盾构施工相关知识介绍

盾构施工相关知识介绍

盾构施工相关知识

1、盾构施工概念、发展历史及现状

盾构：是主要用来开挖土砂围岩的隧道机械，由切口环、支承环、及盾尾三部分组成。

盾构法：用盾构一边防止土砂的坍塌，一边进行开挖推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止土砂崩溃进行隧道施工，并在盾尾进行衬砌作业从而修建隧道的方法。

发展历史：18世纪末，英国人提出在化敦地下修建横贯泰晤士河隧道的构想，并对具体的掘削工法和使用机械等问题做了讨论。1818年Brunel观察小虫腐蚀木船底板成洞的经过，从而得到启示，在此基础上提出的盾构工法。采用此工法横穿泰晤士河的隧道工程于1825动工，隧道长458m，断面为11.4mX6.8m 的方型。隧道于1841年贯通。而圆型断面隧道盾构出现在1869年建造横穿泰晤士河的第二条隧道。

19世纪末到20世纪中叶，盾构工法传到许多国家，并得到不同程度的发展。20世纪60~80年代，盾构工法继续发展完善，成绩显著。

1990~2003年这一段时间里盾构工法的技术进步极为显著，并有以下特点：盾构隧道长距离化、大直径化：日本东京湾隧道直径为14.14m，长度15.1Km 盾构断面的多样化：方型、圆型、双圆型、马蹄型

施工自动化：自动导向系统、PLC控制系统、远程信息传输系统

技术现状：

完善近年推出的新工法、新工艺的技术细节，使之提高并达到成熟，加速盾构工法的自动化进程。

为适应大深度、高地下水压、大口径化、长距离化、施工自动化、施工高速化、断面多样化等需求，开发新概念的工法、工艺、材料、管理系统。

盾构机的类型：

根据不同的地质条件，盾构分为以下类型：

闭胸式盾构：是用泥土加压或泥水加压来抵抗开挖面的土压力和水压力以维持

开挖面的稳定性，通常包括：

泥水式平衡盾构：适合于在河底、海底等高压水压力条件隧道的施工。

土压平衡盾构：适用于含水量与粒度适中的土层，适用范围广泛。

敞开式盾构：以开挖面自立为前提，通常包括：

手掘式盾构：开挖面暴露，可以自立稳定，以盾壳为支护条件，采用人工开挖。

半机械掘进盾构：开挖面暴露，可以自立稳定，以盾壳为支护条件，采用人工配合机械开挖。

机械掘削式盾构：开挖面暴露，开挖面自稳定，以盾壳为支护条件，采用机械开挖。

网格式盾构：挤入掘进方式，适用于冲积形成的粉质砂土层。

2、盾构施工中的主要施工参数

盾构施工中，主要涉及的施工参数为：推力、刀盘扭矩、土仓压力、推进速度、注浆量及压力、盾尾密封、发泡济用量等

推力：F=0.25πD2P j D-盾构机外径P j-单位面积上的经验推力，取值为700~1300Mpa

刀盘扭矩：T e=αD3确良D-盾构机外径α-扭矩系数，（土压式：α=14~23KN/m2；泥水式：α=9~18KN/m2；敞开式：α=8~15KN/m2 土仓压力：受地下土压力、地下水压力、调整压力影响

即：σ

土仓=σ

土压力

+σ

水压力

+σ

调整

深埋隧道土压力（≥12m）：

静止土压力：σz=k0rz

主动土压力：σa=k0ka

被动土压力：σp=k0rz+2c kp

c-土的粘聚力；φ-土的内摩擦角；ka=tan2(45°-

2

ö) r-土体比重

水压力：

σw 刀盘前=qrh q水压力系数，砂性土取0.8~1.0，粘性土中取0.3~0.5

(盾尾水压力：σw 盾尾后=q

砂浆rh ， 砂浆的渗透系数q 砂浆取值为0.5~1.0 施工调整压力：σ

调整为10~20Kpa 。

注浆压力控制：背后注浆的最佳期注入时期，应在盾构推进

的的是时时行注入或者推进后立即光洁度入，注入的宗旨是必须保证尾隙完全填充。地层的土质条件是确定注入工法的先决条件，对易坍塌的砂质土，含粘性土少的帮派，必须在尾隙产生的同进对其进行背后注浆。在地层土质坚固、尾隙维持时间较长的情况下，可以短时滞后。

注浆的几种形式：同步注浆、后方注入式（管片注浆）

注浆压力：通常先用的值为地层压力强度与光洁度注入条件（浆液的性质、喷出量及注入工法等）决定的附加项的和、一般为0.2~0.4Mpa ，注浆压力较高时，应谨慎，砼管片，当浆压力大于0.4Mpa 时，K 块管片的螺栓易剪断。

注入量：Q=4

π[D 12-D 22]m а m —盾构机推进长度存 а—充填系数，通常为1.35~2.15 D1、D2分别为管片内外径

发泡剂使用：

为解决砂性土的塑流，在开挖土仓中注入泡沫并充分搅拌，改变土的成分，以保证土的流动性和减少土的透水性，使开挖面保持稳定。同时加注泡沫还可减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，减少壳体与刀盘上粘土的粘着力，有利于排土机构出土，所需的驱动功率就可减少。

泡沫的发泡原理和工艺流程：

发泡原理：发泡系统由泡沫发生器、空压机、储料罐和各种管道泵组成，将发泡剂、聚合物与水混合后，人压缩空气将液体膨胀产生泡沫，通过刀盘上的4个性人口注人开挖仓内。

泡沫制造工艺流程见下图：

泡沫的膨胀率和注入比：

(1)泡沫的膨胀率(FER)：FER=(液体的流速1／mm)：(空气的流速1／mm)；FER越大说明泡沫越“稀”或越“湿”，—般取值在1：6～1：15之间。

(2)泡沫的注入比(FIR)：FIR=(泡沫加注速率)／(土壤的开挖速率)x100％；—般取值在40％～100％之间。泡沫剂用量、FER、FIR是泡沫系统的三个重要参数。

盾尾密封：

盾尾密封是为了防止地层的土砂、地下水、背后注入浆液、开挖面上的泥水从盾尾间隙流入的装置，通常采用钢丝刷、或尿烷橡胶。

尾刷一般为三道，高压地下水时，设为四道。为使盾尾有较好的密封效果，始发阶段，采用人工涂抹粘度较高的密封油脂，施工阶段，采用油脂泵分四个点位注入。

注意事项：盾尾的密封受盾尾油脂的注入量影响外，还与盾构机的姿态、管片背面注浆填充程度也有一定的关系。

施工中，通常会因以下原因而导致盾尾渗漏。

管片变形：管片拼装后要求形成一个标准的圆,管片之间采用错缝拼装,但由于操作不熟练而往往拼装成椭圆形,实际施工中由于自重等因素影响,横向椭圆较为多见,这就增大了管片之间止水条外缘纵缝的宽度(理论设计值为6mm),实际在管片拼装过程中将出现两腰的管环之间的外缘纵缝开口度d>6mm,上下部纵缝d<6mm。

管片错台：由于管片拼装操作不熟练,造成管片错台严重,特别是在纵缝错台产生后,使得盾尾刷无法紧密包裹整环管片,很易形成渗水通道,虽然盾构推进时盾尾仓内有盾尾油脂填充纵缝,但在较高的注浆压力和泥水压力等作用下,极有