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1、第第1章章绪绪论论地下施工技术主要包括：地下施工技术主要包括：1、盾构施工技术、盾构施工技术2、顶管施工技术、顶管施工技术3、沉管施工技术、沉管施工技术4、沉井施工技术、沉井施工技术5、深基坑围护施工技术、深基坑围护施工技术6、非开挖施工技术、非开挖施工技术第第1节节盾构施工技术盾构施工技术一、国外盾构施工技术发展概述一、国外盾构施工技术发展概述1.世界上第一条人工开挖盾构隧道：世界上第一条人工开挖盾构隧道：人物：人物：MarcBrunelIsambartBrunel地点：伦敦泰晤士河下地点：伦敦泰晤士河下概况：呈矩形状（宽概况：呈矩形状（宽11.6m高高7m），总长），总长366m历时：耗时
2、历时：耗时20年左右年左右发展：发展：1869年，圆形敞开式盾构在泰晤士河下再建了年，圆形敞开式盾构在泰晤士河下再建了一条外径为一条外径为2.18m的行人隧道。的行人隧道。1886年，伦敦地铁时首次使用了压缩空气盾构。年，伦敦地铁时首次使用了压缩空气盾构。2.第一台机械化盾构的专利：第一台机械化盾构的专利：1876年，由英国的年，由英国的JohnDickinsonBrunton和和GergeBrunton合作申请。如图合作申请。如图1-1所示，第一台机械化盾构的设所示，第一台机械化盾构的设想是用由几块板构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠想是用由几块板构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠径向转
3、动的土斗将切削下来的土体运到皮带输送机上。径向转动的土斗将切削下来的土体运到皮带输送机上。1896年，年，J.Price的专利（图的专利（图1-2）比图）比图1-1有较大改进，有较大改进，刀盘由若干轮辐构成，电动驱动由长轴传递，其外形也与刀盘由若干轮辐构成，电动驱动由长轴传递，其外形也与现代盾构较为接近。现代盾构较为接近。图图1-1第一台机械化盾构第一台机械化盾构图图2-2轮辐式刀盘盾构轮辐式刀盘盾构3.削土密封式压力平衡盾构削土密封式压力平衡盾构1965年日本首先制造了泥水盾构。年日本首先制造了泥水盾构。基本原理：是用液体（水或加膨润土的水）平衡开挖基本原理：是用液体（水或加膨润土的水）平衡
4、开挖面的土体。面的土体。图图1-3 泥水盾构泥水盾构特点：泥水处理系统比较复杂，可用于粘土地层，大特点：泥水处理系统比较复杂，可用于粘土地层，大多数情况是在含水砂层中使用。多数情况是在含水砂层中使用。1974年，日本土压平衡盾构年，日本土压平衡盾构。在此之前，虽然压缩空在此之前，虽然压缩空气盾构和泥水盾构己能克服含水层中的施工问题，但压缩气盾构和泥水盾构己能克服含水层中的施工问题，但压缩空气对人体的危害和泥水对环境的不利影响促使日本的隧空气对人体的危害和泥水对环境的不利影响促使日本的隧道专家寻找一个更好的解决问题的办法，土压平衡盾构便道专家寻找一个更好的解决问题的办法，土压平衡盾构便应运而生了
5、。应运而生了。图图1-4 土压平衡盾构土压平衡盾构4.盾构技术的新发展盾构技术的新发展20世纪进入世纪进入80年代后，盾构技术发展的主流大致从以年代后，盾构技术发展的主流大致从以下两个方面延伸：下两个方面延伸：（1）日本人注重的开发不同几何形状的盾构技术；）日本人注重的开发不同几何形状的盾构技术；（2）欧洲诸国（特别是德国）致力于研究能适合不同地层）欧洲诸国（特别是德国）致力于研究能适合不同地层的多功能盾构技术（的多功能盾构技术（CombinedShields）。）。图图1-5 矩形盾构端部矩形盾构端部图图1-6 双圆形盾构双圆形盾构图图1-7 三圆形盾构三圆形盾构图图1-8 竖井隧道一体化盾
6、构竖井隧道一体化盾构图图1-10混合盾构混合盾构（a）泥水平衡泥水平衡（b）上压平衡上压平衡（c）机械平衡机械平衡图图1-11 合成盾构合成盾构5.管片及其联接方式的新发展管片及其联接方式的新发展管片的联接方式主要是螺栓联接和销钉联接两种方式。管片的联接方式主要是螺栓联接和销钉联接两种方式。图图1-12塑料销钉塑料销钉图图1-13钢销钉钢销钉Wagner的销钉技术具有以下特点的销钉技术具有以下特点:（1）施施工工速速度度大大大大提提高高，这这是是因因为为减减少少了了穿穿螺螺栓栓和和拧拧螺螺栓栓的时间；的时间；（2）可可以以实实现现连连续续施施工工，这这是是因因为为在在管管片片拼拼装装时时，盾盾
7、构构可可以不停顿地继续推进，大大提高了工作效率；以不停顿地继续推进，大大提高了工作效率；（3）可可以以减减少少隧隧道道上上方方的的土土体体沉沉降降，这这是是因因为为盾盾构构能能够够保保持持连连续续推推进进气气并并能能及及时时进进行行壁壁后后注注浆浆，有有效效地地充充填填建建筑筑孔孔隙；隙；（4）可可以以减减少少管管片片的的厚厚度度，这这是是因因为为在在管管片片的的设设计计中中可可以以省略因穿放螺栓的手孔；省略因穿放螺栓的手孔；（5）可可以以大大大大提提高高管管片片内内壁壁光光洁洁度度，减减少少水水流流的的摩摩擦擦因因数数，这对用于水工隧道是非常有利的；这对用于水工隧道是非常有利的；（6）可以大
8、大提高隧道的成环质量和管片防水性能，这是）可以大大提高隧道的成环质量和管片防水性能，这是因为销钉技术提高了管片拼装精度，接缝间隙大大减小。因为销钉技术提高了管片拼装精度，接缝间隙大大减小。管片的拼装方式有通缝拼装和错缝拼装两种。管片的拼装方式有通缝拼装和错缝拼装两种。图图1-14圆形隧道圆形隧道通用管片的工作机理通用管片的工作机理:是管片成环后将成为非等宽衬砌是管片成环后将成为非等宽衬砌环，通过对相邻管片环的旋转排列可以达到拼装成三维曲环，通过对相邻管片环的旋转排列可以达到拼装成三维曲线（含曲率半径为无穷大的直线隧道）隧道的目的。线（含曲率半径为无穷大的直线隧道）隧道的目的。二、中国盾构技术发
9、展概述二、中国盾构技术发展概述1.第一个五年计划期间第一个五年计划期间,东北阜新煤矿用直径东北阜新煤矿用直径2.6m盾构及小型混凝土预制块建造盾构及小型混凝土预制块建造了疏水巷道。了疏水巷道。2.1957年在北京下水道工程中也用过直径为年在北京下水道工程中也用过直径为2.0m及及2.6m的盾构。的盾构。3.1963年上海隧道公司在浦东塘桥第四纪软弱含水地层进行的年上海隧道公司在浦东塘桥第四纪软弱含水地层进行的4.2m盾构隧道盾构隧道试验。试验。4.1964年隧道公司开发了网格式盾构。年隧道公司开发了网格式盾构。5.1966年用可封闭式网格盾构建造了直径为年用可封闭式网格盾构建造了直径为10m的
10、上海第一条黄浦江越江隧道的上海第一条黄浦江越江隧道（打浦路隧道）。（打浦路隧道）。6.1978年在地铁试验段使用了自己生产的高精度管片。年在地铁试验段使用了自己生产的高精度管片。7.1984年上海隧道工程公司（英文缩写名年上海隧道工程公司（英文缩写名:STEC）用日本进口的用日本进口的4.33m小刀盘小刀盘土压平衡盾构，建造了内径为土压平衡盾构，建造了内径为3.6m的下水道总管。的下水道总管。8.1988年年STEC设计和使用了加泥式土压平衡盾构。设计和使用了加泥式土压平衡盾构。9.1990年年STEC设计了刀盘削土土压平衡盾构。设计了刀盘削土土压平衡盾构。10.1991年年STEC使用以法国
11、使用以法国FCB公司为主制造的土压平衡盾构施工了上海地铁公司为主制造的土压平衡盾构施工了上海地铁一号线的大部分区间隧道。一号线的大部分区间隧道。11.1995年年STEC使用以日本为主制造的使用以日本为主制造的11.22m泥水盾构建造了上海黄浦江下泥水盾构建造了上海黄浦江下的延安路南线隧道。的延安路南线隧道。12.1998年至今，年至今，STEC在承接新加坡东北线地铁工程的施工过程中，掌握了当在承接新加坡东北线地铁工程的施工过程中，掌握了当今流行的通用管片的使用方法等国际最新盾构施工技术今流行的通用管片的使用方法等国际最新盾构施工技术。第第2节节顶管施工技术顶管施工技术顶管施工技术：顶管施工技
12、术：其机头的掘进方式同盾构，但其推进的动力由放在始其机头的掘进方式同盾构，但其推进的动力由放在始发井内的后顶装置提供，故其推力要大于同直径的盾构隧发井内的后顶装置提供，故其推力要大于同直径的盾构隧道。顶管管道是由整体浇筑预制的管节拼装成的，一节管道。顶管管道是由整体浇筑预制的管节拼装成的，一节管节长节长24m，对同直径的管道工程，采用顶管法施工的成本对同直径的管道工程，采用顶管法施工的成本比盾构法施工的要低。比盾构法施工的要低。顶管施工主要用于：顶管施工主要用于：地下给排水管、煤气管、电讯电缆管的施工。地下给排水管、煤气管、电讯电缆管的施工。顶管施工的发展：顶管施工的发展：在引进国外先进技术的
13、同时，先后开发了水力机械顶在引进国外先进技术的同时，先后开发了水力机械顶管机、反铲顶管机、土压平衡顶管机和泥水平衡顶管机。管机、反铲顶管机、土压平衡顶管机和泥水平衡顶管机。长距离顶管技术也得到了开发和应用。混凝土管节制作技长距离顶管技术也得到了开发和应用。混凝土管节制作技术和管节防水技术也得到了发展和提高。术和管节防水技术也得到了发展和提高。一、局部气压反铲式顶管机一、局部气压反铲式顶管机德国较早开发反铲式顶管机技术，开挖面施加气压可德国较早开发反铲式顶管机技术，开挖面施加气压可用于含水地层，尤其适用砂性土和混有砾石、卵石的地层。用于含水地层，尤其适用砂性土和混有砾石、卵石的地层。1990年，
14、上海污水治理一期年，上海污水治理一期3.2标工程采用德国崔柏林公司标工程采用德国崔柏林公司的的4000反铲顶管机一次顶进反铲顶管机一次顶进800m。1993年，上海隧道公年，上海隧道公司研制的司研制的2200反铲顶管机，用于深圳华侨城排水管道工反铲顶管机，用于深圳华侨城排水管道工程，一次顶进程，一次顶进1053m。二、土压平衡顶管机二、土压平衡顶管机日本是最早开发土压平衡盾构，并把该项技术用于顶日本是最早开发土压平衡盾构，并把该项技术用于顶管工程。管工程。德国在土压平衡顶管机技术方面也处于领先地位。德国在土压平衡顶管机技术方面也处于领先地位。隧道公司在隧道公司在1989年研制出国内第年研制出国
15、内第1台台2200土压平衡顶土压平衡顶管机，并开发了土压平衡顶管工法管机，并开发了土压平衡顶管工法。土压平衡顶管机特点：土压平衡顶管机特点：具有刀盘切削土体、开挖面土压平衡、对土体扰动小、具有刀盘切削土体、开挖面土压平衡、对土体扰动小、地面和建筑的沉降较小等特点，适用于软粘土地层的城市地面和建筑的沉降较小等特点，适用于软粘土地层的城市建筑密集区内进行顶管施工。在砂性土或砾石土层中采用建筑密集区内进行顶管施工。在砂性土或砾石土层中采用土压平衡顶管机时，应适当加注泥浆使土体塑流。土压平衡顶管机时，应适当加注泥浆使土体塑流。三、泥水平衡顶管机三、泥水平衡顶管机泥水平衡顶管机可分为：泥水平衡顶管机可分
16、为：泥水机械平衡和泥水加压两种顶管机。泥水机械平衡和泥水加压两种顶管机。工作原理：工作原理：泥水加压顶管机采用泥水加压盾构的原理，以膨润土泥水加压顶管机采用泥水加压盾构的原理，以膨润土泥浆充满开挖面密闭舱，在开挖面土体接触面形成泥膜，泥浆充满开挖面密闭舱，在开挖面土体接触面形成泥膜，起到止水作用，以泥水压力平衡开挖面水土压力。起到止水作用，以泥水压力平衡开挖面水土压力。特点特点:适用砂性高水压条件下的顶管施工，其安全性好，施适用砂性高水压条件下的顶管施工，其安全性好，施工机械化、自动化程度高，但制造和施工成本也较高。工机械化、自动化程度高，但制造和施工成本也较高。第第3节节沉管、沉井施工技术的
17、发展沉管、沉井施工技术的发展一、沉管隧道施工技术一、沉管隧道施工技术1.沉管法的历史沉管法的历史目前全世界用沉管法己修建了目前全世界用沉管法己修建了107条水下隧道，按国别条水下隧道，按国别（或地区）的分布见表（或地区）的分布见表1-1。表表1-1 各国（或地区）修建的沉管水下隧道条数各国（或地区）修建的沉管水下隧道条数国家（地区）国家（地区）美国美国荷兰荷兰日本日本德国德国加拿大加拿大法国法国数量（条）数量（条）25.5222072.55国家（地区）国家（地区）瑞典瑞典比利时比利时丹麦丹麦阿根廷阿根廷俄罗斯俄罗斯英国英国数量（条）数量（条）233112国家（地区）国家（地区）澳大利亚澳大利亚
18、希腊希腊古巴古巴西班牙西班牙中国中国爱尔兰爱尔兰数量（条）数量（条）1111812.沉管法在我国的发展沉管法在我国的发展在国外有些国家用沉管法修建水下隧道是一种成熟的在国外有些国家用沉管法修建水下隧道是一种成熟的方法，而在我国尚属起步阶段。方法，而在我国尚属起步阶段。目前，我国用沉管法目前，我国用沉管法修建的水下隧道有修建的水下隧道有:1.宁波常洪隧道宁波常洪隧道;2.上海外环线下游越江上海外环线下游越江隧道；隧道；准备修建的隧道有：准备修建的隧道有：1.武汉长江隧道。武汉长江隧道。二、沉井施工技术二、沉井施工技术沉井是一种古老的施工技术，深沉井施工易发生周围沉井是一种古老的施工技术，深沉井施
19、工易发生周围土体塌陷和沉井偏斜，于是开发了不排水下沉施工法和气土体塌陷和沉井偏斜，于是开发了不排水下沉施工法和气压沉井（又称压沉井（又称“沉箱沉箱”）施工法。）施工法。德国首创的中心岛法沉井工法采用沿井壁内周挖槽施德国首创的中心岛法沉井工法采用沿井壁内周挖槽施工、泥浆护壁、中间留岛，待下沉至设计标高时再挖去中工、泥浆护壁、中间留岛，待下沉至设计标高时再挖去中间土体，这是一种对周围地表沉降影响非常小的新工艺。间土体，这是一种对周围地表沉降影响非常小的新工艺。沉井施工在施工机械化程度较高的年代仍将是一种十沉井施工在施工机械化程度较高的年代仍将是一种十分有效的地下工程施工技术，但在工艺和设备上仍有待
20、不分有效的地下工程施工技术，但在工艺和设备上仍有待不断改进。断改进。沉沉井井施施工工第第4节节深基坑围护施工技术深基坑围护施工技术一、地下连续墙的发展一、地下连续墙的发展1.地下连续墙的起源与发展地下连续墙的起源与发展米兰法米兰法从利用泥浆护壁打石油钻井和利用导管浇从利用泥浆护壁打石油钻井和利用导管浇灌水下混凝土等施工技术的应用中，引申发展起来的新技灌水下混凝土等施工技术的应用中，引申发展起来的新技术。术。1950年前后在意大利城市米兰用得最多年前后在意大利城市米兰用得最多。地下连续墙施工方法解决：不允许采用放坡开挖地下连续墙施工方法解决：不允许采用放坡开挖；不能采；不能采用沉井方法施工用沉井
21、方法施工；降水会引起地面沉降；降水会引起地面沉降；难以保证工程自；难以保证工程自身和周围环境的安全。身和周围环境的安全。2.隧道公司从事地下连续墙施工的历史隧道公司从事地下连续墙施工的历史1960年，上海市为了解决黄浦江越江交通和城市交通年，上海市为了解决黄浦江越江交通和城市交通问题，筹建黄浦江越江隧道和地下铁道问题，筹建黄浦江越江隧道和地下铁道。1963年，隧道公司筑成了国内第一幅用年，隧道公司筑成了国内第一幅用“槽壁法槽壁法”施施工的地下墙。工的地下墙。1973年，中断多年的年，中断多年的“槽壁法槽壁法”试验在黄浦江边隧道试验在黄浦江边隧道公司的一个工地上重新开始。公司的一个工地上重新开始
22、。1976年，年，“槽壁法槽壁法”试验移师漕河泾三角地，结合上试验移师漕河泾三角地，结合上海地铁试验工程。海地铁试验工程。在此后至今的在此后至今的20多年中，隧道公司先后承建了上海地多年中，隧道公司先后承建了上海地铁一号线中铁一号线中大部分车站等及其他地下连续墙工程。大部分车站等及其他地下连续墙工程。二、深基坑围护支撑和开挖施工技术二、深基坑围护支撑和开挖施工技术深基坑开挖施工中一般都要对围护结构进行内支撑或深基坑开挖施工中一般都要对围护结构进行内支撑或打锚杆以控制挡土墙的变形。在软土地层不宜施工锚杆的打锚杆以控制挡土墙的变形。在软土地层不宜施工锚杆的情况下，一般需要进行内支撑体系。情况下，一
23、般需要进行内支撑体系。为确保基坑稳定和环境安全，深基坑施工顺序应考虑为确保基坑稳定和环境安全，深基坑施工顺序应考虑时空效应，必须进行信息化施工和采取局部注浆加固等综时空效应，必须进行信息化施工和采取局部注浆加固等综合技术措施。合技术措施。第第5节节微型顶管机及非开挖技术的发展微型顶管机及非开挖技术的发展非开挖施工技术：非开挖施工技术：是指利用各种岩土钻掘的技术手段，在地表不开沟是指利用各种岩土钻掘的技术手段，在地表不开沟（槽）的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的施工新（槽）的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的施工新技术，即改传统的技术，即改传统的“挖槽铺管和修复挖槽铺管和修复”施工方式为施
24、工方式为“钻孔钻孔铺管铺管和修复和修复”。优点：优点：具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合施具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著等。工成本低、社会效益显著等。适用范围：适用范围：穿越高速公路、铁路、建筑物、河流；穿越高速公路、铁路、建筑物、河流；在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区进行市在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区进行市政、供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺政、供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新或修复。设、更新或修复。一、小口径顶管或微型隧道施工法一、小口径顶管或微型隧道施工法根根据据施施工工方方法法和和出
25、出碴碴系系统统的的不不同同，可可将将微微型型隧隧道道施施工工法法分成以下三种分成以下三种:（1）先导式微型隧道施工法；）先导式微型隧道施工法；（2）螺旋出土式微型隧道施工法；）螺旋出土式微型隧道施工法；（3）泥水平衡式微型隧道施工法。）泥水平衡式微型隧道施工法。二、气动矛施工法二、气动矛施工法施工时，在压气的作用下气动矛内的活塞作往复式运施工时，在压气的作用下气动矛内的活塞作往复式运动，不断冲击矛，矛头挤压周围的土层形成钻孔，并带动动，不断冲击矛，矛头挤压周围的土层形成钻孔，并带动矛体前进。随着气动矛的前进，可将直径比矛体小的管线矛体前进。随着气动矛的前进，可将直径比矛体小的管线拉入孔内，完成
26、管线铺设。拉入孔内，完成管线铺设。三、夯管施工法三、夯管施工法夯管施工法是指用夯管锤（低频、大冲击力的气动冲夯管施工法是指用夯管锤（低频、大冲击力的气动冲击器）将待铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层，实现非击器）将待铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层，实现非开挖穿越铺管。开挖穿越铺管。图图1-15气动矛施工法气动矛施工法图图1-16夯管施工法夯管施工法四、定向钻进施工法四、定向钻进施工法施工时，按照设计的钻孔轨迹（一般为弧形），采用施工时，按照设计的钻孔轨迹（一般为弧形），采用定向钻进技术先施工一个近似水平的先导孔，随后在钻杆定向钻进技术先施工一个近似水平的先导孔，随后在钻杆柱端部换接大直径的扩孔
27、钻头和直径小于扩孔钻头的待铺柱端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线，在回拉扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，设管线，在回拉扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，完成铺管作业。完成铺管作业。钻孔轨迹的监测和调控是水平定向钻进最重要的技术环节。钻孔轨迹的监测和调控是水平定向钻进最重要的技术环节。目前一般采用随钻测量的方法来测定钻孔的顶角、方目前一般采用随钻测量的方法来测定钻孔的顶角、方位角和工具面向角，采用弯接头来控制钻进方向，位角和工具面向角，采用弯接头来控制钻进方向，图图1-17定向钻进施工法定向钻进施工法五、我国非开挖施工技术及设备的发展现状五、我国非开挖施工技术及设备的发
28、展现状我国自行研制的主要非开挖施工设备分类如下我国自行研制的主要非开挖施工设备分类如下:（1）水水平平钻钻机机:管管径径401050mm，钻钻进进距距离离50100m，一一般般为为50m，分分别别由由地地矿矿部部勘勘探探所所、北北京京市市政政工工程程研研究究所、天津市政三公司、江汉石油机械厂研制。所、天津市政三公司、江汉石油机械厂研制。（2）导导向向钻钻机机:管管径径40400mm，钻钻进进距距离离200300m,DZ-200全全液液压压动动力力头头导导向向钻钻机机由由河河北北省省地地矿矿局局开开发发，GBS系列由地矿部勘探所研制。系列由地矿部勘探所研制。（3）气气动动矛矛和和夯夯管管锤锤:管管径径422000mm，顶顶进进长长度度30100m，分分别别由由地地矿矿部部勘勘探探所所、长长春春地地质质学学院院、长长春春路路下工程公司，同济大学研制。下工程公司，同济大学研制。（4）微型液压顶管机）微型液压顶管机:管径管径6001000mm，遥控操作，遥控操作，顶进长度顶进长度6080m，由上海隧道工程股份有限公司研制。由上海隧道工程股份有限公司研制。演讲完毕，谢谢观看！