隧道工程《盾构法施工》超详细讲解
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3 盾构法施工
概述
盾构法是以盾构为核心在地面以下暗挖隧洞的一种施工方法。盾构法始于英国，自 1925 年 布鲁诺尔(Brunel)在伦敦泰晤士河下首次用一台矩形盾构开挖水底隧洞以来，已有 170 余年历 史。在一百多年中，世界各国制造了数以千计的各种类型、各种直径的盾构，盾构掘进机从低级 发展到高级，从手工操作到计算机监控机械化施工，使盾构掘进机及其施工技术得到了不断发展 和完善。现代盾构已经发展成为集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输 送土碴、拼装隧洞衬砌、测量导向纠偏等功能的大型的施工机械设备。
● 盾构法作为一种先进的隧洞施工工法具有： （1）对环境干扰少，对交通及居民生活影响小； （2）盾构推进、出土、衬砌等工序循环进行，易于管理，施工人员少； （3）施工不受地形地貌，江河水域等地表环境条件限制； （4）施工不受天气条件（雨雪等）限制； （5）出土量少，对周围环境及地表沉降影响小； （6）在土质差，地下水位高的地方建大埋深隧洞具有优越性。 由于这些优点，盾构法特别适宜于城市隧洞和穿江越海的施工，目前盾构工法已在城市隧洞 的构筑中确定了稳固的统治地位。 ● 盾构法是一项综合性的施工技术。构成盾构法的主要内容有： （1）先在隧洞某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。 （2）盾构机主机和配件吊装下井，在预定位置组装成整机并调试使其性能达到设计要求。 （3）盾构从竖井或基坑的墙壁开口处出发，在地层中沿着设计轴线推进。盾构推进中所受 到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。 盾构每推进一环距离，就在盾尾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，以防止隧洞及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。 （4）盾构到达预定终点的竖井或基坑时掘进结束，然后检修盾构或解体盾构运出。 ● 盾构是进行土方开挖正面支护和隧洞衬砌结构安装的施工机具，它还需要其它施工技术 密切配合才能顺利施工。主要有： （1）地下水的降低； （2）稳定地层、防止隧洞及地面沉陷的土壤加固措施； （3）隧洞衬砌结构的制造； （4）隧洞内的运输； （5）衬砌与地层间的充填； （6）衬砌的防水与堵漏； （7）开挖土方的运输及处理方法； （8）配合施工的测量、监测技术； （9）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。 目前在我国主要使用的有土压平衡盾构和泥水平衡盾构。 （1）土压平衡盾构 土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥 土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土， 依靠盾构推进油缸的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水 土压力。破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输
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送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进，掘进、排土、 衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。
土压平衡盾构特别适用于具有高可塑性、软连续性、低内磨擦性、低渗水性的含有粘土、肥 土或淤泥的混合土质。
（2）泥水平衡盾构 泥水加压平衡盾构工法是从地下连续墙以及钻孔等工程所使用的泥水工法中发展起来的，它 起源于英国，日本代表着当今世界的新潮流。该型式盾构是在机械式盾构的刀盘后侧，设置一道 封闭隔板，与刀盘形成泥水仓。把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓， 待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室。通过泥水的加压作用和压力保持机 构，能够维持开挖工作面的稳定。盾构推进时，旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成 高浓度泥水，用流体输送方式送到地面泥水分离系统，将碴土、水分离后重新送回泥水仓。 泥水盾构施工的特点： （1）在易发生流沙的地层中能稳定开挖面，可在正常大气压下施工作业； （2）泥水传递速度快而且均匀，开挖面平衡土压力的控制精度高，对开挖面周边土体的干 扰少，地面沉降量控制精度高； （3）盾构出土，减少了运输车辆，进度快； （4）刀盘、刀具磨损小，适合长距离施工； （5）刀盘所受扭矩小，更适合大直径隧洞施工； （6）适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的互层等地层。 特别适用于地层含水量大、上方有水体的越江隧洞和海底隧洞。
一、高压旋喷桩法 高压旋喷桩法是在化学注浆法的基础上，采用高压水射流切割技术而发展起来的。高压喷射 注浆就是利用钻机钻孔，把带有喷嘴的注浆管插至土层的预定位置后，以高压设备使浆液成为 20Mpa 以上的高压射流，从喷嘴中喷射出来冲击破坏土体。当能量，速度快呈脉动状的喷射动压 超过土体结构时，土粒便从土体上剥落下来。部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷 射流的冲击力，离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排 列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体与桩间土一起构成复合地基，从而提高地基承载力， 减少地基的变形，达到地基加固的目的。 二、深层搅拌桩法 深层搅拌桩法是通过特制的深层搅拌机械，在地基中就地将软粘土（含水量超过液限、无侧 限抗压强度低于 0.005 兆帕）和固化剂(多数用水泥浆)强制拌和,使软粘土硬结成具有整体性、 水稳性和足够强度的地基土。根据上部结构的要求，可对软土地基进行柱状、壁状和块状等不同 形式的加固。 三、冷冻法 冷冻法是使土体中水分冻结，整个冻结范围内土体暂时形成有相当强度的冻结固体，在这种 冻结固体支护下，拆除洞口封门，待掘进设备进入洞门圈内、洞口密封装置安装完毕、洞口施工 时的密封性能建立后再解冻，进入正常进出洞施工。
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3.1 盾构井端头处理
3.1.1 工艺概述
在盾构始发或到达之前，一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层，并采取有针对性的盾构 端头处理措施。端头处理一般采取如“固结灌浆”、“冷冻法”、“插板法”等措施进行地层加 固处理。选择加固措施的基本条件为加固后的地层要具备最少一周的侧向自稳能力，且不能有地 下水的损失。常用的具体处理方法有高压旋喷桩法、深层搅拌桩法、冷冻法等。选择哪一种方法 要根据地层具体情况而定，并且严格控制整个过程。
概述
盾构法是以盾构为核心在地面以下暗挖隧洞的一种施工方法。盾构法始于英国，自 1925 年 布鲁诺尔(Brunel)在伦敦泰晤士河下首次用一台矩形盾构开挖水底隧洞以来，已有 170 余年历 史。在一百多年中，世界各国制造了数以千计的各种类型、各种直径的盾构，盾构掘进机从低级 发展到高级，从手工操作到计算机监控机械化施工，使盾构掘进机及其施工技术得到了不断发展 和完善。现代盾构已经发展成为集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输 送土碴、拼装隧洞衬砌、测量导向纠偏等功能的大型的施工机械设备。
● 盾构法作为一种先进的隧洞施工工法具有： （1）对环境干扰少，对交通及居民生活影响小； （2）盾构推进、出土、衬砌等工序循环进行，易于管理，施工人员少； （3）施工不受地形地貌，江河水域等地表环境条件限制； （4）施工不受天气条件（雨雪等）限制； （5）出土量少，对周围环境及地表沉降影响小； （6）在土质差，地下水位高的地方建大埋深隧洞具有优越性。 由于这些优点，盾构法特别适宜于城市隧洞和穿江越海的施工，目前盾构工法已在城市隧洞 的构筑中确定了稳固的统治地位。 ● 盾构法是一项综合性的施工技术。构成盾构法的主要内容有： （1）先在隧洞某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。 （2）盾构机主机和配件吊装下井，在预定位置组装成整机并调试使其性能达到设计要求。 （3）盾构从竖井或基坑的墙壁开口处出发，在地层中沿着设计轴线推进。盾构推进中所受 到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。 盾构每推进一环距离，就在盾尾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，以防止隧洞及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。 （4）盾构到达预定终点的竖井或基坑时掘进结束，然后检修盾构或解体盾构运出。 ● 盾构是进行土方开挖正面支护和隧洞衬砌结构安装的施工机具，它还需要其它施工技术 密切配合才能顺利施工。主要有： （1）地下水的降低； （2）稳定地层、防止隧洞及地面沉陷的土壤加固措施； （3）隧洞衬砌结构的制造； （4）隧洞内的运输； （5）衬砌与地层间的充填； （6）衬砌的防水与堵漏； （7）开挖土方的运输及处理方法； （8）配合施工的测量、监测技术； （9）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。 目前在我国主要使用的有土压平衡盾构和泥水平衡盾构。 （1）土压平衡盾构 土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥 土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土， 依靠盾构推进油缸的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水 土压力。破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输
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送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进，掘进、排土、 衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。
土压平衡盾构特别适用于具有高可塑性、软连续性、低内磨擦性、低渗水性的含有粘土、肥 土或淤泥的混合土质。
（2）泥水平衡盾构 泥水加压平衡盾构工法是从地下连续墙以及钻孔等工程所使用的泥水工法中发展起来的，它 起源于英国，日本代表着当今世界的新潮流。该型式盾构是在机械式盾构的刀盘后侧，设置一道 封闭隔板，与刀盘形成泥水仓。把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓， 待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室。通过泥水的加压作用和压力保持机 构，能够维持开挖工作面的稳定。盾构推进时，旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成 高浓度泥水，用流体输送方式送到地面泥水分离系统，将碴土、水分离后重新送回泥水仓。 泥水盾构施工的特点： （1）在易发生流沙的地层中能稳定开挖面，可在正常大气压下施工作业； （2）泥水传递速度快而且均匀，开挖面平衡土压力的控制精度高，对开挖面周边土体的干 扰少，地面沉降量控制精度高； （3）盾构出土，减少了运输车辆，进度快； （4）刀盘、刀具磨损小，适合长距离施工； （5）刀盘所受扭矩小，更适合大直径隧洞施工； （6）适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的互层等地层。 特别适用于地层含水量大、上方有水体的越江隧洞和海底隧洞。
一、高压旋喷桩法 高压旋喷桩法是在化学注浆法的基础上，采用高压水射流切割技术而发展起来的。高压喷射 注浆就是利用钻机钻孔，把带有喷嘴的注浆管插至土层的预定位置后，以高压设备使浆液成为 20Mpa 以上的高压射流，从喷嘴中喷射出来冲击破坏土体。当能量，速度快呈脉动状的喷射动压 超过土体结构时，土粒便从土体上剥落下来。部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷 射流的冲击力，离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排 列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体与桩间土一起构成复合地基，从而提高地基承载力， 减少地基的变形，达到地基加固的目的。 二、深层搅拌桩法 深层搅拌桩法是通过特制的深层搅拌机械，在地基中就地将软粘土（含水量超过液限、无侧 限抗压强度低于 0.005 兆帕）和固化剂(多数用水泥浆)强制拌和,使软粘土硬结成具有整体性、 水稳性和足够强度的地基土。根据上部结构的要求，可对软土地基进行柱状、壁状和块状等不同 形式的加固。 三、冷冻法 冷冻法是使土体中水分冻结，整个冻结范围内土体暂时形成有相当强度的冻结固体，在这种 冻结固体支护下，拆除洞口封门，待掘进设备进入洞门圈内、洞口密封装置安装完毕、洞口施工 时的密封性能建立后再解冻，进入正常进出洞施工。
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3.1 盾构井端头处理
3.1.1 工艺概述
在盾构始发或到达之前，一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层，并采取有针对性的盾构 端头处理措施。端头处理一般采取如“固结灌浆”、“冷冻法”、“插板法”等措施进行地层加 固处理。选择加固措施的基本条件为加固后的地层要具备最少一周的侧向自稳能力，且不能有地 下水的损失。常用的具体处理方法有高压旋喷桩法、深层搅拌桩法、冷冻法等。选择哪一种方法 要根据地层具体情况而定，并且严格控制整个过程。