盾构法隧道

采用盾构掘进机进行开挖，钢筋混凝土管片作为衬砌支护的隧道暗挖施工法。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳。所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。由于盾构一般使用于以土为围岩的隧道工程施工中，与岩石围岩不同，土体不具有自立稳定性，所以保持开挖面稳定的系统(盾)就非常重要。

用盾构法修建隧道已有 150余年的历史。最早进行研究的是法国工程师M.I.布律内尔，他由观察船蛆在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启发，在1818年开始研究盾构法施工，并于1825年在英国伦敦泰晤士河下，用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道（宽11.4米、高6.8米）。在修建过程中遇到很大的困难，两次被河水淹没，直至1835年，使用了改良后的盾构，才于1843年完工。其后P.W.巴洛于1865年在泰晤士河底，用一个直径2.2米的圆形盾构建造隧道 。

1847年在英国伦敦地下铁道城南线施工中，英国人J.H.格雷特黑德第一次在粘土层和含水砂层中采用气压盾构法施工，并第一次在衬砌背后压浆来填补盾尾和衬砌之间的空隙，创造了比较完整的气压盾构法施工工艺，为现代化盾构法施工奠定了基础，促进了盾构法施工的发展 。

20世纪30～40年代，仅美国纽约就采用气压盾构法成功地建造了19条水底的道路隧道、地下铁道隧道、煤气管道和给水排水管道等。从1897～1980年，在世界范围内用盾构法修建的水底道路隧道已有21条。德、日、法、苏等国把盾构法广泛使用于地下铁道和各种大型地下管道的施工 。

1969年起，在英、日和西欧各国开始发展一种微型盾构施工法，盾构直径最小的只有1米左右，适用于城市给水排水管道、煤气管道、电力和通信电缆等管道的施工 。

中国于第一个五年计划期间，首先在辽宁阜新煤矿，用直径 2.6米的手掘式盾构进行了疏水巷道的施工。中国自行设计、制造的盾构，直径最大为11.26米，最小为3.0米。正在修建的第二条黄浦江水底道路隧道，水下段和部分岸边深埋段也采用盾构法施工，盾构的千斤顶总推力为108兆牛，采用水力机械开挖掘进。在上海地区用盾构法修建的隧道，除水底道路隧道外，还有地铁区间隧道、通向河海的排水隧洞和取水管道、街坊的地下通道等。

1.确定几何参数

2.确定岩土参数

3.选择危险断面

4.确定TBM机的机械参数

5.确定材料属性

6.设计荷载

7.设计模型

8.计算结果

盾构法施工得到广泛使用，因其具有明显的优越性：①在盾构的掩护下进行开挖和衬砌作业，有足够的施工安全性；②地下施工不影响地面交通,在河底下施工不影响河道通航;③施工操作不受气候条件的影响;④产生的振动、噪声等环境危害较小;⑤对地面建筑物及地下管线的影响较小。

优点

1、安全开挖和衬砌，掘进速度快 ；

2、盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低 。

3、不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；

4、穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动 ；

5、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。

缺点

1、断面尺寸多变的区段适应能力差；

2、新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济。

3、工人的工作环境较差 。

适用条件

在松软含水地层，或地下线路等设施埋深达到10m或更深时，可以采用盾构法 。

1、线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；

2、隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m且不小于盾构直径；

3、相对均质的地质条件；

4、如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m,竖直方向1.5m；

5、从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m 。

Ⅰ 准备阶段监理

1.1 盾构机自赤岗站始发前，承包商应向监理工程师递交一份详细的盾构施工总体方案，内容包括：

（1） 赤岗施工场地总平面布置图

（2） 盾构推进方案（始发、掘进、到站、过站）

（3） 盾构推进计划

（4） 管片的质量控制

（5） 轴线控制和沉降监测方案

（6） 回填注浆的质量控制

（7） 盾构机性能参数及操作方法

（8） 出土方案和弃土安排

（9） 洞口端头和联络通道地层加固方案

（10）施工监测方案

1.2 经过监理工程师批准后，承包商才可将上述方案付诸实施。

1.3 监理工程师对现场施工设备进行检查。包括注浆设备、起吊设备、管片运输设备、管片防雨设施、给排水系统、供电设备等。在盾构始发前这些设备的完好性必须得到工程师的确认和批准。

1.4 盾构施工前监理工程师应对承包商使用的水准点和控制点进行复核，经批准后才可使用。

Ⅱ 盾构机的始发

2.1 始发前准备工作结束后，承包商应向监理工程师提交有关报告以供批准。

2.2 监理工程师应对以下方面进行检查

（1） 盾构机定位

（2） 反力架安装

（3） 洞口橡胶密封条和端墙凿除

（4） 临时管片固定方式

（5） 盾构机操作方式

（6） 回填注浆方式

2.3 经监理工程师批准后，承包商才可开始安装临时管片和盾构机推进。

Ⅲ 盾构机推进

3.1 监理工程师是通过承包商提供的施工进度报表和现场检查来监理盾构机的掘进。

3.2 承包商在推进之前应提交详细的施工进度安排报工程师批准。

3.3 承包商需要提交报告，主要包括以下内容：

3.3.1 盾构机推进时的控制参数和实际参数，包括：

（1） 千斤顶推力

（2） 刀盘扭矩

（3） 千斤顶压力

（4） 泥仓土压

（5） 千斤顶行程

（6） 刀盘转速

（7） 推进速度

（8） 盾构机俯仰角

（9） 中折角度

（10）超挖刀设置

3.3.2 回填注浆情况，包括注浆位置、注浆压力和注浆数量。

3.3.3 管片信息，包括

（1） 环的类型和序号

（2） 每环的开挖和安装时间

（3） 拼装效果

3.3.4 还应包括

（1） 每环的出土量

（2） 投入的人工

（3） 当班或当日完成的工程量

（4） 现场事故和故障

（5） 掘进中有无发现异物（桩、文物等）

3.3.5 每个白班应进行一次土质检查，将分析结果随日报提交工程师。

3.4 承包商还应于每周一向工程师提交上周周报表，包括：

（1） 该周工程进展情况

（2） 对下周工作的预测

（3） 承包商对工程计划的修正和调整

（4） 对上周成型衬砌的综合检测

（5） 上周内TBM运转情况

3.5 承包商应于每月5日前向工程师提交上月月报表，包括：

（1） 月内工程进展情况

（2） 对下月工作的展望

（3） 承包商对工程计划的修正与调整，并上报工程师批准

（4） 对当月实施的衬砌的测量

（5） 当月TBM运转功能情况

（6） 当月事故清单及所建议的、已决定的及正在实施的校正措施

3.6 现场管片检查

3.6.1 管片在安装之前，须有专门人员对以下内容进行检查，并填写检查表。检查表由承包商提交工程师批准。

3.6.2 工程师采用定期检查和抽查相结合的方式对管片进行检查，不合格的管片在重新批准之前不得使用。

3.6.3 管片拼装后应满足有关规范要求，相邻管片错台不能超过10mm，管片最大裂缝宽度不应超过0.2mm，并且要按工程师指示进行修补或加固。

3.7 回填注浆控制

3.7.1 承包商应定期提交膨润土、水泥、水玻璃添加剂等材料的检测结果。

3.7.2 承包商应在每个白班进行如下试验

（1） 测试A液粘度

（2） 测试A、B液混合后的凝结时间（按设计的混合率）

（3） 混合浆液试块抗压强度试验（1h和7天）

以上结果应反映在承包商提交的日报表中。

3.8 盾构掘进过程中，承包商应加强地面沉降观测和隧道变形测量。

3.8.1 地面沉降值应控制在-30mm以内，最大允许降起量为 10mm，建筑物的不均匀沉降应限制在1/500以内。

3.8.2 地面沉降测量应在TBM开挖面附近（TBM前方10m到后方20m）每天进行及每周进行后期观测直到沉降稳定，并在量测读数后立即呈报工程师，当观测值变化较大时应按工程师要求加大观测频率。

3.8.3 承包商若发现地面沉降有异常时应立即报工程师并采取有效防止措施，防治措施必须报请工程师批准后方可执行。

3.9 盾构机穿越新工商银行新窖办事处、赤岗东小学、新南方购物中心、新港中路367、365、363民居、商业银行推进前，应提交特别保证措施供工程师批准，在此段施工期间，工程师应有专人进行24小时旁站监理。

3.10 盾构机推进期间，对地下管线和地面构筑物除采取一般保护措施外，应对新南方购物中心采取特殊措施进行保护，并提交保护方案供工程师批准。

Ⅳ 盾构机到站和过站

4.1 盾构机在到站之前应向工程师提交到站的进度计划和技术保障措施

4.2 承包商应对盾构机出站后产生的不良后果负责，如管片破裂、隧道—车站接口处漏水、地面沉陷等，并向工程师提交补救方案供批准后实施。

4.3 承包商应向工程师提交盾构机过站的过站方案和进度计划。

4.4 承包商在站内铺设轨道时应考虑到车站承包商的施工要求，在工程师的主持下双方应进行必要的协调。

4.5 承包商应同时提供过站期间盾构机的维修方案，经工程师批准后才能实施。

4.6 承包商的维修工作完成以后，经工程师检查批准后才可进行下一道工序。

4.7 承包商应在始发前一周提交下一次始发的技术方案供工程师批准，在得到批准后方可开始。

Ⅴ 盾构掘进结束

5.1 第二台盾构机到达鹭江站以后（计划 2002年8月），盾构机掘进即告结束，在这之后，承包商需进行下列工作。

5.2 承包商应按照工程师批准的方案拆卸盾构机，并负责吊运到业主指定地方。

5.3 承包商应按照工程师批准的方案拆卸隧道内的轨道和工字钢并清理隧道。

5.4 承包商应继续按照工程师批准的方案进行联络通道/泵站和洞门的施工。

5.5 承包商应按照工程师批准的方案对隧道管片进行修补。

5.6 承包商向工程师提交分段验收隧道的申请和有关资料后，工程师应进行初步验收，并将初验意见书面答复承包商，对被验收段存在的质量问题限定处理期限和再验收日期，并对资料所缺部分和错误之处限期补正。

5.7 参加由业主组织的竣工验收，并督促承包商做好工程技术资料整理和移交。

盾构法隧道施工，用盾构在地层中修建隧道的方法。施工时,在盾构前部开挖地层,在尾部拼装衬砌,然后用千斤顶顶住已拼装好的衬砌将盾构推进,如此循环交替逐步前进。在盾构的外壳保护下可安全施工。常用于松软地层中圆形断面的隧道施工。

黄黔所著的《盾构法隧道施工中的力学和控制论(精)》总结和分析力学理论在盾构法隧道施工领域的方法，指出其在实际施工的应用情况和适用范围。在此基础上，从控制论的角度分析盾构法隧道施工控制理论上的可行性，从施工信息流的角度分析盾构法隧道施工控制工程上的可行性，并按系统控制原理、辨识模型、控制模型进行充分的论述。

目录

第1章 盾构法隧道施工概述 1

1.1 盾构法隧道发展背景 1

1.1.1 我国盾构法隧道发展 1

1.1.2 盾构法隧道施工原理 2

1.1.3 盾构法隧道工法特点 5

1.2 盾构法隧道施工方法 6

1.2.1 盾构机的基本功能 7

1.2.2 盾构施工流程 11

1.3 盾构施工与周边环境的相互作用 16

1.3.1 隧道施工对周边环境的影响 16

1.3.2 周边环境对盾构施工的约束 18

1.4 盾构法隧道施工控制技术 19

1.4.1 地面沉降控制 19

1.4.2 隧道轴线控制 19

1.4.3 特殊区段控制 21

1.5 本章 小结 22

参考文献 23

第2章 地下工程的岩土介质 24

2.1 岩土介质概述 24

2.1.1 土的生成与特性 25

2.1.2 土的组分构造 27

2.1.3 土的物性指标 32

2.1.4 岩土的工程分类 37

2.2 地下水和渗流 40

2.2.1 地下水概述 40

2.2.2 土的渗透性 41

2.2.3 地下水的渗流规律 43

2.2.4 地下水与隧道施工 45

2.3 土中应力计算 47

2.3.1 土中应力计算 47

2.3.2 有效应力原理 54

2.3.3 土的应力路径 56

2.3.4 土的侧向压力 58

2.4 土的强度 63

2.4.1 土的强度及其测定 63

2.4.2 土的破坏准则 67

2.4.3 黏性土的抗拉强度 70

2.5 土的固结和沉降 72

2.5.1 土的压缩性 72

2.5.2 地基沉降的计算 76

2.5.3 渗流固结 77

2.5.4 隧道的地面沉降 80

2.6 本章 小结 81

参考文献 82

第3章 地下工程的力学方法 84

3.1 岩土介质的本构关系 84

3.1.1 土的应力应变特性 85

3.1.2 弹性本构关系 87

3.1.3 塑性和弹塑性本构关系 90

3.1.4 黏弹性和黏弹塑性本构关系 96

3.1.5 损伤本构理论 99

3.1.6 岩土本构关系 102

3.2 解析方法 102

3.2.1 解析方法的控制方程 102

3.2.2 隧道开挖应力与位移解析解 103

3.2.3 隧道开挖引起地画沉降的解析解 107

3.2.4 解析法的应用 109

3.3 数值方法 111

3.3.1 有限元方法 111

3.3.2 有限差分法 113

3.3.3 离散元方法 115

3.3.4 其他数值计算方法 117

3.3.5 数值分析方法的应用 118

3.4 经验公式 122

3.4.1 Peck公式 122

3.4.2 Peck公式的发展 125

3.4.3 经验公式的隧道应用案例 127

3.5 试验方法 131

3.5.1 室内试验 131

3.5.2 现场试验 139

3.6 本章 小结 143

参考文献 144

第4章 盾构施工的力学分析 147

4.1 盾构施工的力学过程 147

4.1.1 刀盘前方土的开挖与支护 148

4.1.2 盾尾建筑空隙形成与填充 149

4.1.3 周围地层的固结重塑 150

4.2 盾构开挖面的稳定分析 150

4.2.1 开挖面稳定的力学原理 151

4.2.2 开挖面稳定的影响因素 152

4.2.3 开挖面稳定的研究现状 156

4.2.4 开挖面稳定的研究难点 157

4.3 盾尾建筑空隙的注浆填充 158

4.3.1 注浆填充的施工原理 158

4.3.2 注浆填充的影响因素 159

4.3.3 注浆填充的研究现状 161

4.3.4 注浆填充的研究难点 163

4.4 隧道周围土的重塑 166

4.4.1 土体重塑的为学原理 167

4.4.2 土体重塑的影响因素 167

4.4.3 土体重塑的研究现状 168

4.4.4 土体重塑的研究难点 169

4.5 本章 小结 171

参考文献 171

第5章 盾构法施工信息技术 173

5.1 盾构法施工的信息论基础 173

5.1.1 盾构法隧道施工信息的作用 173

5.1.2 盾构法隧道施工的信息研究 174

5.2 盾构机掘进信息的采集 175

5.2.1 盾构机掘进信息的内容 175

5.2.2 盾构开挖信息采集 175

5.2.3 盾构及管片姿态信息的采集 176

5.3 隧道及周边监测信息的采集 183

5.3.1 隧道及周边监测信息的内容 184

5.3.2 隧道及周边监测的常用手段 184

5.3.3 隧道及周边监测信息的采集 188

5.4 盾构施工的信息存储 194

5.4.1 盾构施工信息的特征 194

5.4.2 盾构施工信息的标准化 196

5.4.3 盾构施工管理数据库的设计 198

5.5 盾构法隧道施工的信息处理 199

5.5.1 盾构施工信息的统计 199

5.5.2 盾构施工信息的查询 199

5.5.3 盾构施工信息可视化 200

5.6 本章 小结 203

参考文献 203

第6章 地下工程控制论原理 204

6.1 地下工程控制论思想 204

6.1.1 地下工程的研究对象 204

6.1.2 地下工程的基本特点 206

6.1.3 地下工程的基本公设 208

6.1.4 地下工程的三种状态 209

6.1.5 地下工程中的控制论 210

6.1.6 地下工程的可观测性和能控制性 211

6.2 地下工程控制系统 213

6.2.1 控制系统的结构 214

6.2.2 控制系统的难点 215

6.3 地下工程的控制原则和手段 216

6.3.1 降低对岩土介质的扰动 216

6.3.2 提高岩土介质的稳定性 217

6.3.3 地下工程系统控制策略 217

6.4 本章 小结 219

参考文献 220

第7章 盾构施工过程的控制 221

7.1 盾构法隧道施工系统 221

7.1.1 施工系统的框架 221

7.1.2 施工系统信息流 223

7.1.3 施工系统的辨识 225

7.1.4 盾构法控制问题 226

7.2 土体强度的控制 227

7.2.1 土体强度控制原理 227

7.2.2 土体强度控制系统 228

7.2.3 土体强度控制策略 229

7.3 开挖面稳定控制问题 229

7.3.1 开挖面的控制原理 230

7.3.2 开挖面的控制系统 231

7.3.3 开挖面的控制策略 233

7.4 盾构尾部区域控制 235

7.4.1 注浆控制原理 236

7.4.2 注浆控制系统 237

7.4.3 注浆控制策略 238

7.5 盾构推进方向控制 239

7.5.1 推进方向的控制原理 239

7.5.2 盾构机轴线控制系统 241

7.5.3 方向和轴线控制策略 241

7.6 本章 小结 242

参考文献 243

第8章 盾构施工的智能控制 244

8.1 控制论与智能控制 244

8.1.1 控制论发展历程 244

8.1.2 智能控制思想和特点 246

8.2 专家系统和专家控制系统 247

8.2.1 基本原理 247

8.2.2 基于专家系统的周边环境预测控制 249

8.2.3 基于专家控制系统的盾构推进系统 253

8.2.4 应用和发展趋势 254

8.3 人工神经网络 256

8.3.1 基本原理 256

8.3.2 基于神经网络的地层变形预测 261

8.3.3 基于神经网络的盾构密封舱压力控制 264

8.3.4 应用与发展趋势 265

8.4 模糊控制 266

8.4.1 基本原理 266

8.4.2 盾构姿态的模糊控制 274

8.4.3 地面沉降的模糊控制 276

8.4.4 模糊控制应用和发展的趋势 278

8.5 遗传算法 279

8.5.1 基本原理 279

8.5.2 基于遗传算法的设定值优化 281

8.5.3 基于遗传算法的控制系统模型参数优化 283

8.5.4 遗传算法的应用与发展趋势 285

8.6 本章 小结 285

参考文献 286

第9章 盾构控制技术的发展 288

9.1 多层次盾构工程施工数据库 288

9.1.1 异构数据的集成原理 289

9.1.2 异构数据集成的关键技术 290

9.1.3 基于中间件数据库系统设计 292

9.1.4 隧道工程和试验联合数据库 293

9.2 智能控制算法发展与应用 294

9.2.1 基于基因表达式双圆盾构沉降研究 294

9.2.2 基于免疫多模型盾构推进控制研究 300

9.3 盾构机全自动控制技术发展 308

9.3.1 管片自动选型和拼装技术 309

9.3.2 盾构位姿的自动检测和控制 317

9.4 本章 小结 322

参考文献 322

第10章 力学和控制论的运用 324

10.1 力学和控制论的适用性分析 324

10.2 力学在盾构隧道施工中的运用 325

10.2.1 力学理论对盾构施工控制参数的指导 324

10.2.2 盾构隧道施工对地层的力学影响分析及应用 330

10.2.3 盾构近距离穿越建（构）筑物的力学分析及应用 333

10.3 控制论在盾构隧道施工中的运用 341

10.3.1 同步注浆控制系统功能介绍及系统实例 342

10.3.2 盾构隧道轴线控制系统功能介绍及系统实例 346

10.3.3 设备故障诊断系统功能介绍及系统实例 348

10.3.4 隧道工程智能控制系统及其应用 349

10.3.5 风险控制系统在盾构隧道施工中的应用 352

10.4 盾构隧道施工中的灾害防治 357

10.4.1 盾构隧道工程灾害分类 357

10.4.2 盾构穿越特殊地质水文条件的处理措施 358

10.4.3 盾构隧道施工灾害及应急处理 365

10.5 展望 374

10.5.1 力学和控制论的结合性发展和应用 374

10.5.2 对盾构法隧道工程灾害及其防治的再认识 375

10.5.3 盾构法隧道工程控制系统的全生命周期管理 376

参考文献 377

索引 379 2100433B