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1、盾构法隧道盾构法隧道盾构法隧道（Shield Tunnel）1.概述地铁隧道已成为解决城市交通拥挤最有效手段之一。我国经济发达的中心城市相继开展地铁建设。盾构工法已成为城市地下隧道的主要修建方法之一。2.盾构法主要施工工序出发竖井中间竖井接收竖井盾构机2.盾构法主要施工工序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、盾构掘进机安装就位3、出洞、出洞 口土体加固口土体加固4、初推段掘进施工、初推段掘进施工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盾构吊
2、装就位盾构吊装就位盾构设备车架盾构设备车架盾构设备车架盾构设备车架盾构准确进入接收井盾构准确进入接收井3.1 盾构机基本构造盾构机是一种既能承受地层压力、又能在地层中掘进的施工机具。盾构机由通用机械（外壳、掘削机构、挡土机构、推进机构、管片组装机构等）和专用机构组成（如土压盾构的排土机构、添加材注入机构；泥水盾构的送排泥机构、搅拌机构）。3.盾构机(Shield Machine)3.1 盾构机基本构造3.盾构机(Shield Machine)面板式辐条式3.2 盾构机类型（1）按断面形式分：圆形、椭圆形、马蹄形、矩形、双圆搭接形、三圆搭接形。3.盾构机(Shield Machine)圆形椭圆马
3、蹄形矩形3.2 盾构机类型（1）按断面形式分：圆形、椭圆形、马蹄形、矩形、双圆搭接形、三圆搭接形。3.盾构机(Shield Machine)三圆搭接双圆形3.2 盾构机类型（2）按出土器械的机械化程度分：手掘式、半机械掘削式、机械掘削式。3.盾构机(Shield Machine)半机械式手掘式机械式3.3 常用盾构机类型及其施工原理（3）按掘削面敞开程度分：全部敞开式、部分敞开式（网格式）、封闭式（泥水式、土压式）。3.盾构机(Shield Machine)土压式敞开式泥水式网格挤压式3.3 常用盾构机类型及其施工原理（4）按掘削面加压稳定方式分：气压式、泥水式、土压式，其中以泥水平衡和土压平
4、衡两种最为常用。3.盾构机(Shield Machine)土压式气压式泥水式3.3 常用盾构机类型及其施工原理泥水平衡原理：把水、粘土及添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水舱，待泥水充满整个泥水舱后，盾构机的推进系统工作，则推进力经舱内泥水传递到掘削面 的土体上，刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌后含掘削土砂的高浓度泥水，经泥浆泵送到地表的泥水分离系统。3.盾构机(Shield Machine)3.3 常用盾构机类型及其施工原理土压平衡原理：盾构推进时前端刀盘旋转掘削土体，掘削下来的土体涌入土舱。当掘削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使掘削土体即对掘削面加压。当该加压压力与掘削地层
5、的土压+水压相等，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为掘削面土压平衡状态。3.盾构机(Shield Machine)4.1 地层变位的影响因素1.地层损失地层损失是指盾构施工过程中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。（1）开挖面的土体移动。（2）土体挤入盾尾间隙。（3）盾构推进过程中推进方向的改变、盾尾纠偏、曲线推进、仰头推进或叩头推进，实际开挖断面不是圆形而是椭圆形，从而引起地层损失。（4）盾构外壳移动与地层间的摩擦与剪切作用，引起地层损失。（5）在水土压力作用下，隧道衬砌产生变形而引起少量的地层损失。4.盾构法施工引起的地层变位4.1 地层变位的影响因
6、素2.受扰动土体的再固结盾构隧道周围土体受到盾构施工扰动后，便在盾构隧道周围形成超孔隙水压力区。当盾构离开该处地层后，由于土体表面的应力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。在孔隙水压下降过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面沉降。地层因孔隙水压力变化而产生的地面沉降，称之为主固结沉降。土体受到扰动后，土体骨架还发生持续很长时间的压缩变形。在此土体蠕变过程中产生的地面沉降称为次固结沉降。4.盾构法施工引起的地层变位4.2 地层变位的模式1.地表横向沉降Peck（1969）通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后，首先提出地表沉降槽正态分布的概念，并认为施工引起的地面沉降是在不排水条件下发生的，所以沉
7、降槽的体积应等于地层损失的体积。此法假定地层损失在隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分布似正态分布函数。4.盾构法施工引起的地层变位4.2 地层变位的模式1.地表纵向沉降刘建航（1991）在Peck法的基础上，总结了上海地铁隧道纵向沉降分布的一般规律。4.盾构法施工引起的地层变位5.1 衬砌结构的作用（1）在施工阶段中，作为施工临时支撑用，并承受盾构千斤顶项力以及其它施工荷重。（2）竣工后作为隧道永久性支撑结构。（3）防止泥、水渗入。（4）内衬具有防水、防钢筋腐蚀、修正施工误差和内部装饰等作用。5.衬砌的形式和构造5.2 衬砌结构的选型（1）依据隧道的使用目的，围岩条件以及施工方法，合理选择衬
8、砌的强度、结构形式和种类等。（2）根据隧道的车辆限界、建筑限界以及使用要求选择合适的盾构隧道横断面，最常用的为圆型与矩型。（3）在饱和含水软土地层中修建地下隧道，较常用的结构型式是选用圆形结构。（4）根据荷载大小以及防渗漏要求确定是否需要二次衬砌。5.衬砌的形式和构造5.3 衬砌的分类（一）按材料及形式分类1.钢筋混凝土管片（1）箱形管片一般用于较大直径的隧道。单块管片重量较轻，管片本身强度不如平板形管片，特别在盾构顶力作用下易开裂。5.衬砌的形式和构造5.3 衬砌的分类（一）按材料及形式分类1.钢筋混凝土管片（2）平板形管片用于较小直径的隧道，单块管片重量较重，对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗
9、能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。5.衬砌的形式和构造5.3 衬砌的分类（一）按材料及形式分类2.铸铁管片饱和含水不稳定地层中修建隧道时较多采用。管片较轻，耐蚀性好，机械加工后管片精度高，能有效地防渗抗漏。金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。易脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷重的隧道。5.衬砌的形式和构造河河流流地表面地表面主要使用主要使用DC管片的部位管片的部位竖竖井井竖竖井井河河流流铁铁路路民民宅宅道路桥道路桥被密封的隧道被密封的隧道重荷载部位：河流的横断面重荷载部位：河流的横断面、民房下面民房下面、软弱地层软弱地层急曲线部位急曲线部位车站及特殊部位车站及特殊部位（连盾构连盾构、矩
10、形、矩形盾构盾构等）等）铸铁管片的适用场所铸铁管片的适用场所5.3 衬砌的分类（一）按材料及形式分类3.钢管片优点是重量轻、强度高。缺点是刚度小、耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要求。成本昂贵，金属消耗量大。5.衬砌的形式和构造5.3 衬砌的分类（一）按材料及形式分类4.复合管片外壳采用钢板制成，在钢壳内浇注钢筋混凝土，组成一复合结构，其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小。缺点是钢板耐蚀性差，加工复杂冗繁。5.衬砌的形式和构造5.3 衬砌的分类(二)按结构型式分类 1.管片适用于不稳定地层内各种直径的隧道内的。纵向接缝间通过螺栓予以连接，螺栓可承受较大的正、负弯矩
11、；环向接缝上设置纵向螺检，具有抵抗隧道纵向变形的能力。管片拼装进度大为降低。5.衬砌的形式和构造5.3 衬砌的分类(二)按结构型式分类 2.砌块一般适用于含水量较少的稳定地层内。衬砌结构在通过变形后(变形量必须予以限制)地层介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。砌块由于在接缝上不设置螺栓，施工拼装进度就可加快。5.衬砌的形式和构造5.3 衬砌的分类(三)按形成方式分类1.装配式衬砌由分块的预制管片在盾尾拼装而成。按照管片所在位置及拼装顺序不同可将管片划分为标准块、邻接块和封顶块。特点：工厂化生产、机械化安装；立即受荷；接缝防水。5.衬砌的形式和构造封顶块管片标准块管片5.3 衬砌的分类(三)按形成
12、方式分类2.挤压混凝土衬砌在盾尾刚浇捣而未硬化的混凝土处在高压作用下，作为盾尾推进的后座，盾尾在推进的过程中，不产生建筑空隙，空隙由注入的混凝土直接填充。特点：自动化程度高；理想的受力、防水要求；钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能。5.衬砌的形式和构造5.3 衬砌的分类(四)按构造型式分类分为单层及双层衬砌两种型式。饱和含水软土地层内的隧道，外层是装配式衬砌结构，内层是内衬混凝土或钢筋混凝土层。双层衬砌存在的问题：开挖断面增大；施工工序复杂；逐步为单层衬砌所代替。5.衬砌的形式和构造5.4 装配式钢筋混凝土管片(一)环宽无论是钢筋混凝土管片或金属管片，环宽一般在3002000mm之间，常用的
13、是750900mm。环宽不易过大或过小。(二)分块单线地下铁道衬砌一般可分成68块，双线地下铁道衬砌可分为810块；小断面隧道可分为46块。管片的最大弧、弦长一般较少超过4m，管片越薄其长度应越短。5.衬砌的形式和构造5.4 装配式钢筋混凝土管片(三)封顶管片形式趋向于采用小封顶形式。封顶块的拼装形式有两种，一为径向楔入，另一为纵向插入。5.衬砌的形式和构造5.4 装配式钢筋混凝土管片(四)拼装形式有通缝、错缝两种。5.衬砌的形式和构造通缝拼装方式通缝拼装方式错缝拼装方式错缝拼装方式5.5 管片接头构造(一)接头类型纵向接头、环向接头。从其力学特性可分为柔性接头和刚性接头。(二)接头结构形式（
14、1）螺栓接头环向螺栓根据接缝内力设置单排或双排，每排23个螺栓；纵向螺栓按管片分块结构受力要求配置。5.衬砌的形式和构造弯螺栓联结形式直螺栓联结形式斜直螺栓联结形式5.5 管片接头构造(二)接头结构形式（2）铰接头多铰环的环向接头，几乎不产生弯曲，轴向力占主导，在地基条件良好的英国和俄罗斯广泛应用。地下水位以下，对防水有要求。（3）销插入接头可做环向和纵向接头使用。5.衬砌的形式和构造暗销接头暗销接头5.5 管片接头构造(二)接头结构形式（4）楔形接头利用楔形作用将管片拉和紧固的接头，以混凝土平板型管片为对象开发使用。5.衬砌的形式和构造凸圆弧面球铰接头凸圆弧面球铰接头凹凸圆弧面球铰接头凹凸圆弧面球铰接头5.5 管片接头构造(二)接头结构形式（5）榫接头接头部分设有凹凸，通过凹凸部位的啮合作用进行力的传递，主用作为环向接头使用。5.衬砌的形式和构造榫槽式接头榫槽式接头结束结束