盾構技術交流

地鐵建總:郭永順

2/6/20231介紹內容一、盾構隧道軸線控制1.管片尺寸及類型2.管片選型及對軸線影響3.管片與盾尾間隙影響4.盾構機軸線控制5.注意問題二、盾構機選型1）盾構機類型2）刀具形式3）開挖刀盤形式4）刀具布置、刀盤形式5）盾構選型三、管片制作施工控制1）施工流程2）混凝土性能3）施工注意問題2/6/20232管片使用歷史在1930年前，盾構隧道使用的管片主要為鑄造鋼管片。之后，開始使用預制混凝土管片，應用在英國的倫敦小直徑的下水道（1.5米～3米）。直到1965年，在歐洲國家主要發(fā)展和使用預制混凝土管片，應用于大直徑軟土的盾構隧道（5米～10米），如德國、比利時、奧地利、法國。同期日本在預制混凝土管片使用尚尤其顯著。2/6/20233管片形成軸線與設計軸線模擬2/6/202351.管片尺寸及類型管片的形狀和尺寸，應考慮使用目的，便于施工和經濟等條件來確定。決定管片形狀、尺寸的主要有下列內容：（1）管片環(huán)的外徑（2）管片厚度（3）管片寬度

（4）管片環(huán)的分割

管片從類型上可分為：直線環(huán)＋楔形環(huán)和通用管片2/6/20236管片環(huán)楔形量確定

楔形量除應根據管片寬度、管片環(huán)外徑、曲線半徑及區(qū)間使用的楔形環(huán)所占的比例、管片的制造性外，還應根據盾尾空隙量而定。

2/6/20237以1200mm管片為例如何計算掌握管片形成隧道空間尺寸管片寬度：1200mm，厚度300mm外徑：6000mm，內徑5400mm楔形環(huán)管片水平最大寬度：1225.5mm，最小寬度：1174.5mm，封頂塊旋轉36度進行錯縫拼裝。2/6/20239管片立面2/6/202310管片空間尺寸計算模擬圖2/6/202311封頂塊位置從頂端偏了a°時，楔形環(huán)前面的中心點C，（中心點由C→C，）移動，其移動量為COC’=5.1mm。移動量分成水平（X）和垂直（Y）：ΔX=5.1cosa°ΔY=-5.1sina°楔形環(huán)前端斷面的直角方向（C，→C“）和S——RT的連接面與直角方向（Z軸方向）是A—A角Zθ，此角度可分成X（水平-θX）與Y（垂直-θY），C，→C“的長度為L，公式如下：

推導公式2/6/202313由于:tan2θ=tan(0.4870°)=8.500×10-3所以:θX=tan-1(0.0085×cosa°)θY=tan-1(0.0085×sina°)錐形管片K件在不同位置時ΔX,ΔY,θX,θY其值依次的大?。篕件位置寬度最小點a（°）ΔXΔYθXθY12：00

05.10．00.48700.01：00

364.1-3.00.3940-0.28632：00

721.6-4.90.1505-0.46324：00

108-1.6-4.9-0.1505-0.46325：00

144-4.1-3.0-0.3940-0.28636：00

180-5.10.0-0.48700.07：00

216（-144）-4.13.0-0.39400.28638：00

252（-108）-1.64.9-0.15050.463210：00

288（-72）1.64.90.15050.463211：00

324（-36）4.13.00.39400.2863推導結果12/6/202314推導結果2K件位置a°上下寬度尺寸左右寬度尺寸XtXbXt-XbXlXrXl-Xr12:0001200120001225.51174.5511:0036121511853012211179422:0072122411764812081192164:00108122411764811921208-165:00144121511853011791221-426:001801200120001174.51225.5-517:0021611851215-3011791221-428:0025211761224-4811921208-1610:0028811761224-48120811921611:0032411851215-3012211179422/6/202315管片選型對軸線影響1.直線區(qū)間對軸線影響2.曲線區(qū)間對軸線影響2/6/2023173.管片與盾尾間隙影響2/6/202318盾尾間隙影響主要因素1.使用楔形環(huán)管片；

2.管片的方位角（或俯仰角）與盾構機的方位角（或俯仰角）不一致；3.盾構機中心與管片中心不一致――平行移動的影響。2/6/202319盾構超挖量目的：為使盾構機在設計軸線開挖或使盾構實行施工軸線糾偏，其開挖空間符合盾構機主體能有效地通過。2/6/202321計算模式2/6/2023225.注意問題1．盾構機施工軸線盡可能控制在誤差范圍內。2．管片的選型拼裝盡可能吻合設計軸線。3．當發(fā)生軸線糾偏時，須每一環(huán)測量盾構的軸線情況及管片與盾尾間隙的大小，根據測量結果，計算每一環(huán)糾偏量，合理安排管片的選型，決不能一次糾偏到位。同時根據施工軸線偏離狀況，計算糾偏的環(huán)數(shù)，使其軸線滿足設計要求（即構成緩和曲線）。4．施工過程中，要根據軸線控制情況，制定盾構和管片軸線測量頻率。根據測量結果推算隧道及盾構機軸線未來的情況，及時作出調整。5．定期測量管片超前量（使用楔形環(huán)管片）初步檢測管片隧道與盾構的情況。6．在拼裝管片過程中，盡可能避免出現(xiàn)管片與管片踏步現(xiàn)象。7．合理使用推進千斤頂編組，特別在盾構軸線糾偏過程中，區(qū)域油壓不能差異太大，避免管片出現(xiàn)破裂或裂縫。8．須特別注意土層的軟硬變化。盾構在比較堅硬的土層中，一旦出現(xiàn)大幅度的糾偏需注意管片選型排列，盡可能做到既滿足設計軸線要求又同時避免因管片與盾尾接觸而產生破裂或出現(xiàn)裂縫。9．在楔形管片設計中，需考慮與設計軸線的吻合，同時需考慮與盾構盾尾間隙關系，設計楔形管片最佳的楔變量。2/6/202323盾構歷史

在地下開挖隧道，地層會出現(xiàn)松動，為控制地層松動，就要施加支撐，這是早在橫向穴居時代的先人就已掌握了的經驗。試圖在沒有支撐的條件下挖掘隧道，這是盾構施工法的開端。。盾構法是在1818年，由英國人布魯內爾（M.I.Brunel）在觀察了木船蛀蟲在木頭上打洞時用自己的分泌物將所打洞穴的周圍被覆起來的現(xiàn)象后聯(lián)想而研制發(fā)明的，當時用于倫敦泰晤士河底下的隧道工程，是開敞手掘式盾構原形。施工中曾出現(xiàn)過很大的困難。此后，于1890年，格雷特黑德（T.H.Greathead）成功地開創(chuàng)了使用氣壓的盾構施工法，從此盾構法施工開始被正式作為水底隧道的施工方法而加以使用。盾構施工法引進到日本是大正（1912～1926年）初期的事，當初一直作為水底隧道等的特殊施工方法。但是在最近20～30年間，盾構法作為城市地下土木工程的一種施工方法，已取得飛速的發(fā)展。

我國的盾構掘進機制造和應用始于1963年，上海隧道工程公司結合上海軟土地層對盾構掘進機、預制鋼混凝土襯砌、隧道掘進施工參數(shù)、隧道接縫防水進行了系統(tǒng)的試驗研究。研制了1臺直徑4.2m的手掘式盾構進行淺埋和深埋隧道掘進試驗，隧道掘進長度68m。1965年，由上海隧道工程設計院設計、江南造船廠制造的2臺直徑5.8m的網格擠壓型盾構掘進機，掘進了2條地鐵區(qū)間隧道，掘進總長度1200m。2/6/2023251）盾構分類

盾構按不同的施工條件分類，一般分為6種或7種形式。選定工藝時，主要考慮地形、施工長度、隧道線形、周圍環(huán)境、規(guī)劃布局、工期、輔助工藝以及經濟等因素。其中地形條件對工藝選定影響最大。

2/6/2023262.撕裂刀形式、特點特點：1.可用于軟巖（抗壓強度<30MPa)巖巖。2.殼形刀主要用于礫石層，巖層土中，主要用于砂巖、粉砂和粘性土比較軟弱圍和風華花鋼巖等硬質圍巖。3.開挖機理：依靠刀具在運動中，對土層產生的剪力進行土層破壞。2/6/202329條狀撕裂刀形式（屋頂形）（1）2/6/202330條形撕裂刀形式（2）2/6/202331殼形撕裂刀具形式（1）2/6/202332殼形撕裂刀具形式（2）2/6/2023333.鏟刀形式（T形刀）、特點特點：1.在盤形刀或撕裂刀對土層產生初步破壞的土層進行切削，或直接將軟土層進行切削；主要應用砂，粉砂和粘性土的軟弱圍巖。2.開挖機理：依靠刀具在運動中，對土層產生的剪切力進行土層破壞。2/6/202334鏟刀形式（1）2/6/202335鏟刀形式（2）2/6/202336鏟刀形式（3）2/6/2023373）開挖刀盤形式、刀盤形式：1.條幅型，2.面板型，3.復合型刀盤形狀：如下圖所示（a）垂直平面形（b）圓錐形（c）中心挖掘形（d）半球形（e）傾斜形（f）刀盤縮小形2/6/202338條幅形刀盤形式、特點多用于軟土地層，直接反映開挖的土壓力情況，依靠土壓力穩(wěn)定開挖面。2/6/202339條幅型刀盤形式2/6/202340面板型刀盤形式、特點

多用于相對較弱的地層，土壓力大部分反映盾構泥倉內的土壓，主要依靠刀盤的面板進行開挖面支護，可用于泥水盾構、土壓平衡盾構及巖石盾構機。刀盤開口率在20～40％之間。在礫質粘性土中開挖，容易造成刀盤面板磨損。在土壓平衡盾構施工中，靈敏度小的粘土層中容易造成泥倉堵塞。2/6/202341面板型刀盤形式（2）2/6/202342復合型刀盤形式、特點用于復合形地層，局部反映開挖面土壓力，多用于土壓平衡盾構，主要依靠刀盤和部分土壓穩(wěn)定開挖面。刀盤開口率在35～50％之間，。2/6/202343復合型刀盤形式（2）2/6/2023444）刀具布置

刀具布置形式應根據土層狀況及刀具的開挖機理進行有序布置。刀盤構造形式，根據施工條件、土質條件決定。

對固結粘土，前角及后角應大；對礫石，一般采用略小的角度；對礫石，需防止尖端缺損和剝離，有時用滾刀、特殊刀頭等；刀頭的高度，應根據土質條件和褶動距離推定的磨耗量、掘進速度和刀頭回轉數(shù)、設定位置等求出的切入深度等決定。

2/6/2023455）盾構選型盾構選型取決于下列各圍巖條件：1.軟弱流動形的粘土；2.容易坍塌的砂、砂礫層；3.含水砂層，礫層或互層中的承壓含水砂層和礫層；4.含大礫石的地層；5.估計埋有漂木和其他物質的地層；6.包括硬軟兩中土層的地層。關鍵：以穩(wěn)定開挖面為中心。詳見巖土與盾構選型2/6/202346三、管片制作施工控制1）管片制作施工流程（見管片施工技術）2）混凝土性能（見混凝土性能及配制）3)施工注意問題2/6/2023471）管片制作施工流程見管片施工技術2/6/2023482）混凝土性能普通防水混凝土是在普通混凝土的基礎上發(fā)展起來的。兩者區(qū)別在于：普通混凝土是根據所需強度進行配制，主要以石子為骨料，砂子填充石子的空隙，水泥漿填充砂子的空隙并將骨料粘結在一起；防水混凝土是根據所需抗?jié)B等級進行配制，同時也滿足設計強度的要求，其中水泥砂漿除滿足填充、粘結作用外，還要求在石子周圍形成一定量和質量（濃度）良好的砂漿包裹層，將粗骨料充分分隔開，有效地阻隔粗骨料間相互連通地滲水孔隙，從而有效提高混凝土地密實性和抗?jié)B性。配制：在配制防水混凝土時，將砂石混合連續(xù)給配簡化為普通混凝土地骨料配級，而控制水灰比，適當增加砂率和水泥用量，來提高其密實性和抗?jié)B性。

2/6/2023493）施工注意問題1）

原材料稱量偏差:由于水稱量波動±1％時，混凝土強度將相應波動約±3％；水泥稱量波動±1％時，混凝土強度波動約±1.7％。若水和水泥稱量誤差各位+2％和-2％時，由于水灰比的變化，混凝土強度將降低8.9％。2）

經常測量骨料的含水量，及時調整水量及骨料的重量。3）

混凝土攪拌時