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板(单层厚板或多层薄板)制成。大型盾构考虑到水平运输和垂(单层厚板或多层薄板)制成。大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难,可制成分体式,到现场进行就位拼装,部件的直吊装的困难,可制成分体式,到现场进行就位拼装,部件的连接一般采用定位销定位,高强度螺栓联接,最后焊接成型。连接一般采用定位销定位,高强度螺栓联接,最后焊接
8、成型。 盾构的基本构造主要由壳体、切削系统、推进系统、出土盾构的基本构造主要由壳体、切削系统、推进系统、出土系统、拼装系统等组成。系统、拼装系统等组成。 一、盾构壳体组成:切口环、支承环、盾尾三部分1、切口环(1)位置盾构最前端, 切入土层,掩护开挖 作业,长度2m; (2)形状 (3)设备挖土设备(刀盘、挖土机)、排土设施、挡土千斤顶、活动平台等)(4)气压式、泥水平衡式、土压平衡式盾构,在切口环与支承环之间设置密闭隔板。垂直形刀盘开挖,稳定土层手掘倾斜形较不稳定土层手掘阶梯形不稳定土层手掘2、支承环(1)位置是连接切口环与盾尾的中间部分;(2)结构盾构结构的主体,较强刚性的圆环结构。设环向
9、、水平、竖直支撑; 承受荷载:地层土压力、千斤顶顶力、管片拼装等施工荷载;(3)设备推进千斤顶(沿结构外沿布置)、操纵控制室、衬砌拼装机;(4)长度取决于推进千斤顶长度,一般为衬砌环宽加0.20.3m。3、盾尾(1)结构盾构外壳钢板延长,掩护隧道管片拼装;(2)盾尾装置密封装置,防地下水、加压泥水、衬砌背后注浆浆液从盾尾流入隧道; 密封材料性能要求:富弹性、耐磨损、 耐撕裂、耐压力、止水好。 密封装置类型:橡胶密封:L形、U形钢丝束密封:弹簧钢板、钢丝束、密封油脂二、推进系统 组成液压系统(液压站、控制系统)、 千斤顶群。 作用盾构的前进、方向调整(克服推进阻力) 千斤顶布置在支承环周圈布置,
10、 单台推力,1000kN2000kN, 行程比管片宽度长1020cm。 推进速度:50100mm/min 油压:3040MPa(高液压系统)三、拼装系统 管片拼装机把管片按设计位置和形状进行拼装的机械装置; 组成由举重臂和真圆保持器组成;四、出土系统1、皮带输送机 用于手掘式或半机械化盾构;2、螺旋输送机 用于土压平衡盾构 或手掘式、半机械化盾构;3、泥浆泵 用于泥水加压平衡盾构。半机械化盾构土压平衡盾构土压平衡盾构螺旋输送机出土土箱运土井口土箱吊运管片吊运下井管片水平运输泥水平衡盾构泥水平衡盾构2022年6月3日星期五29n盾构机的外径盾构机的外径 式中式中 管片外径,管片外径,mm;n x
11、 盾尾间隙,盾尾间隙,mm;n t 盾尾外壳的厚度,盾尾外壳的厚度,mm。 n盾构机的长度盾构机的长度 盾构长度主要(盾构长度主要(L)取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、出)取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、出土方式及衬砌形式等多种因素。土方式及衬砌形式等多种因素。 盾构机的尺寸盾构机的尺寸)(20txDDe0DTGCLLLL2022年6月3日星期五30n 切口环的长度。对全(半)敞开式盾构而言,应根据切口贯入掘削切口环的长度。对全(半)敞开式盾构而言,应根据切口贯入掘削地层的深度、挡土千斤顶的最大伸缩量、掘削作业空间的长度等因素地层的深度、挡土千斤顶的最大伸缩量、掘削作业空间
12、的长度等因素确定;对封闭式盾构而言,应根据刀盘厚度、刀盘后面搅拌装置的纵确定;对封闭式盾构而言,应根据刀盘厚度、刀盘后面搅拌装置的纵向长度、土舱的容量或长度等条件确定;向长度、土舱的容量或长度等条件确定;n 支承环的长度,取决于盾构千斤顶、排土装置、举重臂支承机构等支承环的长度,取决于盾构千斤顶、排土装置、举重臂支承机构等设备的规格大小,不应小于千斤顶最大伸长状态的长度;设备的规格大小,不应小于千斤顶最大伸长状态的长度;n 盾尾的长度,可按下式确定盾尾的长度,可按下式确定n n 盾构千斤顶撑挡长度,盾构千斤顶撑挡长度,m;n管片的宽度,管片的宽度,m;n组装管片的富余量,组装管片的富余量,m。
13、通常取(。通常取(0.250.33););n包括安装尾封材在内的后部富余量,包括安装尾封材在内的后部富余量,m。CLGLTLRFSTCCBLLBSLFCRC2022年6月3日星期五31 通常把盾壳总长通常把盾壳总长 与盾构外径与盾构外径 之比之比 称为盾构的灵称为盾构的灵敏度,敏度, 越小,操作越方便。一般在盾构直径确定后,灵敏度越小,操作越方便。一般在盾构直径确定后,灵敏度值有一些经验数据可参考:值有一些经验数据可参考:小直径盾构(小直径盾构( 3.5m) =1.21.5(多取(多取1.50)中直径盾构(中直径盾构( ) =0.81.2(多取(多取1.00)大直径盾构(大直径盾构( 6m)
14、=0.70.8(多取(多取0.75)LeDeDeD3.5mDe 6m2022年6月3日星期五32 优点:优点:u对环境影响小对环境影响小u施工不受地、地貌、江河水域等地表环境的限制施工不受地、地貌、江河水域等地表环境的限制u地表占地面积小,征地费用少地表占地面积小,征地费用少u隧道的施工费用受埋深的影响不大,适宜于建造覆土较深的隧道。在隧道的施工费用受埋深的影响不大,适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道,盾构法有较好的技术经济土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道,盾构法有较好的技术经济优越性优越性u施工不受风雨气候条件影响施工不受风雨气候条件影响u修筑的隧道抗地
15、震性好修筑的隧道抗地震性好u对地层的适应性宽,软土、砂卵石、软岩直至岩层均可对地层的适应性宽,软土、砂卵石、软岩直至岩层均可 因此,盾构法已在城市隧道(地铁隧道,污水排放隧道,引水、供因此,盾构法已在城市隧道(地铁隧道,污水排放隧道,引水、供水隧道,江河湖海底隧道,电力、电讯、供气及共同沟工程等隧道)建水隧道,江河湖海底隧道,电力、电讯、供气及共同沟工程等隧道)建造中确定了绝对的统治地位,有人将其称为城市隧道工法。造中确定了绝对的统治地位,有人将其称为城市隧道工法。2022年6月3日星期五33 缺点:缺点:u当隧道曲线半径过小时,施工较为困难。当隧道曲线半径过小时,施工较为困难。u在陆地建造隧
16、道时,如隧道覆土太浅,开挖面稳定甚为困难,甚至不能施在陆地建造隧道时,如隧道覆土太浅,开挖面稳定甚为困难,甚至不能施工;当在水下时,如覆土太浅则盾构法施工不够安全,要确保一定厚度的覆工;当在水下时,如覆土太浅则盾构法施工不够安全,要确保一定厚度的覆土。土。u竖井施工时有噪声和振动,需有解决的措施。竖井施工时有噪声和振动,需有解决的措施。u盾构施工中采用全气压方法疏干和稳定地层时,对劳动保护要求较高,施盾构施工中采用全气压方法疏干和稳定地层时,对劳动保护要求较高,施工条件差。工条件差。u盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止,特别在饱和含水松盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止
17、,特别在饱和含水松软的土层中,要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内。软的土层中,要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内。u在饱和含水地层中,盾构法施工所用的拼装衬砌,对达到整体结构防水性在饱和含水地层中,盾构法施工所用的拼装衬砌,对达到整体结构防水性的技术要求较高。的技术要求较高。u用气压施工时,在周围有发生缺氧和枯井的危险,必须采取相应的办法用气压施工时,在周围有发生缺氧和枯井的危险,必须采取相应的办法。2022年6月3日星期五34盾构分类表盾构分类表全开敞式全开敞式手掘式手掘式半机械式半机械式机械式机械式半开敞式半开敞式挤压式挤压式泥水式泥水式土压式土压式密封式密封式
18、土压式土压式泥土加压式泥土加压式泥土加压式泥土加压式泥浆式泥浆式全开敞式全开敞式 n全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。n根据开挖方式的不同,又分为手掘式、半机械化式及机械根据开挖方式的不同,又分为手掘式、半机械化式及机械式三种。式三种。n这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在遇到开挖面这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时,则需进行有压气施工法、地层超前加不能自稳的地层时,则需进行有压气施工法、地层超前加固等辅助施工方法,以防止开挖面坍塌。固等辅助施工方法,以防止开挖面坍塌。 手掘式盾手掘式盾构
19、构 手掘式盾构机的正面是开敞的,通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前手掘式盾构机的正面是开敞的,通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具,人工进行。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具,人工进行。 手掘式盾构机的适用范围手掘式盾构机的适用范围n适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、砂砾,固结粉适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、砂砾,固结粉砂和粘土。砂和粘土。n对于开挖面不能自稳的冲积软弱砂层、粉砂和粘土,施工对于开挖面不能自稳的冲积软弱砂层、粉砂和粘土,施
20、工时必须采用稳定开挖面的辅助施工法,如采用压气施工法、时必须采用稳定开挖面的辅助施工法,如采用压气施工法、改良地基、降低地下水位等措施改良地基、降低地下水位等措施n目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等特殊场合,而且应用逐渐减少。特殊场合,而且应用逐渐减少。半机械式盾构半机械式盾构 半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械,配备液压铲半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械,配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械,或配备具有土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械,或配备具有开挖与出碴双重功能的机
21、械。开挖与出碴双重功能的机械。 机械式盾构机械式盾构 机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘,增大了盾构机的挖掘机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘,增大了盾构机的挖掘能力,开挖的土砂通过旋转铲斗和斜槽装入皮带输送机,围岩能力,开挖的土砂通过旋转铲斗和斜槽装入皮带输送机,围岩开挖和排土可以连续进行开挖和排土可以连续进行 。半开敞式盾构半开敞式盾构 特点是在隔墙的某处设置可调节开口特点是在隔墙的某处设置可调节开口面积的排土口,盾构机正面贯入围岩面积的排土口,盾构机正面贯入围岩向前推进,使贯入部位土砂流动,由向前推进,使贯入部位土砂流动,由孔口部位绞出,进行排土。孔口部位绞出,进行排土。 半开敞式是指挤压式
22、盾半开敞式是指挤压式盾构机,它是在开放型盾构构机,它是在开放型盾构的切口环与支撑环之间设的切口环与支撑环之间设置胸板,以支挡正面土体,置胸板,以支挡正面土体,但在胸板上有一些开口,但在胸板上有一些开口,当盾构向前推进时,需要当盾构向前推进时,需要排出的土体将从开口处挤排出的土体将从开口处挤入盾构内,然后装车外运。入盾构内,然后装车外运。半开敞式盾构机的适用范围半开敞式盾构机的适用范围n开挖面的稳定是靠调节孔口大小和排土阻力,使千斤顶推力和开挖面的稳定是靠调节孔口大小和排土阻力,使千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现的。开挖面土压达到平衡来实现的。n适用于自稳性很差、流动性很大的软粘土和粉砂围岩
23、,而不适适用于自稳性很差、流动性很大的软粘土和粉砂围岩,而不适用含砂率高的围岩和硬质地层。若液性指数过高,则流动性过用含砂率高的围岩和硬质地层。若液性指数过高,则流动性过大,也不能获得稳定的开挖面。大,也不能获得稳定的开挖面。n由于适用地质范围狭窄,最近采用这种盾构机的工程很少。由于适用地质范围狭窄,最近采用这种盾构机的工程很少。密封式盾构密封式盾构 n在机械开挖式盾构机内设置隔墙,将开挖土砂送入开挖面和隔在机械开挖式盾构机内设置隔墙,将开挖土砂送入开挖面和隔墙间的刀盘腔内,由泥水压力的土压提供足以使开挖面保持稳墙间的刀盘腔内,由泥水压力的土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。定的压力。n密封式
24、盾构机又分成(气压式)、泥水平衡式和土压平衡式。密封式盾构机又分成(气压式)、泥水平衡式和土压平衡式。土压平衡盾构机土压平衡盾构机n土压平衡式盾构机的前端有一个全断面切削刀盘,土压平衡式盾构机的前端有一个全断面切削刀盘,在它后面有一个贮留切削土体的密封舱,在其中心在它后面有一个贮留切削土体的密封舱,在其中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机,在密封舱和螺处或下方装有长筒形的螺旋输送机,在密封舱和螺旋输送机,以及在盾壳四周装设的土压传感装置,旋输送机,以及在盾壳四周装设的土压传感装置,根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。料的注入设备。
25、土压平衡盾构机组成土压平衡盾构机组成n1.1.切削刀盘切削刀盘2.2.开挖室开挖室3.3.承压隔板承压隔板4.4.压缩空气闸室压缩空气闸室5.5.推进推进千斤顶千斤顶6.6.尾盾密封尾盾密封7.7.管片管片8.8.带式输送机带式输送机9.9.管片拼装机管片拼装机10.10.刀盘驱动刀盘驱动11.11.螺旋输送机螺旋输送机 12 34567891011土压平衡盾构机效果图土压平衡盾构机效果图土压平衡盾构机的主要部件土压平衡盾构机的主要部件 n切削刀盘切削刀盘n轴承和驱动部件轴承和驱动部件 n开挖室开挖室n螺旋输送机螺旋输送机n塑流化材料注入器塑流化材料注入器n土压传感器土压传感器 切削刀盘形式切
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