盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究-本科(编辑修改稿)

盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究-本科(编辑修改稿)内容摘要：

保等有点。 随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展和不断成熟，盾构法越来越受到重视和亲睐。 但是由于地质条件和施工工艺的限制 , 盾构推进过程对地表的改变是不可避免的 ,过大的地层损失 , 可导致较大的地面沉降 , 对地面建筑物 、 地下管线等设施产生不利影响甚至会导致破坏 , 引起较大的经济损失。 为此 , 本文以理论研究与实际工程例子来说明 , 阐述 盾构 下穿建筑物沉降分析与控制技术研究。 中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 2 2 盾构及其工作原理 ： 盾构，其英文名为“ Shield Machine” ，是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械（见图 21和 22）。 它是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体 [5]，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。 盾构的工作原理就是一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤 进行掘进。 这个钢结构组件的壳体称“盾壳”，盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护的作用，承受周围图层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。 掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。 图 21 盾构的外形 图 22 盾构的结构 盾构的分类： 按断面形状分类： 单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构。 复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”（见图 23 24 25） 中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 3 图 23 单圆盾构 图 24 双圆盾构 图 25 非圆盾构 按支护地层的形式分类： 主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式和土压平衡支护式五种类型。 按开挖面与作业室之间隔板的构造分类： 全敞开式、部分敞开式及闭胸式三种。 盾构机主要由： 1）刀盘切削系统； 2）推进系统； 3）加泥注浆系统；4）螺旋输送机系统； 5）管片拼装系统； 6）盾尾密封系统； 7）数据采集与监控系统； 8）后配套设备及 电器设备。 以下分别简单介绍盾构机的各个部分： （ 1）刀盘切削系统：刀盘采用中心支撑或中间支撑或两边支撑方式，由盘体、切削刀、仿形刀、传动箱、集中润滑等系统组成。 掘进时，刀盘直接与开挖面接触并旋转切削土体，切削下来的土体在密封舱内与外加泥中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 4 或水充分搅拌，使之成为可塑、渗透性极小的泥土，并保持一定的动态平衡压力，控制开挖面土体不塌陷和地面不发生较大降沉。 （ 2）推进系统：盾构机的推进是靠设置在支撑环内侧的盾构千斤顶的推力作用在管片上，进而通过管片产生反推动力使盾构前进的。 （ 3）加泥注浆系统：注浆分为同步注浆、 管片二次注浆和堵水注浆三种，其中同步注浆效果直接影响到地面沉降。 同步注浆系统可根据地层与地面构筑物状况，进行双液或单液注浆。 注浆压力和注浆量均可自由设定与调节。 此外，还配有一套注浆管路清洗系统，从而保证衬背注浆系统正常使用。 （ 4）螺旋输送机：螺旋输送机采用液压驱动，可根据密封舱内土压力伺服控制，是控制密封舱内保持一定土压与开挖面土压和水压平衡的关键。 螺旋输送机还设有断电紧急关闭出土口装置，以保证隧道的施工安全。 （ 5）管片拼装系统：用于隧道管片拼装。 该设备可实现绕轴向回转、径向提升和轴向等三个自由度的移动 ，由回转盘体、悬臂梁、提升横梁、举重钳，以及千斤顶等组成。 （ 6）盾尾密封系统：结构型式为三排二室钢丝刷。 采用电动油脂泵注入油脂，每推进一环注入一次，可保证盾尾在压力下不渗漏。 （ 7）数据采集与监控系统：采用 PLC 系统，可对挖掘数据进行采集、数值运算、逻辑控制、故障报警、实时画面显示与数据输出等管理工作。 （ 8）后配套设备： 配套设备主要由以下几部分组成：管片运输设备、四节后配套台车及其上面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、循环水设备及通风设备等。 （ 9）电气设 备： 盾构机电气设备包括电缆卷筒、主供电电缆、变压器、配电柜、动力电缆、控制电缆、控制系统、操作控制台、现场控制台、螺中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 5 旋输送机后部出土口监视器、电机、插座、照明、接地等。 盾构法是一项综合性的隧道施工技术。 隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。 隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。 盾构法施工的概念流程如图 26 所示。 图 26 盾构法施工流程示意 图 1—— 盾构； 2—— 盾构千斤顶； 3—— 盾构正面网格； 4一一出土转盘； 5－一出土皮带运输机； 6—— 管片拼装机； 7—— 管片； 8——压浆泵； 9－一压浆孔； 10—— 出土机； 11—— 由管片组成的隧道衬砌结构； 12—— 在盾尾空隙中的压浆； 13—— 后盾装置； 14—— 竖井 构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。 盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 6 设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。 盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至 盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。 盾构是一个能支承地层压力，又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形及其他特殊形状的钢筒结构，其直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。 盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。 盾构是进行土方开挖正面支护 和隧道衬砌结构安装的施工机具，它还需要其它施工技术密切配合才能顺利施工。 主要有：地下水的降低；稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道衬砌结构的制造；地层的开挖；隧道内的运输；衬砌与地层间的充填；衬砌的防水与堵漏；开挖土方的运输及处理方法；配合施工的测量、监测技术；合理的施工布置等。 盾构是修建隧道的正面支护掘进和衬砌拼装的专用机具，盾构类型的区别主要是盾构正面对土体支护开挖的方法工艺不同而言。 为此盾构的种类按其结构特点和开挖方法来分，主要可分为四大类，即手掘式盾构、挤压式盾构、半机械式盾、构机械式盾构。 (1)手掘式盾构是结构最简单、配套设备少、因而造价也最低，制造工期短。 其开挖面可以根据地质条件决定，全部敞开式或用正面支撑开挖，一面开挖一面支撑。 在松散的砂土地层，可以按照土的内摩擦角大小将开挖面分为几层，这时的盾构就被称为棚式盾构。 在地质条件良好的工程中中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 7 得到广泛应用。 (2)挤压式盾构的开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外，对施工人员是比较安全、可靠，没有塌方的危险，当盾构推进时，让土体从胸板局部开口处挤入盾构内，然后装车外运，不必用人工挖土，劳动强度小，效率也成倍提 高。 在特定条件下可将胸板全部封闭推进，那就是全挤压推进。 挤压式盾构仅适用于松软可塑的粘性土层，适用范围较狭窄。 在挤压推进时对地层土体扰动较大，地面产生较大的隆起变形，所以在地面有建筑物的地区不能使用，只能在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域。 (3)半机械式盾构是在手掘式盾构正面装上机械来代替人工开挖，根据地层条件，可以安装反铲挖土机或螺旋切削机。 土体较硬可安装软岩掘进机。 半机械式盾构的适用范围基本上和手掘式一样，其优点除可减轻工人劳动强度外，其余均与手掘式相似。 (4)机械式盾构是在手掘式盾构的切口部分装 上一个与盾构直径一般大小的大刀盘，用它来实现盾构施工的全断面切削开挖。 当地层土质好，能自立或采用辅助措施亦能自立，则可用开胸式的机械盾构，反之如地层土质差，又不能采用其它地层加固方法，此时，采用闭胸机械式盾构比较合适 . 盾构法施工的地层都是复杂多变的，因此对于复杂的地层要选用较为经济的盾构是当前的一个难题。 在选择盾构时，不仅要考虑到地质情况、盾构的外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。 选择盾构的种类要求掌握不 同盾构的特征，同时，还要逐个研究以下项目： 中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 8 (1) 开挖面有无障碍物； (2) 气压施工时开挖面能否自立稳定； (3) 用气压其它辅助施工法后开挖面能否稳定； (4) 挤压推进、切削土加压推进时，开挖面能否自立稳定； (5) 开挖面在加水压、泥压、泥水压作用下，能否自立稳定； 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。 据不完全统计，目前国外盾构机的主要制造厂有 18家，集中在日本和欧美，如日本的三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川岛播磨重工，德国的海瑞克公司、维尔特公司，美国的罗宾斯公司，加拿大的罗法特公司等。 各个厂家可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，以及使用单位的不同要求，设计、生产出不同直径、不同类型、以及有特殊要求的盾构机，以满足用户的需要，其工艺和设备先进。 在发达国家 ,使用 盾构施工已占隧道总量的 90%以上。 国外盾构经历了四个发展阶段：一是以 Brunel 盾构为代表的手掘式盾构；二是以机械式、气压式盾构为代表的第二代盾构；三是以闭胸式盾构为代表（泥水加压平衡式、土压平衡式）的第三代盾构；四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。 盾构的发展趋势，国际上盾构技术日趋完善，盾构技术的发展趋中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 9 势是微型和超大型化、形式多样化、高度自动化和高适应性。 手掘式盾构的开发与应用； 我国盾构的开发与应用始于 1953 年，东北阜 新煤矿用手掘式盾构修建了直径。 1962 年 2 月，上海城建局隧道工程公司结合上海软土底层对盾构进行了系统的试验研究。 研制了一台直径 的手掘式普通敞胸盾构，两种有代表性的底层进行掘进实验，用降水或气压来稳定粉砂层及软粘土层。 在经过反复论证和地面试验后，选用由螺栓连接的单层钢筋混凝土管片作为隧道衬砌，环氧煤焦油作为接缝防水材料。 隧道掘进长度 68m，实验获得了成功，并采集了大量的盾构法隧道数据资料。 网格挤压式盾构的开发与应用 1965 年 3 月，有上海隧道工程设计院设计、江南造船厂 制造的 2 台直径 ，于 1966 完成了 2 条平行的隧道，隧道长 660 吗，地面最大沉降达 10cm。 1966 年 5 月，中国第一条水底公路隧道 —— 上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的直径 （图 27），辅以气压稳定开挖面，在水深 16m的黄浦江底顺利掘进隧道，掘进总长度 1322m。 打浦路隧道于1970 年底通车。 此次所用的网格盾构有所改进，敞开式施工可转换为闭胸式施工。 中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 10 图 27 网格挤压盾构 1973 年，采用一台直径 的水力机械化出土网格盾构和 2 台直径 的网格挤压盾构，在上海金山石化总厂修建了 1 条污水排放隧道和 2条引水隧道。 1980 年，上海市进行了地铁 1 号线试验段施工，研制了 1 台直径 ，采用泥水加压和局部气压施工，在淤泥质粘土底层中掘进隧道 1130m。 1982 年，上海外滩的延安东路北线越江隧道工程1476m 圆形主隧道采用上海隧道股份设计、江南造船厂制造的直径 网格挤压水力出土盾构施工 插刀盾构的开发与应用 1986 年，中铁隧道集团研制出半断面插刀盾构（图 28），并成功用 于修建北京地铁复兴门折返线。 半断面插刀盾构将“盾构法”与“浅埋暗挖法”紧密结合，取消了小导管超前注浆，在盾构壳体和尾板的保护下，进行地铁隧道上半断面的开挖。 半断面插刀盾构能全液压传动、电控操作、可自行推进、转向、调头。 能有效控制地面沉降，减轻工人劳动强度，施工速度较快，日均进尺达 3~4m。 中国矿业大学（北京） 20xx 届本科生毕业设计（论文） 11 图 28 半断面插刀盾构（ 1986 年） 盾构的引进 1990 年，上海地铁 1 号线工。