地铁盾构工程建设关键要点

地铁盾构工程建设关键要点江华中国矿业大学（北京）北京新开线路概况计划开工建设新机场线、3号线、12号线、17号线、19号线一期、7号线东延等6条线路，累计长度183公里。力争开工建设机场线西延、8号线三期南延、房山线北延等3条线路，累计长度10.4公里。2015年计划开工线路（保六争九）目录概述11盾构技术的基本原理12盾构工程常见问题分析3盾构工程典型恶性事故案例与分析4加强盾构工程建设管理的主要措施与建议51概述明挖法：其关键工序是围护结构施工，降水施工，土方开挖及防水工程等。矿山法：常用方法有台阶法、CD工法、CRD工法、双侧壁导坑法等。盾构法：集开挖、支护、排土为一体的机械自动化施工方法，目前最为快速的暗挖方法。明挖法1.1地铁盾构工程应用及发展概况：矿山法盾构法1.1地铁盾构工程应用及发展概况盾构工法起源于19世纪初，经过近200年的发展，已被世界各地广泛采用，其发展大致可分为4个阶段。1.1地铁盾构工程应用及发展概况我国自1950年开始将小型盾构运用于下水道工程，经过60多年的不断发展，盾构法至今已成为我国地铁隧道施工中一种重要的施工工法。60年代北京地铁盾构试验上海上中路隧道工程盾构直径达14.87m上海研制的具有自主知识产权的“先行号”盾构1.1地铁盾构工程应用及发展概况北京地铁：在建6号线、8号线二期、9号线、10号线二期、14号线大部分采用盾构法施工，目前共投入盾构约50余台，其中大部分为全新的盾构。线路区间总数盾构区间M62814M8（Ⅱ）2113M9136M10（Ⅱ）2419M143919合计125711.1地铁盾构工程应用及发展概况广州地铁：地铁线路建设过程中共采用了100多台盾构进行施工（截止至2010年初）。线路土压平衡盾构泥水平衡盾构M112M26-M3132M410-M5242M6141M3延长122观光线6-广佛线121合计98101.1地铁盾构工程应用及发展概况盾构隧道发展趋势：长距离化、大直径化。2008年北京地下直径线φ11.97m泥水平衡盾构2010年天津地下直径线φ11.97m泥水平衡盾构1.1地铁盾构工程应用及发展概况双圆盾构三圆盾构盾构隧道发展趋势：断面形式和功能多样化，机械化程度高。1.2盾构技术的优势对周围环境影响小：出土量控制容易，施工过程中对周围地层及建（构）筑物影响小；不影响地表交通、不影响商店营业、无经济损失；无需切断、搬迁地下管线等各种地下设置；对周围居民生活、出行影响小；空气、噪声、振动污染较小。下穿派出所下穿道路下穿桥梁下穿居民楼1.2盾构技术的优势适用地表环境及地层条件广：施工不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制；施工不受天气条件限制；适用地层广，软土、砂软土、软岩直到岩层均可适用。下穿河流下穿铁路穿越砂卵石占地面积较小，适于大深度、大地下水压施工，相对而言施工成本低。掘进速度快，有利于缩短工期，劳动强度相对较低。采用管片衬砌，洞壁完整美观，改善洞内劳动条件，减轻了体力劳动量。施工在盾壳的保护下进行，避免了人员伤亡，减少了安全事故。1.2盾构技术的优势盾构分体始发占用场地较小洞内劳动条件较好在盾壳保护下施工当前虽然土压平衡盾构和泥水平衡盾构技术得到了最大程度的普及和推广，但部分技术细节还有待进一步的分析研究、不断完善和改进。特殊工法问世时间较短，工程实际应用较少，适应性较差，很多施工技术有待优化。随着经济社会的发展，迫切的需要建造大直径盾构隧道来满足交通、下水道、共同沟等工程需求，所以大直径、长距离、高速等施工措施、施工设备的研发和成功应用也较为迫切。1.3盾构技术现存的缺点覆土较浅时，地表沉降控制较难。1.3盾构技术现存的缺点施工中的一些质量缺陷问题尚未得到有效解决，如管片错台、破损、渗水以及隧道轴线偏差等。1.3盾构技术现存的缺点我国地域广大、地层条件复杂，根据地质条件特点，可分为三大典型地质条件：以广州地区为主的风化岩及软硬复合地层；以上海地区为代表的软土地层；以北京地区为代表的砂层、砂卵石地层。1.4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题复合地层软土地层砂卵石地层广州地区：广州素有“地质博物馆”之称，地质条件十分复杂。广州地区复合地层最主要的特点是：（1）水文地质条件复杂；（2）断裂带影响较大；（3）黏土成分较高；（4）花岗岩及其球状风化影响较大；（5）岩层的成分、结构和构造差异性较大；（6）基岩单轴抗压强度（天然）差别较大。1.4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题广州地区：复合地层中盾构施工的主要特点：（1）经常变换盾构施工模式；（2）盾构的配置（如刀具）需要作出适当的调整；（3）采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化；（4）在围岩强度变化极其悬殊的地段及石英含量高或高强度硬岩地段等地层中掘进时，需要较频繁的更换刀具；（5）在某些特殊的复合地层可能需要一些辅助工法。1.4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题1.4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题广州地区：全风化岩层和强风化岩层组合刀具严重偏磨花岗岩中的球状风化问题第四系淤泥层或易液化的粉细砂层与其他地层组合淤泥质土层失水重新固结建构筑物沉降结泥饼第四系残积层为主与其他地层组合刀具严重磨损复合地层应注意的问题上海地区：上海是我国拥有盾构法隧道最多的城市；上海市政隧道大部分要通淤泥质黏土或淤泥质亚黏土，其承载力低，含水量高，灵敏度大，渗透系数小，为典型的软土地层。在修建地铁（直径6m左右的隧道）工程方面，上海的土质具有采用土压平衡盾构的天然条件。1.4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题北京地区：北京地区西部的粗大颗粒沉积物向东逐渐变为细小的颗粒沉积物，且地层互层现象十分明显。北京地区存在着3种典型地层：（1）砂砾石/砂卵石地层；（2）粉砂/细砂/中~粗砂地层；（3）粉土~粘土地层。1.4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题1.4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题北京地区：技术特点及要求在既有建、构筑物下穿越，地表沉降控制严格，施工精度要求高；隧道穿越砂卵石地层，刀具磨损严重，推力及扭矩大，控制开挖面土体平衡困难；城市残余水的影响较大;地下空洞众多;工程接口协调要求高。1.4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题北京地区：目前除地下直径线外，均采用土压平衡盾构进行施工。1粘土~粉土地层：粘性土的存在影响舱内土体的流塑性，应采取必要的土体改良措施。2砂层为主地层：刀具磨损会较严重，应加强土体改良。3砂砾石/砂卵石地层：推进阻力大；切削土体不易搅拌成可塑性体；土压平衡建立困难；石英砂含量大时刀具磨损大。1.5因地制宜选择盾构工法合理的盾构选型是保证盾构法安全施工的必要条件。盾构选型的基本原则为：开挖面稳定；地层的适应性；地下水处理；沉降；施工适宜性；安全性；辅助工法；环境及公害。1.5因地制宜选择盾构工法盾构选型以工程地质、水文地质为主要依据，综合考虑施工长度、地面及地下建/构筑物等环境条件，同时考虑工期、成本等因素，并参考国内外已有盾构工程实例及相关的技术规范等，对盾构及辅助设备的配置等进行研究。1.5因地制宜选择盾构工法区间隧道地层条件辅助工法适应性校核初步确定盾构类型类似地层工程经验其它制约条件设计参数环境条件工期要求经济条件其它条件综合对比比选敞开式、闭胸式盾构最终确定的盾构机型选择、设计功能部件确定主要技术参数盾构选型基本步骤1.5因地制宜选择盾构工法10-410-510-110-210-310-1010-910-810-710-611010-11卵石层粗砂砾层中细砂砾层粉细砾层粗砂层中砂层细砂层淤泥质粘土淤泥粘土10-12地层渗透系数m/s土压式、泥水式盾构土压式盾构泥水式盾构地质条件：包括隧道穿越地层的颗粒级配及粒度分布、抗压/抗拉强度、压缩性能、渗透系数、粘聚力、内摩擦角、孔隙水压，地下水情况（水位、流速、流向、有无侵蚀性）等。1.5因地制宜选择盾构工法土层稠指标与渗透系数及弃土体容重1.5因地制宜选择盾构工法环境条件：隧道埋深及上覆土层情况；地上及地下建/构筑物、地下管线分布情况及其结构特性，沿线河流、湖泊、海洋分布情况，沿线交通情况、施工场地条件，气候条件，水电供应情况等。设计参数：包括隧道长度、线形、坡度、隧道平纵断面及横断面形状及尺寸等参数。辅助工法隧道施工工程筹划及工期要求技术经济条件目录概述11盾构技术的基本原理12盾构工程常见问题分析3盾构工程典型恶性事故案例与分析4加强盾构工程建设管理的主要措施与建议52.1盾构的分类盾构的分类方法很多，目前较为普遍的是按盾构掘削面的挡土形式及加压稳定掘削面的形式相结合的方法对盾构进行分类。盾构全敞开式封闭式半敞开式土压式压气式挤压式机械式半机械式手掘式泥水式2.1盾构的分类手掘式半机械式机械式挤压式土压式泥水式2.1盾构的分类盾构封闭式敞开式适用于粘土、粉土、砂层、砂卵石地层施工占地小，环境污染小设备造价较低，辅助施工措施少，工程成本较低适用于含水砂层、砂卵石地层、砾石地层，高承压水地层施工占地规模大设备造价较高，泥水分离系统复杂，工程成本较高适用于自稳性好，无水砂卵石地层或岩层隧道内可采取超前加固等措施，施工方法灵活设备造价低，工程成本低泥水平衡土压平衡两种应用最广泛的主流机型2.2盾构技术的基本原理始发竖井到达竖井盾构盾构隧道2.2盾构技术的基本原理盾构到达盾构掘进组装调试整体筹划盾构解体吊出盾构始发2.2盾构技术的基本原理土压平衡盾构（EPB）：2.2盾构技术的基本原理泥水平衡盾构（SlurryShield）：2.2盾构技术的基本原理泥水平衡盾构（SlurryShield）：2.3盾构主要系统构成及其与TBM的区别盾构：用于土层或土岩混合地层中，即“软土盾构”。“TBM”国际隧道协会TBM：用于岩石地层中，即“硬岩TBM”。2.3盾构主要系统构成及其与TBM的区别盾构机械构造：开挖系统推进系统转弯装置排土装置注浆设备添加材注入装置盾尾密封装置其它2.3盾构主要系统构成及其与TBM的区别土压平衡盾构：2.3盾构主要系统构成及其与TBM的区别泥水平衡盾构：盾构掘进系统泥水加压和循环系统综合管理系统泥水分离处理系统同步注浆系统2.3盾构主要系统构成及其与TBM的区别TBM：主要破除岩石，布置的刀具主要为滚刀，采用皮带运输设备运送渣土。2.4国内常用日系盾构与德系盾构的比较新乡、大连等国外购置引进配件组装国产化发展目前国内盾构主要来源日本（石川岛、小松、奥村、日立等）德国（海瑞克）法国（法马通）沈重、中铁装备等主要为国外购置2.4国内常用日系盾构与德系盾构的比较项目日系盾构德系盾构刀盘驱动方式电机驱动液压驱动刀盘形式面板、辐条式主要为面板式刀盘开口率相对较大相对较小铰接形式主动铰接被动铰接同步注浆单液或双液浆单液浆造价相对较低相对较高目前国内购置的日系盾构与德系盾构的主要区别为：2.4国内常用日系盾构与德系盾构的比较日系盾构德系盾构2.4国内常用日系盾构与德系盾构的比较以北京在施地铁线路为例：使用日系盾构较多。线路日系盾构德系盾构国产盾构M6750M8（Ⅱ）542M9430M10（Ⅱ）1972M14100合计361942.5盾构工程建设的几个关键要求设备施工管理设备施工管理合理的盾构选型；盾构设备进场前进行适应性评估；盾构组装完毕后进行相关验收；穿越重大风险源前对盾构状态进行检查。对盾构关键施工环节，如始发、到达加强过程管控；加强对盾构施工参数的管控；应对施工中遇到的不良地质及障碍物。加强盾构设备及施工管理，严格执行国家规范，避免风险事件的发生。2.5盾构工程建设的几个关键要求土压管理盾构关键施工参数及辅助施工参数盾构施工关键环节盾构施工三个关键要素：1.保持开