盾构施工工法大全

第五章盾构法施工

第一节概述

盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。盾构是与隧道形状一致的盾构外壳内，装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、安装衬砌机构等部件的隧道开挖专用机械。采用此法建造隧道，其埋设深度可以很深而不受地面建筑物和交通的限制。近年来由于盾构法在施工技术上的不断改进，机械化程度越来越强，对地层的适应性也越来越好。城市市区建筑公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别在市中心，若隧道埋深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。而盾构法施工城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。此外，在建造水下公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往以其经济合理而得到采用。

盾构法是一项综合性的施工技术。盾构法施工的概貌如图5－1所示。构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。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。盾构是一个能支承地层压力，又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形及其他特殊形状的钢筒结构，其直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。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，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。

盾构是进行土方开挖正面支护和隧道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：地下水的降低；稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道衬砌结构的制造；地层的开挖；隧道内的运输；衬砌与地层间的充填；衬砌的防水与堵漏；开挖土方的运输及处理方法；配合施工的测量、监测技术；合理的施工布置等。此外，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。

图5－1 盾构法施工概貌示意图（网格盾构）

1——盾构； 2——盾构千斤顶； 3——盾构正面网格； 4一一出土转盘； 5－一出土皮带运输机； 6——管片拼装机； 7——管片； 8——压浆泵； 9－一压浆孔； 10——出土机； 11——由管片组成的隧道衬砌结构； 12——在盾尾空隙中的压浆； 13——后盾装置；14——竖井

第一节盾构构造、分类及适用范围

一、盾构的外形和材料

1、盾构的外形

盾构的外形就是指盾构的断面形状，有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。例如：将人行隧道筑成矩形，最大地利用了挖掘空间；将水利隧道筑成马蹄形，使流体的力学性能达到最佳状态；将穿山隧道筑成半圆形，可以使底边直接与公路连接等等。但是，绝大多数盾构还是采用传统的圆形。

2、制造盾构的材料

盾构在地下穿越，要承受水平载荷、垂直载荷和水压力，如果地面有构筑物，还要承受这些附加载荷，盾构推进时，还要克服正面阻力，所以，要求盾构具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板单层厚板或多层薄板制成，钢板一般采用A3钢。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法，大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型。

二、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、拼装系统三大部分，见简单的手掘式盾构的基本构造图5－2。

1、盾构壳体

从工作面开始可分为切口环、支承环和盾尾三部分。

(1)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。切口环保持工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。

切口环的长度主要取决于盾构正面支承、开挖的方法，就手掘式盾构而言，考虑到正面施工人员、挖土机具有回旋的余地等。大部分手掘式盾构切口环的顶部比底部长，犹如帽檐，有的还设有千斤顶控制的活动前沿，以增加掩护长度；对于机械化盾构切口环内按盾构种类安装各种机械设备。

图5-2盾构基本构造示意图

1-切口环 2-支承环 3-盾尾 4-支承千斤顶 5-活动平台 6-平台千斤顶7-切口 8-盾构千斤顶 9-盾尾空隙 10-管片拼装机 11-管片

如泥水盾构，在切口环内安置有切削刀盘、搅拌器和吸泥口；土压平衡盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和螺旋输送机；网格式盾构，安置有网格、提土转盘和运土机械的进口；棚式盾构，安置有多层活络平台、储土箕斗；水力机械盾构，安置有水枪、吸口和搅拌器。

在局部气压、泥水加压、土压平衡等盾构中，因切口内压力高于隧道内，所以在切口环处还需布设密封隔板及人行舱的进出闸门。

(2)支承环

支承环紧接于切口环，是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、千斤顶的反作用力，以及切口入土正面阻力、衬砌拼装时的施工载荷等承受作用于盾构上的全部载荷。

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。

支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度，对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。

(3)盾尾

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。盾尾密封装置损坏、失效时，在施工中途必须进行修理更换，盾尾长度要满足上述各项工作的进行。

盾尾厚度应尽量薄，可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙，从而减少压浆工作量，对地层扰动范围也小有利于施工，但盾尾也需承担土压力，在遇到纠偏及隧道曲线施工时，还有一些难以估计的载荷出现。所以其厚度应综合上述因素来确定。

盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，由于施工中纠偏的频率很高，因此，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，一般取2～3道，如图5-3。

图5－3盾尾密封示意图

1－盾壳； 2－弹簧钢板； 3－钢丝束； 4－密封油脂； 5－压板； 6－螺栓

由于钢丝束内充满了油脂，钢丝又为优质弹簧钢丝，使其成为一个即有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于生锈损坏。采用专用的盾尾油脂泵加注油脂，这种盾尾密封装置使用后效果较佳，一次推进可达500m左右，这主要取决于土质情况，在砂性土中掘进，盾尾损坏较快，而在粘性土中掘进则使用寿命较长。

盾尾的长度必须根据管片宽度及盾尾的道数来确定，对于机械化开挖式、土压式、泥水加压式盾构，还要根据盾尾密封的结构来确定，必须保证管片拼装工作的进行；修理盾构千斤顶和在曲线段进行施工等因素，故必需有一些余量。

2、推进机构

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

盾构千斤顶的选择和配置应根据盾构的灵活性、管片的构造、拼装管片的作业条件等来决定。选定盾构千斤顶必须注意以下事项：

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)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