盾构法论文

学院：土木工程学院
专业：土 木 工 程
课程：地下建筑结构
班级：09土木1班
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学号:**********
2012年05月10日
盾构法简介
摘要：盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。
关键词：盾构法适用范围
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盾构法指的是利用盾构进行隧道开挖，衬砌等作业的施工方法。用盾构在软质地基或破碎岩层中掘进隧洞的施工方法。盾构是一种带有护罩的专用设备，利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进，用刀盘切割土体，同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块。
盾构是19世纪初期发明，首先用于开挖英国伦敦泰晤士河水底隧道。盾构机掘进的出碴方式有机械式和水力式，以水力式居多。水力盾构在工作面处有一个注满膨润土液的密封室。澎润土液既用于平衡土压力和地下水压力，又用作输送排出土体的介质。
优点：1、安全开挖和衬砌，掘进速度快;2、盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低;3、不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施;4、穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动；5、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。
(3)、半机械式盾构
半机械式盾构是在手掘式盾构正面装上机械来代替人工开挖，根据地层条件，可以安装反铲挖土机或螺旋切削机。土体较硬可安装软岩掘进机。半机械式盾构的适用范围基本上和手掘式一样，其优点除可减轻工人劳动强度外，其余均与手掘式相似。
(4)、机械式盾构
机械式盾构是在手掘式盾构的切口部分装上一个与盾构直径一般大小的大刀盘，用它来实现盾构施工的全断面切削开挖。当地层土质好，能自立或采用辅助措施亦能自立，则可用开胸式的机械盾构，反之如地层土质差，又不能采用其它地层加固方法，此时，采用闭胸机械式盾构比较合适。
5.盾构法施工准备工序和施工次序
采用盾构法施工时，首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井，用作盾构及其设备的拼装井（室）和拆卸井（室），特别长的隧道，还应设置中间检修工作井（室）。拼装和拆卸用的工作井，其建筑尺寸应根据盾构装拆的施工要求来确定。拼装井的井壁上设有盾构出洞口，井内设有盾构基座和盾构推进的后座。井的宽度一般应比盾构直径大1.6～2.0米，以满足铆、焊等操作的要求。当采用整体吊装的小盾构时，则井宽可酌量减小。井的长度，除了满足盾构内安装设备的要求外，还要考虑盾构推进出洞时，拆除洞门封板和在盾构后面设置后座，以及垂直运输所需的空间。中、小型盾构的拼装井长度，还要照顾设备车架转换的方便。盾构在拼装井内拼装就绪，经运转调试后，就可拆除出洞口封板，盾构推出工作井后即开始隧道掘进施工（图2)。盾构拆卸井设有盾构进口，井的大小要便于盾构的起吊和拆卸。盾构法和取水管道、街坊的地下通道等。隧道、通向河海的排水隧洞和取水管道、街坊的地下通道等。
2.2盾构的分类及其适用范围
盾构是修建隧道的正面支护掘进和衬砌拼装的专用机具，盾构类型的区别主要是盾构正面对土体支护开挖的方法工艺不同而言。为此盾构的种类按其结构特点和开挖方法来分，主要可分为四大类，如下：
(1)、手掘式盾构：其开挖面可以根据地质条件决定，全部敞开式或用正面支撑开挖，一面开挖一面支撑。在松散的砂土地层，可以按照土的内摩擦角大小将开挖面分为几层，这时的盾构就被称为棚式盾构。其优点是：1、正面是敞开的，施工人员随时可以观测地层变化情况，及时采用应付措施；2、当在地层中遇到桩、大石块等地下障碍物时，比较容易处理；3、可向需要方向超挖，容易进行盾构纠偏，也便于曲线施工；4、造价低，结构设备简单，易制造，加工周期短。
(2)、挤压式盾构源自文库
挤压式盾构的开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外，对施工人员是比较安全、可靠，没有塌方的危险，当盾构推进时，让土体从胸板局部开口处挤入盾构内，然后装车外运，不必用人工挖土，劳动强度小，效率也成倍提高。在特定条件下可将胸板全部封闭推进，那就是全挤压推进。
挤压式盾构仅适用于松软可塑的粘性土层，适用范围较狭窄。在挤压推进时对地层土体扰动较大，地面产生较大的隆起变形，所以在地面有建筑物的地区不能使用，只能在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域。
盾构机的组成：盾构机主要有五部分组成，壳体、排土系统、推土系统、衬砌拼装系统和辅助注浆系统。盾构机的壳体由切口环、支撑环和盾尾三部分组成，并与外壳钢板连成一体； 排土系统主要是由切削土体的刀盘、泥土仓、螺旋出土器组成、皮带传送机、泥浆运输电瓶车等部分组成
2.盾构的基本构造及分类
2.1盾构的基本构造
盾构的基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统等三大部分组成。
(4)千斤顶的速度：盾构千斤顶的速度必须根据地质条件和盾构形式决定,一般取50mm/min左右，且可无级调速。为了提高工作效率，千斤顶的回缩速度要求越快越好。
(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。其次，还必须在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板，对管片环面起到保护作用。
3.盾构法施工及优缺点
盾构施工方法由以下几个步骤组成：第一，在置放盾构机的地方打一个垂直井，再用混泥土墙进行加固；第二，将盾构机安装到井底，并装配相应的千斤顶；第三，用千斤顶之力驱动井底部的盾构机往水平方向前进，形成隧道；第四，将开挖好的隧道边墙用事先制作好的混泥土衬砌加固，地压较高时可以采用浇铸的钢制衬砌加固来代替混泥土衬砌。盾构法施工中，其隧道一般采用以预制管片拼装的圆形衬砌，也可采用挤压混凝土圆形衬砌，必要时可再浇筑一层内衬砌，形成防水功能好的圆形双层衬砌。
2.1.2推进系统
盾构掘进的动力是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：① 千斤顶要尽可能地轻，且经久耐用，易于维修保养和掉换；② 采用高液压系统，使千斤顶机构紧凑。目前使用的液压系统压力值为30～40MPa； ③ 千斤顶要均匀地配置在靠近盾构外壳处，使管片受力均匀；④ 千斤顶应与盾构轴线平行。
2.1.3拼装系统
（1）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。为了能将管片按照设计所需要的位置，安全、迅速地进行拼装，拼装机在钳捏住管片后，还必须具备沿径向伸缩、前后平移和360o(左右叠加)旋转等功能。拼装机的形式有环形、中空轴形、齿轮齿条形等，一般常用环型拼装机。拼装机安装在支承环后部，或者盾构千斤顶撑板附近的盾尾部，它如同一个可自由伸缩的支架，安装在具有支承滚轮的、能够转动的中空圆环上的机械手。该形式中间空间大，便于安装出土设备。
2.1.1盾构壳体
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 ：切口环位于盾构的最前端，起开挖和挡土作用，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端还设有刃口以减少切入地层的扰动。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。
盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点，适合在软土地基段施工。深圳地铁一期工程初步设计有三处采用盾构法施工，即罗湖-国贸区间，皇岗-福民区间，福民-金田区间。这几处均为软土地段，且具备盾构法施工的基本条件。
盾构法施工的基本条件：⑴线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；⑵隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m；⑶相对均质的地质条件；⑷如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m,竖直方向1.5m；⑸从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m。
支承环：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环结构。在支承环外沿布置有盾构千斤顶，中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台。当切口环压力高于常压时，在支承环内要布置人行加、减压舱。
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：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。 盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，要求密封材料要富有弹性、耐磨、防撕裂等，其最终目的是要能够止水。形式多种，目前常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置，盾尾的道数根据隧道埋深、水位高低来定
（2）真圆保持器
盾构向前推进时管片就从盾尾部脱出，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，已成环管片与拼装环在拼装时就会产生高低不平，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。真圆保持器支柱上装有上、下可伸缩的千斤顶和圆弧形的支架，它在动力车架挑出的梁上是可以滑动的。当一环管片拼装成环后，就将真圆保持器移到该管片环内，支柱的千斤顶使支架圆弧面密贴管片后，盾构就可进行下一环的推进。盾构推进后圆环不易产生变形而保持着真圆状态。
缺点:1、断面尺寸多变的区段适应能力差；2、新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济。
4.盾构法历史和发展
用盾构法修建隧道已有 150余年的历史。最早进行研究的是法国工程师M.I.布律内尔，他由观察船蛆在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启发，在1818年开始研究盾构法施工，并于1825年在英国伦敦泰晤士河下，用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道（宽11.4米、高6.8米）。在修建过程中遇到很大的困难，两次被河水淹没，直至1835年，使用了改良后的盾构，才于1843年完工。其后P.W.巴洛于1865年在泰晤士河底，用一个直径2.2米的圆形盾构建造隧道。1847年在英国伦敦地下铁道城南线施工中，英国人J.H.格雷特黑德第一次在粘土层和含水砂层中采用气压盾构法施工，并第一次在衬砌背后压浆来填补盾尾和衬砌之间的空隙，创造了比较完整的气压盾构法施工工艺，为现代化盾构法施工奠定了基础，促进了盾构法施工的发展。20世纪30～40年代，仅美国纽约就采用气压盾构法成功地建造了19条水底的道路隧道、地下铁道隧道、煤气管道和给水排水管道等。从1897～1980年，在世界范围内用盾构法修建的水底道路隧道已有21条。德、日、法、苏等国把盾构法广泛使用于地下铁道和各种大型地下管道的施工。1969年起，在英、日和西欧各国开始发展一种微型盾构施工法，盾构直径最小的只有1米左右，适用于城市给水排水管道、煤气管道、电力和通信电缆等管道的施工。 中国于第一个五年计划期间，首先在辽宁阜新煤矿，用直径2.6米的手掘式盾构进行了疏水巷道的施工。中国自行设计、制造的盾构，直径最大为11.26米，最小为3.0米。正在修建的第二条黄浦江水底道路隧道，水下段和部分岸边深埋段也采用盾构法施工，盾构的千斤顶总推力为108兆牛，采用水力机械开挖掘进。在上海地区用盾构法修建的隧道，除水底道路隧道外，还有地铁区间隧道、通向河海的排水隧洞和取水管道、街坊的地下通道等。
(2)千斤顶数量: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600～1500kN，在大型盾构中每只千斤顶的推力多为2000～2500kN。
(3)千斤顶的行程：盾构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100mm～200mm的余量。成环管片有一块封顶块，若采用纵向全插入封顶时，在相应的封顶块位置应布置双节千斤顶，其行程约为其它千斤顶的一倍，以满足拼装成环所需
网格式盾构是一种介于半挤压和手掘之间的盾构型式。这种盾构在开挖面装有钢制的开口格栅，称为网格。当盾构向前掘进时土体被网格切成条状，进入盾构后运走；当盾构停止推进时，网格起到支护土体的作用，从而有效地防止了开挖面的坍塌。网格盾构对土体挤压作用比挤压式盾构小，因此引起地面变形的量也小一些。网格盾构也仅适用于松软可塑的粘土层，当土层含水量大时，尚需辅以降水、气压等措施。