地鐵與輕軌課程論文

1、成績(jī)?cè)u(píng)閱人日 期中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院20142015學(xué)年度第二學(xué)期地鐵與輕軌課程論文學(xué)號(hào)02120438班級(jí)土木工程2012-9班姓名郭曙瑞力學(xué)與建筑工程學(xué)院教學(xué)管理辦公室中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院 第 7 頁地鐵隧道施工中的盾構(gòu)法 （中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院土木工程2012-9班 郭曙瑞）摘 要：城市公共交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。泛指城市中再不同形式軌道上運(yùn)行的大、中運(yùn)量城市公共交通工具，是當(dāng)代城市中地鐵、輕軌、單軌鐵路、自動(dòng)導(dǎo)向、短途磁懸浮等軌道交通的總稱。 本文主要敘述和總結(jié)了地鐵隧道施工中常用的工法盾構(gòu)法的施工過程、技術(shù)要領(lǐng)、適用的范圍、盾構(gòu)的類型和選擇以及盾構(gòu)施工過

2、程中應(yīng)做的準(zhǔn)備工作，可能遇到的問題和解決方案。文中對(duì)盾構(gòu)法施工的各項(xiàng)工作都做了詳細(xì)說明，并在敘述中就一些措施和解決方案提出了自己的觀點(diǎn)以補(bǔ)充和完善工法中的不足之處。關(guān)鍵詞：施工過程；掘進(jìn)機(jī)；選型；盾構(gòu)拼裝；地面沉降1 引言盾構(gòu)法隧道施工是地鐵建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的施工方法。它是一種先進(jìn)的隧道機(jī)械化施工技術(shù)。盾構(gòu)法作為目前最為安全有效的城市軌道施工工藝，已經(jīng)被絕大多數(shù)市政工程所青睞，在21世紀(jì)中國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)代，全國(guó)范圍內(nèi)各大中型城市都傾向于城市地鐵及類似的市政工程的修建，因此盾構(gòu)法施工在目前國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)不可估量。盾構(gòu)法施工結(jié)合了傳統(tǒng)和現(xiàn)代的各項(xiàng)技術(shù)革新，有著固定的施工工藝流程，包含了諸多

3、施工環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)或工序都必須有技術(shù)含量較高的專項(xiàng)方案指導(dǎo)施工，并輔以經(jīng)驗(yàn)豐富的管理操作人員，才能充分發(fā)揮盾構(gòu)法施工的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)工程的最大收益。1 盾構(gòu)施工技術(shù)基本原理 盾構(gòu)施工技術(shù)是指使用盾構(gòu)機(jī),一邊控制開挖面及圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn),一邊進(jìn)行隧道掘進(jìn)、出渣,并在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)拼裝管片形成襯砌、實(shí)施壁后注漿,從而在不擾動(dòng)圍巖的基礎(chǔ)上修筑隧道的方法。 盾構(gòu)機(jī)的“盾”是指保持開挖面穩(wěn)定性的刀盤和壓力艙、支護(hù)圍巖的盾型鋼殼?！皹?gòu)”是指構(gòu)成隧道襯砌的管片和壁后注漿體1。圖1、圖2分別為土壓平衡和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)主體示意圖2.1 盾構(gòu)法施工的技術(shù)要點(diǎn)主要施工過程有：（1）在盾構(gòu)法隧道的起始端和終結(jié)端各建一個(gè)工

4、作井，城市地鐵一般利用車站的端頭作為始發(fā)或到達(dá)的工作井。（2）盾構(gòu)在始發(fā)工作井內(nèi)安裝就位。（3）依靠盾構(gòu)千斤頂推力將盾構(gòu)從始發(fā)工作井的墻壁開孔處推出。（4）盾構(gòu)在地層中沿著設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，在推進(jìn)的同時(shí)不斷出土和安裝襯砌管片。（5）及時(shí)向襯砌背后的空隙注漿，防止地層移動(dòng)和固定襯砌環(huán)位置。（6）盾構(gòu)進(jìn)入到達(dá)工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推進(jìn)。在上述施工過程中，保證掘進(jìn)面穩(wěn)定的措施、盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計(jì)路線的高精度推進(jìn)、襯砌作業(yè)的順利進(jìn)行等三項(xiàng)工作最為關(guān)鍵，這三項(xiàng)工作是保證盾構(gòu)施工成功的重要因素。2.2 盾構(gòu)法施工的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍盾構(gòu)能適用于各種復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。從流動(dòng)性很大的第

5、四紀(jì)淤泥質(zhì)土層到中風(fēng)化和微風(fēng)化巖層，它既可用來修建小斷面的區(qū)間隧道，也可用來修建大斷面的車站隧道，而且施工速度快，能有效地控制地面沉降。盾構(gòu)法的優(yōu)點(diǎn)有：（1） 安全開挖和襯砌，掘進(jìn)速度快。（2）盾構(gòu)的推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等全過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，施工勞動(dòng)強(qiáng)度低。 （3）不影響地面交通與設(shè)施，同時(shí)不影響地下管線等設(shè)施。（4）穿越河道時(shí)不影響航運(yùn)，施工中不受季節(jié)、風(fēng)雨等氣候條件影響，施工中沒有噪音和擾動(dòng)。（5）在松軟含水地層中修建埋深較大的長(zhǎng)隧道往往具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)越性。盾構(gòu)法的適用范圍有：（1） 在松軟含水地層，相對(duì)均質(zhì)的地質(zhì)條件。（2）盾構(gòu)法施工隧道應(yīng)有足夠的埋深，覆土深度宜不小于6m。

6、隧道覆土太淺，盾構(gòu)法施工難度較大；在水下修建隧道時(shí)，覆土太淺盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。（3）地面上必須有修建用于盾構(gòu)進(jìn)出洞和出土進(jìn)料的工作井位置。（4）隧道之間或隧道與其他建筑物之間所夾土體加固處理的最小厚度為水平方向1.0m，豎直方向1.5m。（5）從經(jīng)濟(jì)角度講，連續(xù)的盾構(gòu)施工長(zhǎng)度不宜小于300m。但應(yīng)指出，盾構(gòu)法施工需要較長(zhǎng)的時(shí)間和較高的投資用于質(zhì)構(gòu)與附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，以及建造端頭工作井等工程設(shè)施。同時(shí)，盾構(gòu)法的施工技術(shù)方案和施工細(xì)節(jié)對(duì)圍巖條件的依賴件，較之其他方法尤甚，這就要求事先對(duì)沿線的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件做細(xì)致的勘探工作，井要根據(jù)圍巖的復(fù)雜程度做好各種應(yīng)變的準(zhǔn)備。因此，在地面交通繁

7、忙，地面建筑韌和地下管線密布，對(duì)地面沉降要求嚴(yán)格的城區(qū)不宣采用明挖法，且地下水發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，或隧道很長(zhǎng)而又工期要求緊迫，不能采用較為經(jīng)濟(jì)的礦山法時(shí)，采用盾構(gòu)法施工才是經(jīng)濟(jì)合理的。3 盾構(gòu)類型及選擇3.1 盾構(gòu)類型根據(jù)開挖、工作面支護(hù)和防護(hù)方式，一般可以將盾構(gòu)分為全面開放型、部分開放型、密封型以及全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)4大類：（1）全面開放型盾構(gòu)不設(shè)隔板，其特點(diǎn)是掘削面敞開。這種盾構(gòu)適于掘削面可以自立的地層中適用。全面開放型盾構(gòu)按其開挖的方法可分為手掘式、半機(jī)械和機(jī)械式三種。（2）部分開放型盾構(gòu)又稱擠壓式盾構(gòu)。它是在開放型盾構(gòu)的切口環(huán)和支撐環(huán)之間設(shè)置胸板，以支擋正面土體，但在胸板上有一些開口，當(dāng)

8、盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)，需要排除的土體將從開口處擠入盾構(gòu)內(nèi)，然后裝車外運(yùn)。這種盾構(gòu)適用于松軟黏土層，且在推進(jìn)過程中會(huì)引起較大的地面變形。如圖2所示。圖2部分開放型盾構(gòu)結(jié)構(gòu)（3） 密封型盾構(gòu)是一種設(shè)置封閉隔板的機(jī)械式盾構(gòu)。掘削土砂是從位于掘削面和隔板之間的土艙內(nèi)取出的，利用外加泥水壓或者泥土壓與掘削面上的土壓平衡來維持掘削面的穩(wěn)定，所以封閉式有泥水平衡式和土壓平衡式兩種。進(jìn)而土壓平衡式又可分為真正的土壓平衡式和加泥平衡式；加泥平衡式又分為加泥和加泥漿兩種平衡方式。 （4）隧道掘進(jìn)機(jī)是用機(jī)械破碎巖石、出碴和支護(hù)實(shí)行連續(xù)作業(yè)的一種綜合設(shè)備。按掘進(jìn)機(jī)在工作面上的切削過程，分為全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。按破

9、碎巖石原理不同，又可分滾壓式掘進(jìn)機(jī)和銑切式掘進(jìn)機(jī)。3.2 盾構(gòu)選型的依據(jù)和方法根據(jù)不同的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和施工環(huán)境與工期的要求，合理地選擇盾構(gòu)類型，對(duì)保證施工質(zhì)量，保護(hù)地面與地下建筑物安全和加快施工進(jìn)度是至關(guān)重要的。因?yàn)橹挥性谑┕ぶ胁拍馨l(fā)現(xiàn)所選用的盾構(gòu)是否適用，一般不適用的盾構(gòu)將對(duì)工期和造價(jià)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但此時(shí)想更換已經(jīng)不可能了。盾構(gòu)選型的根據(jù)，按其重要性排列如下：工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、地層的參數(shù)、地面環(huán)境、地面和地下建筑物對(duì)地面沉降的敏感度、隧道尺寸、工期、造價(jià)、經(jīng)驗(yàn)。選擇盾構(gòu)機(jī)時(shí)，必須綜合考慮以下因素：滿足設(shè)計(jì)要求、安全可靠、造價(jià)低、工期短及對(duì)環(huán)境影響小。盾構(gòu)機(jī)機(jī)型的選擇正確與否是

10、盾構(gòu)隧道工程施工成敗的關(guān)鍵。因盾構(gòu)選型欠妥或者不恰當(dāng)，致使隧道施工過程中出現(xiàn)事故的情況很多。由此可見盾構(gòu)選型的重要性。盾構(gòu)選型必須嚴(yán)格遵守以下幾項(xiàng)原則：（1) 選用與工程地質(zhì)匹配的盾構(gòu)機(jī)型，確保施工絕對(duì)安全。（2)可以輔以合理的輔助工法。（3)盾構(gòu)的性能應(yīng)能滿足工程推進(jìn)的施工長(zhǎng)度和線形的要求。（4)選定的盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)能力可與后續(xù)設(shè)備、始發(fā)基地等施工設(shè)備匹配。（5)選擇對(duì)周圍環(huán)境影響小的機(jī)型。以上原則中以能絕對(duì)保證掘削面穩(wěn)定、確保施工安全的機(jī)型為最重要。為了選擇合適的盾構(gòu)機(jī)型,除應(yīng)對(duì)土質(zhì)條件、地下水條件進(jìn)行勘查外，還應(yīng)對(duì)占地環(huán)境作充分的勘察。4 盾構(gòu)法施工關(guān)于盾構(gòu)施工方法的種類，一般可以根據(jù)斷面

11、形狀分類、開挖方式分類、頭部結(jié)構(gòu)分類等。根據(jù)頭部的結(jié)構(gòu)（以隔離開挖面和盾尾襯砌作業(yè)空間之間隔板的有無）可以分為閉胸式和敞開式。從使用情況來看，閉胸式的使用比較廣泛。敞開式盾構(gòu)之中有擠壓式盾構(gòu)、全部敞開式盾構(gòu)，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再說明。 根據(jù)開挖面的穩(wěn)定原理和方法，可以將各種盾構(gòu)的特征總結(jié)如下。 （1）閉胸式盾構(gòu) 通過設(shè)置于切口環(huán)和支承環(huán)之間的密封隔板，并在隔板和作業(yè)面之間形成壓力艙，保持充滿泥砂或泥水的壓力艙內(nèi)的壓力，以保證作業(yè)面的穩(wěn)定性的機(jī)械式盾構(gòu)型式。根據(jù)開挖面穩(wěn)定機(jī)理可以分為土壓平衡式盾構(gòu)和泥水加壓式盾構(gòu)。 土壓平衡式盾構(gòu) 將開挖的泥砂進(jìn)行泥漿化，通過控制泥

12、漿的壓力以保證作業(yè)面的穩(wěn)定性。該盾構(gòu)設(shè)置有切削圍巖的機(jī)械、攪拌開挖土砂使其泥漿化的攪拌機(jī)械、切削土的排出機(jī)械并有能夠保證切削土壓力的控制機(jī)械的盾構(gòu)型式。又可根據(jù)是否具有促進(jìn)泥漿化的添加材料的注漿裝置分為土壓盾構(gòu)和泥土壓盾構(gòu)。土壓平衡式盾構(gòu)如圖所示。 a土壓式盾構(gòu) 使用轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤切削圍巖，并使作業(yè)面和隔板之間充滿經(jīng)過攪拌的土砂。該施工方式通過盾構(gòu)的推進(jìn)力給切削土砂加壓并使其作用于作業(yè)面整體來獲取作業(yè)面的穩(wěn)定性，同時(shí)通過螺旋式輸送器進(jìn)行排土。 b泥土壓式盾構(gòu) 通過一邊注入添加材料一邊轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，強(qiáng)制性地?cái)嚢枨邢魍辽昂吞砑硬牧鲜蛊涑蔀樗苄粤鲃?dòng)化狀態(tài)。與土壓盾構(gòu)相同，該施工方式也為一邊保持作業(yè)面的穩(wěn)定性一

13、邊通過螺旋輸送器進(jìn)行排土。 泥水加壓式盾構(gòu) 該盾構(gòu)通過給泥漿一定的壓力以保持開挖面的穩(wěn)定性，并通過循環(huán)泥漿將切削土砂以流體方式輸送運(yùn)出。該盾構(gòu)型式設(shè)置有切削圍巖的開挖機(jī)械，泥漿循環(huán)設(shè)備，給泥漿施加一定壓力的送排泥設(shè)備，運(yùn)出泥漿的分離設(shè)備，另外有的泥水加壓式盾構(gòu)還具有保證泥漿性能的調(diào)泥和泥水處理設(shè)備。 （2）敞開式盾構(gòu) 敞開式盾構(gòu)與閉胸式盾構(gòu)的主要不同就是沒有設(shè)置隔板，開挖面全部或大部分敞開的盾構(gòu)型式，以作業(yè)面能夠自立穩(wěn)定作為前提。對(duì)于不能自立穩(wěn)定的作業(yè)面，要通過輔助施方法，使其能夠滿足自立穩(wěn)定條件。 機(jī)械式盾構(gòu) 在盾構(gòu)前部安裝有切削刀盤，可用機(jī)械連續(xù)地開挖土砂的盾構(gòu)。通過刀盤支撐，可以得到一些

14、擋土效果。 半機(jī)械式盾構(gòu)敞開式盾構(gòu)中的半機(jī)械式盾構(gòu)是在盾構(gòu)的原型人工開挖式盾構(gòu)上裝上開挖機(jī)、裝載機(jī)或開挖裝載兩用機(jī)等的盾構(gòu)。為了防止開挖面崩塌，可安裝可動(dòng)式切口環(huán)、半月形千斤頂。但由于安裝了開挖裝置，故實(shí)際上難以設(shè)置前面千斤頂?shù)葥跬裂b置，大多在開挖過程中開挖面敞開得很大，對(duì)開挖面的穩(wěn)定條件需進(jìn)行研究。 4.1 施工準(zhǔn)備工作采用盾構(gòu)法施工時(shí)，首先要在隧道的始端和終端開挖基坑或建造豎井，用作盾構(gòu)及其設(shè)備的拼裝井和拆卸井，特別長(zhǎng)的隧道，還應(yīng)設(shè)置中間檢修工作井。拼裝和拆卸用的工作井，其建筑尺寸應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)裝拆的施工要求來確定。拼裝井的井壁上設(shè)有盾構(gòu)出洞口，井內(nèi)設(shè)有盾構(gòu)基座和盾構(gòu)推進(jìn)的后座。井的寬度一般應(yīng)

15、比盾構(gòu)直徑大1.62.0米，以滿足鉚、焊等操作的要求。當(dāng)采用整體吊裝的小盾構(gòu)時(shí)，井寬可酌量減小。井的長(zhǎng)度，除了滿足盾構(gòu)內(nèi)安裝設(shè)備的要求外，還要考慮盾構(gòu)推進(jìn)出洞時(shí)，拆除洞門封板和在盾構(gòu)后面設(shè)置后座，以及垂直運(yùn)輸所需的空間。中、小型盾構(gòu)的拼裝井長(zhǎng)度，還要照顧設(shè)備車架轉(zhuǎn)換的方便。盾構(gòu)在拼裝井內(nèi)拼裝就緒，經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試后，就可拆除出洞口封板，盾構(gòu)推出工作井后即開始隧道掘進(jìn)施工。盾構(gòu)拆卸井設(shè)有盾構(gòu)進(jìn)口，井的大小要便于盾構(gòu)的起吊和拆卸。盾構(gòu)在拼裝前，先在拼裝室底部鋪設(shè)50cm厚的混凝土墊層，其表面與盾構(gòu)外表面相適應(yīng)，在墊層內(nèi)埋設(shè)鋼軌，軌頂伸出墊層約5cm，可作為盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的導(dǎo)向軌，并能防止盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)。若拼裝室將

16、來要作他用，則墊層將鑿除，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。此時(shí)可改用由型鋼拼裝的盾構(gòu)支撐平臺(tái)，其上亦需要有導(dǎo)向和防止旋轉(zhuǎn)的裝置。 由于起重設(shè)備和運(yùn)輸條件的限制，通常將盾構(gòu)機(jī)拆成切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾三節(jié)運(yùn)到工地，然后用起重機(jī)將其逐一放入井下的墊層或支承平臺(tái)上。切口環(huán)與支承環(huán)用螺栓連接成整體，并在螺栓連接面外圈加薄層電焊，以保持其密封性。盾尾與支承環(huán)之間則采用對(duì)接焊連接。 在拼裝好盾構(gòu)后面，尚需設(shè)置由型鋼拼成的，剛度很大的反力支架和傳力管片。根據(jù)推出盾構(gòu)要開動(dòng)的千斤頂數(shù)目和總推力進(jìn)行反力支架的設(shè)計(jì)和傳力管片的排列。一般來說，傳力管片都不封閉成環(huán)，故兩側(cè)都要將其支撐住，當(dāng)盾構(gòu)工作井周圍地層為自穩(wěn)能力差、透水性強(qiáng)的松散砂土

17、或飽和含水粘土?xí)r，如不對(duì)其進(jìn)行加固處理，則在工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)后必將會(huì)有大量的土體和地下水向工作井內(nèi)塌陷導(dǎo)致洞周大面積地表下沉，危及地下管線和附近建筑物。因此在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞前必須對(duì)洞門處地層進(jìn)行加固處理，即進(jìn)行端頭加固。4.2 盾構(gòu)掘進(jìn)為了增加開挖面的穩(wěn)定性，在盾構(gòu)未進(jìn)入加固土體前，就需要適當(dāng)?shù)南蜷_挖面注水或注泥漿，因此洞口要有妥善的密封止水裝置，以防止開挖面泥漿流失。為了使盾構(gòu)在推進(jìn)中對(duì)地層和地面影響最小，表現(xiàn)為地層的強(qiáng)度下降小，受到的擾動(dòng)小，超孔隙水壓力小，地面隆沉小以及襯砌脫開盾尾時(shí)的突然沉降小，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行施工管理必不可少。盾構(gòu)掘進(jìn)的施工管理構(gòu)成如表1。表1 盾構(gòu)掘進(jìn)施工管理構(gòu)成項(xiàng)目?jī)?nèi)容

18、挖掘管理開挖面穩(wěn)定泥水加壓時(shí)土壓平衡式切削、排土盾構(gòu)機(jī)開挖面泥水壓力保持開挖面土壓力保持，密封艙內(nèi)砂土性態(tài)開挖土量、排土性態(tài)總推力、推進(jìn)速度、切削扭矩千斤頂推力、攪拌扭矩線形管理盾構(gòu)機(jī)位置、形態(tài)俯仰、旋轉(zhuǎn)、偏移鏈接的相對(duì)轉(zhuǎn)角，超挖量、蛇形量注漿管理注入狀況諸如材料注入量，注入壓力稠度、離析性膠凝時(shí)間、強(qiáng)度、配比管片拼裝管理拼裝防水位置真圓度、凝螺栓的扭矩漏水、管片缺損、接縫張開蛇形度、垂直度4.3 盾構(gòu)法施工地面沉降機(jī)理、預(yù)測(cè)和防治盾構(gòu)施工多少都會(huì)擾動(dòng)地層引起地面沉降，即使采用目前先進(jìn)的盾構(gòu)技術(shù)，要完全消除地面沉降也是不太可能的。地面沉降量達(dá)到某種程度都會(huì)危及周圍的管線和建筑物。因而，在設(shè)計(jì)和施工中通過現(xiàn)場(chǎng)反饋資料，采取相應(yīng)的防治對(duì)策和措施非常必要。盾構(gòu)隧道施工引起的地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)，是地面沉降的基本原因。做好盾構(gòu)掘進(jìn)的施工管理是防治地面沉降的基本措施。具體來說就是：（1）保持開挖面的穩(wěn)定性。（2）及時(shí)、有效、足量地充填襯砌背后的建筑間隙，保證漿液拌制質(zhì)量和注漿量，必要時(shí)還可通過在管片上的注漿孔進(jìn)行二次加固注漿。（3）嚴(yán)格控制盾構(gòu)施工中的偏差量，盾構(gòu)施工偏差增大，不但影響地下鐵道線路、界限等使用要求，還會(huì)過多擾動(dòng)地層而導(dǎo)致地面沉降量得增加。5 結(jié)語盾構(gòu)技術(shù)作