盾构施工规范31.docx

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盾构施工规范31

第三章盾构

3.1盾构计划

3.1.1适用范围

在这里主要出示以圆形断面盾构为基本形状的盾构设计及制造的有关事项。

但是，通过技术性判断也可适用于圆形断面以外的盾构。

【说明】

虽然根据多种需要最近开发了多圆形、矩形等特殊断面形状的盾构，但这些盾构只是通常只用于车站等施工空间受到限制时的特殊情况。

由于事例较少，故不作为直接的适用对象来考虑。

然而，对于通用事项，在认真进行技术性研究的基础上，认为适当时，也可引用。

3.1.2盾构计划

在制订盾构计划时，必须考虑下列事项。

（1）围岩条件

（2）施工总长

（3）隧道线路

（4）施工深度

【说明】

关于

（1）

隧道工程的难易大多受围岩条件制约。

为此，必须根据土质、土压力、水压力等的围岩条件认真研究盾构的耐久性、施工性等特性。

制订盾构计划时，尤其应考虑的土质、土层如下。

①灵敏度高的软弱土质

②富于透水性的松散土质

③高塑性土质

④有含水层的土质

⑤有巨砾石·大卵石的土质

⑥估计有木块及其它夹杂物的土质

⑦含软、硬两性的土质

关于

（2）

若是长距离施工，则必须认真研究盾构各部位的磨损和耐久性并考虑维护措施。

其中包括加油、零配件更换等（参照5.6.7长距离施工）。

关于（3）

如果是急曲线施工，必须研究出能确保线路的施工方法。

通过认真研究，尽量采用超挖少的掘进方法以确保线路（参照5.6.6急曲线施工）。

关于（4）

一般来说，施工深度愈大，施工位置的水压力愈大，愈应认真研究各部位的强度和密封材料的耐压性（参照5.6.5大覆土施工）。

3.1.3盾构型式的选择

选择盾构型式时，除应考虑场地条件、围岩条件、环境条件、障碍物条件、设计条件等各种条件外，还要以能够安全而且经济地进行施工为原则选择盾构型式。

【说明】

（1）盾构型式的分类与特征

关于盾构型式的分类，一般有根据断面形状分类、开挖方式分类、头部结构分类的方法。

如说明图3.1.1所示，根据头部的结构（以隔离开挖面和盾尾衬砌作业空间之间隔板的有无）可以分为闭胸式和敞开式。

从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。

敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的铁路隧道中已很少使用，在此不再说明。

根据开挖面的稳定原理和方法，可以将各种盾构的特征总结如下。

1）闭胸式盾构

通过设置于切口环和支承环之间的密封隔板，并在隔板和作业面之间形成压力舱，保持充满泥砂或泥水的压力舱内的压力，以保证作业面的稳定性的机械式盾构型式。

根据开挖面稳定机理可以分为土压平衡式盾构和泥水加压式盾构。

①土压平衡式盾构

将开挖的泥砂进行泥浆化，通过控制泥浆的压力以保证作业面的稳定性。

该盾构设置有有切削围岩的机械、搅拌开挖土砂使其泥浆化的搅拌机械、切削土的排出机械并有能够保证切削土压力的控制机械的盾构型式。

又可根据是否具有促进泥浆化的添加材料的注浆装置分为土压盾构和泥土压盾构。

a．土压式盾构

使用转动刀盘切削围岩，并使作业面和隔板之间充满经过搅拌的土砂。

该施工方式通过盾构的推进力给切削土砂加压并使其作用于作业面整体来获取作业面的稳定性，同时通过螺旋式输送器进行排土。

b．泥土压式盾构

通过一边注入添加材料一边转动刀盘，强制性地搅拌切削土砂和添加材料使其成为塑性流动化状态。

与土压盾构相同，该施工方式也为一边保持作业面的稳定性一边通过螺旋输送器进行排土。

②泥水加压式盾构

该盾构通过给泥浆一定的压力以保持开挖面的稳定性，并通过循环泥浆将切削土砂以流体方式输送运出。

该盾构型式设置有切削围岩的开挖机械，泥浆循环设备，给泥浆施加一定压力的送排泥设备，运出泥浆的分离设备，另外有的泥水加压式盾构还具有保证泥浆性能的调泥和泥水处理设备。

2）敞开式盾构

敞开式盾构与闭胸式盾构的主要不同就是没有设置隔板，开挖面全部或大部分敞开的盾构型式，以作业面能够自立稳定作为前提。

对于不能自立稳定的作业面，要通过辅助施方法，使其能够满足自立稳定条件。

①机械式盾构

在盾构前部安装有切削刀盘，可用机械连续地开挖土砂的盾构。

通过刀盘支撑，可以得到一些挡土效果。

②半机械式盾构

敞开式盾构中的半机械式盾构是在盾构的原型—人工开挖式盾构上装上开挖机、装载机或开挖装载两用机等的盾构。

为了防止开挖面崩塌，可安装可动式切口环、半月形千斤顶。

但由于安装了开挖装置，故实际上难以设置前面千斤顶等挡土装置，大多在开挖过程中开挖面敞开得很大，对开挖面的稳定条件需进行研究。

（2）盾构型式的选定

选择盾构型式时，需按说明图3.1.2的流程进行，认真研究选址条件、围岩条件、环境条件、障碍物的施工条件和设计条件等。

通过综合评价选择能够安全、经济施工的盾构型式。

选择时最需要注意的是要选择可得到开挖面稳定的盾构型式。

最近，对于复杂的围岩条件，原则上也不使用辅助施工法，而日渐增多地采用容易维持开挖面稳定的闭胸式盾构。

其中，土压平衡式（泥土压）盾构和泥水加压式盾构占主流（参照说明表3.1.1）。

尤其是泥土压式盾构，通过改进添加剂和压力保持装置，采用数量日渐增多。

说明表3.1.1铁路隧道上采用的各种盾构型式的数量

盾构型式

闭胸式

敞开式

土压平衡式

（土压）

土压平衡式

（泥土压）

泥水加压式

机械式

半机械式

台数

11

98

86

0

1

（1984年～1993年+铁路公团施工（截至1998年））

另外，近年来由于竖井用地面积和开挖土处理而影响盾构型式选择的实例有增多的趋势。

铁路公团施工用的盾构型式如参考资料3.1.3所示。

对各种盾构型式适用的土质如下所示。

盾构型式和土质见说明表3.1.2。

1）土压平衡式盾构

土压平衡式盾构可分为土压式盾构和泥土压式盾构。

对于含水率和土砂的颗粒级配良好、仅搅拌开挖面的土砂便可确保流动性，土砂可以直接充满压力舱和螺旋排土器，开挖面可保持稳定的土质，则适合前者；而对于砂成分多、不具备流动性的土质，则适合后者。

因后者通过加入水、泥浆、添加剂等，可更好地抵抗开挖面的土压力。

这些土压平衡式盾构由于备有可根据土压力使取土和推进联动的装置，不仅可确保开挖面的稳定，而且还可减少对周围地基的影响。

另一个优点是：

原则上不需要辅助施工法，可不进行地上作业。

其中，泥土压式盾构适用于冲积形成的砂砾、砂、粘土质砂、粘土等粘聚力低的软弱地基、洪积地基和软硬混杂的互层地基等，从土质的角度看，是适用范围最广的型式。

但对于水压力高的地基，仅用排土用的螺旋排土器，往往难以应付。

需研究安装抵抗水压力的添加剂、直接连接压力输送泵等装置以改进开挖土的土质性质等事宜。

2）泥水加压式盾构

泥水加压式盾构是通过施加稍高于开挖面的土水压力的泥浆压力，来保持开挖面的稳定性。

它不仅利用泥浆压力，而且还通过选择泥浆性质，可进一步增加开挖面的稳定性。

故较适宜用于河底、海底等的水压力很高的工程。

从地上到开挖面，利用泵通过管道进行送排泥作业。

由于开挖面完全被封闭，其安全性高、施工环境好，且不会给围岩施加上过大的力，也不会挤压围岩，对周围地基的影响小。

由于原则上不使用辅助施工法，故和土压平衡式一样，具有不需地上作业的优点。

泥水加压式盾构适用于冲积形成的砂砾、砂、粘土质砂、粘土层或互层地基中的粘聚力低的软弱地层和含水率高、开挖面不稳定的地层，以及洪积的砂砾、砂、粘土质砂、粘土层或互相重迭的、多水的、有可能出现渗水引起地基坍塌的地层等等，是一种适用土质范围很广的盾构型式。

但对于透水性高的地基、巨砾地基，有时也会有开挖面难以稳定的情况，此时需研究辅助施工法。

3）机械开挖式盾构

机械开挖式盾构装有可对开挖面连续开挖的旋转刀盘。

刀盘有面板式和轮辐式两种。

前者适用于大断面，刀盘可确保巨砾、大卵石上的开挖面的稳定性和开口率。

后者适用于开挖面容易稳定的小断面，尤其当需取进巨砾、大卵石时更为适宜。

机械开挖式盾构一般适合开挖面容易自立的洪积层，对于难以自立的冲积层则可同时采用压气施工法、地下水位降低施工法、地基加固施工法等等辅助施工法。

该种盾构最近采用的数量不多。

4）半机械开挖式盾构

半机械开挖式盾构，其前部敞开，对开挖面的软硬和出现砾石、大卵石、障碍物等时，最容易处理。

该施工法大多和压气施工法一起使用，以保证开挖面稳定。

但该施工法的基本原则是开挖面的独立时间要长。

对于开挖面有不稳定的土质时，则应采用化学注浆施工法进行围岩稳定处理。

而对于地下水位高、渗水造成开挖面不稳定者，需同时采用降低地下水位施工法。

半机械开挖式盾构主要适用于洪积层的砂砾、砂、凝结粉砂、粘土，对软质冲积层则不适用。

最近采用数量和机械开挖式一样也比较少。

铁路隧道中，敞开式盾构的采用数量少，在后面的说明中不再赘述。

说明表3.1.2盾构型式与土质

引用土木学会：

隧道标准规范（盾构篇）

地层

盾构型式

闭胸型

备注

土压平衡式

泥水加压式

土压式

泥土压式

土质

N值

适合性

留意点

适合性

留意点

适合性

留意点

冲积粘土

腐植土

0

╳

—

△

地基变形

△

地基变形

粉土·粘土

0～2

○

—

○

—

○

—

砂质粉土·

砂质粘土

0～5

○

—

○

—

○

—

5～10

○

—

○

—

○

—

洪积粘土

粉质土·

粘土

10～20

△

切削土砂引起堵塞

○

—

○

—

粉砂质土·

砂质粘土

15～20

△

切削土砂引起堵塞

○

—

○

—

25以上

△

切削土砂引起堵塞

○

—

○

—

泥岩

50以上

△

切削土砂引起堵塞

△

刀头的

磨耗

△

刀头的

磨耗

砂质土

混砂粉质

粘土

10～15

○

—

○

—

○

—

松砂

10～30

△

细粒分含有量

○

—

○

—

紧砂

30以上

△

细粒分含有量

○

—

○

—

砂砾·卵石

松砂砾

10～40

△

细粒分含有量

○

—

○

—

固结砂砾

40以上

△

地下水位

○

—

○

—

混卵石

砂砾

—

△

螺旋传送带规格*1

○

—

△

刀头规格*3

巨砾·卵石

—

△

刀头规格*2

△

刀头规格*2

△

砾的破碎*3

注1）适合性记号的含义如下所示

○：

适合于土质条件。

Δ：

使用时需要考虑采用辅助施工、辅助机械。

╳：

一般来说不适用。

2）此表的N值是各种土质的一般值。

3）关于留意点，只表明了具有Δ适合性的地基及型式的最主要的问题。

主要问题在一个以上时，用*来表示其它问题。

例如*1：

刀盘面板的摩损，刀头的规格；*2：

螺旋传送带的规格；*3：

漏泥措施。

4）所谓泥岩是强度比较低的风化泥岩。

3.2设计基本方针

3.2.1盾构设计

盾构必须以能够支承围岩荷载，同时能安全、经济地施工为原则进行设计。

【说明】

盾构在其施工路段上所遇到的设计条件和施工条件复杂多变，故在设计盾构时，必须根据这些条件的调查资料进行研究，设计出能充分满足这些条件的结构强度，保证足够的刚性、耐久性、施工性、安全性、经济性的盾构。

3.2.2荷载

设计盾构时一般应考虑下列荷载。

（1）垂直和侧向土压力

（2）水压力

（3）自重

（4）上覆荷载的影响

（5）变向荷载

（6）开挖面上的作用压力

（7）其它

【说明】

设计盾构时，应研究该盾构的施工路段中最危险的条件并细心地选择荷载。

此时，需注意的是并非是使用管片的设计条件中最为危险的荷载条件来进行盾构的设计。

关于

（1）

垂直和侧向土压力是盾构设计荷载的最主要因素，仅作为静态作用的荷载处理是不妥当的。

这是因为按盾构的开挖方法、超挖程度和曲线施工等因素，将承受周边围岩的复杂的静态的或动态的荷载，设计上必须充分注意不要给施工带来重大的妨碍（参照盾构设计标准5.2）。

作为变形的土抗力的地基抗力，不考虑者居多。

关于

（2）

水压力一定要考虑（参照盾构设计标准5.3）。

关于（3）

盾构的自重反力也可用下式计算。

式中，Pg：

盾构的自重反力

W：

盾构机的重量

D：

盾构外径

：

计算部位长度

关于（4）

应参照盾构设计标准5.5。

关于（5）

盾构在曲线施工时或修正方向时，会受到周围围岩与其偏心推力相平衡的地基抗力，这叫作变向荷载，是设计上重要的复查点之一。

变向荷载的大小和分布型式因不同条件而异，但最大值多以单侧受到的相当于被动土压力的抗力，或在单侧使用半数左右的盾构千斤顶时，以此时产生的地基抗力求取。

变向荷载的计算实例如说明图3.2.1所示，惯用计算法的变向荷载图的实例如说明图3.2.2所示。

关于（6）

开挖面上的作用压力指土压平衡式盾构的土压力；泥水加压式盾构的泥浆压力的反力，是作用于隔板和钢壳的加固件——支承环、支柱和加筋板上的力。

关于（7）

在制造盾构时或在其使用期间，若有特殊荷载作用，则应另行考虑。

3.2.3结构设计

盾构的结构设计必须使设计出的结构能够确保各部位对作用在其上的荷载能安全、充分的发挥功能。

【说明】

盾构的结构设计需考虑的问题一般如下。

①结构设计的断面内力的最大值应考虑为在全周上产生的。

②在结构上，作用于盾构钢壳上的全部荷载，原则上应由支承环支承。

③切口环以隧道轴向的悬臂梁设计，该悬臂梁取支承环端为固定端。

另外，隔板和其它部件作为切口环的加固部件起作用时，也可将此列入考虑之中。

④盾尾有时作为环结构设计，有时则因为盾尾的一端固定在高刚性的支承环上，故作为一端固定的筒形薄壳设计。

⑤切口环和盾尾一旦产生变形和损坏时，由于不能配置加固部件，修补非常困难。

设计时需充分注意。

⑥为确保盾构的轴承密封等的间隙，需研究弹性变形量。

⑦结构设计所用的钢壳和加固杆件等的长期荷载（3.2.2荷载

（1）～（4）所示的荷载）下的容许应力见说明表3.2.1。

其中，变向荷载等短期荷载的容许应力，应可对说明表3.2.1之值加成。

加成容许应力的最大值取说明表3.2.1的150%或所用杆件的屈服点两者之中较小的一个值。

承受反复荷载和冲击等的杆件需另行慎重研究。

⑧盾构的刀盘部分的杆件，因与土砂摩擦等原因，杆件厚度会减少，故应按土质、施工总长对杆件厚度考虑一定的富裕量。

说明表3.2.1钢材的容许应力（N/mm2）

钢材种类

容许应力

SS400·SM400A

SM490

抗拉强度

压缩

弯曲

剪切

160

160

160

90

215

215

215

125

3.2.4盾构重量和重心位置

设计盾构时，必须在研究搬运、竖井中的吊运等施工条件和掘进操纵、衬砌的组装等因素来决定结构各部分的配置和分块方法。

同时明确各部分和盾构主机的重量以及重心位置。

【说明】

类似铁路隧道的大型盾构，由于搬运到现场和吊运到竖井内的需要，盾构不得不分为几块。

此时，制订输送计划、竖井内的吊运计划等时，掌握各部分的重量及其重心位置极为重要。

在软弱地基上推进盾构，需注意盾构重量和重心位置对其运行性能的影响。

出于这样的考虑，设计盾构时，必须认真研究搬运道路的条件、道路占用条件、竖井开口部尺寸、竖井内作业空间等施工条件和掘进的操纵性、衬砌组装的操作等因素，然后决定结构各部分的配置和分块方法，同时明确各部分和盾构主机的重量和重心位置。

计算盾构尺寸时，一般分为下列各部分进行计算。

①盾构钢壳：

壳板、支承环、加劲肋

②加固部件：

加筋板、隔板

③千斤顶：

支护千斤顶、盾构千斤顶

④管片组装机、形状（真圆）保持装置

⑤开挖装置：

刀盘和驱动装置

⑥螺旋排土器、排泥口搅拌翼

⑦动力系统及其它：

油压泵配管阀门类、动力系统平板车

铁路隧道中的盾构外径和主机重量的关系如说明图3.2.3所示，盾构的重心位置如说明图3.2.4～3.2.5所示。