盾构技术简介

盾构技术简介

一：概述：

盾构是在软岩和土体中进行隧道施工的专门机具，使用盾构机开挖隧道的方法就是盾构法。

用盾构修建地下隧道至今已有160多年的历史，最早是法国的工艺师Mare Isambrard Brunel发明的。1834年建成第一条盾构法隧道。我国在五十年代就开始采用盾构法施工。至今也有四十多年的历史。上海是在1963年施工了第一条盾构法隧道。

盾构法施工建设对地面干扰小、施工速度快、安全、机械化和自动化程度高，越江、湖、海，全方位作业。对城市建筑密集、地下管线密集的地方应先选用盾构法（对环境影响小）。但是盾构掘进机回引起土体的变形走动、孔隙水压力波动、过大的地面沉降和隆起，盾构在地下前进，方向控制不准，纠偏困难，超大直径、超小直径、矩行、球行等盾构少见，无法适应各类交通、上下水、热力等市政工程的隧道建设需要，盾构法隧道衬砌和接缝渗漏水，隧道后期沉降过大。

二：盾构机组成

盾构掘进机一般由盾构壳、推进千斤顶、正面支撑机构、挖土及运输组、衬砌拼装机构、液压系统、注浆系统和盾尾装置组成。

盾构机的盾壳是钢板焊接成壳体，在盾壳掩护下，进行土体开挖、衬砌拼装等隧道施工的工序。盾壳可分为切口环、支承环和盾尾三部分。

a. 切口部分。它位于盾构的最前端，施工时切入地层，掩护开挖作业。切口环前端设有刃口，以减少切入土时对地层的扰动。切口环的长度主要取决于支撑、开挖方法的挖土机具和操作人员回旋余地的大小。

b. 支承环部分。支承环紧接于切口环后，位于盾构的中部，是一个刚性较好的圆形结构。地层土压力、所有千斤顶的顶力以及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支承环承担。支承环的外沿布置盾构推进千斤顶。拼装机用于拼装管片衬砌，主要设备有举重臂、真圆保护器等。

c. 盾尾部分。盾尾一般由盾构的外壳钢板延长构成，主要用于掩护隧道衬砌安装工作。盾尾后端设有密封装置，以防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌之间进入盾构內。

d. 盾壳外径与衬砌外径间的建筑空隙，在满足盾构纠偏要求的前提下应尽量减少。

三：盾构施工工艺过程： 1．盾构的组装及拆卸

在盾构施工的始端和终端，要布置基坑或井，用以进行盾构的安装及拆卸工作。若盾构推进的路线很长时，还应设置检修工作井。这些井和基坑应尽量结合隧道规划路线上的通风井、设备井、地铁车站、排水泵房以及立体交叉、平行交叉、施工方法转换处来设置。作为拼装和拆卸室用的井，其建筑尺寸应根据盾构装、拆及施工要求来确定，其宽度一般比盾构直径大1.6~~2 .0m，一满足安装是的工作要求。

盾构起始和终端的工作井可以用沉井（箱）法施工，也可以用连续墙支护（桩排墙支护），根据工程地质和水文地质情况而定。在支护、內衬墙上留有盾构进出

洞门。

2．盾构基座

盾构基座在井內用作安装及稳妥地搁置盾构，更重要的是通过设在基座上的导轨使盾构在施工前获得正确的导向。导轨需要根据隧道设计、施工要求定出平面及高程位置进行测量定位。基座可以采用现浇钢筋混凝土或钢结构，导轨一般布置在盾构下半部的90 度范围内，由二根或多根钢轨组成。

3．盾构进出洞

在始发井內，盾构按设计高程及方向推出预留孔洞，进入正常土层的过程称为盾构出洞。反之，盾构在地层中完成某一区间的隧道施工后，进入盾构接受井的过程称为盾构进洞。盾构井出工作井涉及洞门预留块的制作、四周土体、封门凿除、盾构后座支撑下顶进、施工参数的调整。一般出洞察力50m后，盾构法隧道施工才进入正常。

a. 封门形式

预留封门在盾构出洞前必须抵挡洞外土体側向压力和水压力，保证封门不断裂倒塌，同时不产生大量地下水渗漏，即保持井內施工场地干燥，又保证洞周围土体不出现大的沉降变形。盾构工作井封门主要有：现浇钢筋混凝土封门及相应施工方法，钢门封门，装配式楔体封门方案。

b. 洞周土体加固

通过注浆、深层粉喷桩或水泥搅拌桩井点降水疏干土体、冻接法等，可使洞周围土体具有自立性、防水性（渗透系数K<10-9m/s）和一定的强度。加固土体厚度和尺寸要通过力学分析定。

c. 盾构进洞

盾构进洞时需防止地下水和流砂等涌入接收井。当进洞区的土体为砂性土或有可能产生流砂的地层时，应按盾构进洞的要求对地层进行改良。

d. 盾构后座

在盾构与井壁之间需要传力设施，就是盾构后座。通常采用隧道衬砌管片拼装或专用顶块与顶撑做后座。使用管片做后座，要设计专用人行洞门，在井內要留出垂直运输的开口，不能拼成整环。后座衬砌与后座井壁之间的空隙，一般采用浇注低标号混凝土来填平，使盾构推力均匀地传给后座壁，而将来拆除后座也方便。当盾构向前掘进达到一定距离，盾构顶力可由隧道衬砌与地层间的摩擦力承担时，后座即可拆除。

4．盾构开挖方法：

盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口內进行土体开挖与运输。

a. 敞开式开挖

手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖，这种方法适于地地质条件较好，开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施是能维持稳定的情况，其开挖一般是从顶部开始逐层向下挖掘。若土层较差，还可借用千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。采用敞开式开挖，处理孤立障碍物、纠偏、超挖均为其它方式容易。为尽量减少对地层的扰动，要适当控制超挖量与暴露时间。

b. 机械切削式开挖

指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘开挖方式。根据地质条件的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板及有封板两种。刀架间无封板适用于土质较好的条件。大

刀盘开挖方式，在弯道施工或纠偏是不如敞开式开挖便于超挖。此外，清除障碍物也不如敞开式开挖。使用大刀盘的盾构，机械构造复杂，消耗动力较大。目前国內外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方式。

c. 网格式开挖

采用网格式开挖，开挖面由网格梁与格板分成许多格子。开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力而产生的。当盾构推进是，土体就从格子里挤出来。根据土的性质，调节网格的开孔面积。采用网格式开挖时，在所有千斤顶缩回后，会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降，因此，在施工务必采取有效措施，防止盾构后退。

d. 挤压式开挖

全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或只部分出土，对地层有较大的扰动，在施工轴线时，应尽量避开地面建筑物。局部挤压时施工时，要精心控制出土量，以减少和控制地表变形。全挤压式施工时，盾构把四周一定范围内的土体挤密实。5．隧道衬砌与拼装

地层盾构施工的隧道衬砌，通常采用预制拼装的形式，对于防护要求高的隧道，可采用整体浇注混凝土。

预制拼装衬砌是由叫“管片”的多块弧形预制构件拼装而成。管片可采用铸铁、铸钢、钢筋混凝土等材料制成的各种构件形式。

管片拼装方法可分为通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装，管片的纵缝环环对齐，拼装较为方便，易定位，衬砌环施工应力小，但环面不平整的误差容易积累。错缝拼装，衬砌圆环的纵缝在相邻圆环环间错开1/2~~1/3管片。管片的环纵缝是榫形连接，以利拼装。错缝拼装的隧道比通缝拼装的隧道整体性强，但由于环面不平整，会引起较大的施工应力，防水材料也会因压密不够而渗漏水。

管片拼装方法可分为“先纵后环”和“先环后纵”两种。先环后纵法是：拼装前将所有的盾构千斤顶缩回，管片先拼装成圆环，然后用千斤顶使拼好的圆环纵向靠陇。先环后纵法拼装的环面较为平整，纵缝拼装质量好，但对易产生后退现象的盾构不宜采用。先纵后环的拼装方法就能防止盾构的后退，既拼装某一管片时，就只缩回该管片的千斤顶，其它千斤顶则对称地支撑或升压。逐块轮流缩回与伸出部分千斤顶，直至拼装成环。在整个拼装过程中，要控制盾构位置不变。管片拼装常用举重臂进行。按“自上而下，左右交叉，最后封顶成环”。

6：衬砌壁后压浆

在盾尾和衬砌之间建筑空隙及时压浆充填，可以防止地表沉降，可以改善隧道衬砌的受力状态，增强衬砌的防水能力。

压浆有三种方法：

a. 二次压注：当盾构推进一环后，立即用风动压注机通过管片的压注孔，向衬砌壁后的建筑空隙注入豆粒砂，以防止地层的塌方。继续推进5~~8环后，再用压浆泵将水泥类浆体灌入砂间空隙，使之固结。

b. 一次压注：既随着盾尾的空隙的出现，立即压注水泥砂浆，并保持一定的压力。

c. 三次压注：同步压浆填充盾尾的空隙，管片脱出盾尾时过程中快速压浆。

根据施工经验，压浆数量同注入压力及要求控制的地表沉降有关。一般为计算建筑空隙体积的100%~~180%.压浆要对称于衬砌进行，尽量避免单点超压注浆，以减少衬砌环的不均匀施工荷载。注浆压力一般为0.5~1.0Mpa.

四：盾构机的分类：