1同濟大學2018年4月10日盾構法隧道盾構法隧道（ShieldTunnel）1.概述地鐵隧道已成為解決城市交通擁擠最有效手段之一。我國經濟發達的中心城市相繼開展地鐵建設。盾構工法已成為城市地下隧道的主要修建方法之一。2.盾構法主要施工工序出發豎井中間豎井接收豎井盾構機2.盾構法主要施工工序1、建造盾構工作井2、盾構掘進機安裝就位3、出洞口土體加固4、初推段掘進施工5、掘進機設備轉換6、盾構連續掘進施工7、接收井洞口土體加固8、盾構進入接收井，并運出地面盾構吊裝就位盾構設備車架盾構設備車架盾構準確進入接收井3.1盾構機基本構造盾構機是一種既能承受地層壓力、又能在地層中掘進的施工機具。盾構機由通用機械（外殼、掘削機構、擋土機構、推進機構、管片組裝機構等）和專用機構組成（如土壓盾構的排土機構、添加材注入機構；泥水盾構的送排泥機構、攪拌機構）。3.盾構機(ShieldMachine)3.1盾構機基本構造3.盾構機(ShieldMachine)面板式輻條式3.2盾構機類型（1）按斷面形式分：圓形、橢圓形、馬蹄形、矩形、雙圓搭接形、三圓搭接形。3.盾構機(ShieldMachine)圓形橢圓馬蹄形矩形3.2盾構機類型（1）按斷面形式分：圓形、橢圓形、馬蹄形、矩形、雙圓搭接形、三圓搭接形。3.盾構機(ShieldMachine)三圓搭接雙圓形3.2盾構機類型（2）按出土器械的機械化程度分：手掘式、半機械掘削式、機械掘削式。3.盾構機(ShieldMachine)半機械式手掘式機械式3.3常用盾構機類型及其施工原理（3）按掘削面敞開程度分：全部敞開式、部分敞開式（網格式）、封閉式（泥水式、土壓式）。3.盾構機(ShieldMachine)土壓式敞開式泥水式網格擠壓式3.3常用盾構機類型及其施工原理（4）按掘削面加壓穩定方式分：氣壓式、泥水式、土壓式，其中以泥水平衡和土壓平衡兩種最為常用。3.盾構機(ShieldMachine)土壓式氣壓式泥水式3.3常用盾構機類型及其施工原理泥水平衡原理：把水、粘土及添加劑混合制成的泥水，經輸送管道壓入泥水艙，待泥水充滿整個泥水艙后，盾構機的推進系統工作，則推進力經艙內泥水傳遞到掘削面的土體上，刀盤掘削下來的土砂進入泥水艙，經攪拌后含掘削土砂的高濃度泥水，經泥漿泵送到地表的泥水分離系統。3.盾構機(ShieldMachine)3.3常用盾構機類型及其施工原理土壓平衡原理：盾構推進時前端刀盤旋轉掘削土體，掘削下來的土體涌入土艙。當掘削土體充滿土艙時，由于盾構的推進作用，致使掘削土體即對掘削面加壓。當該加壓壓力與掘削地層的土壓+水壓相等，隨后若能維持螺旋輸送機的排土量與刀盤的掘土量相等，把這種穩定的出土狀態稱為掘削面土壓平衡狀態。3.盾構機(ShieldMachine)4.1地層變位的影響因素1.地層損失地層損失是指盾構施工過程中實際開挖土體體積與竣工隧道體積之差。（1）開挖面的土體移動。（2）土體擠入盾尾間隙。（3）盾構推進過程中推進方向的改變、盾尾糾偏、曲線推進、仰頭推進或叩頭推進，實際開挖斷面不是圓形而是橢圓形，從而引起地層損失。（4）盾構外殼移動與地層間的摩擦與剪切作用，引起地層損失。（5）在水土壓力作用下，隧道襯砌產生變形而引起少量的地層損失。4.盾構法施工引起的地層變位4.1地層變位的影響因素2.受擾動土體的再固結盾構隧道周圍土體受到盾構施工擾動后，便在盾構隧道周圍形成超孔隙水壓力區。當盾構離開該處地層后，由于土體表面的應力釋放，隧道周圍的孔隙水壓力便下降。在孔隙水壓下降過程中，孔隙水排出，引起地層移動和地面沉降。地層因孔隙水壓力變化而產生的地面沉降，稱之為主固結沉降。土體受到擾動后，土體骨架還發生持續很長時間的壓縮變形。在此土體蠕變過程中產生的地面沉降稱為次固結沉降。4.盾構法施工引起的地層變位4.2地層變位的模式1.地表橫向沉降Peck（1969）通過對大量地表沉陷數據及工程資料分析后，首先提出地表沉降槽正態分布的概念，并認為施工引起的地面沉降是在不排水條件下發生的，所以沉降槽的體積應等于地層損失的體積。此法假定地層損失在隧道長度上均勻分布，地面沉降的橫向分布似正態分布函數。4.盾構法施工引起的地層變位4.2地層變位的模式1.地表縱向沉降劉建航（1991）在Peck法的基礎上，總結了上海地鐵隧道縱向沉降分布的一般規律。4.盾構法施工引起的地層變位5.1襯砌結構的作用（1）在施工階段中，作為施工臨時支撐用，并承受盾構千斤頂項力以及其它施工荷重。（2）竣工后作為隧道永久性支撐結構。（3）防止泥、水滲入。（4）內襯具有防水、防鋼筋腐蝕、修正施工誤差和內部裝飾等作用。5.襯砌的形式和構造5.三2襯砌三結構三的選三型（1）依三據隧三道的三使用三目的三，圍三巖條三件以三及施三工方三法，合理三選擇三襯砌三的強三度、三結構三形式三和種三類等三。（2）根三據隧三道的三車輛三限界三、建三筑限三界以三及使三用要三求選三擇合三適的三盾構三隧道三橫斷三面，三最常三用的三為圓型三與矩三型。（3）在三飽和三含水三軟土三地層三中修三建地三下隧三道，三較常三用的三結構三型式三是選三用圓三形結三構。（4）根三據荷三載大三小以三及防三滲漏三要求三確定三是否三需要三二次三襯砌三。5.襯砌三的形三式和三構造5.三3襯砌三的分三類（一三）按三材料三及形三式分三類1.鋼筋三混凝三土管三片（1）箱三形管三片一般三用于三較大三直徑三的隧三道。三單塊三管片三重量三較輕三，管三片本三身強三度不三如平三板形三管片三，特三別在三盾構三頂力三作用三下易三開裂三。5.襯砌三的形三式和三構造5.三3襯砌三的分三類（一三）按三材料三及形三式分三類1.鋼筋三混凝三土管三片（2）平三板形三管片用于三較小三直徑三的隧三道，三單塊三管片三重量三較重三，對三盾構三千斤三頂頂三力具三有較三大的三抵抗三能力三，正三常運三營時三對隧三道通三風阻三力較三小。5.襯砌三的形三式和三構造5.三3襯砌三的分三類（一三）按三材料三及形三式分三類2.鑄鐵三管片飽和三含水三不穩三定地三層中三修建三隧道三時較三多采三用。管片三較輕三，耐三蝕性三好，三機械三加工三后管三片精三度高三，能三有效三地防三滲抗三漏。金屬三消耗三量大三，機三械加三工量三也大三，價三格昂三貴。易脆三性破三壞的三特性三，不三宜用三作承三受沖三擊荷三重的三隧道三。5.襯砌三的形三式和三構造河流地表面主要使用DC管片的部位豎井豎井河流鐵路民宅道路橋被密封的隧道１．重荷三載部三位：三河流三的橫三斷面、民房三下面、軟弱三地層２．急曲三線部三位３．車站三及特三殊部三位（３連盾三構、Ｄ三ＯＴ三、矩三形盾構等）鑄鐵三管片三的適三用場三所5.三3襯砌三的分三類（一三）按三材料三及形三式分三類3.鋼管三片優點三是重三量輕三、強三度高三。缺點三是剛三度小三、耐三銹蝕三性差三，需三進行三機械三加工三以滿三足防三水要三求。成本三昂貴三，金三屬消三耗量三大。5.襯砌三的形三式和三構造5.三3襯砌三的分三類（一三）按三材料三及形三式分三類4.復合三管片外殼三采用三鋼板三制成三，在三鋼殼三內澆三注鋼三筋混三凝土三，組三成一三復合三結構三，其三重量三比鋼三筋混三凝土三管片三輕，三剛度三比鋼三管片三大，三金屬三消耗三量比三鋼管三片小三。缺點三是鋼三板耐三蝕性三差，三加工三復雜三冗繁三。5.襯砌三的形三式和三構造5.三3襯砌三的分三類(二)按結三構型三式分三類1.管片適用三于不三穩定三地層三內各三種直三徑的三隧道三內的三。縱向三接縫三間通三過螺三栓予三以連三接，三螺栓三可承三受較三大的三正、三負彎三矩；三環向三接縫三上設三置縱三向螺三檢，三具有三抵抗三隧道三縱向三變形三的能三力。管片三拼裝三進度三大為三降低三。5.襯砌三的形三式和三構造5.三3襯砌三的分三類(二)按結三構型三式分三類2.砌塊一般三適用三于含三水量三較少三的穩三定地三層內三。襯砌三結構三在通三過變三形后(變形三量必三須予三以限三制)地層三介質三對襯三砌環三的約三束使三圓環三得以三穩定三。砌塊三由于三在接三縫上三不設三置螺三栓，三施工三拼裝三進度三就可三加快三。5.襯砌三的形三式和三構造5.三3襯砌三的分三類(三)按形三成方三式分三類1.裝配三式襯三砌由分三塊的三預制三管片三在盾三尾拼三裝而三成。按照三管片三所在三位置三及拼三裝順三序不三同可三將管三片劃三分為三標準三塊、三鄰接三塊和三封頂三塊。特點三：工三廠化三生產三、機三械化三安裝三；立三即受三荷；三接縫三防水三。5.襯砌三的形三式和三構造封頂三塊管三片標準三塊管三片5.三3襯砌三的分三類(三)按形三成方三式分三類2.擠壓三混凝三土襯三砌在盾三尾剛三澆搗三而未三硬化三的混三凝土三處在三高壓三作用三下，三作為三盾尾三推進三的后三座，三盾尾三在推三進的三過程三中，三不產三生建三筑空三隙，三空隙三由注三入的三混凝三土直三接填三充。特點三：自三動化三程度三高；三理想三的受三力、三防水三要求三；鋼三纖維三混凝三土能三提高三薄形三襯砌三的抗三裂性三能。5.襯砌三的形三式和三構造5.三3襯砌三的分三類(四)按構三造型三式分三類分為三單層三及雙三層襯三砌兩三種型三式。飽和三含水三軟土三地層三內的三隧道三，外三層是三裝配三式襯三砌結三構，三內層三是內三襯混三凝土三或鋼三筋混三凝土三層。雙層三襯砌三存在三的問三題：三開挖三斷面三增大三；施三工工三序復三雜；三逐步三為單三層襯三砌所三代替三。5.襯砌三的形三式和三構造5.三4裝配三式鋼三筋混三凝土三管片(一)環寬無論三是鋼三筋混三凝土三管片三或金三屬管三片，三環寬三一般三在30三0～20三00三mm之間三，常三用的三是75三0～90三0m三m。環寬三不易三過大三或過三小。(二)分塊單線三地下三鐵道三襯砌三一般三可分三成6～8塊，三雙線三地下三鐵道三襯砌三可分三為8～10塊；三小斷三面隧三道可三分為4～6塊。管片三的最三大弧三、弦三長一三般較三少超三過4m，管三片越三薄其三長度三應越三短。5.襯砌三的形三式和三構造5.三4裝配三式鋼三筋混三凝土三管片(三)封頂三管片三形式趨向三于采三用小三封頂三形式三。封頂三塊的三拼裝三形式三有兩三種，三一為三徑向三楔入三，另三一為三縱向三插入三。5.襯砌三的形三式和三構造5.三4裝配三式鋼三筋混三凝土三管片(四)拼裝三形式有通三縫、三錯縫三兩種三。5.襯砌三的形三式和三構造通縫三拼裝三方式錯縫三拼裝三方式5.三5管片三接頭三構造(一)接頭三類型縱向三接頭三、環三向接三頭。從其三力學三特性三可分三為柔三性接三頭和三剛性三接頭三。(二)接頭三結構三形式（1）螺三栓接三頭環向三螺栓三根據三接縫三內力三設置三單排三或雙三排，三每排2~三3個螺三栓；三縱向三螺栓三按管三片分三塊結三構受三力要三求配三置。5.襯砌三的形三