【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 土建學(xué)院 專業(yè)： 土木工程 學(xué)生姓名： 張子侃 學(xué)號(hào)： 06231276 一、 文獻(xiàn)綜述 （一）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 盾構(gòu)隧道施工系指使用盾構(gòu)機(jī)，一邊控制開挖面使圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，一邊進(jìn)行隧道襯砌，并及時(shí)向盾尾后面的開挖隧道周邊與襯砌環(huán)外圍之間的空隙中壓注足夠的漿液，以防止圍巖松馳和地面下沉。在盾構(gòu)推進(jìn)中可以從開挖面不斷地排出適量的土體。 自 1841年世界第一座用盾構(gòu)法修建英國(guó)泰晤士河水底隧道以來(lái)，盾構(gòu) 法迄今已有 170余年歷史。最早發(fā)明盾構(gòu)法的思路是來(lái)自發(fā)明者的一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)，他發(fā)現(xiàn)船的木板中，有一種蛀蟲鉆出孔道，并用它自己分泌的液體覆涂在孔壁上。 l866年，莫爾頓在申請(qǐng)專利中第一次使用了“盾構(gòu) (shield)”這一術(shù)語(yǔ)。 1874年，在英國(guó)倫敦地鐵隧道的施工中，格雷塞德 (James Henry Greathead)綜合了以往盾構(gòu)施工和氣壓法的技術(shù)特點(diǎn)，首創(chuàng)了在盾尾后面的襯砌外圍環(huán)形空隙中壓漿的施工方法，為盾構(gòu)施工法的發(fā)展起到重大推動(dòng)作用。 1880—1890年間，在美國(guó)和加拿大間的圣克萊河下用盾構(gòu)施工法建成 一條直徑 ， 長(zhǎng) 1800m的水底鐵路隧道。 20世紀(jì)初，盾構(gòu)施工法已在美、英、德、蘇、法等國(guó)開始推廣 ， 30— 40年代這些國(guó)家已成功地使用盾構(gòu)建成內(nèi)徑 ～ 9． 5m多條地鐵及過(guò)河公路隧道，僅在美國(guó)紐約就采用氣壓法建成了 19條重要的水底隧道，盾構(gòu)施工的范圍很廣泛，有公路隧道、地下鐵道、上下水道以及其他市政公用管道等。 1939年，日本正式應(yīng)用盾構(gòu)施工法修建國(guó)鐵關(guān)門隧道的海底部分，該盾構(gòu)的外徑 ，隧道總長(zhǎng)為 7258m，此工程奠定了日本盾構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)。從 20世紀(jì) 60年代起，盾構(gòu)施工法在日本得到迅速發(fā)展 ，70年代日本及德國(guó)針對(duì)城市建設(shè)區(qū)的松軟含水地層中因盾構(gòu)施工引起的地表沉降，解決了預(yù)制高精度鋼筋混凝土管片和接縫防水等技術(shù)問(wèn)題，北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 ` 19 研制了各種新型的襯砌和防水技術(shù)及局部氣壓式、泥水加壓式和土壓平衡式等新型盾構(gòu)及相應(yīng)的工藝和配套設(shè)備。 在我國(guó)，盾構(gòu) (TBM)技術(shù)應(yīng)用始于 20世紀(jì)五六十年代，推廣于 20世紀(jì) 90年代，到 20世紀(jì)末，盾構(gòu)已廣泛應(yīng)用于廣州、北京、南京、深圳等大城市的地鐵區(qū)間隧道施工中。新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)城市軌道交通、鐵路、公路、輸水、輸氣、排污等隧道建筑采用盾構(gòu)的方法越來(lái)越多，盾構(gòu)的型式多樣，性能日益先進(jìn)。 令人興奮的事情是盾構(gòu)和 TBM設(shè)備及其部件的研發(fā)和制造在我國(guó)已經(jīng)形成了初步的能力和規(guī)模，這將為盾構(gòu) (TBM)技術(shù)在我國(guó)的運(yùn)用和發(fā)展提供更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。如在上海、廣州、大連、沈陽(yáng)、德陽(yáng)、新鄉(xiāng)等地都已經(jīng)生產(chǎn)和組裝過(guò)盾構(gòu)或 TBM。國(guó)家“ 863”計(jì)劃中的隧道掘進(jìn)機(jī)項(xiàng)目落戶上海隧道股份有限公司和中鐵隧道集團(tuán)公司，并給以資金支持。上海和新鄉(xiāng)的工廠及其合作單位已經(jīng)可以批量生產(chǎn)、組裝盾構(gòu)或 TBM設(shè)備。 盾構(gòu)隧道施工技術(shù)最早是以穿越江河為目的而開發(fā)的 ,此后 ,在城市地下工程中得到了廣泛的使用。隨著地下空間的開發(fā)利用和城市市政綜合管線的建設(shè)，盾構(gòu)的斷面尺寸具有向超大、微小兩個(gè)方向發(fā)展的趨勢(shì)。直徑 18m的盾構(gòu)正在研制，而小到 200mm的微型盾構(gòu)已在工程中得到應(yīng)用。近 10年來(lái)，日本先后開發(fā)了雙圓盾構(gòu)、多圓盾構(gòu)和球體盾構(gòu)，使盾構(gòu)隧道的截面形式日趨多樣化。由于圓形隧道具有結(jié)構(gòu)受力好的優(yōu)點(diǎn)，故 95%以上的盾構(gòu)隧道均采用圓形截面，但圓形截面存在空間利用率低的缺點(diǎn)，因此開發(fā)應(yīng)用隧道截面更為合理的異形盾構(gòu)隧道掘進(jìn)技術(shù)成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。 盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要反應(yīng)在以下 三 個(gè)方面：施工斷面的多元化，從常規(guī)的單圓形向雙圓形、三圓形、方形、矩形及復(fù)合 斷面發(fā)展；施工新技術(shù)，包括進(jìn)出洞技術(shù)、地中對(duì)接技術(shù)、長(zhǎng)距離施工、急曲線施工、擴(kuò)徑盾構(gòu)施工法、球體盾構(gòu)施工法等；隧道襯砌新技術(shù)，包括壓注混凝土襯砌、管片自動(dòng)化組裝、管片接頭等技術(shù)。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 ` 20 在國(guó)外 ,盾構(gòu)隧道施工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展、細(xì)化為大量、復(fù)雜的施工技術(shù)。而這種新技術(shù)的開發(fā)、產(chǎn)生有其必然的市場(chǎng)需求。在考慮引進(jìn)、吸收這些新型技術(shù)時(shí)必須根據(jù)我國(guó)的國(guó)情 ,進(jìn)行仔細(xì)的論證。就目前我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)使用的情況而言 ,一些問(wèn)題的解決、新技術(shù)的開發(fā)將成為當(dāng)務(wù)之急。 盾構(gòu)機(jī)的反復(fù)使用問(wèn)題 由于盾構(gòu)機(jī)本身是一個(gè)非常昂貴的設(shè)備 ,以我國(guó)的工程造 價(jià)水準(zhǔn) ,還不具備一項(xiàng)工程完全折舊的能力。因此 ,在購(gòu)置設(shè)備時(shí) ,一定要考慮到機(jī)械的反復(fù)使用問(wèn)題 ,盡可能設(shè)計(jì)多功能、多用途的機(jī)械以充分發(fā)揮其作用。另外 ,也要開發(fā)比較系統(tǒng)的盾構(gòu)改造、維修技術(shù)以滿足市場(chǎng)的要求。 長(zhǎng)距離施工 一般認(rèn)為盾構(gòu)施工法在施工長(zhǎng)度大于 500m以后才能發(fā)揮較為顯著的優(yōu)勢(shì)。由于盾構(gòu)機(jī)造價(jià)昂貴 ,加上盾構(gòu)豎井建造的費(fèi)用和用地問(wèn)題 ,長(zhǎng)距離施工一直是一個(gè)重要的問(wèn)題。 雙圓形或眼鏡形盾構(gòu) 在盾構(gòu)隧道形狀向多元化發(fā)展的趨勢(shì)中 ,最可能被國(guó)內(nèi)接受的是雙圓形或眼鏡形盾構(gòu)。我國(guó)的地鐵隧道采用單圓雙線隧道 施工 ,容易出現(xiàn)后續(xù)隧道對(duì)先行隧道發(fā)生影響和超近距離施工的問(wèn)題。如果采用雙圓形或眼鏡形盾構(gòu)進(jìn)行施工 ,這些問(wèn)題將會(huì)得到解決。而這一新技術(shù)能否得到使用的另一個(gè)決定因素就是造價(jià)問(wèn)題。也就是施工兩個(gè)單圓隧道和施工一個(gè)雙圓形或眼鏡形隧道的經(jīng)濟(jì)性比較問(wèn)題。 三圓形盾構(gòu) 由于地鐵車站一般設(shè)置在城市繁華地區(qū) ,很多工程已經(jīng)遇到難以確保施工用地或施工用地拆遷費(fèi)過(guò)高的問(wèn)題。如果能夠采用 三 圓形盾構(gòu)施工地鐵車站將會(huì)使這一難題得到解決。但是 ,相對(duì)于明挖、暗挖工程來(lái)說(shuō) ,采用 三 圓形盾構(gòu)施工將會(huì)大大提高施工的直接費(fèi)用。而且 ,三 圓形盾構(gòu) 機(jī)的造價(jià)也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單圓形盾構(gòu)。從施工技術(shù)的角度 ,其要求也要高于單北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 ` 21 圓形盾構(gòu) ,在施工控制、管理方面尚需一些技術(shù)積累。 管片技術(shù) 目前為止 ,我國(guó)使用的管片種類比較單一 ,而且分塊、接頭也比較簡(jiǎn)單。由于管片技術(shù)的發(fā)展必須與管片設(shè)計(jì)理論相結(jié)合 ,而且需要相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。這一方面尚需要進(jìn)行大量的研究工作。但就現(xiàn)狀而言 ,首先解決普通管片在使用中所遇到的問(wèn)題 ,保證襯砌管片不發(fā)生裂縫、踏步、滲漏和長(zhǎng)期耐久性極為重要。 （二）盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)基本研究方法 目前我國(guó)常用的盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)模型主要有經(jīng)驗(yàn)類比法、荷載結(jié)構(gòu)法。在 工程可行性研究階段一般可以采用經(jīng)驗(yàn)類比法確定結(jié)構(gòu)尺寸 ,在初步設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)階段需要用荷載結(jié)構(gòu)模型對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行較為精確的計(jì)算。荷載結(jié)構(gòu)模型中對(duì)結(jié)構(gòu)及荷載的處理方法不止一種，常用的組合形式是如下三種 : 日 本慣用法及修正慣用法 日本慣用計(jì)算法即把管片環(huán)簡(jiǎn)化為與管片主截面具有相同剛度的彈性均質(zhì)圓環(huán) , 并采用以三角形抗力為特征的慣用荷載系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算的方法。日本修正慣用計(jì)算法中也將管片襯砌圓環(huán)考慮為彈性勻質(zhì)圓環(huán) ,并用小于 1的剛度折減系數(shù) η來(lái)體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響 ,不具體考慮接頭的位置 ,即僅降低襯砌圓環(huán)的整體抗彎剛 度。當(dāng)采用通縫拼裝方式時(shí) ,其分析結(jié)果就作為設(shè)計(jì)值 ； 而當(dāng)為錯(cuò)縫拼裝時(shí) ,由于環(huán)與環(huán)間的縱向接頭的咬合作用 ,出現(xiàn)附加彎矩值 ,用附加彎矩增大系數(shù) ξ來(lái)表示 ,即用于管片主截面設(shè)計(jì)的彎矩為 (1＋ ξ)M, 用于接頭設(shè)計(jì)的彎矩為 (1－ ξ)M。 梁 — 彈簧模型 在一環(huán)管片襯砌內(nèi) ,用曲梁?jiǎn)卧M管片的實(shí)際狀況 ,用旋轉(zhuǎn)彈簧來(lái)模擬接頭 ,并用抗彎剛度來(lái)體現(xiàn)環(huán)向接頭的實(shí)際抗彎剛度。這種模型在計(jì)算中可以具體考慮環(huán)向接頭的位置以及由接頭引起的管片環(huán)的剛度作用此時(shí) ,除考慮計(jì)算目標(biāo)環(huán)外 ,將對(duì)其有影響的前后二襯砌圓環(huán)也作為研究北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 ` 22 對(duì)象 ,并用徑向抗剪 剛度 Kr和切向抗剪剛度 Kt來(lái)體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果。 修正勻質(zhì)圓環(huán)法 與修正慣用法相同的是 ,也將管片襯砌圓環(huán)考慮為彈性勻質(zhì)圓環(huán) ,并用小于 1的剛度折減系數(shù) η來(lái)體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響 ,不具體考慮接頭的位置 ,即僅降低襯砌圓環(huán)的整體抗彎剛度 ； 當(dāng)采用錯(cuò)縫拼裝方式時(shí) ,用附加彎矩增大系數(shù) ξ來(lái)模擬由于環(huán)間的縱向接頭的咬合作用引起的附加彎矩值。與修正慣用法不同的是 ,其荷載系統(tǒng)中的地基抗力不采用三角形假定抗力 ,而是用地基彈簧模擬。 （ 三 ）盾構(gòu) 技術(shù)的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題 為了更好、更經(jīng)濟(jì)、更安全地使用盾構(gòu)技術(shù)，我們需要對(duì)盾構(gòu)技術(shù)在施工過(guò)程中遇到的常見問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，并指出解決相應(yīng)技術(shù)問(wèn)題的一般思路，明確今后盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的方向。 開挖面的穩(wěn)定問(wèn)題 盾構(gòu)法的主要原理就是盡可能在不擾動(dòng)圍巖的前提下完成施工 ,因此施工的關(guān)鍵就是維持開挖面的穩(wěn)定性。泥水加壓盾構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)在維持開挖面穩(wěn)定性方面機(jī)理稍有不同 ,主要區(qū)別在于其控制開挖面的壓力時(shí)分別采用了泥漿和流塑性土體。 （ 1）泥水加壓盾構(gòu) 泥水加壓盾構(gòu)是通過(guò)壓力艙內(nèi)泥水的壓力、泥水的特性來(lái)維持開挖面穩(wěn)定的。泥漿對(duì)開挖面的穩(wěn)定作用主要有 : ①通過(guò)一定壓力注入到開挖面的泥漿會(huì)在開挖面上形成 一個(gè)難透水的泥膜或滲透壁 ,在泥膜兩側(cè)圍巖內(nèi)的水壓力、土壓力通過(guò)泥漿壓力得到平衡從而有效地維持開挖面的穩(wěn)定性。②泥漿微粒子向開挖面前方滲透可增加土的粘聚力 ,對(duì)開挖面的穩(wěn)定有利。因此首先選擇最佳的泥水壓力對(duì)開挖面的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。泥水壓力過(guò)小時(shí) ,開挖面在圍巖土壓力、水壓力的作用下就會(huì)發(fā)生破壞。而壓力過(guò)大時(shí) ,泥水會(huì)在透水性良好的砂土中滲透逸散 ,泥水壓力北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 ` 23 超過(guò)土的抗剪強(qiáng)度就會(huì)在地基中形成劈裂裂隙而造成冒漿。其次選擇合適的泥漿特性也很重要 ,泥漿的比重、粘性、穩(wěn)定性和過(guò)濾特性決定泥膜形成的快慢和泥膜的質(zhì)量。一般來(lái)講泥 漿的比重越大越有利于開挖面的穩(wěn)定性。但是在長(zhǎng)距離隧道開挖中 ,過(guò)大的比重不但會(huì)引起泥漿輸送泵的超負(fù)荷 ,還會(huì)增加泥水處理的難度。比重過(guò)小就會(huì)出現(xiàn)大量逸泥而增加泥膜和滲透壁形成的難度。在透水性良好的飽和砂土中 ,泥水的過(guò)濾特性尤為重要 ,泥水中微粒子的大小與土中孔隙大小的相對(duì)關(guān)系直接決定了泥膜形成的難易程度。因此研究泥漿壓力的控制和泥漿成膜機(jī)理是發(fā)展泥水加壓盾構(gòu)的重要問(wèn)題。 （ 2） 土壓平衡 盾構(gòu) 土壓平衡盾構(gòu)需要在壓力艙內(nèi)充滿開挖泥土 ,通過(guò)對(duì)開挖土體施加壓力來(lái)平衡開挖面上的土壓力和水壓力。一般將壓力艙內(nèi)開挖土的狀態(tài)稱為 “塑性流動(dòng)狀態(tài)”，從土力學(xué)的角度分析 ,這種狀態(tài)包括 三 個(gè)方面的含義 : ①土體不易固結(jié)排水。當(dāng)推力通過(guò)隔板傳遞到壓力艙內(nèi)土體時(shí) ,如果土體迅速排水固結(jié) ,就會(huì)在壓力艙內(nèi)形成固結(jié)“土餅” ,土水分離會(huì)影響壓力艙內(nèi)土體的循環(huán)和排土 ,因此土體要保持為不易固結(jié)排水的狀態(tài)。②土體處于流塑狀態(tài)。壓力艙內(nèi)的土體應(yīng)處于高含水率 ,土的強(qiáng)度較低而易于翼板的攪拌。這一流塑狀態(tài)可保證土體受到擠壓時(shí)向螺旋排土器內(nèi)發(fā)生塑性流動(dòng) ,而順利完成排土 ,就是所謂的“擠牙膏”效應(yīng)。③土體具有不透水性。只有壓力艙的土體具有足夠的不透水性 ,才能保證維持開挖面上 的水壓力 , 同時(shí)也能防止從排土口發(fā)生噴涌現(xiàn)象。一些淤泥質(zhì)粘土、粘土、粉質(zhì)粘土在天然狀態(tài)下通過(guò)開挖攪拌后即可滿足以上 三 個(gè)條件 ,這是最為適合于土壓平衡盾構(gòu)的圍巖。但是在很多情況下 ,情況并非如此，此時(shí)則一般通過(guò)向刀盤、壓力艙或螺旋式排土器內(nèi)添加泥漿等添加材料改善土體的性質(zhì) ,以滿足以上的三個(gè)條件。添加材料各種各樣 ,需要根據(jù)地層的土質(zhì)條件進(jìn)行選擇。 盾構(gòu) 姿勢(shì)和線路控制問(wèn)題 盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)由盾構(gòu)千斤頂驅(qū)動(dòng)、在地中運(yùn)動(dòng)的龐然大物。而隧道北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 ` 24 設(shè)計(jì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)行走軌跡的要求非常嚴(yán)格。這是由于①盾構(gòu)機(jī)的過(guò)大偏移會(huì)造成隧道的偏移而影響 使用。②盾構(gòu)機(jī)的偏移會(huì)造成施工操作上的困難。由于圍巖的不均勻性、曲線段施工、推力的偏心、刀盤旋轉(zhuǎn)的反作用 ,盾構(gòu)機(jī)的姿勢(shì)易發(fā)生左右偏移、上下偏移 (所謂的“抬頭”和“磕頭” )。盾構(gòu)機(jī)姿勢(shì)的偏移直接造成線路的偏移 ,同時(shí)造成管片拼裝困難 ,有時(shí)也會(huì)由于不得不偏心推進(jìn)而對(duì)管片產(chǎn)生過(guò)大的施工荷載造成管片開裂。盾構(gòu)機(jī)的偏移可以說(shuō)是難以避免的 ,但是最重要的是要將偏移量始終控制在較小的范圍之內(nèi)。這就需要對(duì)千斤頂和推力進(jìn)行合理的使用并且動(dòng)態(tài)掌握盾構(gòu)機(jī)姿態(tài) ,因此對(duì)操作人員的培訓(xùn)尤為重要。 盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境的影響問(wèn)題 盾構(gòu)施工時(shí)， 一般會(huì)引起一定的地基變形 ,其發(fā)生原因可以分為以下幾點(diǎn) : ①開挖面上的土水壓力不平衡導(dǎo)致開挖面失去穩(wěn)定性。此時(shí) ,壓力艙壓力大于開挖面土壓力和水壓力時(shí)出現(xiàn)地基隆起 ,相反會(huì)出現(xiàn)地基沉降。②盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)圍巖的擾動(dòng)。盾構(gòu)殼板和圍巖的摩擦、以及圍巖的擾動(dòng)會(huì)引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲線推進(jìn)時(shí)如采用超挖 ,會(huì)使圍巖松動(dòng)的范圍變大加大地基的沉降量。③盾尾空隙的發(fā)生和壁后注漿的不足。盾構(gòu)施工必然產(chǎn)生盾尾空隙 ,這一空隙會(huì)引起地基的應(yīng)力釋放而產(chǎn)生彈塑性變形。一般可通過(guò)實(shí)施壁后注漿來(lái)控制 ,但壁后注漿的材料、注漿時(shí)間、位置、壓 力、注漿量都會(huì)影響地基的變形量。④管片的變形和變位。管片從盾尾脫出后 ,受到圍巖荷載作用發(fā)生一些變形或變位 ,造成地基沉降 ,但其量一般較小。⑤地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。盾構(gòu)施工期間由于上述各種原因引起的地表沉降對(duì)周圍環(huán)境有一定的影響。因此