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文檔簡介

第五章盾構(gòu)法施工第一節(jié)概述盾構(gòu)法是暗挖隧道的專用機(jī)械在地面以下建造隧道的一種施工方法。盾構(gòu)是與隧道形狀一致的盾構(gòu)外殼內(nèi),裝備著推進(jìn)機(jī)構(gòu)、擋土機(jī)構(gòu)、出土運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、安裝襯砌機(jī)構(gòu)等部件的隧道開挖專用機(jī)械。采用此法建造隧道,其埋設(shè)深度可以很深而不受地面建筑物和交通的限制。近年來由于盾構(gòu)法在施工技術(shù)上的不斷改進(jìn),機(jī)械化程度越來越強(qiáng),對(duì)地層的適應(yīng)性也越來越好。城市市區(qū)建筑公用設(shè)施密集,交通繁忙,明挖隧道施工對(duì)城市生活干擾嚴(yán)重,特別在市中心,若隧道埋深較大,地質(zhì)又復(fù)雜時(shí),用明挖法建造隧道則很難實(shí)現(xiàn)。而盾構(gòu)法施工城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設(shè)施等各種隧道具有明顯優(yōu)點(diǎn)。此外,在建造水下公路和鐵路隧道或水工隧道中,盾構(gòu)法也往往以其經(jīng)濟(jì)合理而得到采用。盾構(gòu)法是一項(xiàng)綜合性的施工技術(shù)。盾構(gòu)法施工的概貌如圖5-1所示。構(gòu)成盾構(gòu)法的主要內(nèi)容是:先在隧道某段的一端建造豎井或基坑,以供盾構(gòu)安裝就位。盾構(gòu)從豎井或基坑的墻壁預(yù)留孔處出發(fā),在地層中沿著設(shè)計(jì)軸線,向另一豎井或基坑的設(shè)計(jì)預(yù)留孔洞推進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)中所受到的地層阻力,通過盾構(gòu)千斤頂傳至盾構(gòu)尾部已拼裝的預(yù)制襯砌,再傳到豎井或基坑的后靠壁上。盾構(gòu)是一個(gè)能支承地層壓力,又能在地層中推進(jìn)的圓形、矩形、馬蹄形及其他特殊形狀的鋼筒結(jié)構(gòu),其直徑稍大于隧道襯砌的直徑,在鋼筒的前面設(shè)置各種類型的支撐和開挖土體的裝置,在鋼筒中段周圈內(nèi)安裝頂進(jìn)所需的千斤頂,鋼筒尾部是具有一定空間的殼體,在盾尾內(nèi)可以安置數(shù)環(huán)拼成的隧道襯砌環(huán)。盾構(gòu)每推進(jìn)一環(huán)距離,就在盾尾支護(hù)下拼裝一環(huán)襯砌,并及時(shí)向盾尾后面的襯砌環(huán)外周的空隙中壓注漿體,以防止隧道及地面下沉,在盾構(gòu)推進(jìn)過程中不斷從開挖面排出適量的土方。盾構(gòu)是進(jìn)行土方開挖正面支護(hù)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)安裝的施工機(jī)具,它還需要其它施工技術(shù)密切配合才能順利施工。主要有:地下水的降低;穩(wěn)定地層、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施;隧道襯砌結(jié)構(gòu)的制造;地層的開挖;隧道內(nèi)的運(yùn)輸;襯砌與地層間的充填;襯砌的防水與堵漏;開挖土方的運(yùn)輸及處理方法;配合施工的測量、監(jiān)測技術(shù);合理的施工布置等。此外,采用氣壓法施工時(shí),還涉及到醫(yī)學(xué)上的一些問題和防護(hù)措施等。圖5-1盾構(gòu)法施工概貌示意圖(網(wǎng)格盾構(gòu))1——盾構(gòu);2——盾構(gòu)千斤頂;3——盾構(gòu)正面網(wǎng)格;4一一出土轉(zhuǎn)盤;5-一出土皮帶運(yùn)輸機(jī);6——管片拼裝機(jī);7——管片;8——壓漿泵;9-一壓漿孔;10——出土機(jī);11——由管片組成的隧道襯砌結(jié)構(gòu);12——在盾尾空隙中的壓漿;13——后盾裝置;14——豎井第一節(jié)盾構(gòu)構(gòu)造、分類及適用范圍一、盾構(gòu)的外形和材料1、盾構(gòu)的外形盾構(gòu)的外形就是指盾構(gòu)的斷面形狀,有圓形、雙圓、三圓、矩形、馬蹄形、半圓形或與隧道斷面相似的特殊形狀等。例如:將人行隧道筑成矩形,最大地利用了挖掘空間;將水利隧道筑成馬蹄形,使流體的力學(xué)性能達(dá)到最佳狀態(tài);將穿山隧道筑成半圓形,可以使底邊直接與公路連接等等。但是,絕大多數(shù)盾構(gòu)還是采用傳統(tǒng)的圓形。2、制造盾構(gòu)的材料盾構(gòu)在地下穿越,要承受水平載荷、垂直載荷和水壓力,如果地面有構(gòu)筑物,還要承受這些附加載荷,盾構(gòu)推進(jìn)時(shí),還要克服正面阻力,所以,要求盾構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。盾構(gòu)主要用鋼板單層厚板或多層薄板制成,鋼板一般采用A3鋼。鋼板間連接可采用焊接和鉚接兩種方法,大型盾構(gòu)考慮到水平運(yùn)輸和垂直吊裝的困難,可制成分體式,到現(xiàn)場進(jìn)行就位拼裝,部件的連接一般采用定位銷定位,高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接,最后焊接成型。二、盾構(gòu)的基本構(gòu)造盾構(gòu)的基本構(gòu)造主要分為盾構(gòu)殼體、推進(jìn)系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)三大部分,見簡單的手掘式盾構(gòu)的基本構(gòu)造圖5-2。1、盾構(gòu)殼體從工作面開始可分為切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾三部分。(1)切口環(huán)切口環(huán)位于盾構(gòu)的最前端,起開挖和擋土作用,施工時(shí)最先切入地層并掩護(hù)開挖作業(yè),部分盾構(gòu)切口環(huán)前端還設(shè)有刃口以減少切入地層的擾動(dòng)。切口環(huán)保持工作面的穩(wěn)定,并作為把開挖下來的土砂向后方運(yùn)輸,因此,采用機(jī)械化開挖、土壓式、泥水加壓式盾構(gòu)時(shí),應(yīng)根據(jù)開挖下來土砂的狀態(tài),確定切口環(huán)的形狀、尺寸。切口環(huán)的長度主要取決于盾構(gòu)正面支承、開挖的方法,就手掘式盾構(gòu)而言,考慮到正面施工人員、挖土機(jī)具有回旋的余地等。大部分手掘式盾構(gòu)切口環(huán)的頂部比底部長,猶如帽檐,有的還設(shè)有千斤頂控制的活動(dòng)前沿,以增加掩護(hù)長度;對(duì)于機(jī)械化盾構(gòu)切口環(huán)內(nèi)按盾構(gòu)種類安裝各種機(jī)械設(shè)備。圖5-2盾構(gòu)基本構(gòu)造示意圖1-切口環(huán)2-支承環(huán)3-盾尾4-支承千斤頂5-活動(dòng)平臺(tái)6-平臺(tái)千斤頂7-切口8-盾構(gòu)千斤頂9-盾尾空隙10-管片拼裝機(jī)11-管片如泥水盾構(gòu),在切口環(huán)內(nèi)安置有切削刀盤、攪拌器和吸泥口;土壓平衡盾構(gòu),安置有切削刀盤、攪拌器和螺旋輸送機(jī);網(wǎng)格式盾構(gòu),安置有網(wǎng)格、提土轉(zhuǎn)盤和運(yùn)土機(jī)械的進(jìn)口;棚式盾構(gòu),安置有多層活絡(luò)平臺(tái)、儲(chǔ)土箕斗;水力機(jī)械盾構(gòu),安置有水槍、吸口和攪拌器。在局部氣壓、泥水加壓、土壓平衡等盾構(gòu)中,因切口內(nèi)壓力高于隧道內(nèi),所以在切口環(huán)處還需布設(shè)密封隔板及人行艙的進(jìn)出閘門。(2)支承環(huán)支承環(huán)緊接于切口環(huán),是一個(gè)剛性很好的圓形結(jié)構(gòu)。地層壓力、千斤頂?shù)姆醋饔昧?,以及切口入土正面阻力、襯砌拼裝時(shí)的施工載荷等承受作用于盾構(gòu)上的全部載荷。在支承環(huán)外沿布置有盾構(gòu)千斤頂,中間布置拼裝機(jī)及部分液壓設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、操縱控制臺(tái)。當(dāng)切口環(huán)壓力高于常壓時(shí),在支承環(huán)內(nèi)要布置人行加、減壓艙。支承環(huán)的長度應(yīng)不小于固定盾構(gòu)千斤頂所需的長度,對(duì)于有刀盤的盾構(gòu)還要考慮安裝切削刀盤的軸承裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和排土裝置的空間。(3)盾尾盾尾主要用于掩護(hù)管片的安裝工作。盾尾末端設(shè)有密封裝置,以防止水、土及壓注材料從盾尾與襯砌間隙進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)。盾尾密封裝置損壞、失效時(shí),在施工中途必須進(jìn)行修理更換,盾尾長度要滿足上述各項(xiàng)工作的進(jìn)行。盾尾厚度應(yīng)盡量薄,可以減小地層與襯砌間形成的建筑空隙,從而減少壓漿工作量,對(duì)地層擾動(dòng)范圍也小有利于施工,但盾尾也需承擔(dān)土壓力,在遇到糾偏及隧道曲線施工時(shí),還有一些難以估計(jì)的載荷出現(xiàn)。所以其厚度應(yīng)綜合上述因素來確定。盾尾密封裝置要能適應(yīng)盾尾與襯砌間的空隙,由于施工中糾偏的頻率很高,因此,要求密封材料要富有彈性、耐磨、防撕裂等,其最終目的是要能夠止水。形式多種,目前常用的是采用多道、可更換的盾尾密封裝置,盾尾的道數(shù)根據(jù)隧道埋深、水位高低來定,一般取2~3道,如圖5-3。圖5-3盾尾密封示意圖1-盾殼;2-彈簧鋼板;3-鋼絲束;4-密封油脂;5-壓板;6-螺栓由于鋼絲束內(nèi)充滿了油脂,鋼絲又為優(yōu)質(zhì)彈簧鋼絲,使其成為一個(gè)即有塑性又有彈性的整體,油脂保護(hù)鋼絲免于生銹損壞。采用專用的盾尾油脂泵加注油脂,這種盾尾密封裝置使用后效果較佳,一次推進(jìn)可達(dá)500m左右,這主要取決于土質(zhì)情況,在砂性土中掘進(jìn),盾尾損壞較快,而在粘性土中掘進(jìn)則使用壽命較長。盾尾的長度必須根據(jù)管片寬度及盾尾的道數(shù)來確定,對(duì)于機(jī)械化開挖式、土壓式、泥水加壓式盾構(gòu),還要根據(jù)盾尾密封的結(jié)構(gòu)來確定,必須保證管片拼裝工作的進(jìn)行;修理盾構(gòu)千斤頂和在曲線段進(jìn)行施工等因素,故必需有一些余量。2、推進(jìn)機(jī)構(gòu)盾構(gòu)掘進(jìn)的動(dòng)力是靠液壓系統(tǒng)帶動(dòng)千斤頂?shù)耐七M(jìn)機(jī)構(gòu),它是盾構(gòu)重要的基本構(gòu)造之一。(1)盾構(gòu)千斤頂?shù)倪x擇和配置盾構(gòu)千斤頂?shù)倪x擇和配置應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)的靈活性、管片的構(gòu)造、拼裝管片的作業(yè)條件等來決定。選定盾構(gòu)千斤頂必須注意以下事項(xiàng):①千斤頂要盡可能地輕,且經(jīng)久耐用,易于維修保養(yǎng)和掉換;②采用高液壓系統(tǒng),使千斤頂機(jī)構(gòu)緊湊。目前使用的液壓系統(tǒng)壓力值為30~40MPa;③千斤頂要均勻地配置在靠近盾構(gòu)外殼處,使管片受力均勻;④千斤頂應(yīng)與盾構(gòu)軸線平行。(2)千斤頂數(shù)量千斤頂?shù)臄?shù)量根據(jù)盾構(gòu)直徑、千斤頂推力、管片的結(jié)構(gòu)、隧道軸線的情況綜合考慮。一般情況下,中小型盾構(gòu)每只千斤頂?shù)耐屏?00~1500kN,在大型盾構(gòu)中每只千斤頂?shù)耐屏Χ酁?000~2500kN。(3)千斤頂?shù)男谐潭軜?gòu)千斤頂?shù)男谐虘?yīng)考慮到盾尾管片拼裝及曲線施工等因素,通常取管片寬度加上100mm~200mm的余量。另外,成環(huán)管片有一塊封頂塊,若采用縱向全插入封頂時(shí),在相應(yīng)的封頂塊位置應(yīng)布置雙節(jié)千斤頂,其行程約為其它千斤頂?shù)囊槐叮詽M足拼裝成環(huán)所需。(4)千斤頂?shù)乃俣榷軜?gòu)千斤頂?shù)乃俣缺仨毟鶕?jù)地質(zhì)條件和盾構(gòu)形式?jīng)Q定,一般取50mm/min左右,且可無級(jí)調(diào)速。為了提高工作效率,千斤頂?shù)幕乜s速度要求越快越好。(5)千斤頂塊盾構(gòu)千斤頂活塞的前端必須安裝頂塊,頂塊必須采用球面接頭,以便將推力均勻、分布在管片的環(huán)面。其次,還必須在頂塊與管片的接觸面上安裝橡膠或柔性材料的墊板,對(duì)管片環(huán)面起到保護(hù)作用。3、管片拼裝機(jī)管片拼裝機(jī)俗稱舉重臂,是盾構(gòu)的主要設(shè)備之一,常以液壓為動(dòng)力。為了能將管片按照設(shè)計(jì)所需要的位置,安全、迅速地進(jìn)行拼裝,拼裝機(jī)在鉗捏住管片后,還必須具備沿徑向伸縮、前后平移和360o(左右疊加)旋轉(zhuǎn)等功能。拼裝機(jī)的形式有環(huán)形、中空軸形、齒輪齒條形等,一般常用環(huán)型拼裝機(jī)。這種拼裝機(jī)安裝在支承環(huán)后部,或者盾構(gòu)千斤頂撐板附近的盾尾部,它如同一個(gè)可自由伸縮的支架,安裝在具有支承滾輪的、能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的中空?qǐng)A環(huán)上的機(jī)械手。該形式中間空間大,便于安裝出土設(shè)備。4、真圓保持器盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)管片就從盾尾部脫出,管片受到自重和土壓的作用會(huì)產(chǎn)生變形,當(dāng)該變形量很大時(shí),已成環(huán)管片與拼裝環(huán)在拼裝時(shí)就會(huì)產(chǎn)生高低不平,給安裝縱向螺栓帶來困難,為了避免管片產(chǎn)生高低不平的現(xiàn)象,就有必要讓管片保持真圓,該裝置就是真圓保持器。真圓保持器支柱上裝有上、下可伸縮的千斤頂和圓弧形的支架,它在動(dòng)力車架挑出的梁上是可以滑動(dòng)的。當(dāng)一環(huán)管片拼裝成環(huán)后,就將真圓保持器移到該管片環(huán)內(nèi),支柱的千斤頂使支架圓弧面密貼管片后,盾構(gòu)就可進(jìn)行下一環(huán)的推進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)后圓環(huán)不易產(chǎn)生變形而保持著真圓狀態(tài)。三、盾構(gòu)基本參數(shù)的選定(一)、盾構(gòu)直徑盾構(gòu)直徑必須根據(jù)管片外徑、盾尾空隙和盾尾鋼板厚度等設(shè)計(jì)要素確定,而盾尾空隙應(yīng)根據(jù)管片的形狀尺寸、隧道的平面形狀、糾偏、盾尾密封結(jié)構(gòu)的安裝等進(jìn)行確定。盾構(gòu)直徑是指盾殼的外徑,而與刀盤、穩(wěn)定翼、同步注漿用配管等突出部分無關(guān)。所謂盾尾空隙,是指盾殼鋼板內(nèi)表面與管片的外表面的空隙。根據(jù)隧道限界和結(jié)構(gòu)尺寸要求,在確定襯砌外徑之后,可按施工要求或經(jīng)驗(yàn)確定盾構(gòu)直徑。下面根據(jù)圖5-4,介紹兩種計(jì)算方法。1、D=d+2(x+δ)(5-1)式(5-1)中:D-盾構(gòu)直徑(mm);d-隧道外徑(mm);;x-盾尾空隙(mm);δ-盾尾鋼板厚度(mm)。圖5-4盾構(gòu)直徑計(jì)算圖為了滿足盾構(gòu)曲線段施工或推進(jìn)施工時(shí)糾偏所需要間隙,盾尾空隙可由下式計(jì)算:X=ML/d(5-2)式(5-2)中:M-盾尾和管片的搭接長度(mm);L-盾尾內(nèi)襯砌環(huán)頂端能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的最大水平距離,也稱盾尾最大覆蓋襯砌長度(mm)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),盾尾空隙一般取20~30mm。2、D=d內(nèi)+2(δ+x+T+T’+e)(5-3)式(5-3)中:d內(nèi)-隧道內(nèi)徑(mm);T-隧道襯砌厚度(mm);T’-隧道內(nèi)襯厚度(mm);e-最小余量(mm);D、δ、x意義同前。上面兩式中均有一個(gè)盾尾鋼板厚度δ,此值應(yīng)通過計(jì)算求得,可是計(jì)算工作較為復(fù)雜,所以通常采用經(jīng)驗(yàn)公式或類比法相近選取。δ=0.02+0.01(D-4)(5-4)式5-4中D為盾構(gòu)外徑,單位為m。當(dāng)D>4m時(shí),式中的第二項(xiàng)為零。(二)、盾構(gòu)長度和靈敏度盾構(gòu)長度主要取決于地質(zhì)條件、隧道的平面形狀、開挖方式、運(yùn)轉(zhuǎn)操作、襯砌形式和盾構(gòu)的靈敏度(即盾殼總長L與盾構(gòu)外徑D之比)。一般在盾構(gòu)直徑確定后,靈敏度值有一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可參考:小型盾構(gòu)(D=2~3m)(L/D)=1.50中型盾構(gòu)(D=3~6m)(L/D)=1.00大型盾構(gòu)(D>6m)(L/D)=0.75盾構(gòu)總長度由切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾三部分組成,它不包括盾構(gòu)內(nèi)設(shè)備超出盾尾的部分,如后方平臺(tái)、螺旋輸送機(jī)等。盾構(gòu)長度計(jì)算公式:L=Lw+Lc+Lt(5-5)1、切口環(huán)長度Lw機(jī)械化盾構(gòu)僅考慮能容納開挖機(jī)具即可;在手掘式盾構(gòu)中要考慮到人工開挖的方便,Lw可以較長些,所以正面土體穩(wěn)定時(shí)Lw最大值為:Lw=D.tgφ或Lw≤2m(5-6)式5-6中:φ-開挖面坡度與水平面的夾角一般取45o;在棚式盾構(gòu)中,其分層是按人的高度分隔:N=D/H(5-7)式5-7中:N-層數(shù)(計(jì)算后數(shù)值歸整);H-人的高度(m)。由于分了層的H值比D小得多,所以這時(shí)的切口環(huán)長度為:Lw=H.ctgφ(5-8)注意:式中H值應(yīng)取層高的最大值Hmax。有些盾構(gòu)根據(jù)需要將另設(shè)前檐,其長度大約300~500mm,具體取多少要按盾構(gòu)直徑大小適當(dāng)選取。2.支承環(huán)長度Lc該部分長度取決于盾構(gòu)千斤頂、切削刀盤的軸承和驅(qū)動(dòng)裝置、排土裝置等空間,而盾構(gòu)千斤頂?shù)拈L度與預(yù)制襯砌的寬度有關(guān)。Lc=Wc+ιc(5-9)式5-9中:Wc-最寬襯砌寬度,包括楔形環(huán)、加寬環(huán)。ιc-余量,一般取200~300mm,主要考慮到盾構(gòu)千斤頂?shù)男蘩硪蛩亍?、盾尾長度Lt盾尾長度取決于管片的形狀和寬度:Lt=K.Wc+Ls+C(5-10)式5-10中:K-常數(shù),一般取1.5~2.5,這與是否需調(diào)換損壞的襯砌及盾尾密封裝置有關(guān);Wc-襯砌環(huán)寬度(m);Ls-千斤頂頂塊厚度(m);C-施工余量,一般取80~200mm,選取時(shí)應(yīng)考慮拼裝襯砌時(shí)環(huán)面清洗工作,以及穿拼裝螺栓、特別是首尾相接的縱向螺栓等工作的方便。(三)、盾構(gòu)的推力盾構(gòu)向前行進(jìn)是靠安裝在支承環(huán)周圍的千斤頂頂力,各千斤頂頂力之和就是盾構(gòu)的總推力,在計(jì)算推力時(shí),一定要考慮周全,要將盾構(gòu)的施工全過程中可能遇到的阻力都要計(jì)算在內(nèi)。盾構(gòu)的總推進(jìn)力必須大于各種推進(jìn)阻力的總和,否則盾構(gòu)無法向前推進(jìn)。盾構(gòu)的各種推力和計(jì)算公式如下:1、F1-盾構(gòu)外壁周邊與土體之間的摩擦力或粘結(jié)力;(1)砂性土F1=μ1πDL(Pm+W)(kN)(5-11)(2)粘性土F1=CπDL(kN)(5-12)2、F2-推進(jìn)中切口插入土壤的貫入阻力;F2=.t.Kp.Pm(kN)(5-13)3、F3-工作面正面阻力;F3=Pf.πD2/4(kN)(5-14)(1)盾構(gòu)在人工開挖、半機(jī)械化開挖時(shí)為工作面支護(hù)阻力。(2)盾構(gòu)采用機(jī)械化開挖時(shí),為作用在切削刀盤上的推進(jìn)阻力。4、F4-管片與盾尾之間的摩擦力;F4=μ2.G2(kN)(5-15)5.F5-變向阻力(曲線施工/糾偏等因素的阻力);F5=R.S(kN)(5-16)6.F6-后方臺(tái)車的牽引阻力;F6=μ3.G1(kN)(5-17)公式符號(hào)解釋:μ1-鋼與土的摩擦系數(shù)μ2-鋼與鋼或混凝土的摩擦系數(shù)μ3-車輪與鋼軌之間的摩擦系數(shù)D-盾構(gòu)直徑(m)L-盾構(gòu)長度(m)W-盾構(gòu)重量(kN) G1-后方臺(tái)車重量(kN)G2-管片(成環(huán))重量(kN)Pm-作用在盾構(gòu)上的平均土壓(kPa)Pf-工作面正面壓力(支護(hù)千斤頂反力、作用在隔墻上的土壓力、泥漿壓力等)(kPa)c-粘聚力(kPa)Kp-被動(dòng)土壓力系數(shù)R-地層抗力(承載力、被動(dòng)土壓力等)(kPa)-工作面周邊長度(m)t-刃腳貫入深度(m)s-抵抗板在推進(jìn)方向的投影面積(m2)總推力ΣF=F1+F2+F3+F4+F5+F6(5-18)盾構(gòu)總推力也可由以上F1+F2+F3+F4的總和再乘以2來求出。盾構(gòu)總推力也可按經(jīng)驗(yàn)公式求得:Fj=PjπD2/4(5-19)式中Fj-盾構(gòu)的總推力(kN)pj-開挖面單位截面積的推力(kN)a.人工開挖、半機(jī)械化開挖盾構(gòu)、機(jī)械化開挖盾構(gòu):Pj=700~1100kPab.封閉式盾構(gòu)、土壓平衡式盾構(gòu)、泥水加壓式盾構(gòu):Pj=1000~1300kPa四、盾構(gòu)的分類及其適用范圍盾構(gòu)是修建隧道的正面支護(hù)掘進(jìn)和襯砌拼裝的專用機(jī)具,盾構(gòu)類型的區(qū)別主要是盾構(gòu)正面對(duì)土體支護(hù)開挖的方法工藝不同而言。為此盾構(gòu)的種類按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和開挖方法來分,主要可分為四大類,如下:敞開式手掘式盾構(gòu)正面支撐式棚式全擠壓擠壓式盾構(gòu)局部擠壓網(wǎng)格正、反鏟半機(jī)械式盾構(gòu)螺旋切削軟巖掘進(jìn)機(jī)開胸大刀盤切削機(jī)械式盾構(gòu)局部氣壓閉胸式泥水加壓土壓平衡(一)、手掘式盾構(gòu)手掘式盾構(gòu)是結(jié)構(gòu)最簡單、配套設(shè)備少、因而造價(jià)也最低,制造工期短。其開挖面可以根據(jù)地質(zhì)條件決定,全部敞開式或用正面支撐開挖,一面開挖一面支撐。在松散的砂土地層,可以按照土的內(nèi)摩擦角大小將開挖面分為幾層,這時(shí)的盾構(gòu)就被稱為棚式盾構(gòu)見圖5-5。手掘式盾構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn):1、正面是敞開的,施工人員隨時(shí)可以觀測地層變化情況,及時(shí)采用應(yīng)付措施;2、當(dāng)在地層中遇到樁、大石塊等地下障礙物時(shí),比較容易處理;3、可向需要方向超挖,容易進(jìn)行盾構(gòu)糾偏,也便于曲線施工;4、造價(jià)低,結(jié)構(gòu)設(shè)備簡單,易制造,加工周期短。圖5-5手掘式盾構(gòu)示意圖它的主要缺點(diǎn)有:1、在含水地層中,當(dāng)開挖面出現(xiàn)滲水、流砂時(shí),必須輔以降水、氣壓等地層加固等措施;2、工作面若發(fā)生塌方時(shí),易引起危及人身及工程安全事故;3、勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低、進(jìn)度慢,在大直徑盾構(gòu)中尤為突出。手掘式盾構(gòu)盡管有上述不少缺點(diǎn),但由于簡單易行,在地質(zhì)條件良好的工程中仍廣泛應(yīng)用。(二)、擠壓式盾構(gòu)擠壓式盾構(gòu)(見圖5-6)的開挖面用胸板封起來,把土體擋在胸板外,對(duì)施工人員是比較安全、可靠,沒有塌方的危險(xiǎn),當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí),讓土體從胸板局部開口處擠入盾構(gòu)內(nèi),圖5-6擠壓式盾構(gòu)示意圖然后裝車外運(yùn),不必用人工挖土,勞動(dòng)強(qiáng)度小,效率也成倍提高。在特定條件下可將胸板全部封閉推進(jìn),那就是全擠壓推進(jìn)。擠壓式盾構(gòu)僅適用于松軟可塑的粘性土層,適用范圍較狹窄。在擠壓推進(jìn)時(shí)對(duì)地層土體擾動(dòng)較大,地面產(chǎn)生較大的隆起變形,所以在地面有建筑物的地區(qū)不能使用,只能在空曠的地區(qū)或江河底下、海灘處等區(qū)域。圖5-7網(wǎng)格式盾構(gòu)示意圖1—盾構(gòu)千斤頂(推進(jìn)盾構(gòu)用);2一開挖面支撐千斤頂:3—舉重臂(拼裝裝配式鋼筋混凝土襯砌用);4—堆土平臺(tái)(盾構(gòu)下部土塊由轉(zhuǎn)盤提升后落人堆土平臺(tái));5—刮板運(yùn)輸機(jī),土塊由堆土平臺(tái)進(jìn)入后輸出;6——裝配式鋼筋混凝土襯砌;7—盾構(gòu)鋼殼;8—開挖面鋼網(wǎng)格;9—轉(zhuǎn)盤,10—裝土車。網(wǎng)格式盾構(gòu)是一種介于半擠壓和手掘之間的盾構(gòu)型式見圖5-7。這種盾構(gòu)在開挖面裝有鋼制的開口格柵,稱為網(wǎng)格。當(dāng)盾構(gòu)向前掘進(jìn)時(shí)土體被網(wǎng)格切成條狀,進(jìn)入盾構(gòu)后運(yùn)走;當(dāng)盾構(gòu)停止推進(jìn)時(shí),網(wǎng)格起到支護(hù)土體的作用,從而有效地防止了開挖面的坍塌。網(wǎng)格盾構(gòu)對(duì)土體擠壓作用比擠壓式盾構(gòu)小,因此引起地面變形的量也小一些。網(wǎng)格盾構(gòu)也僅適用于松軟可塑的粘土層,當(dāng)土層含水量大時(shí),尚需輔以降水、氣壓等措施。(三)、半機(jī)械式盾構(gòu)半機(jī)械式盾構(gòu)是在手掘式盾構(gòu)正面裝上機(jī)械來代替人工開挖,根據(jù)地層條件,可以安裝反鏟挖土機(jī)或螺旋切削機(jī)(見圖5-8)。土體較硬可安裝軟巖掘進(jìn)機(jī)。圖5-8半機(jī)械式盾構(gòu)半機(jī)械式盾構(gòu)的適用范圍基本上和手掘式一樣,其優(yōu)點(diǎn)除可減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度外,其余均與手掘式相似。(四)、機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)械式盾構(gòu)是在手掘式盾構(gòu)的切口部分裝上一個(gè)與盾構(gòu)直徑一般大小的大刀盤,用它來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工的全斷面切削開挖。當(dāng)?shù)貙油临|(zhì)好,能自立或采用輔助措施亦能自立,則可用開胸式的機(jī)械盾構(gòu),反之如地層土質(zhì)差,又不能采用其它地層加固方法,此時(shí),采用閉胸機(jī)械式盾構(gòu)比較合適?,F(xiàn)在介紹三種常用的機(jī)械式盾構(gòu):1、局部氣壓式盾構(gòu)(見圖5-9)這種盾構(gòu)系在開胸機(jī)械式盾構(gòu)的切口環(huán)和支承環(huán)之間裝上隔板,使切口環(huán)部分形成一個(gè)密封艙,艙中輸入壓縮空氣,以平衡開挖面的土壓力,保證正面土體自立而不坍塌。氣壓是為了疏干地下水,改變土體的物理性能有利于施工,用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工,首先是要解決切口前開挖面的穩(wěn)定,加局部氣壓是使正面土體穩(wěn)定的方法,從而代替了在隧道內(nèi)加氣壓的全氣壓施工方法。這樣,襯砌拼裝和隧道內(nèi)其他施工人員,就可不在氣壓條件下工作,這無疑有很大的優(yōu)越性。圖5-9局部氣壓式盾構(gòu)示意圖1-氣壓內(nèi)出土運(yùn)輸系統(tǒng)2-皮帶運(yùn)輸機(jī)3-排土抓斗4-出土斗5-運(yùn)土車6-運(yùn)管片車輛7-管片8-管片拼裝機(jī)9-伸縮接頭但局部氣壓盾構(gòu)的一些技術(shù)問題,目前未得到很好地解決,這主要是:(1)從密封艙內(nèi)連續(xù)向外出土的裝置,還存有漏氣和使用壽命不長的問題;(2)盾尾密封裝置還不能完全阻止壓力艙內(nèi)的壓縮空氣通過開挖面經(jīng)盾構(gòu)外表至盾尾處泄漏;(3)襯砌環(huán)接縫防止不了壓力艙內(nèi)的氣體、經(jīng)過盾構(gòu)外表通至盾構(gòu)后部管片縫隙滲入隧道內(nèi)。以上三處的漏氣,就影響到正面壓力艙內(nèi)的壓力控制,由于壓力艙容量小,加上這三處防漏氣技術(shù)尚未徹底解決,因此壓力艙內(nèi)壓力值上下波動(dòng)較大,當(dāng)正面遇到有問題需要處理,須有工人進(jìn)入壓力艙工作,這種施工條件對(duì)人的生理影響很大。而正常施工中,艙內(nèi)壓力控制不好,正面土體穩(wěn)定就沒有保證,也將直接影響施工。故目前該型式盾構(gòu)使用已不多。2、泥水式盾構(gòu)和泥水加壓平衡盾構(gòu)(見圖5-10)前面敘述了局部氣壓盾構(gòu)的技術(shù)難題是連續(xù)出土與壓縮空氣的泄漏問題。在地層壓力差及土質(zhì)同樣條件下,漏氣量要比漏水量大80倍之多。因此,若在上述局部氣壓的密(如圖為泥水式盾構(gòu),泥水加壓平衡式盾構(gòu))封艙內(nèi)用泥水或泥漿來代替壓縮空氣,這樣既可利用泥水壓力來支撐開挖面土體,又可大大減少泄漏。刀盤切削下來的土在泥水中經(jīng)過攪拌機(jī)攪拌,用雜質(zhì)泵將泥漿通過管道輸送到地面集中處理,這樣就解決了連續(xù)出土的技術(shù)難題,泥水盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。但泥水盾構(gòu)的輔助配套設(shè)備多,首先要有一套自動(dòng)控制和泥水輸送系統(tǒng),其次還要有一套泥水處理系統(tǒng),所以泥水盾構(gòu)的設(shè)備費(fèi)用較大。這是它的主要缺點(diǎn),但反而言之,象泥水處理系統(tǒng)這樣的輔助設(shè)備可重復(fù)利用,經(jīng)濟(jì)上還是可行的。圖5-10泥水加壓盾構(gòu)示意圖3、土壓平衡式盾構(gòu)(見圖5-11)這種盾構(gòu)又稱削土密封式或泥土加壓式盾構(gòu),是在上述兩種機(jī)械式盾構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的適用于含水飽和軟弱地層中施工的新型盾構(gòu)。該盾構(gòu)的前端也是一個(gè)全斷面切削刀盤,在盾構(gòu)中心或下部有一個(gè)長筒形螺旋輸送機(jī)的進(jìn)土口,其出口在密封艙外。所謂土壓平衡,就是盾構(gòu)密封艙內(nèi)始終充滿了用刀盤切削下來的土,并保持一定壓力平衡開挖面的土壓力。圖5-11土壓平衡盾構(gòu)示意圖1-刀盤用油馬達(dá);2-螺旋機(jī);3-螺旋機(jī)馬達(dá);4-皮帶運(yùn)輸機(jī)5-閘門千斤頂;6-管片拼裝機(jī);7-刀盤支架;8-隔壁;9-排障進(jìn)入口螺旋輸送機(jī)靠轉(zhuǎn)速來控制出土量,出土量要密切配合刀盤的切削速度,以保持密封艙內(nèi)充滿泥土而又不致過于飽和。這種盾構(gòu)避免了局部氣壓盾構(gòu)的主要缺點(diǎn),也省略了泥水加壓盾構(gòu)投資較大的缺點(diǎn),至今,土壓平衡盾構(gòu)與泥水加壓平衡盾構(gòu),已成為比較成熟、可靠的新型設(shè)備,廣泛地在隧道施工中予以應(yīng)用。五、盾構(gòu)選型盾構(gòu)法施工的地層都是復(fù)雜多變的,因此對(duì)于復(fù)雜的地層要選用較為經(jīng)濟(jì)的盾構(gòu)是當(dāng)前的一個(gè)難題。在選擇盾構(gòu)時(shí),不僅要考慮到地質(zhì)情況、盾構(gòu)的外徑、隧道的長度、工程的施工程序、勞動(dòng)力情況等,而且還要綜合研究工程施工環(huán)境、基地面積、施工引起對(duì)環(huán)境的影響程度等。選擇盾構(gòu)的種類要求掌握不同盾構(gòu)的特征,表5-1所列是各種盾構(gòu)選型的要點(diǎn),同時(shí),還要逐個(gè)研究以下項(xiàng)目:(1)開挖面有無障礙物;(2)氣壓施工時(shí)開挖面能否自立穩(wěn)定;(3)用氣壓其它輔助施工法后開挖面能否穩(wěn)定;(4)擠壓推進(jìn)、切削土加壓推進(jìn)時(shí),開挖面能否自立穩(wěn)定;(5)開挖面在加水壓、泥壓、泥水壓作用下,能否自立穩(wěn)定;(6)經(jīng)濟(jì)性。盾構(gòu)選型時(shí)通常需要判別盾構(gòu)工作面是否穩(wěn)定,一種較為實(shí)用的判別方法稱布諾姆氏試驗(yàn)法在松軟地層中,設(shè)盾構(gòu)工作面開有一個(gè)進(jìn)土門,地層的垂直力為γ.H,垂直力所產(chǎn)生的側(cè)向土壓作用在進(jìn)土門處,然后以土體是否向盾構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)作為判別盾構(gòu)的工作面是否穩(wěn)定的條件。試驗(yàn)的結(jié)果表明,在軟土地層中,垂直作用于進(jìn)土門上的土壓σa與進(jìn)土門部位的覆土H、土體重度γ及地層的不排水抗剪強(qiáng)度Cu存在如下關(guān)系:σa=γ.H-(6-8)Cu(5-20)當(dāng)進(jìn)土門向盾構(gòu)外部推動(dòng)時(shí),作用在進(jìn)土門上的土壓為:σP=γ.H-(6-8)Cu(5-21)式中的系數(shù)(6-8)與土質(zhì)無關(guān),只與進(jìn)土門的形狀或盾構(gòu)工作面的支承條件有關(guān)。當(dāng)σa≤0時(shí),工作面支承條件不能達(dá)到上式條件時(shí),盾構(gòu)工作面就不能保持穩(wěn)定。因此,在粘性土體中,作用于盾構(gòu)工作面處的土體垂直力γ.H、氣壓強(qiáng)度P0以及土體的不排水剪切強(qiáng)度Cu存在如下關(guān)系:γH-P0≤6Cu(5-22)若滿足以上條件,則認(rèn)為盾構(gòu)工作面是穩(wěn)定的。但是,以上條件也不是絕對(duì)的,在實(shí)際工程中常有不符合判別式的情況,需要工程技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步地判斷。第三節(jié)盾構(gòu)法施工準(zhǔn)備一、盾構(gòu)法施工的前期準(zhǔn)備1、始發(fā)井土建結(jié)構(gòu)完成盾構(gòu)的始發(fā)井土建結(jié)構(gòu)完成后方可進(jìn)行盾構(gòu)施工,始發(fā)井內(nèi)須預(yù)留盾構(gòu)出洞的洞門,洞圈一般為鋼結(jié)構(gòu),以便安裝盾構(gòu)出洞的止水裝置。盾構(gòu)出洞前洞門須由鋼板、鋼板樁或地下連續(xù)墻圍護(hù)。2、盾構(gòu)選型根據(jù)隧道所經(jīng)過的地層地質(zhì)及地面構(gòu)筑物情況、施工進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)性等條件進(jìn)行盾構(gòu)選型,確定所用的盾構(gòu)類型(詳見第本章第一節(jié))。3、管片生產(chǎn)根據(jù)管片設(shè)計(jì)圖紙及技術(shù)要求,設(shè)計(jì)出制造管片鋼模的圖紙,加工鋼模,然后進(jìn)行管片生產(chǎn)。由于管片鋼模,加工工藝復(fù)雜,故加工周期較長。在盾構(gòu)出洞之前,必須生產(chǎn)一定數(shù)量的管片,以滿足施工需要。二、技術(shù)準(zhǔn)備1、熟悉施工圖紙和有關(guān)的設(shè)計(jì)資料學(xué)習(xí)工程建設(shè)單位提供的工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和有關(guān)的地質(zhì)資料、施工驗(yàn)收規(guī)范和有關(guān)的技術(shù)規(guī)定,通過學(xué)習(xí)充分了解和掌握設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求,在開工前或分項(xiàng)工程實(shí)施前應(yīng)有設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)交底。2、了解隧道沿線的地下管線、構(gòu)筑物及地質(zhì)情況對(duì)地下管線及地下構(gòu)筑物,需要了解管線種類結(jié)構(gòu)、類型、埋深等,與隧道的相互關(guān)系等情況,對(duì)于地面建筑物,需要了解建筑物的種類、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)埋深與隧道的相互關(guān)系等情況,然后采取相應(yīng)的保護(hù)措施。3、熟悉施工用機(jī)械的特點(diǎn)熟悉盾構(gòu)機(jī)的主要施工參數(shù)及相應(yīng)的盾構(gòu)施工工法,掌握施工要領(lǐng)。4、編制施工組織設(shè)計(jì)編制施工組織設(shè)計(jì)是施工準(zhǔn)備工作的重要組成部分,隧道施工的施組編寫要求根據(jù)隧道施工的特點(diǎn),確定各個(gè)關(guān)鍵工序的施工技術(shù),合理地布置施工場地,科學(xué)地制定施工方案。在隧道施工的施組中,以下工序必須明確:(1)施工現(xiàn)場總平面布置;(2)盾構(gòu)基座及后靠布置形式;(3)盾構(gòu)出洞時(shí)洞門密封的方式;(4)盾構(gòu)出洞地基加固方式;(5)材料垂直、水平運(yùn)輸?shù)姆绞郊八淼罃嗝娌贾?;?)盾構(gòu)推進(jìn)的方案、工藝流程;(7)隧道注漿方法及控制地面沉降的技術(shù)措施;(8)經(jīng)過特殊路段的施工技術(shù)措施;(9)盾構(gòu)進(jìn)洞地基加固方案及盾構(gòu)進(jìn)洞方案;(10)測量方法等。編寫規(guī)范的施組還應(yīng)包括以下內(nèi)容:(1)組織管理體系;(2)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量保證措施;(3)安全生產(chǎn)措施;(4)文明施工措施;(5)工程用料及施工用料使用計(jì)劃;(6)勞動(dòng)力使用計(jì)劃;(7)施工進(jìn)度計(jì)劃。三、生產(chǎn)物資的準(zhǔn)備生產(chǎn)物資主要包括材料、構(gòu)件、施工機(jī)械。材料的準(zhǔn)備主要是根據(jù)圖紙和施組的有關(guān)要求,并按施工進(jìn)度、材料名稱、規(guī)格、數(shù)量、使用時(shí)間、消耗量編制出材料需要量計(jì)劃,組織貨源、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、現(xiàn)場堆放及運(yùn)輸,保證施工順利進(jìn)行。構(gòu)件的準(zhǔn)備主要指管片的預(yù)生產(chǎn),并落實(shí)運(yùn)輸、堆放,保證按時(shí)按量供應(yīng)。施工機(jī)械的準(zhǔn)備,根據(jù)所采用的施工方案、施工進(jìn)度,確定施工機(jī)械的類型、數(shù)量、進(jìn)場時(shí)間、運(yùn)輸安裝方式、放置的位置等,編制施工機(jī)械的需要量計(jì)劃,保證施工順利進(jìn)行。四、勞動(dòng)力的準(zhǔn)備五、施工現(xiàn)場準(zhǔn)備1、盾構(gòu)拼裝式拆卸的工作井作為拼裝式拆除盾構(gòu)的井,其建筑尺寸應(yīng)滿足盾構(gòu)拼裝、拆除的施工工藝要求,一般井寬應(yīng)大于盾構(gòu)直徑1.6~2.0m,井的長度:盾構(gòu)推進(jìn)方向,主要考慮到盾構(gòu)設(shè)備安裝余地,以及盾構(gòu)出洞施工所需最小尺寸。2、盾構(gòu)基座盾構(gòu)基座設(shè)置于工作井的底板上,用作安裝及擱置盾構(gòu),更重要的是通過設(shè)在基座上的導(dǎo)軌,使盾構(gòu)在出洞前就有正確的導(dǎo)向。因此導(dǎo)軌要根據(jù)隧道設(shè)計(jì)軸線及施工要求定出平面、高程、坡度來進(jìn)行測量定位。盾構(gòu)基座可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(現(xiàn)澆或預(yù)制)或鋼結(jié)構(gòu)。導(dǎo)軌夾角一般為60~90,圖5-12所示為常用的鋼結(jié)構(gòu)基座。盾構(gòu)基座除承受盾構(gòu)自重外,還應(yīng)考慮盾構(gòu)切入土層后,進(jìn)行糾偏時(shí)產(chǎn)生的集中荷載。3、盾構(gòu)后座(后盾)在工作井中盾構(gòu)向前推進(jìn)、其推力要靠工作井后井壁來承擔(dān),因此在盾構(gòu)與后井壁之間要有傳力設(shè)施,此設(shè)施稱為后座,通常采用隧道襯砌、專用頂塊、頂撐等組成。后座不僅要作推進(jìn)頂力的傳遞,還是垂直水平運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)折點(diǎn)。所以后座不能正環(huán),應(yīng)有開口以作垂直運(yùn)輸通口,而開口尺寸需按盾構(gòu)施工的出進(jìn)設(shè)備材料尺寸決定,第一環(huán)閉口環(huán)在其上部要加有后盾支撐,以保盾構(gòu)頂力傳至后進(jìn)壁。由于工作井平面位置的施工誤差,影響到隧道軸線與后井壁的垂直度,為了調(diào)正洞口第一環(huán)管片與井壁洞口的相交尺寸,所以后盾管片與后井壁之間產(chǎn)生一定間隙,這間隙采用混凝土填充,可盾構(gòu)推力均勻地傳給后井壁,也為拆除后盾管片提供方便。4、人行樓梯和井內(nèi)工作平臺(tái)搭設(shè)在盾構(gòu)出洞階段施工期內(nèi),還沒有形成長隧道,盾構(gòu)設(shè)備無法按正常布置,有一個(gè)施工轉(zhuǎn)換過程,在此過程中設(shè)備需放在井內(nèi),需在井內(nèi)設(shè)置施工平臺(tái)以放置各種設(shè)備。并應(yīng)在合理位置安裝上下樓梯,以供施工人員上下作業(yè)面工作。5、盾構(gòu)施工地面輔助設(shè)施為了確保盾構(gòu)正常施工,根據(jù)盾構(gòu)的類型和具體施工方法,配備必要的地面輔助設(shè)施:(1)做好施工場地的控制網(wǎng)測量,保證施工質(zhì)量;(2)做好三通一平,根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)中的平面布置,設(shè)計(jì)施工圍墻、場區(qū)道路、管片堆場,鋪設(shè)水管、電纜、排水設(shè)施、布置場地照明等;(3)要有一定數(shù)量管片堆放場地,場內(nèi)應(yīng)設(shè)置行車或其它起吊和運(yùn)輸設(shè)備,以便進(jìn)行管片防水處理,并能安全迅速地運(yùn)到工作面。還可根據(jù)工程或施工條件,搭設(shè)大型工棚或移動(dòng)式庶雨棚,還應(yīng)設(shè)置防水材料倉庫和烘箱;(5)拌漿間:拌制管片壁后注漿的漿體,并配有堆放原材料的倉庫;(6)配電間:應(yīng)由兩個(gè)電源的變電所供盾構(gòu)施工用電且兩路電源能互相迅速切換,以免電源發(fā)生故障而造成工程的安全事故;(7)充電間:負(fù)責(zé)井下電機(jī)車的蓄電池充電,要配有電瓶箱吊裝的設(shè)備,充電量要滿足井下運(yùn)輸電箱更換所需,對(duì)充電間地坪等設(shè)施應(yīng)防硫酸處理;(8)空壓機(jī)房:若采用氣壓施工,應(yīng)設(shè)置提供必要用氣量的空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣筒,管路系統(tǒng)要安置有符合衛(wèi)生要求的濾氣器、油水分離器等設(shè)備。并由兩路電源以保證工作面安全;(9)水泵房:若采用水力機(jī)械掘進(jìn),或水力管道運(yùn)土、進(jìn)行井點(diǎn)降水措施的施工工程,應(yīng)設(shè)水泵房,泵房應(yīng)設(shè)于水源豐富處;(10)地面運(yùn)輸系統(tǒng):主要通過水平垂直運(yùn)輸設(shè)備,將盾構(gòu)施工所需材料、設(shè)備、器具運(yùn)入工作井的井底車場。還應(yīng)包括供車輛運(yùn)輸?shù)氖┕さ缆?,整個(gè)系統(tǒng)的組成形式較多;如:垂直運(yùn)輸可采用行車、大吊車、電動(dòng)葫蘆等起重設(shè)備,地面水平運(yùn)輸由鏟車、汽車、電瓶車等。根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際條件,結(jié)合所配備的起吊機(jī)械、運(yùn)輸設(shè)備組成合適的盾構(gòu)施工地面運(yùn)輸系統(tǒng)較理想的形式。將工作井、管片防水制作場地、拌漿間、充電間等布置連成一線,并合理確定行車的數(shù)量,實(shí)現(xiàn)水平和垂直運(yùn)輸互為一體的系統(tǒng);(11)盾構(gòu)出土的配套:盾構(gòu)法施工掘進(jìn)是其主要工序之一,所以出土系統(tǒng)設(shè)施對(duì)盾構(gòu)施工是至關(guān)重要的。干出土可采用汽車運(yùn)輸,并配有集土坑來確保土體外運(yùn),不影響井下盾構(gòu)施工。水力機(jī)械掘進(jìn)運(yùn)土,需要有合適的排放容量的沉淀池。對(duì)泥水盾構(gòu)還應(yīng)考慮泥漿拌制及泥水分離等設(shè)施;(12)其它生產(chǎn)設(shè)備:一般包括油庫、危險(xiǎn)品倉庫、設(shè)備料具間、機(jī)械維修間等;(13)通訊設(shè)備:為了確保盾構(gòu)施工安全,隧道施工特點(diǎn)為線長,所以各作業(yè)點(diǎn)之間通訊必不可少的,目前通訊采用電話,井下使用的電話必須是防潮、防爆的,在氣壓施工閘墻內(nèi)外還須有信號(hào)聯(lián)系;(14)隧道斷面布置隧道斷面布置主要考慮隧道內(nèi)的水平運(yùn)輸,水平運(yùn)輸包括車架的行走以及管片、土箱等的運(yùn)輸,隧道內(nèi)通常采用軌道運(yùn)輸,在斷面布置時(shí)要確定軌枕的高度、軌道的軌距等主要尺寸,軌道的安裝必須規(guī)范,壓板、夾板必須齊全,防止軌距變化引起車輛出軌。對(duì)于水力機(jī)械出土的盾構(gòu)來說,隧道斷面布置還必須考慮進(jìn)出水管的布置及接力泵的安裝部位,布置時(shí)要考慮管路接頭方便,便于搬運(yùn)和固定,上述裝置不得侵入軌道運(yùn)輸?shù)慕缦?。人行通道所用的走道板寬度要大?0cm,與電機(jī)車的安全距離大于30cm,凈空高度大于1.8m。隧道斷面還要布置隧道的照明及其供電、盾構(gòu)動(dòng)力電纜、通風(fēng)管路及接力風(fēng)機(jī)、隧道內(nèi)清洗及排污的管路等;(15)車架轉(zhuǎn)換對(duì)于工作井空間較小,車架不能一次到位環(huán)境,則需要采取車架轉(zhuǎn)換措施,即盾構(gòu)出洞階段車架與盾構(gòu)分離,通過轉(zhuǎn)換油管、電纜等連接車架與盾構(gòu),待盾構(gòu)推進(jìn)一段距離,隧道內(nèi)能容納車架長度時(shí),再拆除轉(zhuǎn)換管路,將車架吊入隧道與盾構(gòu)相連,達(dá)到正常施工的狀態(tài);(16)井底車場的布置待盾構(gòu)出洞,推進(jìn)一定距離后,管片與土體的摩擦力能平衡盾構(gòu)的推進(jìn)反作用力時(shí),即可拆除后盾支撐和后盾管片,充分利用井內(nèi)的空間,在井底形成一個(gè)井底車場,通過搭建平臺(tái),鋪設(shè)雙軌等措施來提高水平運(yùn)輸?shù)哪芰?,加快施工進(jìn)度。機(jī)種項(xiàng)目手掘盾構(gòu)擠壓盾構(gòu)半機(jī)械盾構(gòu)機(jī)械盾構(gòu)泥水加壓盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)備注削土加壓式加水式加泥式工作面穩(wěn)定正面千斤頂與氣壓胸板和氣壓正面千斤頂、氣壓大刀盤、氣壓大刀盤、泥水壓大刀盤、切削土壓大刀盤、加水作用加泥作用工作面觀察目視推力目視目視大刀盤、泥水壓土壓計(jì)、排土量水壓計(jì)、進(jìn)土量土壓計(jì)、排土量工作面防塌胸板、正面千斤頂調(diào)整開口率胸板、正面千斤頂大刀盤泥水壓、開閉板大刀盤、土壓大刀盤、水土壓泥土壓工作面涌水井點(diǎn)、化學(xué)注漿井點(diǎn)、化學(xué)注漿井點(diǎn)、化學(xué)注漿水壓排土機(jī)構(gòu)排土機(jī)構(gòu)泥土止水性障礙物處理可能非常困難可能困難非常困難非常困難非常困難非常困難先導(dǎo)隧道排障礙礫石處理可能可能困難礫石處理裝置困難礫石取出裝置礫石取出裝置礫徑300mm以上適用土質(zhì)粘土、砂土軟粘土粘土、砂土均質(zhì)土為宜軟粘土、含水砂土軟粘土、粉砂含水粉質(zhì)粘土軟粘土、含水砂土機(jī)械變更擠壓手掘式手掘擠壓式困難困難困難困難困難與地質(zhì)適應(yīng)性能調(diào)整開口率能刀盤刀盤排土機(jī)構(gòu)刀盤刀頭問題可能涌水開口率不準(zhǔn)確時(shí)地表沉降或隆起較大可能涌水粘土多易產(chǎn)生土體固結(jié)粘土不易分離砂土?xí)r排土困難水壓過高封水困難細(xì)顆粒少施工困難、高水壓需氣壓取土量不足或超量地表隆起或沉降工作環(huán)境氣壓內(nèi)施工氣壓內(nèi)施工氣壓內(nèi)施工氣壓內(nèi)施工無氣壓無氣壓無氣壓無氣壓基地周圍的環(huán)境有噪聲、振動(dòng)有噪聲、振動(dòng)有噪聲、振動(dòng)有噪聲振動(dòng)泥水設(shè)備噪聲有噪聲有噪聲有噪聲經(jīng)濟(jì)性隧道長度短時(shí),較經(jīng)濟(jì)較經(jīng)濟(jì)、但沉降或隆起較大隧道長度長時(shí),較手掘式經(jīng)濟(jì)勞務(wù)管理費(fèi)較低泥水處理設(shè)備費(fèi)昂貴介于機(jī)械式和泥水式中間比泥水式盾構(gòu)經(jīng)濟(jì)介于機(jī)械式和泥水式中間制作費(fèi)比例11.071.192.262.522.702.782.96φ7.350m手掘式盾構(gòu)為1其他處理設(shè)備0.44輸送設(shè)備0.20表5-1盾構(gòu)選型比較表在采用板樁或大開挖施工建成的基坑內(nèi),先將盾構(gòu)安裝、后座施工及垂直運(yùn)輸出入通道的構(gòu)筑完成,然后把基坑全部回填,將盾構(gòu)埋置回填土中僅留出垂直運(yùn)輸出入通道口,并拔除原基坑施工的板樁。這樣盾構(gòu)就在土中進(jìn)行推進(jìn)施工,此種方法沒有洞門拆除等問題,一般只適用于埋置較淺的盾構(gòu)始發(fā)端。第五節(jié)盾構(gòu)推進(jìn)一、盾構(gòu)正面開挖方法在本章第一節(jié)中已介紹了盾構(gòu)的類型有:手掘式、擠壓式、半機(jī)械式、機(jī)械式之分。歸納這些盾構(gòu)可分為敞開、機(jī)械切削、網(wǎng)格、擠壓等四種開挖方法。盾構(gòu)在地層中推進(jìn),為了減少對(duì)地層的擾動(dòng),要求靠千斤頂頂力使盾構(gòu)切入地層,然后在切口內(nèi)進(jìn)行土體開挖和外運(yùn),這是軟土地層盾構(gòu)推進(jìn)的最基本過程。(一)、敞開式挖土手掘式及半機(jī)械式盾構(gòu)都屬于敞開開挖形式。這類方法主要用于地質(zhì)條件較好,開挖面在切口保護(hù)下能維持穩(wěn)定的自立狀態(tài),或在采取輔助措施后也能穩(wěn)定自立,其開挖方式從上到下逐層掘進(jìn),若土層地質(zhì)較差,還可借助支撐進(jìn)行開挖,每環(huán)要分?jǐn)?shù)次開挖、推進(jìn)。支撐所用千斤頂應(yīng)為差壓式,即在支撐力的作用下可自行縮回,以確保支撐的效果、亦不破壞正面土體的結(jié)構(gòu)。敞開掘進(jìn)對(duì)正面障礙處理方便,并便于超挖,配合盾構(gòu)操作,提高盾構(gòu)的糾偏效果。(二)、機(jī)械切削過去曾用過由多個(gè)刀盤組成的行星式刀盤,以及由千斤頂操縱的擺動(dòng)式刀盤,但目前常用的是以液壓或電機(jī)為動(dòng)力的、可以雙向轉(zhuǎn)動(dòng)的切削刀盤。根據(jù)土質(zhì)的好壞,大刀盤可分為刀架間無封板的及有封板的兩種,前者適用于土質(zhì)條件好的地層中。用大刀盤切削正面土體再配備運(yùn)土的機(jī)械設(shè)備,就是一個(gè)完整的盾構(gòu)掘進(jìn)施工工藝。這種掘進(jìn)方法對(duì)正面的障礙排除及盾構(gòu)超挖糾偏顯得有些困難,特別是有封板的刀盤切削更是如此。使用大刀盤切削的盾構(gòu),機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜,動(dòng)力消耗大,但這種盾構(gòu)是實(shí)現(xiàn)隧道施工機(jī)械化、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的必然趨勢。(三)、網(wǎng)格式開挖這種開挖方法是在軟弱粘性土層的施工中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)發(fā)展起來的。其開挖面有網(wǎng)格梁與隔板組成許多格子,對(duì)開挖面土體的支撐作用,由土的粘聚力和網(wǎng)格厚度范圍內(nèi)的摩阻力組成的,當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)克服了這一組合阻力,土體就從格子里呈條狀擠進(jìn)來,所以在不同土質(zhì)的地層中施工應(yīng)有不同尺寸的網(wǎng)格,否則會(huì)造成喪失支撐作用及過量的土層擾動(dòng)。目前在網(wǎng)格后面配上提土轉(zhuǎn)盤,把土提升到盾構(gòu)中心筒體端頭的斗內(nèi),然后由筒體內(nèi)運(yùn)輸機(jī)將土送到施工隧道的運(yùn)輸平板車土箱中,以完成盾構(gòu)掘進(jìn)這一工序,實(shí)踐證明這一方法有較佳的效果。(四)、擠壓式開挖擠壓開挖可分為全擠式和局部擠壓兩種:由于擠壓推進(jìn)不出土或少出土,對(duì)地層擾動(dòng)較大,故在隧道軸線的設(shè)計(jì)時(shí),必須避開地面建筑物,這樣也就限制了這種施工方法的適用范圍,一般常用于曠野郊區(qū)或排水工程灘涂處。在擠壓施工時(shí),盾構(gòu)在一定范圍內(nèi)將周圍土體擠密實(shí),使正面土體向四周運(yùn)動(dòng),由于上部自由度大,所以大部分土體被擠向地表面,造成盾構(gòu)推進(jìn)軸線上方地面土體拱起,也有部分土體擠向盾尾及下部。擠壓推進(jìn)按其特點(diǎn),可以不壓漿,因?yàn)檎嫱馏w受到盾構(gòu)推力作用,部分土體被擠向后面填充盾尾與襯砌建筑空隙,從以往的施工觀察,用擠壓施工有兩個(gè)明顯特點(diǎn):1、已建隧道一出盾尾不但不沉降而且有上浮,其上浮值基本與建筑空隙相符。2、盾構(gòu)上浮趨勢明顯,在淺埋施工時(shí),盾構(gòu)軸線較難控制,嚴(yán)重時(shí)單用千斤頂編組已無法糾偏,在這種情況下用調(diào)整擠壓程度來控制,即增大進(jìn)土面積或調(diào)整進(jìn)土孔位置。由于擠壓推進(jìn)對(duì)盾構(gòu)所產(chǎn)生的正面阻力很大,在總體施工工藝設(shè)計(jì)時(shí),如已決定用擠壓法施工,則盾構(gòu)推力計(jì)算應(yīng)將擠壓阻力計(jì)算在內(nèi)。二、施工管理和掘進(jìn)管理(一)、土壓平衡式盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)的施工管理是通過排土機(jī)構(gòu)的機(jī)械控制方式進(jìn)行的,這種排土機(jī)構(gòu)可以調(diào)整排土量使之與挖土量保持平衡,以避免地面沉降或?qū)Ω浇鼧?gòu)筑物造成影響。施工管理的方法主要有以下幾種:1、先將盾構(gòu)的推進(jìn)速度設(shè)為一定值,然后根據(jù)容積計(jì)算來控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方法是在松軟粘土中使用的比較多的基本形式。與此同時(shí),作為管理數(shù)據(jù),還要使用切削扭矩和盾構(gòu)的推力值等。2、先設(shè)定盾構(gòu)的推進(jìn)速度為一定值,再根據(jù)切削密封艙內(nèi)所設(shè)的土壓計(jì)的數(shù)值和切削扭矩的數(shù)值來調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和螺旋式排土機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種管理方法是將切削密封艙內(nèi)的設(shè)定土壓力P和設(shè)定切削扭矩T作為基準(zhǔn)值,同盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的發(fā)生土壓P`、切削扭矩T`的數(shù)值作比較時(shí),即在P>P`和T>T`時(shí)降低螺旋輸送機(jī)和螺旋式排土機(jī)的轉(zhuǎn)速,減少排土量,而在P<P`、T<T`時(shí)則提高轉(zhuǎn)速,增加排土量。3、上述方法為調(diào)整土壓和切削扭矩的值而改變了排土量,此外還有調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)速度來改變進(jìn)土量的。這種方法僅適合施工土質(zhì)均勻的條件。(二)、加泥式或加泥漿式盾構(gòu)1、泥土、泥漿管理進(jìn)行泥土、泥漿管理的目的是為了通過向切削土內(nèi)注入制泥材料,并進(jìn)行攪拌,將切削土改變成與開挖面土質(zhì)相適應(yīng)的泥漿土。制泥材料可使切削下來并吸入密封艙的切削土具有塑性流動(dòng)和不透水的性能,一般采用粘土和膨潤土等的漿液。在土體屬于軟質(zhì)粘性土?xí)r,也可不使用制泥材料。同時(shí),根據(jù)切削扭矩、螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩、盾構(gòu)的掘進(jìn)速度等,以及所觀察到的從螺旋輸送機(jī)內(nèi)排出的泥土狀態(tài)等,制泥材料的使用量也將相應(yīng)增減。2、掘進(jìn)管理為了確保開挖面穩(wěn)定的同時(shí)進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)的掘進(jìn)管理有以下兩種方法:以使掘進(jìn)量和排土量之間取得平衡為目的的排土量管理方法和以通過土壓計(jì)測出密封艙內(nèi)的泥土壓力來保持土壓力平衡為目的的土壓管理方法。(1)排土量管理a、重量管理通過測定隧道出土車運(yùn)出的挖掘土的重量來調(diào)節(jié)掘進(jìn)量和排土量之間取得平衡的方法。這種方法尚有不能正確掌握排土量,可作下一步掘進(jìn)的參考,但不能反映出掘進(jìn)情況。b、盾構(gòu)掘進(jìn)量和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速之間的控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和排土量之間的關(guān)系可用下式表示:Q=ηANP(5-27)式中:Q—排土量(m3);η—排土效率;A—盾構(gòu)斷面面積(m2);N—螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速(rpm);P—螺旋翼片的間距(m)。由于排土效率η是根據(jù)螺旋輸送機(jī)的進(jìn)土壓力和土質(zhì)等而變化的,所以根據(jù)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速很難求出正確的排土量,掘進(jìn)量和排土量之間也很難保持平衡。(2)土壓管理泥土、泥漿加壓盾構(gòu)以通過土壓管理來進(jìn)行掘進(jìn)控制為基本特點(diǎn)。這種盾構(gòu)在切削刀盤部位沒有面板,支撐開挖面的壓力就是密封艙內(nèi)的泥土壓力,故可直接通過裝在密封板上的土壓計(jì)測出。因此,進(jìn)行土壓管理是可能的。通常土壓力P的范圍是:主動(dòng)土壓力+地下水壓力<P<被動(dòng)土壓力+地下水壓力。管理土壓的方法是:根據(jù)土質(zhì)調(diào)查中取得的結(jié)果,求出控制的上、下限土壓力,再在這一范圍內(nèi)設(shè)定基準(zhǔn)土壓力,控制盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速,使實(shí)際土壓同基準(zhǔn)土壓取得一致。根據(jù)上述基準(zhǔn)土壓力,并參照施工情況,以及途中變化的測定、排土狀況等來設(shè)定管理用的土壓力。(三)、加水式盾構(gòu)加水式盾構(gòu)施工法的開挖面穩(wěn)定管理有兩種方式:一是不間斷地掌握盾構(gòu)掘進(jìn)中的掘土量和排土量之間的關(guān)系,從而將密封艙內(nèi)的切削土的積存量保持在最佳狀態(tài)的排土率管理;二是保證同地下水壓力取得平衡的附加水壓力管理。1、排土率管理排土率的管理基本上是通過控制盾構(gòu)的掘進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行的。而排土率則是通過由盾構(gòu)掘進(jìn)速度和盾構(gòu)斷面面積算出的掘土量與安裝在排泥管上的流量計(jì)和密度計(jì)測出的排土干砂量之比求得的。為將密封艙內(nèi)的切削土積存量保持在最佳狀態(tài),必須測定總推力、切削扭矩和螺旋輸送機(jī)扭矩等數(shù)據(jù),實(shí)施能反饋出測定結(jié)果的最佳管理。另外,切削扭矩如留有余地,則最好以盡可能使密封艙內(nèi)充滿切削土的狀態(tài)實(shí)施管理。2、附加水壓管理附加水壓力的管理是通過根據(jù)地下水位、切削密封艙內(nèi)孔隙水壓力的測定結(jié)果在排土調(diào)整槽內(nèi)控制附加水壓力的方法進(jìn)行的。附加水壓力是通過調(diào)節(jié)管道輸送系統(tǒng)的泵的排出量或閥門的開口率來控制的。附加水壓力的管理標(biāo)準(zhǔn)是:根據(jù)土體條件、掘進(jìn)狀況等因素,設(shè)定出能夠保證在開挖面處于穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行掘進(jìn)的最佳加水壓力,但常用以地下水壓力為基準(zhǔn),在其上下設(shè)定容許變動(dòng)值,將壓力控制在這一范圍內(nèi)。(四)、泥水加壓平衡式盾構(gòu)泥水加壓平衡盾構(gòu)是一面要保持泥水壓力來平衡作用于開挖面的外部壓力一面又要向前推進(jìn)的掘進(jìn)方法,所以要對(duì)開挖面泥水壓力、密封艙內(nèi)的土壓力。以及同掘土量平衡的出土量等進(jìn)行必要的檢測和管理。1、開挖面泥水壓力的管理開挖面上泥水壓力的管理,是通過設(shè)定泥水壓力和控制推進(jìn)時(shí)的開挖面泥水壓力等環(huán)節(jié)實(shí)施的。(1)計(jì)劃泥水壓力的設(shè)定為保證開挖面的穩(wěn)定所必須的泥水壓力為:計(jì)劃泥水壓力=開挖面水壓力+開挖面土壓力+變動(dòng)壓力。在一般的泥水加壓平衡盾構(gòu)中,作用于開挖面的變動(dòng)壓力換算成泥水壓力,大多設(shè)定為2MPa左右。如果將開挖面泥水壓力設(shè)定得過大,它同地下水壓力之間的壓差就會(huì)增大,所以會(huì)出現(xiàn)漏泥和地面冒漿的危險(xiǎn)。泥水加壓平衡盾構(gòu)一般將計(jì)劃泥水壓力的上限值設(shè)定為:埋深×泥水重度。因此,泥水壓力的范圍可設(shè)定為:Pj=Pd+2Hγg(5-28)式中:Pj—計(jì)劃泥水壓力(MPa);Pd—地下水壓力(MPa);H—隧道埋深(m);γ—泥水重度;g—重力加速度。在設(shè)定時(shí)要考慮土質(zhì)條件和施工環(huán)境等因素。(2)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的開挖面泥水壓力控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的開挖面泥水壓力控制流程,通過設(shè)于擋土板上的開挖面水壓力檢測裝置測出泥水壓力,并通過自動(dòng)控制回路將其控制為設(shè)定泥水壓力。(五)、土壓平衡盾構(gòu)的基本原理土壓平衡盾構(gòu)的基本原理是:隨著盾構(gòu)的推進(jìn),對(duì)由旋轉(zhuǎn)刀盤切削下來進(jìn)入密封艙內(nèi)的土體,通過安裝在密封艙內(nèi)的螺旋輸送機(jī)以及出土口上的滑動(dòng)閘門或螺旋式漏斗等排土機(jī)構(gòu)進(jìn)行排土,一面維持開挖面穩(wěn)定狀態(tài),一面將盾構(gòu)向前推進(jìn)。根據(jù)不同的地層條件,上述使開挖面維持穩(wěn)定的機(jī)構(gòu),基本上可以分為兩種類型:一種是適用于土體內(nèi)部摩擦角小而富有流動(dòng)性的粉土、粘土等粘性土地層的開挖面穩(wěn)定;另一種是適用于土體內(nèi)部摩擦角大、流動(dòng)性差、透水系數(shù)高的砂土、砂礫等砂質(zhì)土地層的開挖面穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。1、粘性土地層中的開挖面穩(wěn)定適用于粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粉土層等粘性土地層的開挖面穩(wěn)定的基本形式,是采用將螺旋切削刀盤切削下來的土體導(dǎo)入切削密封艙內(nèi),一邊頂住開挖面上的土壓,一邊用螺旋輸送機(jī)運(yùn)往后方并從出土口排土的方式。應(yīng)用此方式的有削土加壓式盾構(gòu)和中心螺旋鉆型土壓式盾構(gòu)等。開挖面穩(wěn)定機(jī)構(gòu)首先就是用切削下來的土體來填滿切削密封艙。在松軟的粘性土地層中施工時(shí),刀盤切削下來的土強(qiáng)度一般低于開挖面上土體的強(qiáng)度,并呈流動(dòng)狀。此外,即使地層土的粘結(jié)力較大,由于切削刀盤的攪拌和在螺旋輸送機(jī)的搬運(yùn)中,土體已被擾動(dòng),流動(dòng)性能有所提高,所以在切削密封艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi),切削下來的土?xí)涞煤軡M,可以達(dá)到同開挖面上的壓力大致相等的狀態(tài)。為了一邊保持上述狀態(tài),一邊將盾構(gòu)向前推進(jìn),螺旋輸送機(jī)的出土口裝置,應(yīng)具有能夠?yàn)橥谕亮亢团磐亮侩S時(shí)保持平衡,而發(fā)揮控制的作用。在粘性土地層中施工時(shí),一般采用滑動(dòng)閘門。然而,對(duì)于土?xí)幕瑒?dòng)閘門中流出的那種松軟土質(zhì),也可采用專用泵(容積泵)來代替滑動(dòng)閘門。容積泵就是能在保持壓力的同時(shí)輸送流動(dòng)狀粘性土的泵。如果將若干臺(tái)這樣的容積泵組合起來,就可以在開挖面和地面之間進(jìn)行管道輸送。此外,當(dāng)土體中的含砂量較多而超過一定限度時(shí),將難以保證切削密封艙內(nèi)的切削土的流動(dòng)性。此時(shí),切削密封艙內(nèi)的土一旦充得過滿,就會(huì)壓密固化,挖土和排土都會(huì)出現(xiàn)困難,盾構(gòu)將不能推進(jìn)。在這種情況下,就需要在切削密封艙內(nèi)加入化學(xué)聚合物、泡沫、膨潤土和粘土等添加劑作攪拌混合處理,或用高壓噴氣攪拌處理,以提高密封艙內(nèi)切削土的流動(dòng)性。欲提高流動(dòng)性,還可以在排土機(jī)構(gòu)方面采用提高切削土的阻尼效應(yīng)的方法來代替滑動(dòng)閘門。2、砂性土地層中的開挖面穩(wěn)定在砂土和砂礫等砂質(zhì)土地層中,由于砂土的摩擦阻力很大,地下水豐富,土的透水系數(shù)也較高,依靠切削土的土壓力保持來抗衡開挖面上的壓力(地下水壓力和開挖面土壓力)是很困難的。另外,通過切削下來的泥土來保證出土的流動(dòng)性也是不可能的。由于這種地層中土的透水性強(qiáng),光靠在切削密封艙及螺旋輸送機(jī)內(nèi)充滿土來保證頂住地下水壓力的止水性也是不可能的。在這樣的地層中,因?yàn)閱渭円揽砍鐾灵l門等機(jī)械控制不能保證開挖面的穩(wěn)定,所以在開挖面上加壓或注入化學(xué)聚合物、泡沫、水、泥、高濃度泥水、泥漿等材料,進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁淖兦邢飨聛淼耐馏w的性質(zhì),保證土的流動(dòng)性和止水性,以求得開挖面的穩(wěn)定。上述穩(wěn)定開挖面的方式大致可分為以下幾種:(1)向切削密封艙內(nèi)噴水、噴氣或注入泡沫等添加劑來保證密封艙內(nèi)切削土的流動(dòng)性,同時(shí)在螺旋輸送機(jī)的出土口上安裝旋轉(zhuǎn)式排土機(jī)構(gòu),以保證排土系統(tǒng)的水密性,維持開挖面的穩(wěn)定。(2)向開挖面施加高壓水來保證切削土的流動(dòng)性,同時(shí)保持與地下水壓力之間的平衡,用切削密封艙內(nèi)留下的切削土來抵抗開挖面的土壓力,并在螺旋輸送機(jī)后部安裝排土調(diào)節(jié)槽來保持艙內(nèi)的壓力,維持開挖面的穩(wěn)定。(3)向開挖面施加高濃度泥水,將泥水同切削下來的土體進(jìn)行攪拌,由此來保證切削土的流動(dòng)性,同時(shí)用施加高濃度泥水的壓力來抵抗開挖面上的土壓力和水壓力,并在螺旋輸送機(jī)出土口上安裝旋轉(zhuǎn)式排土機(jī),用這樣的措施來保持開挖面的穩(wěn)定。(4)向開挖面注入制泥材料或泥漿,用加筋輻條型的刀盤進(jìn)行切削和攪拌,將切削下來的土轉(zhuǎn)變成具有止水性和流動(dòng)性的土,并用這種改性土的土壓力來抵抗開挖面上的土壓力和水壓力,以此來維持開挖面的穩(wěn)定。除了上述四種開挖方法外,若在水源充沛地區(qū)施工,還可采用水力機(jī)械開挖,以水槍代替人工或機(jī)械挖土,用水力揚(yáng)水器或泥漿泵組成管道運(yùn)輸代替隧道的常規(guī)運(yùn)輸方法,可以加快施工速度。三、盾構(gòu)控制(一)、盾構(gòu)偏向的判定1、盾構(gòu)偏向的原因盾構(gòu)脫離基座導(dǎo)軌,進(jìn)入地層后,主要依靠千斤頂編組及借助輔助措施來控制盾構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。盾構(gòu)在地層中推進(jìn)時(shí),導(dǎo)致偏向的因素很多,這里的偏向是指平面、高程偏離設(shè)計(jì)軸線的數(shù)值超過允許范圍。偏向的原因主要有以下因素:(1)地質(zhì)條件的因素。由于地層土質(zhì)不均勻,以及地層有卵石或其它障礙物,造成正面及四周的阻力不一致而導(dǎo)致盾構(gòu)在推進(jìn)中偏向。(2)機(jī)械設(shè)備的因素。各千斤頂工作不同步,伸出阻力由于加工精度誤差造成不一致,另外,盾構(gòu)外殼形狀誤差、設(shè)備在盾構(gòu)內(nèi)安置偏重于某一側(cè)、千斤頂安裝后軸線不平行等,也會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)偏向。(3)施工操作的因素。如部分千斤頂使用頻率過高,導(dǎo)致襯砌環(huán)縫的防水材料壓密量不一致,累積后使推進(jìn)后座面不正,擠壓式盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)有明顯上??;盾構(gòu)下部土體如有過量流失,引起盾構(gòu)下沉;管片拼裝質(zhì)量不佳、環(huán)面不平正等都會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)推進(jìn)偏向。2、盾構(gòu)偏向的反映與測定在盾構(gòu)施工中的每一環(huán)推進(jìn)前,先要充分了解盾構(gòu)所處的位置和姿態(tài),否則無法控制下一環(huán)推進(jìn)軸線和制定糾偏措施。目前施工技術(shù)手段是通過對(duì)盾構(gòu)現(xiàn)狀位置的測量后報(bào)出的盾構(gòu)現(xiàn)狀報(bào)表來反映盾構(gòu)真實(shí)狀態(tài)。從該報(bào)表(見圖5-14)中可得知如下值:(1)盾構(gòu)切口、舉重臂、盾尾2個(gè)中心的平面與高程的偏離設(shè)計(jì)軸線值。從這2組4個(gè)值中可以分析盾構(gòu)上下左右的趨勢,以確定下環(huán)推進(jìn)的糾偏措施、方案等具體方法;圖5-14盾構(gòu)現(xiàn)狀測量報(bào)表圖(2)盾構(gòu)的自轉(zhuǎn)角。從這一數(shù)值可以了解盾構(gòu)目前是處于順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),從而決定刀盤的轉(zhuǎn)向或附加配重;(3)目前隧道的里程、環(huán)數(shù);(4)盾構(gòu)的縱坡。在報(bào)表中高程的向上偏離設(shè)計(jì)值時(shí)用“+”表示,向下用“-”表示;平面偏右用“+”表示,偏左用“-”表示;上坡用“+”表示,下坡用“-”表示。3、具體測量方法目前對(duì)盾構(gòu)現(xiàn)狀測量大多還是依靠于每環(huán)推進(jìn)中或結(jié)束后,由人工進(jìn)行測量,這種方法不能使施工人員隨時(shí)了解盾構(gòu)的現(xiàn)狀,當(dāng)今最先進(jìn)的測量手段是利用陀螺儀等高精尖技術(shù),但目前國內(nèi)主要還是應(yīng)用以下的常規(guī)測量手段:坡度板(如圖5-15所示),是目前盾構(gòu)施工中能使施工人員直接讀出盾構(gòu)縱坡、轉(zhuǎn)角的值,以便能隨時(shí)糾正。測縱坡及轉(zhuǎn)角以往還用過的有帶水準(zhǔn)氣泡的水平儀、連通管等。(2)丈量兩腰千斤頂活塞桿伸出長度估計(jì)平面糾偏效果。(3)用水準(zhǔn)儀測得盾構(gòu)軸線兩點(diǎn),可算出盾構(gòu)縱坡及高程偏差值。(4)用激光經(jīng)緯儀直接讀出激光打在盾構(gòu)前、后靶上讀數(shù),可算出盾構(gòu)的切口、舉重臂、盾尾三個(gè)中心平面、高程偏離設(shè)計(jì)軸線值。圖5-15坡度板示意圖(二)、盾構(gòu)的操作盾構(gòu)操作的目的,主要是使盾構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡始終符合設(shè)計(jì)軸線容許偏差值范圍內(nèi),達(dá)到隧道襯砌拼裝在理想的位置上的目的。要掌握好盾構(gòu)掘進(jìn)軸線控制,不但要能熟練地操作盾構(gòu),懂得糾偏原理、方法,還應(yīng)對(duì)隧道埋置的地質(zhì)情況及盾構(gòu)施工時(shí),土與盾構(gòu)相互影響有一個(gè)全面的了解。1、土質(zhì)對(duì)盾構(gòu)施工的影響盾構(gòu)法適用于軟土層的施工,軟土主要有砂性和粘性二類,砂性土有砂土、粉質(zhì)砂土、粉土;粘性土有粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土等。砂性土的顆粒粒徑在2~0.005之間,其透水性較好,在地下水壓力差作用下(動(dòng)水壓力),砂粒易產(chǎn)生流動(dòng),對(duì)施工會(huì)帶來較大困難,如不采取所必須的防范措施是難以正常施工的。粘性土的透水性差,但具有較大的可塑性,雖是最適宜盾構(gòu)施工,如施工時(shí)對(duì)土體有過大擾動(dòng),則帶來的“后患”也大,在飽和的淤泥質(zhì)粘土中施工,對(duì)盾構(gòu)穩(wěn)定控制有一定的難度,要嚴(yán)格掌握進(jìn)土量,才能使盾構(gòu)穩(wěn)定向前運(yùn)動(dòng)。2、盾構(gòu)的操縱方法(1)千斤頂編組盾構(gòu)在土層中向前受到土的阻力,需借用布置在切口環(huán)四周的千斤頂頂力來克服。但兩者的合力位置始終不在一條直線上,見圖5-16,從而形成一力偶導(dǎo)致盾構(gòu)偏向。由此可見調(diào)整不同千斤頂?shù)木幗M,使其千斤頂合力位置與外力合力位置組成一個(gè)有利于糾偏的力偶,所以該方法是盾構(gòu)操縱的主要手段。而用千斤頂編組主要目的是調(diào)整盾構(gòu)的縱坡來調(diào)整其高程位置,同樣也是盾構(gòu)平面位置的控制方法。在用千斤頂編組施工時(shí)應(yīng)注意以下三點(diǎn):a、千斤頂?shù)闹粩?shù)應(yīng)盡量多,以減少對(duì)已完成隧道管片的施工應(yīng)力;b、管片縱縫處的騎縫千斤頂一定要用,以保證成環(huán)管片的環(huán)面平整;糾偏數(shù)值不得超過操作規(guī)程的規(guī)定值。千斤頂區(qū)域油壓調(diào)正目前多數(shù)盾構(gòu)將千斤頂分為上、下、左、右四個(gè)區(qū)域,每一區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)油壓系統(tǒng),所以通過區(qū)域油壓調(diào)整,同時(shí)起到調(diào)整千斤頂合力位置的作用,使其合力與作用于盾構(gòu)上阻力的合力組成一個(gè)有利于控制盾構(gòu)軸線的力偶,以控制盾構(gòu)軸線。圖5-15千斤頂糾偏原理圖(3)盾構(gòu)的縱坡控制縱坡控制的目的,前面以講述過,即調(diào)整盾構(gòu)高程,另一點(diǎn)可調(diào)整盾構(gòu)與已成管片端面間的間隙,以減少下一環(huán)拼裝施工的困難??刂瓶v坡的方法:變坡法在每一環(huán)推進(jìn)施工中,用不同的盾構(gòu)推進(jìn)坡度進(jìn)行施工,最終達(dá)到預(yù)先指定的縱坡。在變坡法推進(jìn)中,可根據(jù)管片與盾構(gòu)相對(duì)位置、原則上以盾構(gòu)不卡管片,可采用先抬后壓或先壓后抬的措施;也可用逐漸增坡或減坡的方法。穩(wěn)坡法盾構(gòu)每推一環(huán)用一個(gè)縱坡以達(dá)到糾坡要求,但要做到這一穩(wěn)坡具有相當(dāng)高的技術(shù)難度,用這方法盾構(gòu)推進(jìn)中對(duì)地層擾動(dòng)最小。(4)調(diào)整開挖面阻力,當(dāng)利用盾構(gòu)千斤頂編組或區(qū)域油壓調(diào)整無法達(dá)到糾偏目的時(shí),可采用調(diào)整開挖面阻力,也就是人為地改變阻力的合力位置,從而得到一個(gè)理想的糾偏力偶,來達(dá)到控制盾構(gòu)軸線的目的。用這種方法糾偏效果一般說是較好的,但各種不同盾構(gòu)形式有不同的方法。敞開式挖土盾構(gòu)可采用超挖;擠壓式盾構(gòu)可調(diào)整其進(jìn)土孔位置和擴(kuò)大進(jìn)土孔。以往也設(shè)想使用過在盾殼內(nèi)外伸出鰭板,但效果不大。3、盾構(gòu)自轉(zhuǎn)的糾正盾構(gòu)在推進(jìn)施工中,除了上述偏離設(shè)計(jì)軸線外,還有盾構(gòu)本身自轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。(1)盾構(gòu)自轉(zhuǎn)后對(duì)施工帶來的困難有:a、使盾構(gòu)設(shè)備操作、液壓系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)不正常。原來安置平正的設(shè)備自轉(zhuǎn)后成歪斜,如不調(diào)整對(duì)操作不方便,運(yùn)轉(zhuǎn)使用失常。b、使隧道襯砌拼裝困難,這是指在采用全縱向插入的成環(huán)形式,因位置轉(zhuǎn)了角度,造成封頂塊管片難以或根本無法拼裝。c、給隧道測量帶來不便,測量在盾構(gòu)上安裝有弧形尺,盾構(gòu)轉(zhuǎn)后尺位偏了,有時(shí)轉(zhuǎn)出位要重新裝尺,兩次定位肯定要影響到測量精度。(2)盾構(gòu)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的原因有以下幾點(diǎn):a、土質(zhì)不均勻,盾構(gòu)兩側(cè)的土體有明顯差別,則土體對(duì)盾構(gòu)的側(cè)向阻力不一而引起旋轉(zhuǎn)。b、在施工中為了糾正軸線,對(duì)某一處超挖過量,造成盾構(gòu)兩側(cè)阻力不一而使盾構(gòu)旋轉(zhuǎn),同樣,安裝在盾構(gòu)上大的旋轉(zhuǎn)設(shè)備順著一個(gè)方向使用過多,也是引起盾構(gòu)自轉(zhuǎn)的一個(gè)原因。c、由于盾構(gòu)制作誤差,千斤頂位置與軸線不平行、盾殼不圓、盾殼的重心不在軸線上等,使盾構(gòu)在施工中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。(3)盾構(gòu)自轉(zhuǎn)后糾正的方法有以下兩種:a、在盾構(gòu)有少量自轉(zhuǎn)時(shí),可用盾構(gòu)內(nèi)的舉重臂、轉(zhuǎn)盤、大刀盤等大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的使用方向來糾正。b、當(dāng)自轉(zhuǎn)量較大時(shí),則采用壓重的方法,使其形成一個(gè)糾旋轉(zhuǎn)力偶。盾構(gòu)法施工在上海經(jīng)過了三十多年的施工實(shí)踐,對(duì)控制盾構(gòu)推進(jìn)軸線和隧道襯砌防水抗?jié)B的技術(shù)和一整套技術(shù)施工已日趨成熟,并正向更高的要求發(fā)展。第五節(jié)管片拼裝及防水一、襯砌拼裝隧道是由預(yù)制管片逐環(huán)連接形成的,管片是在盾殼保護(hù)下,并在其空間內(nèi)進(jìn)行拼裝。管片的類型主要有球墨鑄鐵管片、鋼管片、復(fù)合管片和鋼筋混凝土管片,每環(huán)有數(shù)塊組合而成。(一)、技術(shù)名詞解釋:1、縱向——隧道的軸線方向;2、徑向一一隧道圓環(huán)的直徑方向;3、環(huán)向——隧道圓環(huán)的圓周方向;4、縱縫一一同環(huán)管片塊與塊之間的接縫;5、環(huán)縫——管片環(huán)與環(huán)之間環(huán)的縫;6、通縫——拼裝的一種型式即后一環(huán)管片縱縫與前一環(huán)管片縱縫對(duì)齊的拼法;7、錯(cuò)縫——拼裝的一種型式,與前后環(huán)縱縫錯(cuò)開的拼法;8、環(huán)面——管片圓環(huán)的環(huán)向面;9、內(nèi)弧面——圓環(huán)的環(huán)向內(nèi)面,10、外弧面一—圓環(huán)的環(huán)向外面11、管片端頭——每塊管片的兩個(gè)縱向端面;12、張角——兩塊管片端面接頭縫在徑向的誤錯(cuò)向外張開稱外張角;反之稱內(nèi)張角;13、喇叭——兩塊管片端面接頭縫在縱向的誤錯(cuò),向推進(jìn)方向張開叫前喇叭;反之稱后喇叭;14、踏步——前后兩環(huán)管片內(nèi)弧面的不平整度;15、縱向螺栓一一螺栓方向?yàn)榭v向,是環(huán)與環(huán)之間的連接件;16、環(huán)向螺栓——螺栓為管片圓環(huán)方向,是同一環(huán)管片塊與塊之間的連接件;17、端肋一一管片中每塊管片兩端頭的肋板;18、環(huán)肋——管片環(huán)向的肋板;19、縱肋——管片在縱向的加勁肋;20、橢圓度——圓環(huán)垂直、水平兩直徑之差值;21、超前――指圓環(huán)環(huán)面與推進(jìn)設(shè)計(jì)軸線垂直度的誤差,有上、下超前和左、右超前之分。(二)、裝配式襯砌(管片)的類型、特點(diǎn)管片型式可從結(jié)構(gòu)層數(shù)、成環(huán)形式、制作的材料、每環(huán)塊數(shù)來分為各種不同的管片型式,在這里不作細(xì)敘。現(xiàn)將著重講述管片特點(diǎn),下面對(duì)三種不同材料制成的管片作介紹。1、球墨鑄鐵管片球墨鑄鐵管片強(qiáng)度高、易鑄成薄壁結(jié)構(gòu)、管片重量輕、搬運(yùn)安裝方便、管片精度高外形準(zhǔn)確、防水性能好,但加工設(shè)備要求高、造價(jià)大。該管片需翻砂成型后用大型金屬切削機(jī)械加工。2、鋼管片主要用型鋼或鋼板焊接加工而成,其強(qiáng)度高,延性好,運(yùn)輸安裝方便,精度稍低于球墨鑄鐵管片,但在施工應(yīng)力作用下易變形,在地層內(nèi)也易銹蝕。3、鋼筋混凝土管片該種材料制作而成的管片有一定強(qiáng)度,加工制作比較容易,耐腐蝕,造價(jià)低,是最常用的管片形式,但較笨重、在運(yùn)輸、安裝施工過程中易損壞。(三)、鋼筋混凝土管片的制作1、鋼模設(shè)計(jì)加工要確保制作后管片有統(tǒng)一尺寸、誤差在一定精度的范圍內(nèi),關(guān)健是鋼模的剛度、強(qiáng)度及精度,所以要設(shè)計(jì)加工高精度、拆裝方便、剛度大、變形極小的鋼模,來滿足管片精度要求所需。2、鋼筋成形這里指鋼筋籠成型,要在專門的搭片、搭塊架上進(jìn)行單根成型后鋼筋的組合。3、混凝土澆搗將成型的鋼筋骨架塊放入鋼模內(nèi)澆搗混凝土、混凝土澆搗按鋼模型式可有整環(huán)澆搗和分塊澆搗。(1)整環(huán)澆搗,即鋼模是整環(huán)型式,這種方法制作的管片,環(huán)向螺栓易穿,管片厚度準(zhǔn)確,但環(huán)面精度稍差,由于生產(chǎn)以環(huán)為單位,所以管片要成環(huán)使用。(2)分塊澆搗,每塊均為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,當(dāng)采用人工振搗時(shí)管片的外弧面為自由面,人工收水抹面,故管片厚度精度及外弧面質(zhì)量較差。4、養(yǎng)護(hù)、脫模管片一般采用蒸養(yǎng)后自然養(yǎng)護(hù),蒸養(yǎng)混凝土強(qiáng)度要達(dá)到50%以上,主要為加快鋼模的周轉(zhuǎn)使用,脫模后,管片入水池養(yǎng)護(hù)。5、檢漏管片用于地下工程,要抗地下水的滲入,對(duì)成品管片除強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求外,防水抗?jié)B亦是一項(xiàng)主要指標(biāo),所以對(duì)成品管片按比例的作檢漏試驗(yàn),從而鑒定管片的抗?jié)B能力。6、管片的堆放混凝土管片受碰撞易碎易裂,在搬運(yùn)堆放過程中應(yīng)特別注意,場地要平整,臥式堆放不得起過三塊,管片端頭用枕木墊實(shí),不能駝放受力。(四)、管片的拼裝管片拼裝是建造隧道重要工序之一,管片拼裝后形成隧道,所以拼裝質(zhì)量好壞也就直接影響工程的質(zhì)量。1、拼裝工藝(1)隧道管片拼裝按其整體組合可分為通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝a、通縫拼裝各環(huán)管片的縱縫對(duì)齊的拼裝,這種拼法在拼裝時(shí)定位容易,縱向螺栓容易穿,拼裝施工應(yīng)力小,但容易產(chǎn)生環(huán)面不平,并有較大累計(jì)誤差,而導(dǎo)致環(huán)向螺栓難穿,環(huán)縫壓密量不夠。b、錯(cuò)縫拼裝錯(cuò)縫即前后環(huán)管片的縱縫錯(cuò)開拼裝,一

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