盾构法施工技术

盾构法施工技术

1 盾构法

1.1 盾构法简介

盾构法施工是以盾构这种施工机械在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。盾构（Shield）是一个既可以支承地层中推进的活动钢筒结构。钢筒的前端设置有支撑和开挖土体的装置，钢筒的中段安装有顶进所需千斤顶；钢筒尾部可以拼装预制工或现浇隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，应在盾尾支护下拼装（或现浇）一环衬砌，并向衬砌环外围的空隙中压注水泥砂浆，以防止隧道及地面下沉。盾构推进的反力由衬砌环承担。盾构施工前应先修建一竖井，在竖井处安装盾构，盾构开挖出的土体由竖井通道送出地面。盾构法施工工艺见图1所示。

图1 盾构法施工示意

1.2盾构法施工的优点及适用范围

盾构施工法所具有的优点：

一、可地盾构支护下安全地开挖、衬砌。

二、掘进速度快。盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现机械化、自动化作业，施工

劳动强度低。

三、施工时不影响地面交通与设施，穿越河道时不影响航运。 四、施工中不受季节，风雨等气候条件影响。

五、施工中没有噪声和振动，对周围环境没有干扰。

六、在松软含水在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。

盾构施工法最适于在松软含水地层中修建隧道，在江河中修建水底隧道，在城市中修建在下铁道及各种市政设施。盾构施工法一般适宜于长隧道施工，有些资料显示，对于短于750m的隧道被认为是不经济的。因为盾构是一种昂贵，针对性很强的专用施工机械，对每一条用盾构法施工的隧道，都需根据地质水文条件、结构断面尺寸专门设计制造，一般不能得意简单的倒用到其它隧道工程中重复使用。此外，对隧道曲线半径过小或隧道顶覆土太浅时，施工困难较大。对水底隧道，覆土太浅时施工不够安全。当盾构施工法有采用全气压方

法以疏干和稳定地层时，施工条件差，对劳动保护要求较高。用盾构法施工时，在隧道上方一定范围内，特别是饱和含水松软土层，地表沉陷尚难完全防止，拼装衬砌对衬砌整体防水技术要求很高。

自1818年布鲁诺首次提出盾构施工法至今，世界各国已制成数千个盾构，盾构法已广泛用于城市地下工程中：修建上下水道、电力、电缆沟隧道，地下铁道，水底隧道等。各国用盾构法施工的隧道中，大约70%是用于修建上下水道，15%用于地铁道和水底隧道。目前，各国采用盾构施工法建造的水底公路隧道已有20多条，随着交通事业的发展，用大直径盾构建造的水底公路隧道将会日益增多。 2 盾构的类型及构成 2．1 盾构的类型

盾构是一种集开挖支护、推进、衬砌等多种作业一体化的大型暗挖隧道施工机械。主要用于软弱、复杂等地层的隧道施工。盾构的类型很多，可按盾构的断面形式，开挖方式，盾构前部构造和排与稳定开挖面方式进行分类。

按盾构断面形状不同可将盾构分为：圆形、拱型、矩形和马蹄形四种。圆形因其抵抗地层中的土压力和水压力较好，衬砌拼装简便，可采用通用构件，易于更换，因而应用广泛。

按开挖方式不同可将盾构分为：手工挖掘式、半机械挖掘式和机械挖掘式三种。 按盾构前部构造不同可将盾构分为：敞胸式和闭胸式二种。

按排除地下水与稳定开挖面的方式不同将盾构分为：人工井点降水、泥水加压、土压平衡式的无气压盾构、局部气压盾构、全气压盾构等。

随着隧道与地下工程发展，盾构机械的种类越来越多，适用性也越加广泛，为进一步了解盾构性能和适用性，可将盾构列表分析。

2.2 盾构机械的构成 2.2.1 手工挖掘式盾构

手工挖掘式盾构是盾构的最基本形式，多用于开挖面基本能自稳的土层中。主要由盾壳、支护结构、推进机构、拼装机构和附属设备等五部分组成。 2.2.2 半机械化盾构

半机械化盾构是在手工挖掘式盾构的基础上发展起来的一种盾构。它保留了手工挖掘式盾构的优点，克服了劳动强度大、效率低的缺点，将下半部的手工开挖改为机械开挖，减轻了劳动强度，提高了劳动效率。

主要用于开挖面基本自稳且无水的土层中，下部的开挖机械根据不同的地质条件可采用不同的挖掘机。 2.2.3 泥水加压盾构

泥水加压盾构由盾壳、开挖机构、推进机构、送排泥机构、拼装机构、附属机构等组成。 泥水加压盾构适用范围较大，多用于含水率较高的砂质、砂砾石层、江河、海底等特殊的超软弱地层中，能获得其他类型盾构难以达到的较小的地表沉陷和隆起。 2.2.4 土压平衡盾构

土压平衡盾构是在总结泥水加压盾构和其他类型盾构优缺点的基础上发展起来的一种新型盾构，它由盾壳、开挖机构、推进机构、拼装机构和附属机构等组成。

土压平衡盾构能适应较大的土质范围与地质条件。能用于粘结性、非粘结性，甚至含的石块、砂砾石层、有水与无水等多种复杂的土层中。无泥水处理设备，施工速度高，比泥水加压盾构价格低廉，也可实现自动控制与远距离遥控操作。 2.2.5 网格挤压式盾构

这种盾构是上海隧道工程设计院研制的，它是我国目前用的较为成功，也是用的数量最多的一种盾构。主要由盾壳、开挖机构、排渣机构、拼装机构等组成。

网格式盾构结构简单，施工速度快，但地表沉降与隆起较大。因此施工时，与其他类型盾构相比，需要更加精心操作与管理。 2.2.6 插刀式盾构

插刀式盾构是结构较为特殊的一种盾构，它的盾壳是由许多能够活动的插刀组成，这些插刀可以合成不同的断面形状和尺寸。

使用插刀式盾构不需在终点设置拆装竖井，这种盾构可以将框架部分和插刀收折起来，从已衬砌好的隧道退出。由于插刀式盾构是敞口的，所以它适用于在开挖稳定的土层中施工。 3 盾构法施工

3.1盾构施工前的基本工作

盾构施工的准备工作有：盾构竖井的修建，盾构拼装的检查，盾构施工附属设施的准备。

3.2 盾构衬砌、防水及衬砌背后压浆施工 3.2.1 管片衬砌施工方法

3.2.1.1 管片衬砌施工方法

管片衬砌就是采用预预制管片，随着盾构推进在盾尾依次拼装衬砌环，由无数个衬环纵向依次连接而成的衬砌结构。

预制管片的种类很多，按预制材料分有：铁管片、钢管片、钢筋混凝土管片、钢与钢混凝土组合管片。按结构型式分有：平板管片、箱形管片。

管片接头一般可用螺栓连接：但有的平形管片不用螺栓连接，而采用榫槽式接头或球铰式接头，这种不用螺栓连接的管片也称砌块。

管片衬砌环一般分标准管片、封顶管片和邻接管片三种，转弯时将增加楔形管片。

图2 平板形管片（钢筋混凝土） 图3 箱形管片（钢筋混凝土） 管片拼装可通缝拼装，亦可错缝拼装。通缝拼装是每环管片的纵向缝环环对齐，错缝拼装是每环管片的纵向缝环环错开二分之一到三分之一宽度。前者拼装方便，后者拼装麻

烦但受力较好。管片拼装方法分先纵后环和先环后纵两种：先纵后环是管片按先底部后两侧再封顶的次序，逐次安装成环，每装一块管片，对应千斤顶就伸缩一次。先环后纵是管片依次安装成环后，盾构千斤顶一齐伸出将衬砌环推向已完成的隧道衬砌进行纵向连接。先环后纵法用得较少，尤其在推进阻力较大时，容易引进盾构后退的情况下不宜采用。

管片拼装前，应做好管片质量的检查工作，检查外观、形状、裂纹、破损、止水带槽有无异物，检查管片尺寸误差是否符合要求。管片拼装结束后，除按规定拧紧每个连接螺栓外，还应检查安装好的衬砌环是否真圆，必要时用真圆保持器进行调整，以保证下一拼装工序顺利进行。盾构推进进的推力反复作用在临近几个衬砌环上，容易引进已拧紧的螺栓松动，必须对推力影响消失的衬砌环进行第二次拧紧螺栓工作，以保证管片的紧密连接与防水要求。

3.2.1.2 现浇混凝土衬砌

采用现浇混凝土进行盾构隧道衬砌施工可以改善衬砌受力状况，减少地表沉陷，同量可节省预制管片的模板及省去预制工作和管片运输工作。

目前采用挤压式现浇混凝土衬砌施工是盾构隧道衬砌施工的发展新趋势。这种方法采用自动化程度较高的泵送混凝土用管道输送到盾尾衬砌作业面，经盾构后部专设的千斤顶对衬砌混凝土进行挤压施工，在施工中必须恰如其分地掌握好盾构前进速度与盾尾内现浇混凝土的施工速度与衬砌混凝土凝固的快慢关系。采用挤压混凝土衬砌施工时，要求围岩在施工时保持稳定，不致在挤压时变形。

图4 挤压混凝土衬砌施工

3.2.2 衬砌防水技术

隧道衬砌除应满足结构强度要求外，还应解决好防水问题，以保证隧道在运营期间有良好的工作环境，否则会因为衬砌漏水而导致结构破坏、设备锈蚀、照明减弱，危害行车安全和影响外观。此外，在盾构施工期间也应防止泥、水从衬砌接缝中流入隧道，引起隧道不均匀沉降和横向变形而造成事故。

隧道衬砌防水施工主要解决管片本身的防水和管片接缝防水问题。 3.2.2.1 管片本身防水

管片本身防水施工主要满足管片混凝土的抗渗要求和管片预制精度要求。 (1)管片混凝土抗渗要求

隧道在含水地层中，由于地下水压力的作用，要求衬砌应具有一定的抗渗能力，以防止地下水的渗入。为此，在施工中应做到以下几点：首先，应根据隧道埋深和地下水压力，提出经济合理的抗渗指标；对预制管片混凝土级配应采取密实级配：设计有规定时按设计要求办理，设计无明确规定时一般按高密实度（B8）标准施工。此外还应严格控制水灰比（一般不大于0.4）且可适当掺入减水剂来降低混凝土水灰比；在管片生产时要提出合理的工艺要求，对混凝土振捣方式、养护条件、脱模时间、防止温度应力而引起裂缝等均应提出工艺

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