盾构隧道工程

本书以我国城市轨道交通、铁路、公路、地下综合管廊等行业标准为依据,系统全面地介绍了国内外盾构隧道工程的发展、盾构隧道工程勘察、隧道结构设计、盾构机构造及工作原理、盾构机选型、盾构掘进与管片拼装、壁后注浆、盾构渣土改良及资源化再利用、盾构泥水处理、地层沉降及控制、运营管理与病害整治等内容。尤其是在盾构机选型、复杂地层盾构掘进、渣土改良、壁后注浆等方面介绍了一系列先进科研成果,并结合技术发展现状, 通过较多的典型工程案例进行了较为深入的介绍。

本书可以作为从事盾构隧道工程设计、施工和研究的专业技术人员的参考书，也可作为普通高等学校土木工程、城市地下空间工程等专业教材和参考书。

第1章 绪 论 / 1

1.1 概述 / 1

1.2 盾构机类型 / 2

1.3 盾构机的发展历史 / 4

 1.3.1 国外发展历史 / 4

 1.3.2 我国发展历史 / 9

1.4 盾构机的技术发展趋势 / 11

1.5 全书内容框架 / 16

思考题 / 17

参考文献 / 17

第2章 盾构隧道工程勘察设计 / 19

2.1 盾构隧道工程勘察的目的 / 19

2.2 盾构隧道工程勘察的内容和方法 / 19

 2.2.1 勘察内容 / 19

 2.2.2 主要勘测手段 / 23

 2.2.3 盾构隧道工程勘察成果及资料要求 / 26

2.3 工程地质条件评价 / 30

 2.3.1 工程地质评价内容 / 30

 2.3.2 常见地层对盾构施工的影响 / 31

2.4 盾构隧道断面与线形设计 / 33

 2.4.1 盾构隧道分类 / 33

 2.4.2 盾构隧道断面形状 / 34

 2.4.3 盾构隧道线形设计 / 35

2.5 补充勘察工程案例 / 39

 2.5.1 工程概况 / 39

 2.5.2 补充勘察目的 / 39

 2.5.3 勘察和溶洞处理验证及完成工作量 / 40

 2.5.4 工程地质条件 / 42

 2.5.5 水文地层条件 / 43

 2.5.6 溶洞处理试验方法和结果 / 44

 2.5.7 盾构施工建议 / 44

思考题 / 44

参考文献 / 45

第3章 盾构机构造与工作原理 / 46

3.1 盾构机组成 / 46

3.2 盾构机基本构造 / 47

 3.2.1 盾构机基本构造 / 47

 3.2.2 后配套系统 / 60

 3.2.3 盾构施工远程监控系统 / 61

3.3 盾构机主要工作原理 / 62

 3.3.1 土压平衡盾构 / 62

 3.3.2 泥水平衡盾构机 / 63

3.4 特殊盾构 / 64

思考题 / 66

参考文献 / 67

第4章 盾构机选型 / 68

4.1 盾构机选型要求、 原则与依据 / 68

 4.1.1 盾构机选型要求 / 68

 4.1.2 盾构机选型原则 / 69

 4.1.3 盾构机选型依据 / 69

4.2 盾构机类型选择 / 72

 4.2.1 盾构机选型影响因素 / 72

 4.2.2 两类盾构机适应性扩展 / 74

4.3 盾构机构造选型 / 76

 4.3.1 刀盘选型 / 76

 4.3.2 刀具选型 / 78

 4.3.3 盾构出渣系统选型 / 82

 4.3.4 其他主要配置选型 / 84

4.4 盾构选型新技术 / 88

 4.4.1 刀盘刀具设计与选型技术 / 88

 4.4.2 刀具新结构及新材料 / 90

 4.4.3 刀具状态检测技术 / 91

4.5 常见地层盾构选型实例 / 91

 4.5.1 上软下硬地层盾构选型——土压平衡盾构 / 91

 4.5.2 下穿水体盾构选型——泥水平衡盾构 / 100

思考题 / 105

参考文献 / 105

第5章 盾构隧道衬砌结构形式及设计 / 107

5.1 盾构隧道衬砌类型与材料 / 107

 5.1.1 盾构隧道衬砌结构类型 / 107

 5.1.2 装配式管片衬砌材料 / 110

5.2 管片的类型、 特征 / 112

 5.2.1 管片的分类方法 / 112

 5.2.2 不同断面形状管片的特征 / 113

 5.2.3 管片环的构造特征 / 115

5.3 管片接缝及防水 / 117

 5.3.1 管片连接形式 / 117

 5.3.2 管片环的接缝 / 122

 5.3.3 管片衬砌环组合形式 / 123

 5.3.4 管片衬砌防水 / 124

5.4 盾构隧道围岩压力计算 / 126

 5.4.1 荷载假定 / 126

 5.4.2 荷载计算方法 / 127

5.5 盾构管片内力计算 / 135

 5.5.1 盾构管片结构内力计算方法简介 / 135

 5.5.2 惯用及修正惯用计算法 / 136

 5.5.3 多铰接环计算方法 / 138

 5.5.4 弹性铰圆环计算方法 / 139

 5.5.5 梁-弹簧模型计算方法 / 141

 5.5.6 数值模拟计算方法 / 144

 5.5.7 管片内力计算工程案例 / 147

5.6 管片配筋与结构设计 / 154

 5.6.1 管片设计原则 / 154

 5.6.2 管片配筋计算 / 154

 5.6.3 接缝断面设计 / 155

 5.6.4 管片细节设计 / 155

5.7 盾构隧道联络通道设计 / 158

 5.7.1 联络通道设计原则 / 158

 5.7.2 联络通道设计要点 / 159

 5.7.3 联络通道结构形式 / 159

5.8 盾构隧道抗震设计 / 160

 5.8.1 地震系数法 / 161

 5.8.2 反应位移法 / 161

 5.8.3 围岩应变传递法 / 162

 5.8.4 地基抗力系数法 / 162

 5.8.5 动力有限元法 / 162

思考题 / 162

参考文献 / 163

第6章 盾构始发与接收 / 164

6.1 盾构工作井 / 165

 6.1.1 围护桩 / 165

 6.1.2 地下连续墙法 / 169

 6.1.3 沉井法 / 177

6.2 盾构隧道端头加固 / 180

 6.2.1 端头加固工法 / 180

 6.2.2 端头加固验算 / 190

 6.2.3 端头加固范围 / 196

 6.2.4 加固土体效果检查 / 200

 6.2.5 端头加固验算案例 / 201

6.3 盾构始发装置及技术控制 / 202

 6.3.1 盾构始发装置 / 202

 6.3.2 始发掘进控制 / 207

6.4 盾构接收装置及技术控制 / 215

 6.4.1 盾构接收装置 / 215

 6.4.2 接收控制 / 216

 6.4.3 盾构解体 / 216

6.5 特殊条件下盾构始发接收技术 / 217

 6.5.1 钢套筒辅助盾构始发接收技术 / 217

 6.5.2 叠线隧道接收技术 / 219

 6.5.3 盾构地表接收技术 / 220

 6.5.4 过站技术 / 222

 6.5.5 空推接收技术 / 224

思考题 / 225

参考文献 / 225

第7章 盾构掘进与管片拼装 / 228

7.1 土压平衡盾构掘进 / 228

 7.1.1 掘进参数的计算与选取 / 228

 7.1.2 土压平衡盾构平衡控制 / 234

 7.1.3 掘进模式的选择 / 237

7.2 泥水平衡盾构掘进 / 238

 7.2.1 掘进时切口泥水仓压力管理 / 238

 7.2.2 掘土量管理 / 239

7.3 管片运输与拼装 / 241

 7.3.1 管片的存储与运输 / 241

 7.3.2 管片拼装作业 / 241

 7.3.3 管片排版 / 243

 7.3.4 管片拼装误差及其控制 / 247

7.4 盾构开仓换刀 / 249

 7.4.1 开仓换刀原因 / 249

 7.4.2 开仓换刀方法 / 249

 7.4.3 开仓换刀工艺 / 250

7.5 联络通道施工 / 252

 7.5.1 联络通道的功能 / 252

 7.5.2 联络通道的施工方法 / 252

7.6 监控量测 / 254

 7.6.1 隧道环境监控量测 / 255

 7.6.2 隧道结构监控量测 / 259

7.7 特殊条件下盾构施工技术及实例 / 260

 7.7.1 盾构法施工常见特殊条件 / 260

 7.7.2 上软下硬地层盾构隧道施工 / 261

 7.7.3 砂卵石地层盾构隧道施工 / 263

 7.7.4 穿越基岩、 孤石等障碍物盾构隧道施工 / 266

 7.7.5 溶洞地层盾构隧道施工 / 268

 7.7.6 瓦斯地层盾构隧道施工 / 270

 7.7.7 小间距并行盾构隧道施工 / 272

 7.7.8 小半径曲线盾构隧道施工 / 275

 7.7.9 下穿既有建（构）筑物的盾构隧道施工 / 278

思考题 / 281

参考文献 / 282

第8章 盾构壁后注浆 / 283

8.1 壁后注浆的目的及分类 / 283

 8.1.1 盾构壁后注浆的目的 / 283

 8.1.2 盾构壁后注浆的分类 / 284

8.2 壁后注浆材料及性能需求 / 285

 8.2.1 壁后注浆材料及其适用性 / 285

 8.2.2 壁后注浆材料性能指标 / 288

 8.2.3 壁后注浆材料基本性能测试 / 288

 8.2.4 典型盾构工程注浆材料配合比 / 289

8.3 壁后注浆常用设备 / 290

 8.3.1 拌浆设备 / 290

 8.3.2 注入设备 / 291

 8.3.3 控制系统 / 293

 8.3.4 注意事项 / 295

8.4 盾构壁后注浆施工与控制 / 295

 8.4.1 壁后注浆工艺参数控制 / 295

 8.4.2 注浆施工组织与管理 / 296

 8.4.3 管片壁后注浆效果评价 / 298

 8.4.4 常见问题及解决措施 / 299

8.5 盾构壁后注浆过程优化技术与案例应用 / 299

 8.5.1 最优配合比求解 / 299

 8.5.2 案例应用 / 300

思考题 / 303

参考文献 / 303

第9章 盾构渣土改良及资源化再利用 / 305

9.1 渣土改良的原因 / 305

9.2 盾构渣土特性 / 307

 9.2.1 渣土的组成 / 307

 9.2.2 渣土的物理力学性质 / 308

9.3 渣土改良剂的类型和技术参数 / 309

 9.3.1 渣土改良剂的类型 / 309

 9.3.2 渣土改良技术参数及确定 / 311

 9.3.3 渣土改良剂地层适应性 / 313

9.4 渣土改良装置 / 314

 9.4.1 泡沫注入系统 / 314

 9.4.2 黏土矿物类注入系统 / 315

 9.4.3 分散剂、 絮凝剂注入系统 / 315

9.5 渣土改良评价指标及确定方法 / 316

 9.5.1 塑流性 / 316

 9.5.2 渗透性 / 318

 9.5.3 磨损性 / 318

 9.5.4 黏附性 / 319

 9.5.5 抗剪强度 / 322

 9.5.6 压缩性 / 324

 9.5.7 盾构掘进参数 / 324

 9.5.8 盾构渣土评价方法总结 / 325

9.6 渣土改良下盾构掘进及地层响应 / 327

 9.6.1 改良渣土力学行为仿真 / 327

 9.6.2 渣土改良下盾构掘进参数和地层响应 / 328

9.7 盾构渣土资源化再利用 / 328

 9.7.1 再利用的意义 / 328

 9.7.2 渣土资源化再利用方式及案例 / 328

9.8 盾构掘进渣土改良实例 / 332

 9.8.1 工程概况 / 332

 9.8.2 改良剂选型 / 333

 9.8.3 改良参数确定 / 334

 9.8.4 盾构渣土改良参数 / 336

 9.8.5 渣土改良效果分析 / 336

9.9 盾构渣土改良技术问题 / 338

思考题 / 339

参考文献 / 340

第10章 泥水平衡盾构泥浆处置 / 343

10.1 概述 / 343

10.2 泥水平衡盾构掘进泥浆 / 344

 10.2.1 掘进泥浆的作用 / 344

 10.2.2 掘进泥浆的组成 / 345

 10.2.3 掘进泥浆性能及指标 / 346

 10.2.4 掘进泥浆性能要求 / 347

10.3 泥浆处理场地布置及设备 / 348

 10.3.1 泥浆处理场地布置 / 348

 10.3.2 泥浆处理设备 / 349

10.4 盾构废弃泥浆再利用研究 / 354

 10.4.1 废弃泥浆在壁后注浆中的再利用 / 354

 10.4.2 废弃泥浆在路基工程中的再利用 / 355

 10.4.3 废弃泥浆在填海料中的再利用 / 356

10.5 盾构泥浆处理典型实例分析 / 357

 10.5.1 工程概况 / 357

 10.5.2 工程地质 / 357

 10.5.3 泥浆处置 / 358

 10.5.4 现场泥浆处理效果 / 360

思考题 / 361

参考文献 / 361

第11章 盾构隧道施工环境影响及控制 / 362

11.1 盾构隧道施工地层变形 / 362

11.2 盾构隧道施工地层损失 / 363

 11.2.1 盾构施工地层损失概念与组成 / 363

 11.2.2 盾构施工地层损失率计算方法 / 364

 11.2.3 计算案例 / 368

11.3 盾构施工地层位移预测方法 / 370

 11.3.1 经验公式法 / 370

 11.3.2 随机介质理论方法 / 373

 11.3.3 解析法 / 377

 11.3.4 数值模拟分析方法 / 382

 11.3.5 模型实验法 / 383

 11.3.6 其他方法 / 383

11.4 盾构隧道施工对既有建（构）筑物的影响评价 / 384

 11.4.1 盾构施工对建（构）筑物影响的表现形式 / 385

 11.4.2 建（构）筑物变形损坏的评价方法 / 386

11.5 盾构隧道施工地层变形控制常见方法 / 391

 11.5.1 地层变形控制常见方法 / 391

 11.5.2 盾构掘进参数控制方法 / 392

 11.5.3 地层加固方法 / 394

思考题 / 395

参考文献 / 395

第12章 盾构隧道结构病害及整治 / 398

12.1 盾构隧道衬砌结构常见病害成因及防控 / 398

 12.1.1 管片环缝不齐整 / 398

 12.1.2 管片纵缝不齐整 / 399

 12.1.3 管片裂缝 / 399

 12.1.4 管片错台 / 403

 12.1.5 管片接头损坏 / 404

 12.1.6 管片渗漏水 / 404

 12.1.7 管片腐蚀 / 405

 12.1.8 管片冻害 / 405

12.2 盾构管片衬砌结构病害调查 / 406

 12.2.1 病害调查目的 / 406

 12.2.2 主要病害检测方法 / 406

12.3 盾构隧道结构安全评价 / 408

 12.3.1 盾构隧道衬砌结构的安全监测 / 408

 12.3.2 盾构隧道衬砌结构安全评价内容 / 409

 12.3.3 盾构隧道衬砌结构典型病害分级标准 / 409

12.4 盾构隧道结构病害整治方法 / 412

 12.4.1 管片衬砌病害的整治原则 / 412

 12.4.2 衬砌裂损整治 / 412

 12.4.3 管片漏水整治 / 413

 12.4.4 管片衬砌腐蚀整治 / 414

 12.4.5 管片结构耐久性保障技术展望 / 414

思考题 / 414

参考文献 / 414