1、 研究生课程考核试卷科 目： 隧道工程 教 师： 靳晓光 姓 名： 龙帅 学 号： 20121613155 专 业： 建筑与土木工程 类 别： 专业 上课时间： 2012 年 12 月 至 2013 年 1 月 考 生 成 绩：卷面成绩 平时成绩 课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 1盾构法隧道施工龙 帅（重庆大学土木工程学院）【摘要】:如果说20世纪是桥梁建设的世纪，那么21世纪就是地下空间开发的世纪。随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少，地下空间的利用开发就越来越受到重视。伴随着地下空间时代的来临，地下工程的施工机械化得到迅速发展。所以，如何更有效利用和
2、创造地下空间已成为当今城市现代化的重要课题，采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳选择。【关键字】： 地下空间 盾构隧道 机械化Shield tunneling construction technologyLong Shuai（Faculty of Civil Engineering, Chongqing University）【Abstract】: If the twentieth century is the century of bridge construction, then the 21st century is the century of underground space d
3、evelopment. With the improvement of urban concentration and the increase of the high-rise building, the space of ground becomes less and less, so the use of underground space has been taken seriously. With the era of underground space, the mechanization of underground engineering construction develo
4、ps quickly. Therefore, how to more effectively use and create the underground space becomes an important subject of the current urban modernization, using shield method to develop the underground space is a best choice. 【Keywords】: underground space Shield tunneling mechanization 21、概述1.1 盾构法隧道的起源18
5、02 年，英国采矿工程师阿贝尔提出修建英吉利海峡隧道的计划，设计从英法两岸用一种有掩体结构的挖掘机修筑隧道，每侧各挖掘 18.7km，最后在瓦恩浅滩对接贯通。然而真正的盾构法应用始于 1818 年，由法国工程师布罗诺尔（M I Brunel）研发并取得专利，至今已有 180 多年的历史。我国在 1957 年北京的下水道工程中首次使用盾构法修建地下工程。1.2 盾构法隧道基本原理盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要其防护开挖出的土提、保证作业人员和机械设备安全的作用。盾构的另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地
6、下水或流沙的入侵。盾构是与隧道形状一致的盾构外壳内，装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、安装衬砌机构等部件的隧道开挖专用机械。城市市区建筑、公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别是在市中心，若隧道埋深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。而盾构法施工城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，同构盾构千斤顶传至尾部一品装的预制衬砌，再传到竖井或基坑
7、的后靠壁上。盾构是一个技能支撑地层压力，又能在地层中推进圆形、矩形、马蹄形级其他特殊形状的钢筒结构，其直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各类的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶，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衬砌环。盾构每推进一环距离就在吨位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压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。盾构是进行土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具它还需要其他施工技术密切配合才能顺利施工。主要有：地下水的降低，稳定低层，防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施，
8、隧道衬砌结构的制造，地层开挖，隧道内的运输，衬砌与底层间的充填，衬砌的防水与堵漏，开挖土方的运输及处理方法，配合施工的测量，检测技术，合理的施工布置等。此外，采用气压法施工时，还涉及到医学上的一些问题和防护措施等。1.3 盾构法隧道优缺点（1）盾构法隧道优点：1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件影响，能经济合理地保证隧道安全施工。2）盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控3制信息化，掘进速度快，施工劳动强度较低。3）地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受盾构施工干扰；在松软地层中，开挖埋深较大的长距离、大直径的隧道，
9、具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性。（2）盾构法隧道缺点：1）盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂；在饱和含水的松砂地层中施工，地表沉陷风险较大。2）需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及防堵、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调复杂。3）建造短于 750m 的隧道经济性差；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度较大。2、盾构构造2.1 盾构的基本构造盾构种类繁多，就盾构在施工中的功能而言，其基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大系统部分（如图 2-1）：2-1 盾构基本构造示意图（1）盾构壳体设置盾构外
10、壳的目的是保护掘削、排土、推进、作衬等所有作业设备。装置的安全，故整个外壳用钢板制作，并用环形梁加固支承。一台盾构机的外壳沿纵向从前到后可分为前、中、后三段，通常又把这三段分别称为切口、支承、盾尾三部分。1）切口环该部位装有掘削机械和挡土设备，故又称掘削挡土部。切口环部分是开挖和挡土部分，它位于盾构的最前端，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，其前端设有刃口以减少切土时对底层的扰动。切口环保持工作面的稳定，并把开挖下来的土砂向后方运输。切口环的长度主要取决于支撑、开挖方法，就手掘式盾构而言，考虑到正面施工人员的安全和挖土机具工4作要有回旋的余地等因素。对于机械化盾构，切口环的长度应由各类盾构所需
11、安装的各种机械设备而定。2）支承环支撑位于中部，是盾构的主体构造部，是承受作用于盾构上全部荷载的骨架。支撑环紧接于切口环，是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、所有千斤顶的反作用力以及切口入土正面阻力、衬砌拼接时的施工载荷等均有支撑环来承受。支撑环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度，对于有刀盘的盾构还要考虑安装切盘的轴承装置、驱动装置和排水装置的空间。3）盾尾盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成，主要用于掩护管片的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌间隙进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时，在施工中途必须进行修理更换，所以盾尾长度要满足上述各项工作的要求。（2）推进机
12、构盾构掘进的动力室靠液压系统带动千斤顶的推进机构，它是盾构重要的基本构造之一。1）盾构千斤顶的选择和配置盾构千斤顶的选择和配置应根据盾构的灵活性、管片的构造、拼装管片的作业条件等来决定。2)千斤顶的数量千斤顶的数量根据盾构直径、千斤顶推力、管片的结构、隧道轴线的情况综合考虑。一般情况下，中小型盾构每只千斤顶的推力为 6001500N，在大型盾构中每只千斤顶的推力为 20002500N。3）千斤顶的行程千斤顶的行程应考虑到盾尾管片拼装及曲线施工等因素，通常取管片宽度加上 100200mm 的富余量。4）千斤顶的速度千斤顶的速度必须根据地质条件和盾构形式来定，一般去 500mm/min 左右，且可
13、无级调速。5) 千斤顶块盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，以便将推力均匀分布在管片的环面。（3）挡土机构挡土机构是为了防止掘削是掘削面地层坍塌和变形，确保掘削面稳定而设置的机构，该机构因盾构种类的不同而不同。就敞开式盾构机而言，挡土机构是挡土千斤顶。对地下水压小、涌水量不大的砂层中掘进的全敞开式而言，可采用顶棚式挡土装置。对半开式网格盾构而言，挡土机构是刀盘面板。对机械式而言，挡土机构是网格式封闭挡土板。（4）管片拼装机管片拼装机俗称举重臂，是盾构的主要设备之一，常以液压为动力。为了能让管片按照设计所需要的位置，安全、迅速地进行拼装，拼装机在嵌捏住管片后，还必须具备沿径向
14、伸缩、前后平移和 360 度旋转等功能。（5）真圆保持器5盾构向前推进时管片就从盾尾脱出，管片受到自重和土压的作用会产生变形，当该变形量很大时，既成环和拼装环拼装式就会产生高低不平，给安装纵向螺栓带来困难。为了避免管片产生高低不平的现象，就有必要让管片保持真圆，该装置就是真圆保持器。2.2 盾构基本参数的选定（1）盾构直径盾构直径必须根据管片外径、盾尾空隙和盾尾钢片厚度等设计要素确定，而盾尾空隙应根据管片的形状尺寸、隧道的平面形状、纠偏、盾尾密封结构的安装等进行确定。盾构直径是指盾尾的外径，而与刀盘、稳定翼、同步注浆用配管等突出部分无关。所谓盾尾空隙，是指盾壳钢板内表面与管片的外表面的空隙。根
15、据隧道界限和结构尺寸要求，在确定衬砌外径之后，可按施工要求或经验确定盾构直径。下面介绍两种方法：1） 2()Ddx式中 盾构直径（mm） ；隧道直径（mm） ；盾尾空隙（mm） ；x盾尾钢板厚度（mm） 。2） 2()DdxTe内式中 盾构内径（mm） ；内隧道衬砌厚度（mm） ；T盾尾内衬厚度（mm） ；最小富余量（mm） ；e， ， 同前。Dx（2）盾构长度和灵敏度盾构长度主要取决与地质条件。隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式和盾构的灵敏度（即盾壳总长 L 与盾构外径 D 之比） 。一般在盾构直径确定后，灵敏度值有一些经验数据可参考：小型盾构（D=23m） （L/D）=1.50中
16、型盾构（D=36m） （L/D）=1.00大型盾构（D6m） （L/D）=0.75盾构总长度由切口环、支撑环、盾尾三部分组成，它不包括盾构内设备超出盾尾的部分，如后台平台、螺旋输送机等。6盾构长度计算公式： wctL式中： 切口环长度 支撑环长度 盾尾长度wLc tL（3）盾构的推力盾构向前行进是靠安装在支撑环周围的千斤顶顶力，各千斤顶顶力之和就是盾构的总推力，在计算推力时，一定要考虑周全，要将盾构施工全过程中可能遇到的阻力都计算在内。1）盾构的总推力和各种阻力的计算公式如下：总推力 123456FF式中： 盾构外壁周边与土体之间的摩擦或粘结力1推进中切口插入土壤的贯入阻力2工作面正面阻力3F
17、管片与盾尾之间的摩擦力4变向阻力5后方台车的牵引力6F2）盾构总推力可由以上 的总和再乘以 2 来求出；1234F3）也可按经验公式求得： 2/jjPD式中： 盾构的总推力（KN）jF开挖面单位截面积的推力（KN）jPa） 人工开挖、半机械化开挖盾构，机械化开挖盾构： =7001100kPAjPb）封闭式盾构、土压力平衡式盾构、泥水加压式盾构： =10001300kPAj2.3 盾构的分类盾构是修建隧道的正面支护掘进和衬砌拼装的专用机具，盾构类型的主要区别是盾构正面对土体支护开挖方法的不同。为此，盾构的种类按其结构特点和开挖方法来分，主要分类如下表：头部结构 开挖方式土压式闭胸式 土压平衡式泥
18、土压式7泥水加压式部分敞开式 挤压式手掘式半机械式敞开式 全面敞开式机械式2.4 盾构选型一般来说，用盾构法施工的地层都是复杂多变的，因此，对于复杂的地层要选定较为经济的盾构是当前的一个难题。（1）盾构掘进机选型的依据盾构掘进机选型依据按其重要性排列如下：土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各参数）开挖面稳定隧道埋深、地下水位设计隧道的断面环境条件、沿线场地（附近管线和建筑物及其结构特性）衬砌类型工期、造价宜用的辅助方法设计线路、线形、坡度电气等其他设备条件（2）盾构掘进机选型的一般程序综合盾构掘进机的特性与选型的依据，盾构掘进机选型的一般程序可用流程图来描述（如图 2-2）82-2 盾构
19、掘进机选型程序流程图3、施工筹划准备3.1 盾构法施工的前期准备（1）完成始发井土建结构盾构的始发井土建结构完成后方可进行盾构施工，始发井内须预留盾构出洞的洞门，洞圈一般为钢结构，以便安装盾构出洞的止水装置。（2）盾构选型根据隧道所经过的地层地质及地面构筑物情况、施工进度、经济性等条件进行盾构选型，确定所用的盾构类型。（3）管片的生产根据管片设计图纸及技术要求，设计出制造钢模的图纸，加工钢模，然后进行管片生产，由于管片钢模加工工艺复杂，故加工周期较长。3.2 技术准备（1）熟悉施工图纸和有关的设计资料9学习工程建设单位提供的工程设计图纸和有关的地质资料。施工验收规范及有关的技术规定，通过学习充
20、分了结合掌握设计人员的设计意图、结构特点和技术要求，在开工前或分项工程实施前，应有设计单位进行设计交底。（2）了解隧道沿线的地下管线、构筑物及地质情况对地下管线及地下构筑物，需要了解管线的种类、结构、类型、埋深等，与隧道的相互关系等情况，对地面建筑物，需要了解建筑物的种类、结构、类型、埋深与隧道的相互关系等情况，然后采取相应的保护措施。（3）熟悉施工用机械的特点熟悉盾构机的主要施工参数及享用的盾构施工工法，掌握施工要领。（4）编制施工组织设计编制施工组织设计是施工准备工作的重要组成部分，隧道施工的施祖编写要求根据隧道施工的特点，确定各个关键工序的施工技术合理地布置施工现场，科学地制定施工方案。
21、3.3 生产物资的准备生产物资主要包括材料、构件、施工机械。材料的准备主要是根据图纸和施组的有关要求，并按施工进度、材料名称、规格、数量、使用时间、消耗量，编制出采材料需要计划，组织货源、运输、仓储、现场堆放，保证施工顺利进行。构件的准备主要指管片的预生产，并落实运输、堆放、 ，保证按时按量供应。施工机械的准备，根据所采用的施工方案、施工进度，确定施工机械的类型、数量、进场时间、运输安装方式、放置的位置等，编制施工机械的需要量计划，抱枕施工顺利进行。3.4 劳动力的准备根据施组中所确定的劳动力使用计划，组织劳动力进场，根据需要对施工人员进行相关的技术培训，同时进行安全、消防和文明施工等方面的教
22、育，安排好职工的生活，向施工人员进行技术交底和质量交底，保证施工质量和进度。3.5 施工现场准备（1）盾构拼装或拆卸的工作作为拼装或拆卸盾构的井，其建筑尺寸应满足盾构拼装、拆卸的施工工艺要求，一半井宽应大于盾构直径 16.2.0m，静的长度主要考虑盾构设备安装余地，以及盾构出洞施工所需最小尺寸。（2）盾构基座盾构基座应置于工作井的地板上，用作安装及搁置盾构，更重要的是通过设在基座上的导轨，使盾构在出洞前就有正确的导向。因此，导轨要根据隧道设计轴线及施工要求定出平面、高程、坡度来进行测量定位。（3）盾构后座在工作井中盾构向前推进，其推力要靠工作井后壁老承担，因此在盾构与后经壁之间要有传力设施，此设施称为后座，通常由隧道衬砌。专用顶块、顶撑等组成。
