第五章盾構法施工
第一節概述
盾構法是暗挖隧道的專用機械在地面以下建造隧道的一種施工方法。盾構是與隧道形狀一致的盾構外殼內，裝備著推進機構、擋土機構、出土運輸機構、安裝襯砌機構等部件的隧道開挖專用機械。採用此法建造隧道，其埋設深度可以很深而不受地面建築物和交通的限制。
近年來由於盾構法在施工技術上的不斷改進，機械化程度越來越強，對地層的適應性也越來越好。城市市區建築公用設施密集，交通繁忙，明挖隧道施工對城市生活干擾嚴重，特別在市中心，若隧道埋深較大，地質又複雜時，用明挖法建造隧道則很難實現。而盾構法施工城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設施等各種隧道具有明顯優點。
此外，在建造水下公路和鐵路隧道或水工隧道中，盾構法也往往以其經濟合理而得到採用。
盾構法是一項綜合性的施工技術。盾構法施工的概貌如圖5－1所示。構成盾構法的主要內容是：
先在隧道某段的一端建造豎井或基坑，以供盾構安裝就位。盾構從豎井或基坑的牆壁預留孔處出發，在地層中沿著設計軸線，向另一豎井或基坑的設計預留孔洞推進。盾構推進中所受到的地層阻力，通過盾構千斤頂傳至盾構尾部已拼裝的預製襯砌，再傳到豎井或基坑的後靠壁上。
盾構是乙個能支承地層壓力，又能在地層中推進的圓形、矩形、馬蹄形及其他特殊形狀的鋼筒結構，其直徑稍大於隧道襯砌的直徑，在鋼筒的前面設定各種型別的支撐和開挖土體的裝置，在鋼筒中段周圈內安裝頂進所需的千斤頂，鋼筒尾部是具有一定空間的殼體，在盾尾內可以安置數環拼成的隧道襯砌環。盾構每推進一環距離，就在盾尾支護下拼裝一環襯砌，並及時向盾尾後面的襯砌環外周的空隙中壓注漿體，以防止隧道及地面下沉，在盾構推進過程中不斷從開挖面排出適量的土方。
盾構是進行土方開挖正面支護和隧道襯砌結構安裝的施工機具，它還需要其它施工技術密切配合才能順利施工。主要有：地下水的降低；穩定地層、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道襯砌結構的製造；地層的開挖；隧道內的運輸；襯砌與地層間的充填；襯砌的防水與堵漏；開挖土方的運輸及處理方法；配合施工的測量、監測技術；合理的施工布置等。
此外，採用氣壓法施工時，還涉及到醫學上的一些問題和防護措施等。
圖5－1 盾構法施工概貌示意圖（網格盾構）
1——盾構； 2——盾構千斤頂； 3——盾構正面網格； 4一一出土轉盤； 5－一出土皮帶運輸機； 6——管片拼裝機； 7——管片； 8——壓漿幫浦； 9－一壓漿孔； 10——出土機； 11——由管片組成的隧道襯砌結構； 12——在盾尾空隙中的壓漿； 13——後盾裝置； 14——豎井
第一節盾構構造、分類及適用範圍
一 、盾構的外形和材料
1、盾構的外形
盾構的外形就是指盾構的斷面形狀，有圓形、雙圓、三圓、矩形、馬蹄形、半圓形或與隧道斷面相似的特殊形狀等。例如：將人行隧道築成矩形，最大地利用了挖掘空間；將水利隧道築成馬蹄形，使流體的力學效能達到最佳狀態；將穿山隧道築成半圓形，可以使底邊直接與公路連線等等。
但是，絕大多數盾構還是採用傳統的圓形。
2、製造盾構的材料
盾構在地下穿越，要承受水平載荷、垂直載荷和水壓力，如果地面有構築物，還要承受這些附加載荷，盾構推進時，還要克服正面阻力，所以，要求盾構具有足夠的強度和剛度。盾構主要用鋼板單層厚板或多層薄板製成，鋼板一般採用a3鋼。鋼板間連線可採用焊接和鉚接兩種方法，大型盾構考慮到水平運輸和垂直吊裝的困難，可製成分體式，到現場進行就位拼裝，部件的連線一般採用定位銷定位，高強度螺栓聯接，最後焊接成型。
二 、盾構的基本構造
盾構的基本構造主要分為盾構殼體、推進系統、拼裝系統三大部分，見簡單的手掘式盾構的基本構造圖5－2。
1、盾構殼體
從工作面開始可分為切口環、支承環和盾尾三部分。
(1)切口環
切口環位於盾構的最前端，起開挖和擋土作用，施工時最先切入地層並掩護開挖作業，部分盾構切口環前端還設有刃口以減少切入地層的擾動。切口環保持工作面的穩定，並作為把開挖下來的土砂向後方運輸，因此，採用機械化開挖、土壓式、泥水加壓式盾構時，應根據開挖下來土砂的狀態，確定切口環的形狀、尺寸。
切口環的長度主要取決於盾構正面支承、開挖的方法，就手掘式盾構而言，考慮到正面施工人員、挖土機具有迴旋的餘地等。大部分手掘式盾構切口環的頂部比底部長，猶如帽簷，有的還設有千斤頂控制的活動前沿，以增加掩護長度；對於機械化盾構切口環內按盾構種類安裝各種機械裝置。
圖5-2盾構基本構造示意圖
1-切口環 2-支承環 3-盾尾 4-支承千斤頂 5-活動平台 6-平台千斤頂 7-切口 8-盾構千斤頂 9-盾尾空隙 10-管片拼裝機 11-管片
如泥水盾構，在切口環內安置有切削刀盤、攪拌器和吸泥口；土壓平衡盾構，安置有切削刀盤、攪拌器和螺旋輸送機；網格式盾構，安置有網格、提土轉盤和運土機械的進口；棚式盾構，安置有多層活絡平台、儲土箕鬥；水力機械盾構，安置有水槍、吸口和攪拌器。
在區域性氣壓、泥水加壓、土壓平衡等盾構中，因切口內壓力高於隧道內，所以在切口環處還需布設密封隔板及人行艙的進出閘門。
(2)支承環
支承環緊接於切口環，是乙個剛性很好的圓形結構。地層壓力、千斤頂的反作用力，以及切口入土正面阻力、襯砌拼裝時的施工載荷等承受作用於盾構上的全部載荷。
在支承環外沿布置有盾構千斤頂，中間布置拼裝機及部分液壓裝置、動力裝置、操縱控制台。當切口環壓力高於常壓時，在支承環內要布置人行加、減壓艙。
支承環的長度應不小於固定盾構千斤頂所需的長度，對於有刀盤的盾構還要考慮安裝切削刀盤的軸承裝置、驅動裝置和排土裝置的空間。
(3)盾尾
盾尾主要用於掩護管片的安裝工作。盾尾末端設有密封裝置，以防止水、土及壓注材料從盾尾與襯砌間隙進入盾構內。盾尾密封裝置損壞、失效時，在施工中途必須進行修理更換，盾尾長度要滿足上述各項工作的進行。
盾尾厚度應盡量薄，可以減小地層與襯砌間形成的建築空隙，從而減少壓漿工作量，對地層擾動範圍也小有利於施工，但盾尾也需承擔土壓力，在遇到糾偏及隧道曲線施工時，還有一些難以估計的載荷出現。所以其厚度應綜合上述因素來確定。
盾尾密封裝置要能適應盾尾與襯砌間的空隙，由於施工中糾偏的頻率很高，因此，要求密封材料要富有彈性、耐磨、防撕裂等，其最終目的是要能夠止水。形式多種，目前常用的是採用多道、可更換的盾尾密封裝置，盾尾的道數根據隧道埋深、水位高低來定，一般取2～3道，如圖5-3。
圖5－3盾尾密封示意圖
1－盾殼； 2－彈簧鋼板； 3－鋼絲束； 4－密封油脂； 5－壓板； 6－螺栓
由於鋼絲束內充滿了油脂，鋼絲又為優質彈簧鋼絲，使其成為乙個即有塑性又有彈性的整體，油脂保護鋼絲免於生鏽損壞。採用專用的盾尾油脂幫浦加註油脂，這種盾尾密封裝置使用後效果較佳，一次推進可達500m左右，這主要取決於土質情況，在砂性土中掘進，盾尾損壞較快，而在粘性土中掘進則使用壽命較長。
盾尾的長度必須根據管片寬度及盾尾的道數來確定，對於機械化開挖式、土壓式、泥水加壓式盾構，還要根據盾尾密封的結構來確定，必須保證管片拼裝工作的進行；修理盾構千斤頂和在曲線段進行施工等因素，故必需有一些餘量。
2、推進機構
盾構掘進的動力是靠液壓系統帶動千斤頂的推進機構，它是盾構重要的基本構造之一。
(1)盾構千斤頂的選擇和配置
盾構千斤頂的選擇和配置應根據盾構的靈活性、管片的構造、拼裝管片的作業條件等來決定。選定盾構千斤頂必須注意以下事項：
① 千斤頂要盡可能地輕，且經久耐用，易於維修保養和掉換；
② 採用高液壓系統，使千斤頂機構緊湊。目前使用的液壓系統壓力值為30～40mpa；
③ 千斤頂要均勻地配置在靠近盾構外殼處，使管片受力均勻；
④ 千斤頂應與盾構軸線平行。
(2)千斤頂數量
千斤頂的數量根據盾構直徑、千斤頂推力、管片的結構、隧道軸線的情況綜合考慮。一般情況下，中小型盾構每只千斤頂的推力為600～1500kn，在大型盾構中每只千斤頂的推力多為2000～2500kn。
(3)千斤頂的行程
盾構千斤頂的行程應考慮到盾尾管片拼裝及曲線施工等因素，通常取管片寬度加上100mm～200mm的餘量。
另外，成環管片有一塊封頂塊，若採用縱向全插入封頂時，在相應的封頂塊位置應布置雙節千斤頂，其行程約為其它千斤頂的一倍，以滿足拼裝成環所需。
(4)千斤頂的速度
盾構千斤頂的速度必須根據地質條件和盾構形式決定,一般取50mm/min左右，且可無級調速。為了提高工作效率，千斤頂的回縮速度要求越快越好。
(5)千斤頂塊
盾構千斤頂活塞的前端必須安裝頂塊，頂塊必須採用球面接頭，以便將推力均勻、分布在管片的環麵。其次，還必須在頂塊與管片的接觸面上安裝橡膠或柔性材料的墊板，對管片環麵起到保護作用。
3、管片拼裝機
管片拼裝機俗稱舉重臂，是盾構的主要裝置之一，常以液壓為動力。為了能將管片按照設計所需要的位置，安全、迅速地進行拼裝，拼裝機在鉗捏住管片後，還必須具備沿徑向伸縮、前後平移和360o(左右疊加)旋轉等功能。
拼裝機的形式有環形、中空軸形、齒輪齒條形等，一般常用環型拼裝機。這種拼裝機安裝在支承環後部，或者盾構千斤頂撐板附近的盾尾部，它如同乙個可自由伸縮的支架，安裝在具有支承滾輪的、能夠轉動的中空圓環上的機械手。該形式中間空間大，便於安裝出土裝置。
4、真圓保持器
盾構向前推進時管片就從盾尾部脫出，管片受到自重和土壓的作用會產生變形，當該變形量很大時，已成環管片與拼裝環在拼裝時就會產生高低不平，給安裝縱向螺栓帶來困難，為了避免管片產生高低不平的現象，就有必要讓管片保持真圓，該裝置就是真圓保持器。真圓保持器支柱上裝有上、下可伸縮的千斤頂和圓弧形的支架，它在動力車架挑出的梁上是可以滑動的。當一環管片拼裝成環後，就將真圓保持器移到該管片環內，支柱的千斤頂使支架圓弧面密貼管片後，盾構就可進行下一環的推進。
盾構推進後圓環不易產生變形而保持著真圓狀態。
三、盾構基本引數的選定
(一)、盾構直徑
盾構直徑必須根據管片外徑、盾尾空隙和盾尾鋼板厚度等設計要素確定，而盾尾空隙應根據管片的形狀尺寸、隧道的平面形狀、糾偏、盾尾密封結構的安裝等進行確定。
盾構直徑是指盾殼的外徑，而與刀盤、穩定翼、同步注漿用配管等突出部分無關。
所謂盾尾空隙，是指盾殼鋼板內表面與管片的外表面的空隙。
根據隧道限界和結構尺寸要求，在確定襯砌外徑之後，可按施工要求或經驗確定盾構直徑。下面根據圖5-4,介紹兩種計算方法。
1、 d=d+2(x5－1）
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第五章盾構法施工 第一節概述 盾構法是暗挖隧道的專用機械在地面以下建造隧道的一種施工方法。盾構是與隧道形狀一致的盾構外殼內，裝備著推進機構 擋土機構 出土運輸機構 安裝襯砌機構等部件的隧道開挖專用機械。採用此法建造隧道，其埋設深度可以很深而不受地面建築物和交通的限制。近年來由於盾構法在施工技術上的不...
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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...