盾构施工工艺技术介绍.pptx
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1、盾构施工技术介绍 一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程Contents Page目录页 一、盾构机选型一、盾构机选型 一、盾构施工主要技术一、盾构施工主要技术明挖法矿山法掘进机(TunnelBoringMachine)常用隧道施工方法TBM硬岩掘进机盾构 一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程 一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程何为盾构?何为盾构?盾构法流程盾构法流程隧道掘进机隧道掘进机:在我国,习惯上将用于软土地层的称为盾构盾构,将用于岩石地层的称为TBM。盾构法英文名:shieldingmethod用带防护罩的特制机械(即盾构)在破碎岩层或土层中掘进隧洞的施工方法。可同时有序进行掘进、出碴
2、、拼装预制混凝土衬砌块。盾尾(盾尾(钢护筒)筒)衬砌管片砌管片 一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程18世纪末英国人提出在伦敦地下修建横贯通泰晤士河隧道的设想,并于1798年开始着手工作希望实现这个构想,但由于竖井挖不到预定深度,计划受挫,4年后他们决定在另一个地方建造连接两岸的隧道,随后工程再次开工,当掘进到最后30m时,开挖面激剧浸水,工程再次受阻。工程从开工到被迫终止用了5年时间,此后修建横贯泰晤士河隧道的计划在以后10年内没有任何进展。1818年,Brunel(布鲁内尔)观察小虫腐蚀木船底板成洞的经过,从而得到启发,在此基础上提出了盾构工法,并得到专利。这就是所谓开放型手掘式盾构的原型
3、,Brunel对自己的新工法非常自信,于1823年拟定了修建另一条泰晤士河隧道的计划,随后这个计划得到英国国会批准,于1825年动工,初期,工程进展顺利,但后来由于地层下沉,工程被迫中止。但Brunel并没有灰心,总结了失败的教训后,对盾构做了7年改进后,于1834年再次开工,又经过7年施工,终于在1841年贯通隧道。自Brunel向泰晤士河隧道发起战到胜利,前后经历了20个春秋,此时,他已是72岁的老人。Brunel对盾构工法的贡献极为卓著,这是后人的一致评价。盾构机的由来盾构机的由来开放型手掘式盾构开放型手掘式盾构 一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程盾构机的四个阶段:盾构机的四个阶段:n
4、开挖断面:开挖断面:单圆盾构、双单圆盾构、双圆圆盾构、三圆盾构、盾构、三圆盾构、矩形盾构、矩形盾构、异形盾构异形盾构、自由断面盾构等。自由断面盾构等。分类分类n稳定掌子面介质:土压平衡盾构、泥水平衡盾构。稳定掌子面介质:土压平衡盾构、泥水平衡盾构。n其中土压平衡盾构根据地层条件可采用敞开式(大气压力)、气压其中土压平衡盾构根据地层条件可采用敞开式(大气压力)、气压平衡式(压缩空气)、平衡式(压缩空气)、土压平衡式土压平衡式(改良后的碴土)三种模式掘(改良后的碴土)三种模式掘进。进。一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程双圆盾构掘进机三圆盾构掘进机 分类(按开挖断面)分类(按开挖断面)单圆盾构掘进
5、机 一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程异型盾构掘进机矩形盾构开挖成型隧道 分类(按开挖断面)分类(按开挖断面)一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程自由断面盾构球形刀盘及主驱动 分类(按开挖断面)分类(按开挖断面)一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程 分类(稳定掌子面介质)分类(稳定掌子面介质)根据平衡开挖面平衡介质(出渣方式)可分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构。根据平衡开挖面平衡介质(出渣方式)可分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构。土压平衡盾构土压平衡盾构泥水平衡盾构泥水平衡盾构 一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程土压(泥水)平衡原理土压(泥水)平衡原理 土压(泥水)平衡模式是在盾构开挖时,利用
6、土仓内的土压(泥水压)土压(泥水)平衡模式是在盾构开挖时,利用土仓内的土压(泥水压)或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力,以避免或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力,以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。一、盾构机发展里程一、盾构机发展里程 类型选择类型选择n从国内外施工实例来看,主要从土压平衡盾构和泥水盾构中选择从国内外施工实例来看,主要从土压平衡盾构和泥水盾构中选择 比较项目比较项目土压平衡式盾构机土压平衡式盾构机泥水加压式盾构机泥水加压式盾构机设备费用设备费用6.3m6.
7、3m直径约直径约0.30.30.550.55亿元亿元6.3m6.3m直径约直径约0.450.450.650.65亿元亿元施工场地施工场地施工场地较小。施工场地较小。需泥浆处理场需泥浆处理场,施工场地较大。,施工场地较大。对周围环境影响对周围环境影响渣土运输对环境产生一定影响渣土运输对环境产生一定影响泥泥浆浆处处理理设设备备噪噪音音、振振动动及及渣渣土土运运输输对对环环境产生影响较大。境产生影响较大。开挖面稳定能力开挖面稳定能力通过排(进)土量控制,较好。通过排(进)土量控制,较好。通过泥浆压力及流通控制,好。通过泥浆压力及流通控制,好。开挖效率开挖效率加加入入合合适适的的添添加加剂剂后后增增加
8、加流流动动性性和和止止水水性性,可可提提高高掘掘进进效效率率;添添加剂管理容易。加剂管理容易。泥浆循环分离费时,泥浆管理起来难泥浆循环分离费时,泥浆管理起来难。泥土输送方式泥土输送方式螺螺旋旋机机出出土土,轨轨道道车车辆辆运运输输,输输送间断不连续,施工速度慢送间断不连续,施工速度慢泥泥水水管管道道输输送送,可可连连续续输输送送,输输送送速速度度快快而而均均匀匀;占占用用隧隧道道空空间间小小,但但设设备备故故障障影影响很大。响很大。n两种机型比较两种机型比较二、盾构机选型二、盾构机选型n两种盾构机对地质条件的要求两种盾构机对地质条件的要求地层颗粒级配与地层含水量地层颗粒级配与地层含水量 细细颗
9、颗粒粒含含量量:对对于于土土压压平平衡衡盾盾构构机机来来说说,最最能能适适应应的的土土层层就就是是含含有有足足够够细细颗颗粒粒的的地地层层。理理想想的的颗颗粒粒尺尺寸寸的的地地层层包包括括粘粘土土、淤淤泥泥、砂砂以以及及砾砾石石等等,并并且且含含有有25-30%的的水水分分。当当地地层层中中没没有有足足够够的的细细颗颗粒粒含含量量时时,例例如如砂砂卵卵石石地地层层,应应采采取取辅辅助助的的处处理理措措施施,比比如如注注射射泡泡沫沫、聚聚合合物物或或非非常常高高浓浓度度的的泥泥浆浆帮帮助助解解决决细细颗颗粒粒问问题题。以以便使土压平衡盾构机能适应这种地层。便使土压平衡盾构机能适应这种地层。类型选
10、择类型选择二、盾构机选型二、盾构机选型n两种盾构机对地质条件的要求两种盾构机对地质条件的要求地层颗粒级配与地层含水量地层颗粒级配与地层含水量 类型选择类型选择二、盾构机选型二、盾构机选型n两种盾构机对地质条件的要求两种盾构机对地质条件的要求 上图左边白颜色区域为卵石砾石粗砂区,为泥水平衡盾构机适用的上图左边白颜色区域为卵石砾石粗砂区,为泥水平衡盾构机适用的颗粒级配范围。右边蓝颜色区域为细砂淤泥粘土区,为土压平衡盾构机颗粒级配范围。右边蓝颜色区域为细砂淤泥粘土区,为土压平衡盾构机适用的颗粒级配范围。级配图说明细颗粒含量多则碴土能形成不透水的适用的颗粒级配范围。级配图说明细颗粒含量多则碴土能形成不
11、透水的塑流体,容易并能够充满土仓的每个部位,以便建立压力并传递到切削塑流体,容易并能够充满土仓的每个部位,以便建立压力并传递到切削面支撑土体,而又不发生堵仓。可以实现土压平衡。粗颗粒含量高的碴面支撑土体,而又不发生堵仓。可以实现土压平衡。粗颗粒含量高的碴土不能形成具备这种功能的碴土,因而不能实现土压平衡机理。只能借土不能形成具备这种功能的碴土,因而不能实现土压平衡机理。只能借助于大比重的泥浆悬浮,传递压力并被输送。从掘进的角度,泥水平衡助于大比重的泥浆悬浮,传递压力并被输送。从掘进的角度,泥水平衡盾构机也适用于细颗粒土层,但细颗粒浆液的泥水分离难度大,设备需盾构机也适用于细颗粒土层,但细颗粒浆
12、液的泥水分离难度大,设备需要多,除非场地条件非常优越和必须使用泥水平衡方式,否则不会在细要多,除非场地条件非常优越和必须使用泥水平衡方式,否则不会在细颗粒地层采用泥水平衡方式。因此,图中的区域划分考虑了综合因素。颗粒地层采用泥水平衡方式。因此,图中的区域划分考虑了综合因素。地层颗粒级配与地层含水量地层颗粒级配与地层含水量 类型选择类型选择二、盾构机选型二、盾构机选型地层的渗透系数地层的渗透系数 地层的渗透系数大于地层的渗透系数大于10-4m/s且地下水压力大,地下水量丰且地下水压力大,地下水量丰富的地层不适合于采用土压平衡盾构掘进。在此种条件下,即使采富的地层不适合于采用土压平衡盾构掘进。在此
13、种条件下,即使采用平衡模式,带压力的地下水会稀释泡沫效果,渣土失去流塑性在用平衡模式,带压力的地下水会稀释泡沫效果,渣土失去流塑性在螺旋机中不能形成土塞止水作用而发生喷涌螺旋机中不能形成土塞止水作用而发生喷涌,土仓不能维持压力,土仓不能维持压力,输送带斜坡段不能向上输送渣土输送带斜坡段不能向上输送渣土,导致施工不能进行。此时可以采,导致施工不能进行。此时可以采用高分子聚合物保持渣土的流塑性,但高分子聚合物价格高昂,实用高分子聚合物保持渣土的流塑性,但高分子聚合物价格高昂,实际上很难作为常规手段。际上很难作为常规手段。类型选择类型选择二、盾构机选型二、盾构机选型n两种盾构机对地质条件的要求两种盾
14、构机对地质条件的要求 类型选择类型选择n两种盾构机对地质条件的要求两种盾构机对地质条件的要求二、盾构机选型二、盾构机选型 地层渗透性与盾构选型图既说明了地层颗粒与渗透率的一般关系地层渗透性与盾构选型图既说明了地层颗粒与渗透率的一般关系细颗粒含量多的地层渗透率小,粗颗粒含量多的地层渗透率大,细颗粒含量多的地层渗透率小,粗颗粒含量多的地层渗透率大,又反映了渗透率与盾构选型的关系:颗粒粗渗透率大水量充足,碴土又反映了渗透率与盾构选型的关系:颗粒粗渗透率大水量充足,碴土为流体状,螺旋机不能形成土塞,土仓建立不了压力,仅依靠大颗粒为流体状,螺旋机不能形成土塞,土仓建立不了压力,仅依靠大颗粒充满土仓来形成
15、机械力支撑土体时,即使土仓充满水也会造成堵仓。充满土仓来形成机械力支撑土体时,即使土仓充满水也会造成堵仓。因此,因此,图中土压平衡盾构机对应的指标是粗砂以下、渗透率图中土压平衡盾构机对应的指标是粗砂以下、渗透率10-4m/s以下。泥水平衡盾构机对应的指标是细砂以上、渗透率以下。泥水平衡盾构机对应的指标是细砂以上、渗透率10-7m/s以上。以上。类型选择类型选择二、盾构机选型二、盾构机选型n两种盾构机对地质条件的要求两种盾构机对地质条件的要求 型号(直径)选择型号(直径)选择两种衬砌断面的简介两种衬砌断面的简介目前国内地铁隧道衬砌断面主要有两种目前国内地铁隧道衬砌断面主要有两种断面一:断面一:管
16、片内径管片内径5500,外径,外径6200,厚度,厚度350mm 应用城市有上海、杭州、南京、苏州、天津。应用城市有上海、杭州、南京、苏州、天津。主要应用地区为主要应用地区为长三角区域长三角区域。衬砌断面主要和运营机车外型的选择有关。衬砌断面主要和运营机车外型的选择有关。断面二:断面二:管片内径管片内径5400,外径,外径6000,厚度,厚度300mm 除模式一以外的其他城市,有广州、深圳、除模式一以外的其他城市,有广州、深圳、北京、成都、沈阳、西安、大连等。北京、成都、沈阳、西安、大连等。二、盾构机选型二、盾构机选型决定因素主要有五个方面:决定因素主要有五个方面:1、隧道结构设计、隧道结构设
17、计管片外径、曲线半径管片外径、曲线半径。3、地质条件(、地质条件(1)注浆管布置注浆管布置:如果是软土,注浆管可以外置,:如果是软土,注浆管可以外置,则尾盾可以不考虑注浆管的占位,盾尾直径较小,因而中前盾刀盘直则尾盾可以不考虑注浆管的占位,盾尾直径较小,因而中前盾刀盘直径也跟着减小。如果是硬岩,注浆管必须内置,则盾尾直径较大,因径也跟着减小。如果是硬岩,注浆管必须内置,则盾尾直径较大,因而中前盾刀盘直径也跟着增大。而中前盾刀盘直径也跟着增大。4、地质条件(、地质条件(2)-调向纠偏需要调向纠偏需要:如果是软土,盾体可作成直筒式,:如果是软土,盾体可作成直筒式,前盾直径与尾盾相同,可减少前盾直径
18、。如果是硬岩,盾体需作成台阶式,前盾直径与尾盾相同,可减少前盾直径。如果是硬岩,盾体需作成台阶式,尾盾中盾前盾直径依次增大,前盾直径大于尾盾直径。尾盾中盾前盾直径依次增大,前盾直径大于尾盾直径。5、地质条件(、地质条件(3)-调向纠偏需要调向纠偏需要:如果是软土,边刀开挖直径可以:如果是软土,边刀开挖直径可以与前盾直径一样。如果是硬岩,边刀开挖直径必须大于前盾直径。与前盾直径一样。如果是硬岩,边刀开挖直径必须大于前盾直径。2、隧道结构设计、隧道结构设计管片宽度管片宽度:管片宽度大,需要的盾尾间隙增大。:管片宽度大,需要的盾尾间隙增大。型号(直径)选择型号(直径)选择二、盾构机选型二、盾构机选型
19、主要部件选型主要部件选型土压平衡盾构主要组成部件及工作原理简介(土压平衡盾构主要组成部件及工作原理简介(另外还有一个渣土另外还有一个渣土的水平运输系统和垂直运输系统的水平运输系统和垂直运输系统)刀盘旋转切削开挖面的泥土,破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓,刀盘旋转切削开挖面的泥土,破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓,泥土落到土仓底部后,通过螺旋输送机运到皮带输送机上,然后输送到泥土落到土仓底部后,通过螺旋输送机运到皮带输送机上,然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用,掘
20、进一环管片的长度后停挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用,掘进一环管片的长度后停止掘进,在盾壳的保护下安装管片衬砌。止掘进,在盾壳的保护下安装管片衬砌。1、刀盘、刀盘 2、主轴承、主轴承 3、推进油缸、推进油缸 4、压力仓、压力仓 5、螺旋输送机、螺旋输送机 6、管片安装机、管片安装机 7、闸门、闸门 8、管片小车、管片小车 9、管片吊机、管片吊机、10、皮带输送机、皮带输送机 11、后配套约、后配套约20个系统和装置个系统和装置二、盾构机选型二、盾构机选型土压平衡盾构主机工作原理(土压平衡盾构主机工作原理(掌子面掌子面)二、盾构机选型二、盾构机选型刀盘刀盘刀盘结构刀盘结构面板式面板式辐条式
21、辐条式主要部件选型主要部件选型二、盾构机选型二、盾构机选型二、盾构机选型二、盾构机选型二、盾构机选型二、盾构机选型主驱动主驱动刀盘支撑及主驱动刀盘支撑及主驱动 主驱动有主驱动有2种:种:液压驱动及变频或双速电机驱动液压驱动及变频或双速电机驱动。特性曲线相当。液压驱动装置。特性曲线相当。液压驱动装置体积小,适于中小盾构。电驱动体积较大,适于中大特大盾构。体积小,适于中小盾构。电驱动体积较大,适于中大特大盾构。刀盘支承方式有3种:1)中心支承式(适用于中小型直径盾构)2)中间支承式(适用于中大型直径盾构)3)周边支承式(适用于小型直径盾构)中心支承方式中心支承方式中心支承方式中心支承方式 中间支承
22、方式中间支承方式中间支承方式中间支承方式 周边支承方式周边支承方式周边支承方式周边支承方式 主要部件选型主要部件选型二、盾构机选型二、盾构机选型 主轴承主轴承二、盾构机选型二、盾构机选型主驱动主驱动刀盘驱动方式刀盘驱动方式变频电机驱动变频电机驱动定速电机驱动定速电机驱动 液压驱动液压驱动驱动部外形尺寸驱动部外形尺寸 中中 大大 小小后续设备后续设备 少少 少少 较多较多效率效率 0.95 0.95 0.9 0.9 0.65 0.65起动力矩起动力矩 大大 较小较小 较大较大起动冲击起动冲击 小小 大大 较小较小转速微调控制转速微调控制 好好不能无级调速不能无级调速 好好噪声噪声 小小 小小 大
23、大盾构温度盾构温度 低低 较低较低 较高较高维护保养维护保养 易易 易易 较复杂较复杂主要部件选型主要部件选型二、盾构机选型二、盾构机选型刀具刀具主要部件选型主要部件选型二、盾构机选型二、盾构机选型盾体盾体按照铰接方式分为2种:1)主动铰接:铰接油缸和推进油缸均有调向功能,铰接缸在推进缸前面,可直接迫使刀盘转向。调向时可采用主动转向方式也可采用被动转向方式。调向性能好,但结构较复杂,造价较高。2)被动铰接:铰接油缸随动,结构较简单,造价较低。主要部件选型主要部件选型二、盾构机选型二、盾构机选型盾体盾体按照结构方式分为4种:1)铰接结构,盾体从前至后,直径依次减小,防卡性能好但开挖直径大。2)铰
24、接结构,前中尾盾直径相同,防卡性能差但开挖直径小。3)无铰接结构,盾体从前至后,直径依次减小,防卡性能好但开挖直径大。转向性能差于铰接结构。取消铰接后盾体结构简单,也不存在铰接密封泄漏之忧。4)无铰接结构,直筒式,前中尾盾直径相同,防卡性能差但开挖直径小。其余优缺点与3)相同。按照注浆管布置方式盾尾分为2种:1)盾尾注浆管外置,仅适于软土地层,开挖直径较小。2)盾尾注浆管内置,适于所有地层,开挖直径较大。盾体结构的区别本身基本没有优劣之分,完全取决于工程条件和地质条件。对于特定的地质条件,仅有一种最合适的盾体结构,但这种盾体结构可能是上述结构其中的一种。主要部件选型主要部件选型二、盾构机选型二
25、、盾构机选型人仓人仓按照舱室数量分为2种:1)双仓:主仓和副仓,副仓也称为材料仓。主仓和土仓在不减压状态下,通过副仓的独立降压升压,分别与主仓隔断和连接,完成进仓作业过程中外部刀具材料的运进,提高作业有效时间和效率。结构复杂。2)单仓:结构简单,但带压进仓作业的有效时间短,效率低。主要部件选型主要部件选型二、盾构机选型二、盾构机选型螺旋输送机螺旋输送机 螺旋输送机由筒体、驱动装置、螺旋轴、出碴闸门组成螺旋输送机由筒体、驱动装置、螺旋轴、出碴闸门组成。是土压平衡盾构的排土。是土压平衡盾构的排土装置,主要有以下三个功能:装置,主要有以下三个功能:1)碴土在螺旋机内向外排出的过程中形成密封土塞,碴土
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