盾構隧道軸線控制及盾構

盾構技術交流

地鐵建總:郭永順

12/8/20221盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!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12/8/20222盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!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。12/8/20223盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!一、盾構隧道軸線控制

盾構隧道軸線控制屬于掘進管理中的線形管理。

盾構隧道軸線偏差是在推進器推進長度差的變化、土質的強度不一、選用管片類型拼裝所形成。因此在一定程度內盾構隧道軸線將產(chǎn)生蛇行狀態(tài)。盾構隧道軸線控制關鍵需了解管片所固有的尺寸特性及盾構機外形尺寸，根據(jù)尺寸的特點合理管片選型，使管片形成的軸線與設計軸線盡量在設計允許偏差范圍內。12/8/20224盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!1.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(jīng)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12/8/20225盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!管片尺寸特性掌握管片的尺寸特性掌握，主要是根據(jù)管片拼裝形式?jīng)Q定，關鍵取決于封頂塊旋轉的位置，從而確定了管片形成空間尺寸，如對軸線偏移量，軸線糾偏量等。

12/8/20226盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!管片立面12/8/20227盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!管片空間尺寸計算幾何立體圖12/8/20228盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!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其值依次的大小：K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112/8/20229盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!2.管片選型及對軸線影響

對管片固有尺寸特性掌握后，利用封頂塊不同位置，可計算管片選型拼裝對施工軸線影響及施工過程中對軸線的糾偏。12/8/202210盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!3.管片與盾尾間隙影響12/8/202211盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!4.盾構機軸線控制1.掌握千斤頂使用、計算方法2.掌握中折系統(tǒng)使用、計算方法12/8/202212盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!計算模式12/8/202213盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!二、盾構機選型1）盾構機分類2）開挖刀具形式1.盤形刀形式、特點2.撕裂刀形式、特點3.切削刀形式、特點3）開挖刀盤形式4）刀具布置5）盾構選型12/8/202214盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!1）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(jīng)濟等因素。其中地形條件對工藝選定影響最大。

12/8/202215盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!1.盤形刀形式、特點特點：1.貫入率：是巖層是否適用采用盤形刀開挖的一個指標。即用刀盤每旋轉一周，刀具切入巖石一定深度并使巖石破碎。2.適用于硬巖（抗壓強度>30MPa）花崗巖，片麻巖、硅質礫巖等。并且用于粗粒結構的巖石，也就是用于不利于刀具向巖石傳力的巖體。如泥巖中，雖然其貫入率大，但不易使巖體破碎。3.開挖機理：依靠壓力對巖體產(chǎn)生破壞。盤形刀形式觀看CAD12/8/202216盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!條狀撕裂刀形式（屋頂形）（1）12/8/202217盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!殼形撕裂刀具形式（1）12/8/202218盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!3.鏟刀形式（T形刀）、特點特點：1.在盤形刀或撕裂刀對土層產(chǎn)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(chǎn)生的剪切力進行土層破壞。12/8/202219盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!鏟刀形式（2）12/8/202220盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!3）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12/8/202221盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!條幅型刀盤形式12/8/202222盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!面板型刀盤形式（2）12/8/202223盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!復合型刀盤形式（2）12/8/202224盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!5）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12/8/202225盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!1）管片制作施工流程見管片施工技術12/8/202226盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!3）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(jīng)常測量骨料的含水量，及時調整水量及骨料的重量。3）

混凝土攪拌時間不小于2分鐘。摻加外加劑時，須根據(jù)外加劑技術要求確定攪拌時間。4）

混凝土養(yǎng)護：因為防水混凝土中膠結材料用量較多，收縮性大，容易在表面產(chǎn)生裂縫。所以必須保持混凝土表面濕潤，以防止其表面水分過分急劇蒸發(fā)，引起水泥水化不充分，使混凝土產(chǎn)生裂縫。防水混凝土養(yǎng)護時間不小于14日。但必須引起注意的是，防水混凝土不宜采用蒸氣養(yǎng)護，因為蒸氣養(yǎng)護會加速混凝土水分蒸發(fā)，以及毛細管受蒸氣壓力而抗張，不利于抗?jié)B性。也不宜采用電熱法養(yǎng)護，因為會使混凝土內部溫度不均，易產(chǎn)生溫度裂縫。5）

水泥與減水劑的適配性。12/8/202227盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!管片形成軸線與設計軸線模擬12/8/202228盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!管片環(huán)楔形量確定

楔形量除應根據(jù)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(jù)盾尾空隙量而定。

12/8/202229盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!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。12/8/202230盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!管片空間尺寸計算模擬圖12/8/202231盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!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12/8/202232盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!推導結果2K件位置a°上下寬度尺寸左右寬度尺寸XtXbXt-XbXlXrXl-Xr12:0001200120001225.51174.5511:0036121511853012211179422:0072122411764812081192164:00108122411764811921208-165:00144121511853011791221-426:001801200120001174.51225.5-517:0021611851215-3011791221-428:0025211761224-4811921208-1610:0028811761224-48120811921611:0032411851215-30122111794212/8/202233盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!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12/8/202234盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!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。12/8/202235盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!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。12/8/202236盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!5.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(jù)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(jù)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(jù)軸線控制情況，制定盾構和管片軸線測量頻率。根據(jù)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(chǎn)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。12/8/202237盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!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(jīng)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(wǎng)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。12/8/202238盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!2）開挖刀具形式開挖刀具形式有：1.盤形刀：盤形刀分為雙輪（多輪）盤形刀和單輪盤形刀。2.撕裂刀（先行刀）：條狀撕裂刀（屋頂形）和殼形撕裂刀。3.鏟刀（T形刀）。切削刀片材質使用分類代號硬度（洛氏硬度）A抗折力（Kg/mm2）化學成分（％）備份鎢鈷碳WCOCE190<120<87～904～85～6用作煤礦采掘用刀片和小口徑混凝土空心鉆，故不宜用作盾構切削刀E289<140<85～895～105～6E388<160<88～877～125～6E487<170<82～868～135～6用作粉砂土、砂土切削用刀片E586<200<78～859～175～6用作砂土、砂礫層切削用刀片

12/8/202239盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!2.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(chǎn)生的剪力進行土層破壞。12/8/202240盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!條形撕裂刀形式（2）12/8/202241盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!殼形撕裂刀具形式（2）12/8/202242盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!鏟刀形式（1）12/8/202243盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!鏟刀形式（3）12/8/202244盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!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。12/8/202245盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!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。12/8/202246盾構隧道軸線控制及盾構共51頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!復合型刀盤形式、特點