初步了解盾構(gòu)隧道掘進機的工作原理

xjyhnt圖書館 2015-09-08

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盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，它是將盾構(gòu)機械在地中推進，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)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，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機械化施工方法。

盾構(gòu)機發(fā)展歷史

1974年第一臺土壓平衡式盾構(gòu)在東京采用。該盾構(gòu)由日本制造商IHI（石川島播磨）設(shè)計，其外徑為3.72m，用它掘進了長1900m的主管線。在以后的年代里，很多制造廠商以土壓盾構(gòu)、壓力保持盾構(gòu)、軟泥盾構(gòu)、土壤壓力盾構(gòu)、受壓的土壤盾構(gòu)、泥壓盾構(gòu)、或泥漿狀的土壤盾構(gòu)等名稱生產(chǎn)了“土壓平衡式盾構(gòu)”。這些名稱的盾構(gòu)基本上都應(yīng)用了同一種工法，國際上稱為“土壓平衡系統(tǒng)”（EARTH PRESSURE BALANCE SYSTEM，簡稱EPBS）。

土壓平衡式盾構(gòu)（EPB）自1974年在日本首次使用以來，以其獨特的優(yōu)勢已廣泛用于世界各地的隧道工程中。1984年上海市隧道工程公司在我國首次應(yīng)用從日本引進的φ4.36m土壓平衡盾構(gòu)建成了芙蓉江下水道總管工程。土壓平衡式盾構(gòu)在在全國地鐵、市政、能源等工程建設(shè)中得到更為廣泛的應(yīng)用。實踐證明，土壓平衡式盾構(gòu)因其能較好地控制地表沉降、保護環(huán)境、適應(yīng)在市區(qū)和建筑密集處施工等優(yōu)點，在我國正走向普及。

盾構(gòu)施工原理

盾構(gòu)隧道施工法是指使用盾構(gòu)機，一邊控制開挖面及周圍土體不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，一邊進行隧道掘進、出渣，并在機內(nèi)拼裝管片形成襯砌、實施壁后注漿，從而不擾動周圍土體而修筑隧道的方法。盾構(gòu)機的所謂”盾“是指保持開挖面穩(wěn)定性的刀盤和壓力艙、支附周圍土體的盾構(gòu)鋼殼，所謂“構(gòu)”是指構(gòu)成隧道襯砌的管片和壁后注漿體。

盾構(gòu)法施工是一個非常復(fù)雜的工程過程，它對周圍環(huán)境的影響與施工技術(shù)環(huán)節(jié)密切相關(guān)。早在1969年P(guān)eck就指出盾構(gòu)法施工引起的地層損失以及對相鄰結(jié)構(gòu)的影響與施工的具體細節(jié)是分不開的。因此，理論分析時只有準(zhǔn)確把握盾構(gòu)施工的主要因素才能得出符合實際情況的結(jié)果。盾構(gòu)施工階段主要包括以下幾個主要的技術(shù)環(huán)節(jié)：

①土體開挖與開挖面支護

土壓平衡式盾構(gòu)施工過程中，通過切削刀盤的切削前方土體。挖土量的多少由刀盤的轉(zhuǎn)速、切削扭矩以及千斤頂推力決定，排土量的多少則是通過螺旋排土器的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。因為土壓平衡式盾構(gòu)機是借助土壓艙內(nèi)土體壓力來平衡開挖面土水壓力的，為使土壓艙壓力波動較小，施工中要經(jīng)常調(diào)節(jié)螺旋排土器的轉(zhuǎn)速和千斤頂?shù)耐七M速度，來保持挖土量和排土量保持平衡。

②盾構(gòu)推進與襯砌拼裝

盾構(gòu)依靠千斤頂推力作用向前推進。盾構(gòu)推進過程中需要克服開挖面土體壓力、摩擦阻力和內(nèi)部機械設(shè)備阻力，盾構(gòu)的總推力必須根據(jù)各種阻力的總和及其所需要的富裕量決定。推力過大會使正面土體因擠壓而前移和隆起，而推力過小又影響推進速度。千斤頂推動盾構(gòu)前進后，依次收縮千斤頂在盾構(gòu)內(nèi)部拼裝襯砌。

③盾尾脫空與壁后注漿

千斤頂推動盾構(gòu)機向前推進時，使得本來位于盾構(gòu)殼內(nèi)部的拼裝襯砌脫出盾殼的保護，在襯砌外圍產(chǎn)生建筑空隙（其體積等于盾殼對應(yīng)圓筒體積與盾尾操作空間體積之和），引起較大地層損失。如不采取補救措施會引起很大的地層位移和地面沉降。

壁后注漿是對盾尾形成的施工空隙進行填充注漿，以減小由于盾尾空隙而產(chǎn)生的地基應(yīng)力釋放和地層變形，是盾構(gòu)施工的重要環(huán)節(jié)之一。壁后注漿是通過在盾構(gòu)殼上設(shè)置注漿管，在空隙生成的同時進行注漿的同步注漿方式和通過管片上預(yù)留的注漿孔進行注漿的及時注漿方式兩種，其中同步注漿更有利于地基沉降的控制。