盾構法

盾構法

盾構法(Shield Method)是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法,它是將盾構機械在地中推進,通過盾構外殼和管片支承四周圍岩防止發生往隧道內的坍塌,同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖,通過出土機械運出洞外,靠千斤頂在後部加壓頂進,並拼裝預製混凝土管片,形成隧道結構的一種機械化施工方法。

【shield tunnelling method】指的是利用盾構進行隧道開挖,襯砌等作業的施工方法。用盾構在軟質地基或破碎岩層中掘進隧洞的施工方法。盾構是一種帶有護罩的專用設備,利用尾部已裝好的襯砌塊作為支點向前推進,用刀盤切割土體,同時排土和拼裝後面的預製混凝土襯砌塊。盾構是1874年發明,首先用的是氣壓盾構。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械式和水力式,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。澎潤土液既用於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。盾構機外形上看是一個大的鋼管機,較隧道部分略大,它是設計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、中部的支撐環以及後部的盾尾。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。

  • 中文名稱
    盾構法
  • 外文名稱
    Shield Method
  • 屬    性
    全機械化施工方法
  • 優    點
    安全開挖和襯砌,掘進速度快等

條件

在鬆軟含水地層,或地下線路等設施埋深達到10m或更深時,可以採用盾構法,即,

1、線位上允許建造用於盾構進出洞和出碴進料的工作井;

2、隧道要有足夠的埋深,覆土深度宜不小於6m且不小於盾構直徑;

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,洞與洞及洞與其它建(構)築物之間所夾土(岩)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,連續的施工長度不小於300m。

特點

優點

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,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、風雨等氣候條件影響,施工中沒有噪音和擾動;

5、在鬆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越性。

缺點

1、斷面尺寸多變的區段適應能力差;

2、新型盾構購置費昂貴,對施工區段短的工程不太經濟。

3、工人的工作環境較差。

施工步驟

盾構施工方法由以下幾個步驟組成:

盾構法施工概貌盾構法施工概貌

第一,在置放盾構機的地方打一個垂直井,再用混凝土牆進行加固;

第二,將盾構機安裝到井底,並裝配相應的千斤頂;

第三,用千斤頂之力驅動井底部的盾構機往水平方向前進,形成隧道;

第四,將開挖好的隧道邊牆用事先製作好的混凝土襯砌加固,地壓較高時可以採用澆鑄的鋼製襯砌加固來代替混凝土襯砌。

盾構法施工中,其隧道一般採用以預製管片拼裝的圓形襯砌,也可採用擠壓混凝土圓形襯砌,必要時可再澆築一層內襯砌,形成防水功能好的圓形雙層襯砌。

施工工序

採用盾構法施工時,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,還應設定中間檢修工作井(室)。拼裝和拆卸用的工作井,其建築尺寸應根據盾構裝拆的施工要求來確定。拼裝井的井壁上設有盾構出洞口,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1.6~2.0米,以滿足鉚、焊等操作的要求。當採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,拆除洞門封板和在盾構後面設定后座,以及垂直運輸所需的空間。中、小型盾構的拼裝井長度,還要照顧設備車架轉換的方便。盾構在拼裝井內拼裝就緒,經運轉調試後,就可拆除出洞口封板,盾構推出工作井後即開始隧道掘進施工(圖2)。盾構拆卸井設有盾構進口,井的大小要便於盾構的起吊和拆卸。

其他施工主要有土層開挖、盾構推進操縱與糾偏、襯砌拼裝、襯砌背後壓注等。這些工序均應及時而迅速地進行,決不能長時間停頓,以免增加地層的擾動和對地面、地下構築物的影響。

土層開挖

在盾構開挖土層的過程中,為了安全並減少對地層的擾動,一般先將盾構前面的切口貫入土體,然後在切口內進行土層開挖,開挖方式有:①敞開式開挖。適用於地質條件較好、掘進時能保持開挖面穩定的地層。由頂部開始逐層向下開挖,可按每環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刀盤的機械化盾構開挖土層。大刀盤可分為刀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。在含水不穩定的地層中,可採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。前者由於掘進時不出土或部分出土,對地層有較大的擾動,使地表隆起變形,因此隧道位置應儘量避開地下管線和地面建築物。此種盾構不適用於城市道路和街坊下的施工,僅能用於江河、湖底或郊外空曠地區。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,務使地層的擾動和地表的變形減少到最低限度。④格線式開挖。使用格線式盾構開挖時,要掌握格線的開孔面積。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、安全性好等優點。推進操縱與糾偏

推進糾偏

推進過程中,主要採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值,確定下一次推進時須有若干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:如敞開式盾構,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。

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環對齊,拼裝較為方便,容易定位,襯砌圓環的施工應力較小,但其缺點是環面不平整的誤差容易積累。錯縫拼裝是使相鄰襯砌圓環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,又可分為先環後縱和先縱後環兩種。先環後縱法是先將管片(或砌塊)拼成圓環,然後用盾構千斤頂將襯砌圓環縱向頂緊。先縱後環法是將管片逐塊先與上一環管片拼接好,最後封頂成環。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後退,減少開挖面土體的走動。而先環後縱的拼裝順序,在拼裝時須使千斤頂活塞桿全部縮回,極易產生盾構後退,故不宜採用。

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。壓注後還可改善襯砌受力狀態,並增進襯砌的防水效果。壓注的方法有二次壓注和一次壓注。二次壓注是在盾構推進一環後,立即用風動壓注機通過襯砌上的預留孔,向襯砌背後的空隙內壓入豆粒砂,以防止地層坍塌;在繼續推進數環後,再用壓漿泵將水泥類漿體壓入砂間空隙,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,已趨於淘汰。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泥類砂漿,並保持一定的壓力,使之充滿空隙。壓漿時要對稱進行,並儘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、給水和排水等輔助設施,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。

發展

用盾構法修建隧道已有 150餘年的歷史。

盾構法盾構法

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鑽洞,並從體內排出一種粘液加固洞穴的現象得到啟發,在1818年開始研究盾構法施工,並於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11.4米、高6.8米)。在修建過程中遇到很大的困難,兩次被河水淹沒,直至1835年,使用了改良後的盾構,才於1843年完工。

其後P.W.巴洛於1865年在泰晤士河底,用一個直徑2.2米的圓形盾構建造隧道。

1847年在英國倫敦地下鐵道城南線施工中,英國人J.H.格雷特黑德第一次在粘土層和含水砂層中採用氣壓盾構法施工,並第一次在襯砌背後壓漿來填補盾尾和襯砌之間的空隙,創造了比較完整的氣壓盾構法施工工藝,為現代化盾構法施工奠定了基礎,促進了盾構法施工的發展。

20世紀30~40年代,僅美國紐約就採用氣壓盾構法成功地建造了19條水底的道路隧道、地下鐵道隧道、煤氣管道和給水排水管道等。從1897~1980年,在世界範圍內用盾構法修建的水底道路隧道已有21條。德、日、法、蘇等國把盾構法廣泛使用於地下鐵道和各種大型地下管道的施工。

1969年起,在英、日和西歐各國開始發展一種微型盾構施工法,盾構直徑最小的只有1米左右,適用於城市給水排水管道、煤氣管道、電力和通信電纜等管道的施工。

中國於第一個五年計畫期間,首先在遼寧阜新煤礦,用直徑 2.6米的手掘式盾構進行了疏水巷道的施工。中國自行設計、製造的盾構,直徑最大為11.26米,最小為3.0米。正在修建的第二條黃浦江水底道路隧道,水下段和部分岸邊深埋段也採用盾構法施工,盾構的千斤頂總推力為108兆牛,採用水力機械開挖掘進。在上海地區用盾構法修建的隧道,除水底道路隧道外,還有捷運區間隧道、通向河海的排水隧洞和取水管道、街坊的地下通道等。

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