隧道掘进机施工技术_毕业论文-初稿(编辑修改稿)

隧道掘进机施工技术_毕业论文-初稿(编辑修改稿)内容摘要：

粒排运、管片拼装或衬砌现浇、整机（同时）推进和衬砌壁后灌浆的隧道挖掘机机械系统。 用于土层的隧道掘进机通常被称为盾构，在实际工程中，隧道掘进机和盾构的称呼并不严格区分，盾构机全名盾构隧道掘进机，以下将简称为盾构。 1． 2 盾构 技术的概念 盾构技术是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法。 它使用地铁盾构机在地下掘进，在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业。 其施工过程需先在隧洞某段的一端开挖竖井或基坑，将地铁盾构机吊入安装，地铁盾构机从竖井或基坑的墙壁开孔处开始掘进并沿设计洞线推进直至到达洞线中的另一竖井或隧洞的端点。 1． 3 盾构技术的特点 使用盾构技术进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构技术施工更为经济合理。 2 1． 4 盾构 掘进 技术的工作原理 盾构技术施工法主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组成。 其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是区别于硬岩掘进法或比硬岩掘进法复杂的主要方面。 大多数硬岩岩体稳定性较好，不存在开挖面稳定问题。 1． 5 盾构 隧道掘进 机 盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进 行 “ 量体裁衣 ” 式的设计制造，可靠性要求极高。 盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。 用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。 1． 5． 1 盾构 隧道掘进 机的工作原理 盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。 该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段 起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。 挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。 据了解，采用盾构法施工的掘进量占京城地铁施工总量的 45%，目前共有 17台盾构机为地铁建设效力。 虽然盾构机成本高昂，但可将地铁暗挖功效提高 8到 10倍，而且在施工过程中，地面上不用大面积拆迁，不阻断交通，施工无噪音，地面不沉降，不影响居民的正常生活。 不过，大型盾构机技术附加值高、制造工艺复杂，国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。 盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式 盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。 泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆 (通常为膨润土悬浮液 )来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到 3 洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。 土压平衡式盾构机是把土料 (必要时添加泡沫等对土壤进行改良 )作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥 土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量 (旋转速度 )进行调节。 1． 5． 2 盾构 隧道掘进 机分类 （ 1）盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。 （ 2）盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同主要分为压缩空气式、泥水式，土压平衡式盾构机等不同类型。 下面简单介绍后两种： ① 泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆 (通常为膨润土悬浮液 )来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。 ② 土压平衡式盾构机是把土料 (必要时添加泡沫等对土壤进行改良 )作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料 增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量 (旋转速度 )进行调节。 4 泥水式 盾构机 土压平衡式盾构机 根据盾构机不同的分类，盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。 为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。 手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖，这种方法适于地地质条件较好，开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施是能维持稳定的情况，其开挖一般是从顶部开始逐层向下挖掘。 若土层较差，还可借用千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。 采用敞开式开挖，处 理孤立障碍物、纠偏、超挖均为其它方式容易。 为尽量减少对地层的扰动，要适当控制超挖量与暴露时间。 指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘开挖方式。 根据地质条件的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板及有封板两种。 刀架间无封板适用于土质较好的条件。 大刀盘开挖方式，在弯道施工或纠偏是不如敞开式开挖便于超挖。 此外，清除障碍物也不如敞开式开挖。 使用大刀盘的盾构，机械构造复杂，消耗动力较大。 目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方式。 采用网格式开挖，开挖 面由网格梁与格板分成许多格子。 开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力而产生的。 当盾构推进是，土体就从格子里挤出来。 根据土的性质，调节网格的开孔面积。 采用网格式开挖时，在所有千斤顶缩回后，会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降，因此，在施工务必采取有效措施，防止盾构后退。 全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或只部分出土，对地层有较大的扰动，在施工轴线 5 时，应尽量避开地面建筑物。 局部挤压时施工时，要精心控制出土量，以减少和控制地表变形。 全挤压式施工时，盾构把四周一定范围内的 土体挤密实。 1． 5． 3 盾构机的发展历史 盾构机问世至今已有近 180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。 近 30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。 国外主要生产厂家有日本三菱重工人川崎重工、日立造船、德国海伦克内希特 (HerrenknechtAG)公司等。 盾构机尤其是土压平衡式和泥水式盾构机在 日本由于经济的快速发展及实际工程的需要发展很快。 德国的盾构机技术也有独到之处，尤其是在地下施工过程中，保证密封的前提以及高达 气压的情况下更换刀盘上的刀具，从而提高盾构机的一次掘进长度。 德国还开发了在密封条件下，从大直径刀盘内侧常压空间内更换被磨损的刀具。 1． 6 盾构选型的重要性 盾构是进行土体开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具，盾构的类型由支护、挖土、排土的方式来区别。 用什么技术来支护盾构正面土体，保证土体不流失、坍塌，用什么技术挖土，挖下的土体用什么方法运至地面，这些都与盾构施工所经过 的地层土体性能、特征有关，根据土体对盾构推进施工的影响及盾构施工时将对土体产生的影响进行分析，选择适应工程全过程施工的盾构技术十分重要。 盾构在施工中，既要保证盾构正面的土体不流失、不坍塌，又要把切削下来的土方顺利的送至地面，并保护施工人员在盾构内安全制造隧道，所以，就必须对工程线路的土质作充分的了解，否则就不能保证工程的顺利进展。 如在肇嘉浜路排水工程中，就因为对全线路的土质了解不透，在施工中，支护正面地层土体采取的措施缺乏针对性，使施工进展不顺利；又如广州地铁工程，先采用滚刀切削土体，发现滚刀被粘土包裹， 根本无法把土切削下来，因为土层的 R值较大，但却是粘性的（粘性土处于半固态的情况下 R值很大，当遇洪水时，土性就发生变化），增加了刀盘的扭矩，并使正面温度升高，给施工带来极大困难，经改换了刀具后，才使施工顺利进行；再如污水处理过程中，由于刀盘的进土孔构造不适应土的特性，切下来的土不能畅通进入土仓，出现刀盘正面将土体碾磨成泥饼的现象，使推力急剧增大，正面挤压扰动破坏地层，中断了施工，在调整了进土孔的构造后，才继续施工。 6 从以上三个工程实例可以看出，违背了“支护、挖土、排土 3项技术措施必须适应工程所处地层的土质”选 型原则，将给施工带来极大的麻烦。 第二章 圆形土压平衡式盾构 隧道工程施工 2． 1 圆形土压平衡式盾构的构成及原理 2． 1． 1 圆形土压平衡式盾构机的主要构成 圆形土压平衡式盾构机的主要由以下部分构成：盾构壳体、刀盘及驱动系统、螺旋输送机、管片拼装机、推进系统、集中润滑系统、盾尾密封系统、同步注浆系统、加泥系统、皮带输送机、人行闸、液压系统、电气控制系统及其其他后配套车架辅助系统等。 土压平衡式盾构（ EPBS）开挖面装有全断面切削刀盘，在切口环与支撑环间设有密封隔板，使前面切口环部分形成密封隔舱，同时在盾构下 部或中心设有长筒形螺旋输送机的进土口，排土口设在密封隔舱外，而在支撑环上安装有推进千斤顶，盾尾装有管片拼装机和密封系统。 上海隧道工程股份有限公司圆形盾构机 盾构机主要构成 2． 1． 2 圆形土压平衡 式 盾构机的 工作原理 圆形土压平衡式盾构主要是利用全断面切削刀盘上的刀具，在刀盘扭矩和千斤顶推力的作用下，对正面土体进行切削。 切削下来的土体经刀盘开口进入刀盘后面的密封隔舱，必要时通过配备的加泥（泡沫）系统对舱内土体进行改良，使其具有良好的塑流性和较少的粘结力，再通过可控转速的螺旋输 送机和后续皮带输送机连续地进行弃土。 为了减少盾构掘进对地层的扰动，保证盾构开挖面的稳定，必须高度关注各施工参数的关联性，严格控制掘削量与出土量的平衡，其通用的控制方法有以下 3 种 : 7 1) 调整螺旋输送机出土速度 首先通过理论计算和经验修正，设定基本的平衡土压力；再根据盾构机的技术参数和地质条件，设定正常的掘进速度和刀盘转速，形成盾构 掘削量的基本参数；然后按螺旋输送机的参数决定排土效率，以得到每一环衬砌的出土量及出土速度；最后通过调节螺旋机的转速，使出土量与盾构 掘削量匹配，维持平衡土压力，达到稳定开挖面的目的。 2）调整盾构掘进速度 根据理论设定的开挖面平衡土压力和螺旋输送机的技术参数，形成每一环衬砌出土量的初始施工参数；然后通过盾构推进速度参数的控制，使盾构掘削量和出土量有机地匹配，保证土舱内土体具有适当压力，并与开挖面水土压力保持动态平衡，以减少盾构掘进对地层的扰动，从而达到控制地面隆沉的目的。 3）同时控制螺旋机出土速度和盾构掘进速度 根据理论计算，设定设定初始的螺旋机出土速度和盾构掘进速度，在盾构施工过程中，由盾构司机同时对上述 2个参数进行调整，满足开挖面水土压力平衡。 但是，通过控制螺旋输送机排土闸门的开口度 和螺旋输送机的旋转速度来控制土压平衡比较简单，也是最为实用的。 8 2． 1． 3 圆形土压平衡式盾构机 的施工工艺流程 2． 2 施工组织设计编制 2． 2． 1 施工组织设计编制的目的和要求 为了满足工程施工要求，。