行業(yè)資訊
隧道施工法之盾構法介紹
盾構法是利用盾構進行隧道開挖,襯砌等作業(yè)的施工方法,是用盾構在軟質地基或破碎巖層中掘進隧道的施工方法。盾構是一種帶有護罩的專用設備,利用尾部已裝好的襯砌決作為支點向前推進,用刀盤切割土體,同時排土和拼裝后面的預制混凝土襯砌塊。盾構最初用的是氣壓盾構,用于開挖英國倫敦泰晤士河水底隧道。盾構機掘進的出碴方式有機威式和水力式,以水力式居多。水力盾構在工作面處有一個注滿膨潤土液的密封室。膨潤土液既用于平衡土壓力和地下水壓力,又用作輸送排出土體的介質。
盾構法施工具有施工速度快、洞體質量比較穩(wěn)定、對周圍建筑物影響較小等特點,適合在軟土地基段施工。
盾構既是一種施工機具,也是一種強有力的臨時支撐結構。盾構機外形是一個大的鋼管機,較隧道部分略大,是用來抵擋外向水壓和地層壓力的。它包括三部分:前部的切口環(huán)、中部的支撐環(huán)以及后部的盾尾。大多數盾構的形狀為圓形,也有橢圓形、半圓形、馬蹄形及箱形等其他形式。
盾構法修建隧道已有150余年的歷史。最早進行研究的是法國工程師M.I.布律內爾,他由觀察船蛆在船的木頭中鉆洞,并從體內排出一種黏液加固洞穴的現象得到啟發(fā),在1818年開始研究盾構法施工,并于1825年在英國倫敦泰晤士河下,用一個矩形盾構建造世界上第一條水底隧道(寬11. 4m、高6.8m)。在修建過程中遇到很大的困難,兩次被河水淹沒,直至1835年,使用了改良后的盾構,才于1843年完工。
施工工序
用盾構法施工時,首先要在隧道的始端和終端開挖基坑或建造豎井,用作盾構及其設備的拼裝井(室)和拆卸井(室),特別長的隧道,還應設置中間檢修工作井(室)。拼裝和拆卸用的工作井,其建筑尺寸應根據盾構裝拆的施工要求來確定。拼裝井的井壁上有盾構出洞口,井內設有盾構基座和盾構推進的后座。井的寬度一般應比盾構直徑大1.6 -2. 0m,以滿足鉚、焊等操作的要求。當采用整體吊裝的小盾構時,則井寬可酌量減小。井的長度,除了滿足盾構內安裝設備的要求外,還要考慮盾構推進出洞時,拆除洞門才板和在盾構后面設置后座,以及垂直運輸所需的空間。中、小型盾構的拼裝井長度,還考慮設備車架轉換的方便。盾構在拼裝井內拼裝就緒,經運轉調試后,就可拆除洞口封板,盾構推出工作井后即開始隧道掘進施工。盾構拆卸井設有盾構進口,井的大小只要便于盾構的起吊和拆卸即可。
其他施工主要有土層開挖、盾構推進操縱與糾偏、襯砌拼裝、襯砌壓注等。這些工序均應及時而迅速進行,決不能長時間停頓,以免增加地層的擾動和對地面、地下構筑物的影響。
1.土層開挖
盾構開挖土層的過程中,為了安全并減少對地層的擾動,一般先將盾構前面的切口貫入土體,然后在切口內進行土層開挖,開挖方式有:①敞開式開挖。適用于地質條件較好、掘進時能保持開挖面穩(wěn)定的地層。由頂部開始逐層向下開挖,可按每環(huán)襯砌的寬度分數次完成。②機械切削式開挖。用裝有全斷面切削大)9盤的機械化盾構開挖土層。大刀盤可分為)9架間無封板的和有封板的兩種,分別在土質較好的和較差的條件下使用。在不穩(wěn)定的含水地層中,可采用泥水加壓盾構和土壓平衡式盾構進行開挖。③擠壓式開挖。使用土,對地層有較大的擾動,使地表隆起變形,因此隧道位置應擠壓式盾構的開挖方式,又有全擠壓和局部擠壓之分。前者由于掘進時不出土或部分出,對地層有較大的擾動,使地表隆起變形,因此隧道位置應盡量避開地下管線和地面建筑物。此種盾構不適用于城市道路及城區(qū)地下的施工,僅能用于江河、湖底或郊外空曠地區(qū)。在用局部擠壓方式施工時,要根據地表變形情況,嚴格控制出土量,務必使地層的擾和地表的變形減少到最低限度。④網格式開挖。使用網格式盾構開挖時,要掌握網格的開孔面積。格子過大會喪失支撐作用,過小會產生對地層的擠壓擾動等不利影響。在飽和含水的軟塑土層中,這種掘進方式具有出土效率高、勞動強度低、安全性好等優(yōu)點。
2.推進操縱與糾偏
推進過程中,主要采取編組調整千斤頂的推力、調整開挖面壓力以及控制盾構推進的縱坡等方法,來操縱盾構位置和頂進方向。一般按照測量結果提供的偏離設計軸線的高程和平面位置,確定下一次推進時需要多少千斤頂開動及推力的大小,用以糾正方向。此外,調整的方法也隨盾構開挖方式有所不同:如敞開式開挖,可用超挖或欠挖來調整;機械切削開挖,可用超挖刀進行局部超挖來糾正;擠壓式開挖,可用改變進土孔位置和開孔率來調整。
3.襯砌拼裝
常用液壓傳動的拼裝機進行襯砌(管片或砌塊)拼裝。拼裝方法根據結構受力要求,可分為通縫拼裝和錯縫拼裝。通縫拼裝是使管片的縱縫環(huán)環(huán)對齊,拼裝較為方便,容易定位,襯砌圓環(huán)的施工應力較小,但其缺點是環(huán)面不平整的誤差容易積累。錯縫拼裝是使相鄰襯砌圓環(huán)的縱縫錯開管片長度的1/2 -1/3 。錯縫拼裝的襯砌整體性好,但當環(huán)面不平整時,容易引起較大的施工應力。襯砌拼裝方法按拼裝順序,又可分為先環(huán)后縱和先縱后環(huán)兩種。先環(huán)后縱法是先將管片(或砌塊)拼成圓環(huán),然后用盾構千斤頂將襯砌圓環(huán)縱向頂緊。先縱后環(huán)法是將管片逐塊先與上一環(huán)管片拼接好,最后封頂成環(huán)。這種拼裝順序,可輪流縮回和伸出千斤頂活塞桿以防止盾構后退,減少開挖面土體的走動。而先環(huán)后縱的拼裝順序,在拼裝時需使千斤頂活塞桿全部縮回,極易產生盾構后退,故不宜采用。
4.襯砌壓注
為了防止地表沉降,必須將盾尾和襯砌之間的空隙及時壓注充填。壓注后還可改善襯砌受力狀態(tài),并增強襯砌的防水效果。壓注方法有二次壓注和一次壓注。二次壓注是在盾構推進一環(huán)后,立即用風動壓注機通過襯砌上的預留孑L,向襯砌背后的空隙內壓入豆粒砂,以防止地層坍塌;在繼續(xù)推進數環(huán)后,再用壓漿泵將水泥類漿體壓入砂之間的空隙,使之凝固。因壓注豆粒砂不易密實,壓漿也難充滿砂間空隙,不能防止地表沉降,已趨于淘汰。一次壓注是隨著盾構推進,當盾尾和襯砌之間出現空隙時,立即通過預留孔壓注水類砂漿,并保持一定的壓力,使之充滿空隙。壓漿時要對稱進行,并盡量避免單點超壓注漿,以減少對襯砌的不均勻施工荷載;一旦壓漿出現故障,應立即暫停盾構的推進。盾構法施工時,還須配合進行垂直運輸和水平運輸,以及配備通風、供電、給水和排水等輔功設施,以保證工程質量和施工進度,同時還須準備安全設施與相應的設備。
適用條件及優(yōu)缺點
1.適用條件
在松軟含水地層,或地下線路等設施埋深達到10m或更深時,可以采用盾構法:
(1)線位上允許建造用于盾構進出洞和出碴進料的工作井:
(2)隧道要有足夠的埋深,覆土深度宜不小于6m且不小于盾構直徑;
(3)相對均質的地質條件;
(4)如果是單洞則要有足夠的線間距,洞與洞及洞與其他建(構)筑物之間所夾土(巖)體加固處理的最小厚度為水平方向1.0m,豎直方向1.5m;
(5)從經濟角度講,連續(xù)的施工長度不小于300m。
2.優(yōu)點及缺點
(1)盾構法施工的優(yōu)點:①安全開挖和襯砌,掘進速度快;②盾構的推進、出土、拼裝襯砌等全過程可實現自動化作業(yè),施工勞動強度低;③不影響地面交通與設施,同時不影響地下管線等設施;④穿越河道時不影響航運,施工中不受季節(jié)、風雨等氣候條件影響,施工中沒有噪音和擾動;⑤在松軟含水地層中修建埋深較大的長隧道往往具有技術和經濟方面的優(yōu)越性。
(2)盾構法施工的缺點:①斷面尺寸多變的區(qū)段適應能力差;②新型盾構購置費昂貴,對施工區(qū)段短的工程不太經濟;③工人的工作環(huán)境差,工作危險性高。
盾構法施工具有施工速度快、洞體質量比較穩(wěn)定、對周圍建筑物影響較小等特點,適合在軟土地基段施工。
盾構既是一種施工機具,也是一種強有力的臨時支撐結構。盾構機外形是一個大的鋼管機,較隧道部分略大,是用來抵擋外向水壓和地層壓力的。它包括三部分:前部的切口環(huán)、中部的支撐環(huán)以及后部的盾尾。大多數盾構的形狀為圓形,也有橢圓形、半圓形、馬蹄形及箱形等其他形式。
盾構法修建隧道已有150余年的歷史。最早進行研究的是法國工程師M.I.布律內爾,他由觀察船蛆在船的木頭中鉆洞,并從體內排出一種黏液加固洞穴的現象得到啟發(fā),在1818年開始研究盾構法施工,并于1825年在英國倫敦泰晤士河下,用一個矩形盾構建造世界上第一條水底隧道(寬11. 4m、高6.8m)。在修建過程中遇到很大的困難,兩次被河水淹沒,直至1835年,使用了改良后的盾構,才于1843年完工。
施工工序
用盾構法施工時,首先要在隧道的始端和終端開挖基坑或建造豎井,用作盾構及其設備的拼裝井(室)和拆卸井(室),特別長的隧道,還應設置中間檢修工作井(室)。拼裝和拆卸用的工作井,其建筑尺寸應根據盾構裝拆的施工要求來確定。拼裝井的井壁上有盾構出洞口,井內設有盾構基座和盾構推進的后座。井的寬度一般應比盾構直徑大1.6 -2. 0m,以滿足鉚、焊等操作的要求。當采用整體吊裝的小盾構時,則井寬可酌量減小。井的長度,除了滿足盾構內安裝設備的要求外,還要考慮盾構推進出洞時,拆除洞門才板和在盾構后面設置后座,以及垂直運輸所需的空間。中、小型盾構的拼裝井長度,還考慮設備車架轉換的方便。盾構在拼裝井內拼裝就緒,經運轉調試后,就可拆除洞口封板,盾構推出工作井后即開始隧道掘進施工。盾構拆卸井設有盾構進口,井的大小只要便于盾構的起吊和拆卸即可。
其他施工主要有土層開挖、盾構推進操縱與糾偏、襯砌拼裝、襯砌壓注等。這些工序均應及時而迅速進行,決不能長時間停頓,以免增加地層的擾動和對地面、地下構筑物的影響。
1.土層開挖
盾構開挖土層的過程中,為了安全并減少對地層的擾動,一般先將盾構前面的切口貫入土體,然后在切口內進行土層開挖,開挖方式有:①敞開式開挖。適用于地質條件較好、掘進時能保持開挖面穩(wěn)定的地層。由頂部開始逐層向下開挖,可按每環(huán)襯砌的寬度分數次完成。②機械切削式開挖。用裝有全斷面切削大)9盤的機械化盾構開挖土層。大刀盤可分為)9架間無封板的和有封板的兩種,分別在土質較好的和較差的條件下使用。在不穩(wěn)定的含水地層中,可采用泥水加壓盾構和土壓平衡式盾構進行開挖。③擠壓式開挖。使用土,對地層有較大的擾動,使地表隆起變形,因此隧道位置應擠壓式盾構的開挖方式,又有全擠壓和局部擠壓之分。前者由于掘進時不出土或部分出,對地層有較大的擾動,使地表隆起變形,因此隧道位置應盡量避開地下管線和地面建筑物。此種盾構不適用于城市道路及城區(qū)地下的施工,僅能用于江河、湖底或郊外空曠地區(qū)。在用局部擠壓方式施工時,要根據地表變形情況,嚴格控制出土量,務必使地層的擾和地表的變形減少到最低限度。④網格式開挖。使用網格式盾構開挖時,要掌握網格的開孔面積。格子過大會喪失支撐作用,過小會產生對地層的擠壓擾動等不利影響。在飽和含水的軟塑土層中,這種掘進方式具有出土效率高、勞動強度低、安全性好等優(yōu)點。
2.推進操縱與糾偏
推進過程中,主要采取編組調整千斤頂的推力、調整開挖面壓力以及控制盾構推進的縱坡等方法,來操縱盾構位置和頂進方向。一般按照測量結果提供的偏離設計軸線的高程和平面位置,確定下一次推進時需要多少千斤頂開動及推力的大小,用以糾正方向。此外,調整的方法也隨盾構開挖方式有所不同:如敞開式開挖,可用超挖或欠挖來調整;機械切削開挖,可用超挖刀進行局部超挖來糾正;擠壓式開挖,可用改變進土孔位置和開孔率來調整。
3.襯砌拼裝
常用液壓傳動的拼裝機進行襯砌(管片或砌塊)拼裝。拼裝方法根據結構受力要求,可分為通縫拼裝和錯縫拼裝。通縫拼裝是使管片的縱縫環(huán)環(huán)對齊,拼裝較為方便,容易定位,襯砌圓環(huán)的施工應力較小,但其缺點是環(huán)面不平整的誤差容易積累。錯縫拼裝是使相鄰襯砌圓環(huán)的縱縫錯開管片長度的1/2 -1/3 。錯縫拼裝的襯砌整體性好,但當環(huán)面不平整時,容易引起較大的施工應力。襯砌拼裝方法按拼裝順序,又可分為先環(huán)后縱和先縱后環(huán)兩種。先環(huán)后縱法是先將管片(或砌塊)拼成圓環(huán),然后用盾構千斤頂將襯砌圓環(huán)縱向頂緊。先縱后環(huán)法是將管片逐塊先與上一環(huán)管片拼接好,最后封頂成環(huán)。這種拼裝順序,可輪流縮回和伸出千斤頂活塞桿以防止盾構后退,減少開挖面土體的走動。而先環(huán)后縱的拼裝順序,在拼裝時需使千斤頂活塞桿全部縮回,極易產生盾構后退,故不宜采用。
4.襯砌壓注
為了防止地表沉降,必須將盾尾和襯砌之間的空隙及時壓注充填。壓注后還可改善襯砌受力狀態(tài),并增強襯砌的防水效果。壓注方法有二次壓注和一次壓注。二次壓注是在盾構推進一環(huán)后,立即用風動壓注機通過襯砌上的預留孑L,向襯砌背后的空隙內壓入豆粒砂,以防止地層坍塌;在繼續(xù)推進數環(huán)后,再用壓漿泵將水泥類漿體壓入砂之間的空隙,使之凝固。因壓注豆粒砂不易密實,壓漿也難充滿砂間空隙,不能防止地表沉降,已趨于淘汰。一次壓注是隨著盾構推進,當盾尾和襯砌之間出現空隙時,立即通過預留孔壓注水類砂漿,并保持一定的壓力,使之充滿空隙。壓漿時要對稱進行,并盡量避免單點超壓注漿,以減少對襯砌的不均勻施工荷載;一旦壓漿出現故障,應立即暫停盾構的推進。盾構法施工時,還須配合進行垂直運輸和水平運輸,以及配備通風、供電、給水和排水等輔功設施,以保證工程質量和施工進度,同時還須準備安全設施與相應的設備。
適用條件及優(yōu)缺點
1.適用條件
在松軟含水地層,或地下線路等設施埋深達到10m或更深時,可以采用盾構法:
(1)線位上允許建造用于盾構進出洞和出碴進料的工作井:
(2)隧道要有足夠的埋深,覆土深度宜不小于6m且不小于盾構直徑;
(3)相對均質的地質條件;
(4)如果是單洞則要有足夠的線間距,洞與洞及洞與其他建(構)筑物之間所夾土(巖)體加固處理的最小厚度為水平方向1.0m,豎直方向1.5m;
(5)從經濟角度講,連續(xù)的施工長度不小于300m。
2.優(yōu)點及缺點
(1)盾構法施工的優(yōu)點:①安全開挖和襯砌,掘進速度快;②盾構的推進、出土、拼裝襯砌等全過程可實現自動化作業(yè),施工勞動強度低;③不影響地面交通與設施,同時不影響地下管線等設施;④穿越河道時不影響航運,施工中不受季節(jié)、風雨等氣候條件影響,施工中沒有噪音和擾動;⑤在松軟含水地層中修建埋深較大的長隧道往往具有技術和經濟方面的優(yōu)越性。
(2)盾構法施工的缺點:①斷面尺寸多變的區(qū)段適應能力差;②新型盾構購置費昂貴,對施工區(qū)段短的工程不太經濟;③工人的工作環(huán)境差,工作危險性高。
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