第三节第三节 盾构施工法盾构施工法盾构施工技术的发展历史盾构施工技术的发展历史1 .盾构施工法的发明盾构施工法的发明 1818年，Brunel 从一种食船虫在船身上打洞一事受到启发，研究出了盾构工法。历经艰辛，终在1841年使泰晤士河底隧道贯通，该隧道自1825年开工，历时17年，可充分说明新技术的成功是多么的坎坷！2 .盾构施工法的发展阶段盾构施工法的发展阶段 自1818年诞生发展到现在已有180多年的历史，概括而言，有四个阶段：（1）初期盾构：以Brunel盾构为代表；（2）第二代盾构：以机械式、气压式、TBM及城市盾构工法为代表；（3）第三代盾构：以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）；（4）第三代盾构：以安全、高速、大深度、大断面、断面多样化、异形化为特色。盾构施工技术的国内外发展现状盾构施工技术的国内外发展现状1 .国外盾构施工技术现状国外盾构施工技术现状 以欧洲和日本最为发达。 美国：纽约自1900年起用气压盾构就建造了数十条水底隧道，目前盾构施工占90以上； 前苏联：莫斯科自1932年开始采用盾构法施工地铁等地下工程；德国、法国、英国、新加坡等也在广泛采用盾构法施工地下工程。 日本：自1917年在国铁羽越线折渡隧道（新泻县）的建设中首次采用盾构工法。日本从盾构施工法正式开始用于城市隧道建设的1964年至1984年约20年间，研制盾构机超过5000台。目前日本已经成为世界上盾构制造技术以及施工技术的大国，占据世界上80的盾构份额。 1917年日本国铁隧道建设中首次采用盾构工法1953年日本关门隧道采用盾构工法1957年日本地铁采用顶盖式盾构施工，这是城市隧道首次采用盾构1960年日本名古屋地铁采用盾构施工1962年东京下水道采用圆形盾构。此后，盾构逐渐用于小断面的市政管道建设1964年日本下水道工程，最先采用泥水式盾构1974年日本独立研究出土压式盾构1975年日本研究出砾石泥水式盾构1981年日本研究出加气泡盾构2.国内盾构施工技术现状国内盾构施工技术现状 国内最早是在1956年，阜新海州露天煤矿采用直径2.66m的盾构，在砂土层中成功地开掘了一条流水巷道。 北京：1957年在下水道工程中成功的使用直径2.0m及2.6m的盾构。北京地层不同于国内其他城市，以砂卵石、粉细砂及黏土层为主，对地层的摸索以及全面实践方面，北京市政集团在北京地区实现了零的突破，可谓是积累了相当丰富的施工经验。 上海：自60年代开始在黄浦江水底隧道进行试验，经过多年摸索，针对上海软土积累了丰富的经验，特别是在消化引进盾构机方面走在全国前列，尤其是近年引进的双圆盾构的成功实施。60年代北京地年代北京地铁用盾构试验铁用盾构试验 广州：以砂层和风化岩为主，于90年代引进和应用了能适应地层的复合式盾构技术。 深圳、南京、杭州等都是近年地铁建设时期才引入盾构施工技术。2003年6月，当时中国最大的盾构法隧道翔殷路开工，采用直径为11.58m的超大型泥水平衡盾构掘进。上海上中路隧道工程盾构直径达14.87m。 翔殷路盾构截至目前，对内径为2700mm3000mm范围内的市政隧道，北京市政已拥有4台盾构设备，并已完成市政盾构隧道施工近几十公里。3.64m 盾构机一、盾构的基础构造一、盾构的基础构造1、盾构组成、盾构组成三大系统：三大系统：壳体壳体推进系统推进系统拼装系统拼装系统壳体组成：壳体组成：切削环切削环支承环支承环衬砌环衬砌环砌块形成的管道盾构工作原理：盾构工作原理：当砌完一环砌块后，以已砌好的砌块作后背，由支承当砌完一环砌块后，以已砌好的砌块作后背，由支承环内的千斤顶顶进盾构本身，开始下一循环的挖土和环内的千斤顶顶进盾构本身，开始下一循环的挖土和衬砌。盾构施工时，需推进是的盾构本身，而非砌块衬砌。盾构施工时，需推进是的盾构本身，而非砌块形成的管道。形成的管道。盾构施工的主要工序4、初推段掘进施工、初推段掘进施工1、建造盾构工作井、建造盾构工作井2、盾构掘进机安装就位工、盾构掘进机安装就位工序序3、洞、洞 口土体加固口土体加固5、掘进机设备转换、掘进机设备转换6、盾构连续掘进施工、盾构连续掘进施工7、接收井洞、接收井洞 口土体加固口土体加固8、盾构进入接收井，、盾构进入接收井，并运出地面并运出地面2、盾构特点：、盾构特点：在同一土层中所需施工顶力为一常数，向一个方在同一土层中所需施工顶力为一常数，向一个方向顶进的长度不受顶力大小的限制。向顶进的长度不受顶力大小的限制。管径范围大。管径范围大。断面形状多样，圆形，矩形，多边形等。断面形状多样，圆形，矩形，多边形等。机动性好，可以开挖曲线走向的隧道。机动性好，可以开挖曲线走向的隧道。可进行水底施工，不影响地面水体。可进行水底施工，不影响地面水体。不断交通，不影响地面建筑物。不断交通，不影响地面建筑物。3、适用土质、适用土质岩层，砂卵层，密实砂层，粘土层，流砂层等，均可适用。岩层，砂卵层，密实砂层，粘土层，流砂层等，均可适用。二、盾构的尺寸确定二、盾构的尺寸确定1、外径、外径D=D1+2(H+X+T)D1管竣工内径管竣工内径H衬砌的总厚度衬砌的总厚度X衬砌块与盾壳间的空隙量衬砌块与盾壳间的空隙量T盾构的外壳厚度盾构的外壳厚度2、长度、长度L=L1+L2+L3为切削环，支承环，衬砌环的长度之和。盾构衬砌环衬砌环砌块三、盾构的千斤顶及其顶力计算三、盾构的千斤顶及其顶力计算P=P1+P2+P3+P4+P5P1盾构外壳与土的摩擦力盾构外壳与土的摩擦力P2盾构内壁与砌块环的摩擦力盾构内壁与砌块环的摩擦力P3盾构切削环切入土层的阻力盾构切削环切入土层的阻力P4盾构自重产生的摩擦力盾构自重产生的摩擦力P5开挖面支撑阻力开挖面支撑阻力盾构千斤顶：盾构千斤顶：小型断面用小型断面用50-60T中型断面用中型断面用100-150T大型断面用大型断面用250T左右左右千斤顶的布置：千斤顶的布置：等分布置（力等分）等分布置（力等分）不等分布置不等分布置等分布置等分布置不等分布置不等分布置四、盾构的分类和构造四、盾构的分类和构造分类：分类：手挖挖掘盾构：开放式，土质好时用手挖挖掘盾构：开放式，土质好时用半机械化盾构：开放式，土质好时用半机械化盾构：开放式，土质好时用机械化式盾构：开放式或密闭式，土质适用性强机械化式盾构：开放式或密闭式，土质适用性强1、手掘盾构、手掘盾构人工挖土，前有支撑或开放人工挖土，前有支撑或开放优点：构造简单，设备少，造价低优点：构造简单，设备少，造价低缺点：工人劳动强度大，效率低，进度慢缺点：工人劳动强度大，效率低，进度慢适用条件：土质好的小型遂道，土方量小适用条件：土质好的小型遂道，土方量小Brunel盾构原始盾构原始盾构伦敦Blackwall盾构隧道2、半机械化盾构、半机械化盾构手掘前端装有挖土机械，多用反铲挖土机或螺旋切手掘前端装有挖土机械，多用反铲挖土机或螺旋切削机。削机。优点：减轻人工劳动强度，效率高，成本比人工高，优点：减轻人工劳动强度，效率高，成本比人工高，但比机械低。但比机械低。适用条件：土质较好的地层中。适用条件：土质较好的地层中。3、机械化盾构、机械化盾构采用全断面切削盘切土，分为有封板和无封板两种。采用全断面切削盘切土，分为有封板和无封板两种。优点：速度快，效率高。优点：速度快，效率高。缺点：纠偏难，除障碍困难，盾构构造复杂。缺点：纠偏难，除障碍困难，盾构构造复杂。4、非全断面密闭式盾构、非全断面密闭式盾构前端有许多进土孔，可出土，孔可调节。前端有许多进土孔，可出土，孔可调节。优点：易控制和纠偏，顶力比全密闭要小。优点：易控制和纠偏，顶力比全密闭要小。适用：街道下，应尽量避开地面有建筑物段。适用：街道下，应尽量避开地面有建筑物段。5、闭腔机械化盾构、闭腔机械化盾构分类：分类：全部气压盾构：全部气压盾构：整个施工段在气压支撑下。整个施工段在气压支撑下。局部气压盾构：局部气压盾构：切削环与开挖面间有气压。切削环与开挖面间有气压。闭胸式盾构闭胸式盾构辐条式盾构面板式盾构泥水加压盾构：泥水加压盾构：切削环与开挖面间用泥水持压。泥浆由输泥管输出。切削环与开挖面间用泥水持压。泥浆由输泥管输出。适用：高低覆土条件均可，地层透水性差。适用：高低覆土条件均可，地层透水性差。特点：泥水比气压流失小。不会出现坍塌和涌水的情况。特点：泥水比气压流失小。不会出现坍塌和涌水的情况。挖挖土土和出土实现机械化，改善了作业条件。减小地下水和出土实现机械化，改善了作业条件。减小地下水的移动，减小地表沉降。的移动，减小地表沉降。土压平衡盾构：土压平衡盾构：在切削环和支承环间设密封隔板，切削环与开挖面间密在切削环和支承环间设密封隔板，切削环与开挖面间密闭，在原土中加入一种外加剂，使切削土具有流动性。闭，在原土中加入一种外加剂，使切削土具有流动性。适用：软弱土层中，含水饱和土层。适用：软弱土层中，含水饱和土层。土压平衡主要组成部分示意图土压平衡主要组成部分示意图6、挤压盾构、挤压盾构切削环与开挖面间用钢板封闭，挤压前进。切削环与开挖面间用钢板封闭，挤压前进。适用：软的可塑的粘土层，地面会有隆起。适适用：软的可塑的粘土层，地面会有隆起。适用于空旷地带。用于空旷地带。1）挤压网格盾构）挤压网格盾构开挖面有网格，挤进时切的土条进入管内，再开挖面有网格，挤进时切的土条进入管内，再运出。运出。特点：网格具有一定的阻力，可防止坍塌。挤特点：网格具有一定的阻力，可防止坍塌。挤压作用力比全挤压式要小。在有地下水时要辅压作用力比全挤压式要小。在有地下水时要辅以降水施工。以降水施工。7、微型盾构、微型盾构特点：小直径管道，埋深较浅时易形成地面突起。特点：小直径管道，埋深较浅时易形成地面突起。适用性不强。适用性不强。Microtunneling 微型微型开敞式盾构开敞式盾构网格式盾构插刀盾构复合式盾构复合式盾构五、盾构施工五、盾构施工（一）勘察和准备工作（一）勘察和准备工作1、勘察内容：用地条件，障碍物，地形与地、勘察内容：用地条件，障碍物，地形与地质。质。2、准备工作：测量，工作坑准备，衬块准备，、准备工作：测量，工作坑准备，衬块准备，盾构机组装，地下水排放，土层加固等。盾构机组装，地下水排放，土层加固等。（三）挖土运土与顶进（三）挖土运土与顶进1、挖土：、挖土：一次挖深为砌块宽度。在密实土中，先挖后顶，一次挖深为砌块宽度。在密实土中，先挖后顶，在松散土中，先顶后挖。在松散土中，先顶后挖。（二）盾构的下放和始顶（二）盾构的下放和始顶理论上顶力与距离无关，但开挖距离过长会增加土方与理论上顶力与距离无关，但开挖距离过长会增加土方与砌块的运输距离。砌块的运输距离。下放：用起重机，或下面组装。下放：用起重机，或下面组装。始顶：开始顶至盾构完全没入土中。始顶：开始顶至盾构完全没入土中。2、顶进要点、顶进要点衬砌后应立即顶进。衬砌后应立即顶进。顶进速度不能过快，一般顶进速度不能过快，一般cm/min。千斤顶顶力不能过大破坏衬砌环。千斤顶顶力不能过大破坏衬砌环。弯道时，调整千斤顶的顶力。弯道时，调整千斤顶的顶力。如盾构转动，用偏心堆载法纠偏。如盾构转动，用偏心堆载法纠偏。3、运土、运土矿车矿车皮带皮带（四）衬砌块与缝隙填灌（四）衬砌块与缝隙填灌1、衬砌的目的、衬砌的目的作为后背，作为支撑，作为永久性承载管。作为后背，作为支撑，作为永久性承载管。材料：钢砼，或钢，铸铁。材料：钢砼，或钢，铸铁。形状：矩，梯，中缺形。形状：矩，梯，中缺形。2、衬砌的要求、衬砌的要求能承受荷载，具有一定的强度，刚度，稳定性。能承受荷载，具有一定的强度，刚度，稳定性。具有良好的水密性。具有良好的水密性。装配要安全，简单。装配要安全，简单。坚固耐久。坚固耐久。3、砌块的连接、砌块的连接主要分为平口和企口。主要分为平口和企口。处理用粘接剂。处理用粘接剂。常用：沥青胶和环氧水泥。常用：沥青胶和环氧水泥。4、砌块的灌缝、砌块的灌缝拼装完成后灌缝处理。拼装完成后灌缝处理。填密衬砌环与土的缝隙。填密衬砌环与土的缝隙。材料：水泥砂浆，水泥净浆，细石混凝土。材料：水泥砂浆，水泥净浆，细石混凝土。方法：每隔三到五环有一孔，注入。方法：每隔三到五环有一孔，注入。注意：注意：自上而下灌注。自上而下灌注。防止漏进管内。防止漏进管内。灌注量应多一些。灌注量应多一些。大直径盾构大直径盾构荷兰 14.87泥水盾构易北河盾构易北河盾构14.5m第四节第四节 挤密土层法挤密土层法一、不出土挤压顶管一、不出土挤压顶管（一）适用条件（一）适用条件潮湿粘土，砂土和砂粘性土层潮湿粘土，砂土和砂粘性土层小直径的钢管或铸铁管小直径的钢管或铸铁管顶长小于顶长小于40米米高程要求不严格情况高程要求不严格情况（二）设备（二）设备千斤顶或卷扬机千斤顶或卷扬机管尖长细比：管尖长细比：1：0.3管帽开口管帽开口（三）工作坑（三）工作坑主坑主坑尾坑尾坑（四）施工要点（四）施工要点注意最大管径与最小埋深要求注意最大管径与最小埋深要求注意距相邻管与地面的距离注意距相邻管与地面的距离二、出土挤压顶管二、出土挤压顶管（一）适用范围（一）适用范围大直径管松散土中不开槽大直径管松散土中不开槽（二）设备（二）设备挤压工具管挤压工具管（三）特点（三）特点提高生产效率提高生产效率劳动强度较大劳动强度较大（四）施工要点（四）施工要点挤压口的位置，大小适当挤压口的位置，大小适当