第9章 盾构法隧道结构

3）盾构灵敏度L/D

经验数值 : 小型盾构D=2~3m，L/D=1.5 中型盾构D=3~6m，L/D=1.00 大型盾构D=6~9m，L/D=0.75 特大型盾构D＞12m，L/D=0.45~0.75
4）盾构千斤顶推力计算


阻力包括：
盾构外表面与四周地层的摩阻力； 盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力； 盾构切口部分刃口切入土层的阻力； 盾构切口环切入土层时的正面阻力； 开挖面正面支撑阻力； 以及盾构自重引起的阻力，纠偏时的阻力，局部气 压或泥水压力，阻力板阻力等。
9.4 装配式圆形衬砌构造

“管片”是建成隧道后的永久性支撑结构， 应满足强度要求、使用要求；
施工阶段须装配简便、容易替换、承受盾 构千斤顶顶力及其它施工荷载。

箱形管片
平板形管片

带肋管片的材料长期以来多为铸铁 （见图9-6c）和钢。
环宽与厚度


国内外常用的环宽是750~1000m； 曲线段推进时设有楔形管片，按隧道曲率 半径计算； 管片厚度一般为250~600mm。
普通盾构 敞胸 人工开挖 （手掘式） 棚式盾构 网格式盾构 半挤压盾构 闭胸 全挤压盾构 反铲式盾构 半机械式 敞胸 旋转式盾构 敞胸 旋转刀盘式盾构 局中气压盾构 机械式 闭胸 泥水加压盾构 土压平衡盾构（加水 式、加泥式）
临时挡板、支撑千斤顶 将开挖面分成几层，利用砂的安息角和棚 的磨擦 利用土和钢制网状硌栅的磨擦 胸板局部开孔依赖盾构千斤顶推力土砂自 然流入 胸板无孔、不进土 手掘式盾构装上反铲挖土机 同上，装上软岩掘进机 单刀盘加面板多刀盘加面板 面板和隔板间加气压 面板和隔板间加压力泥水 面板和隔板间充满土砂容积产生的压力与 开挖面处的地层压力保持平衡
隧道剖面图
1-进风道；2-进风口；3-排风口；4-排风道；5-路面（下拉杆） 6-天棚（上拉杆）；7-吊杆；8-照明灯；9-灭火器；10-消防栓； 11-电缆；12-排水管；13-给水管；14-纵向螺栓；15-环向螺栓
按形状分类

大致有圆形（又称半盾构）、矩形、马蹄形等几 种。
圆形因其抵抗水土压力较理想，衬砌拼装简便， 构件可以互换，较为通用，数量最多。 圆形盾构中，敞胸盾构和闭胸盾构两大类。

9.3.2 衬砌拼装

隧道衬砌是在盾构尾部壳保护下的空间内进行拼 装。
组成：铸铁、钢、钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土 的复合材料等制成的管片或砌块。 结构受力及使用要求决定盾构及衬砌结构形式并 决定其拼装方法。


拼装方法



重臂拼装或拱托架拼装 ； 通缝拼装（管片的纵缝环对齐）或错缝拼 装； 螺栓联结的管片或无螺栓联结的砌块等。 按其程序可分为“先纵后环”和“先环后 纵”。 采用举重臂拼装管片的原则应是自下而上， 左右交叉，最后封顶成环。



2）气压加手掘式敞胸盾构施工

盾构施工在含水松软不稳定地层中采用气压来疏干 和支护开挖面，以防止涌水、开挖面崩坍，增强地 层强度，是一种极古老，且行之有效的施工方法。
（1）气压大小及耗气量的确定 理论上，每10m水头必须用0.1Mpa的气压力来平衡。


实际上 ，仅为理论压力的50%~60%，空气量仅为 理论空气量的10%~50%。
70
9.50
4.73
0.5
340
36
3500
10.20
6.63
0.65
400
40
8000
11.26
7.80
0.69
480
44
8800
9.3 盾构推进及衬砌拼装


9.3.1 盾构推进 已建隧道所采用过的大直径盾构，大部分都属于 手掘式敞胸盾构或闭胸挤压盾构，或者是两者兼 有的盾构。 技术先进的泥水盾构或土压平衡盾构很少采用 。 本节将主要介绍在松软含水地层中采用手掘式敞 胸盾构施工，辅以气压，人工井点降水及其它地 层加固措施，盾构开挖掘进时的几种施工方法。


日本盾构总推力经验公式
P (70 100)

4
D2 ( N )
表9-2
隧道名称 荷兰Vehicular 美国林肯隧道 美Brooklynbattery 美QueenMidtown 直径 D(m) 9.17 9.63 9.63 长度 L(m) 5.73 4.71 4.71 灵敏 度L/D 0.63 0.49 0.49 重量 W(t) 400 304 315 盾构千斤 (104N) 顶（只数） 30 28 28 6000 6440 6440
3）机械式闭胸盾构

（1）局部气压盾构 （2）泥水加压式盾构 (3)土压平衡式盾构
表9-1
挖掘方式 构造类 型 盾构名称 开挖面稳定措施 适用地层 地质稳定或松软均 可 砂性土 粘土淤泥 软可塑的粘性土 淤泥 土质坚硬稳定开挖 面能自立 软岩 软岩 多水松软地层 含水地层、冲积层、 洪积层 淤泥、淤泥混砂 辅助措施 不再另设辅助措 施 辅助措施 附注

采用经验公式计算耗气量：
Q D

2
—土质系数，当压力大于0.1MPa时，
粘性土=3.65；砂性土=7.30。
（2）气压盾构施工

气压盾构施工中闸墙和气闸作用是将作业区与常压 作业区隔开 。
闸墙必须有足够的强度与气密性。


气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形结构，分人行 闸和外闸两部分。
2）挤压式闭胸盾构




在塑性粘土及淤泥中采用,盾构正面用胸板密闭起 来。 厚兰隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用过半挤 压及全挤压推进的闭胸盾构施工. 衬砌结构常发生椭圆率的现象，先衬砌水平直径 缩小，竖向直径增大，继之，盾构离远时，竖向 直径减小，水平直径增大。 主要是隧道上方土壤结构破坏、隆起，形成一个 卸载拱，而水平压力仍然保持着初始数值之故。
分块


大断面隧道可分成6~8~10块，小断面可分 为4~6块。 管片的最大弧长一般不超过4 m，管片愈薄 其长度应越短。
拼装型式

一般有通缝、错缝拼装两种。
纵缝环环对齐的称通缝，适用于需要拆除管片修 建旁侧通道或结构需要比较柔的情况下，以便于 进行结构处理。 纵缝互相错开，对称错缝，其优点在于能加强圆 环接缝刚度，使圆形结构可近似地按均质圆环等 刚度考虑，因此使用较普遍的，缺点是错缝拼装 容易使管片顶碎。
人行闸的管理是气压施工的重要环节，要严格遵守 气压作业的工作时间及进出气闸的变压时间，以防 减压病。

3）泥水加压盾构施工

用泥水加压盾构代替上述气压盾构施工，克服 了气压施工的弊病 。

地面沉降，减压病，覆土深时，气压太高无法 施工，覆土浅时，漏气等 。
泥水加压盾构是将压力为 泥 ( y H ) 的泥水， （式中H取2m）,压入盾构前部密封舱内，使其 压力始终高于地下水压力 水 H ，这样就保持 了开挖面稳定的基本条件。


支承环：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环结构。
水平隔板和竖直隔板：增加盾构刚度 ，水平承受拉力，竖 直承受压力。

盾尾：掩护工人在其内部安装衬砌。
2）开挖系统

手掘式盾构——锋镐和铁锨 半机械式盾构——铲斗和切削头 机械式和封闭式盾构——切削刀盘或刀 头
3）推进系统

由盾构千斤顶和液压设备组成 ，上下左 右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。 盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分 布的 。


9.2 盾构构造和分类
9.2.1 盾构的基本构造 通常由盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等 四大部分组成。
1-1 (切口环)；2-2 (支承环)；3-3 (纵剖面)
1）盾构外壳

盾构壳体由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板 组成，并由外壳钢板连成整体。 切口环 ：开挖 ；上下宽度可以等值、也可以不等值，甚 至是活动的。 容纳各种专门的挖土设备。
1）人工井点降水加 手工掘式敞胸盾构施工

人工井点降水 ，经济，适用于漏气量大的砂性土。
地下水位降低、疏干地层，增加土体强度，以保 证开挖面稳定，盾构在地下水位以上通过，施工 场地较干燥。 一般都采用喷射井点，深度曾用到27 m，使埋 深为25 m的隧道能顺利开挖。

具体过程 ：

（1）先借助盾构千斤顶使盾构推进，将切口环部分切入 地层，然后在切口环保护下进行土体开挖与运输，这样对 周围地层扰动较小； （2）分层开挖，施工工具为普通手工工具或手持式风动 工具； （3）每环管片可分数次开挖和推进，盾构纠偏时可以利 用超挖解决； （4）可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑 ； （5）当用网格式盾构时 ，防止盾构后退。
盾构总推力
盾壳厚 度(mm) 70 63=12.7 63=12.7
附注
9.65 9.50
9.35
5.70 5.50
5.49
0.59ห้องสมุดไป่ตู้0.576
0.586
28 275 32
40
5600 6400
6700
比Antwerpen
Rotherhite 原苏联莫斯科 地铁 中国上海打浦 路隧道 中国上海延安 东路隧道
辅以气压、人工 井点降水及其它 地层加固措施
辅助措施
辅助措施
9.2.3 盾构几何尺寸的选定及 盾构千斤顶推力计算

主要指盾构外径D和盾构 长度L、盾构灵敏度L/D。

最小建筑空隙值x l x=m a=m d D=d+2(x+δ)
δ=0.02+0.01（D-4）
2）盾构长度L
L=L0+L1+L2+L3 L0—盾尾长度； L1—支承环长度； L2—切口环长度； L3—前檐长度。