现代施工技术(12)---隧道盾构法施工技术

地铁隧道盾构法施工技术•明挖法•矿山法•新奥法•盾构法•沉管法概述城市地铁的特点地铁隧道的几种施工方法盾构法隧道基本原理盾构法隧道的基本原理是用一特制的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体，向前推进的同时把开挖出来的土用专门的设备将其送到地面。这个钢质组件在隧道衬砌建成前，主要起防止隧洞内土体坍塌和承受来自地层的压力、以及保证作业人员与机械设备安全的作用，这个钢质组件被称为盾构（机）；盾构的另一作用是防止地下水的入侵。土压平衡式盾构法施工概貌盾构法施工的优缺点优点缺点一、国内外盾构法施工技术的发展与应用情况二、盾构机简介•盾构机类型•盾构机的选型•盾构机的组成三、地铁隧道盾构法施工工艺（一）主要施工工艺过程（二）掘进技术一、国内外盾构法施工技术的发展与应用情况国外盾构法施工技术的发展•1818年英国工程师布鲁诺在蛀虫钻孔现象的启示下发明盾构机的雏形。•1825年～1843年完成了全长458m的第一条盾构法隧道。•1874年格雷塞德较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，并且首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中注浆的施工方法，为盾构法发展起了巨大的推动作用。国外盾构法施工技术的发展•二十世纪初，盾构施工法已在美、英、德、苏、法等国家开始推广，并广泛应用于修建水下公路隧道、地下铁道、水工隧道及小断面市政隧道等工程。•二十世纪60年代初期，英国、日本和德国先后开发了泥水加压盾构施工工艺。•1974年在日本首先研究开发了一台直径3.72m的土压平衡盾构，在含水砂层中修建隧道取得成功。70年代后，土压平衡盾构技术日趋完善，并得到广泛应用，成为现代化城市暗挖隧道施工的一个主要施工方法。国内盾构法施工技术应用状况•1956年首先在东北阜新煤矿用直径2.6m的盾构机及小型混凝土预制块修建疏水巷道。•上海自二十世纪60年代开始研究用盾构法修建黄浦江江底隧道及地下铁道试验段。•1967年至1969年，采用直径10m的盾构机及单层钢筋混凝土管片建成了上海第一条黄浦江越江道路隧道。•二十世纪80年代后期，上海地铁一号线开始应用盾构技术修建地铁隧道。•上海地铁2号线、4号线、5号线、6号线等建设中大量使用盾构工法，为我国的盾构施工积累了丰富的资料，奠定了我国盾构施工技术的基础。国内盾构法施工技术应用状况•1999年，北京地铁5号线首次使用盾构法，尔后，在建的北京地铁5号线、4号线、10号线施工中，投入的盾构机达17台，盾构法施工的区间段长度约为暗挖施工区间长度的50%。•南京地铁自2001年7月开始先后在南北线一期工程中的三个标段采用了盾构法施工。•深圳地铁自2001年6月初开始使用盾构法，在深圳地铁一期工程的罗湖～国贸等五个区间采用盾构法。国内盾构法施工技术的发展•天津地铁二号线于2003年9月开始首次引入盾构法修建地铁区间隧道，并在三个区间采用了盾构法施工。•1995年，广州地铁一号线开始使用，并逐渐在二、三线中开始大量采用，且以土压平衡盾构为主。二、盾构机•类型•选型•组成•盾构机生产盾构机根据其断面形状可分为单圆,复圆和非圆盾构。其中复圆盾构可分为双圆和三圆盾构。非圆盾构可分为椭圆形、矩形、马蹄形和半圆形盾构。盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同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、土压平衡支护式等类型。盾构机按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞开式、半敞开式及密封式三种，如下图。盾构机类型按照盾构机隔板构造分类目前常用的两种盾构机土压平衡式盾构机泥水平衡式盾构机盾构机的选型★不同支撑类型的盾构机对土体介质的适应情况不同，正确选择盾构机是隧道施工成败的关键。盾构机的选型依据•土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等参数）•开挖面稳定（自立性能）•隧道埋深、地下水•隧道的断面•环境条件（沿线建筑物、管线等情况）•衬砌类型•工期•其他条件（如设计路线、线型、坡度以及辅助工法等）盾构机的组成•盾体（前体、中体及后体三部分组成，又称切口环、支承环和盾尾）•刀盘与刀具•螺旋输送机•推进千斤顶•管片安装器•注浆系统•后配套拖车•激光导向系统项目名称技术参数备注整机设备总长75000mm盾壳长度7500mm总重530t盾体外径6250mm总长度7565mm前体+中体：4280mm盾尾外露部分：3285mm重量92t前体95t中体40t盾尾土压传感器7土仓5个，螺旋机2个盾尾密封形式三排钢丝刷型前体（正面）土仓搅拌棒检修孔前体（背面）中体（支撑环）推进千斤顶铰接千斤顶后体（盾尾）盾尾密封盾尾密封原理管片盾尾密封1盾尾密封2盾尾密封3盾尾密封油脂注浆盾尾密封图单块盾尾钢丝刷焊接好的盾尾钢丝刷刀盘与刀具滚刀刮刀刀盘开口螺旋输送机螺旋输送机螺旋输送机螺旋轴管片拼装器管片安装器后配套拖车拖车号主要安装设备1又名桥架，主要连接后拖车和盾体，前端由油缸连接在管片安装器上2控制室，注浆泵，砂浆罐，小配电柜，两台监视器等3主驱动系统液压站（含油箱，冷却站），膨润土注射泵，膨润土罐等4主配电柜，泡沫泵及泡沫箱，三个油脂注射装置等5两台电动空压机，主变压器，水管卷筒等6风筒，电缆卷筒盾构机制造国外厂商：德国海瑞克、维尔特意大利拉瓦特日本三菱、小松公司法国FCB、FMT国内厂商：上海隧道股份公司、沪东造船厂、江南造船厂广州重型机器厂造价及使用寿命：德国土压平衡盾构机造价:6000万人民币/台，使用寿命约为6～10km；日本产盾构机约为：4000万人民币/台，使用寿命约为4～6km。三、地铁隧道盾构法施工工艺（一）主要施工工艺过程主要施工步骤(1)在隧道的起始端和终端各建一个工作井；(2)盾构机在起始端工作井内安装就位；(3)依靠盾构机千斤顶推力（作用在已经安装好的衬砌环或工作井后壁或支撑结构）将盾构从起始工作井的围护结构开孔处推出；(4)盾构机在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装隧道的衬砌管片；(5)及时地向衬砌的管片背面与隧道土壁之间的空隙内注浆，以便固定衬砌环位置和防止隧道的土壁坍塌；(6)盾构机进入终端接收井并拆除，如施工需要，也可以穿越工作井（或车站结构）再向前推进或调头后再推进。1、施工总体顺序框图否是盾构机是否过站或调头始发端头加固盾构机下井盾构机就位检测、调试出洞段掘进正常掘进进洞段掘进盾构机过站（调头）过站（调头）后二次始发出洞段掘进正常掘进进洞段掘进盾构机解体、吊出及外运始发架安装、洞内准备反力架安装洞门围护结构凿除洞门围护结构凿除洞门密封安装盾构接收架安装洞门密封安装2下井及始发井下始发后配套车架电瓶拖车①④③②⑤⑥盾构机组装按图中标志序号进行按序组装1、电瓶拖车2、管片车3、管片车4、5#拖车5、4#拖车6、3#拖车7、2#拖车8、1#拖车9、连接桥10、螺旋输送机11、盾尾12、中体13、前体14、刀盘15、反力架螺旋输送机始发座车站衬墙250t履带吊车掘进方向刀盘⑦⑧⑨⑩⒂(14)中体后体⑾前体⑿⒀反力架刀盘⒁铺钢板始发井平面尺寸不小于7.5m×11.5m，井下始发结构长度不小于80m。地面始发拖车3～拖车6电瓶拖车拖车二拖车一铺钢板⒁刀盘反力架⒀⑿前体⑾后体中体(14)⒂⑩⑨⑧刀盘掘进方向250t履带吊车车站衬墙始发架螺旋输送机盾构机组装按图中标志序号进行按序组装1、电瓶拖车2、管片车3、管片车4、5#拖车5、4#拖车6、3#拖车7、2#拖车8、1#拖车9、连接桥10、螺旋输送机11、盾尾12、中体13、前体14、刀盘15、反力架④⑤⑥⑦①③②小于80m始发架中体下井始发架前体下井中体前体后体下井与中体连接螺旋输送机安装螺旋输送机刀盘下井安装123洞门凿除与洞门密封安装洞门密封洞门盾构始发（俯视）盾体负环管片：需在掘进100m左右拆除反力架在盾构组装调试完毕、反力架安装加固完毕、洞门凿除与洞门密封安装完毕后，即可进行始发。反力架盾构始发（平视）3掘进•开挖面稳定：依靠土仓土压与开挖面的土压、水压相平衡。出土方法刀盘开挖→土体进入土仓→螺旋输送机输送至皮带输送机→碴土车→运至井口→龙门吊吊至碴土池碴土斗龙门吊•防水•盾尾密封•铰接密封•主轴承密封•螺旋输送机闸门土仓闸门隧道通风、管线布置走道板进水管通风管出水管（循环）排污管高压电缆运输轨道4.管片安装•管片在预制厂预制，待检验合格后运至施工现场。•隧道内径为5.4m，管片为单层装配式衬砌，管片厚度300mm，宽度1.5m，分块数为6块，即1块封顶块（K块），2块邻接块（B、C块），3块标准块（A1、A2、A3块）。•管片之间及衬砌环间的连接方式：按力学特性可分为刚性连接及柔性连接（使用较多）。•柔性连接分为：弯螺栓连接（使用较多）、直螺栓连接、斜螺栓连接和榫槽加销轴。•衬砌环有楔形衬砌环（左转弯环、右转弯环）与直线衬砌环，拼装方式有通缝拼装和错缝拼装（一般均为）。一般仅在联络通道处使用盾尾中体前体支撑座刀盘盾构机主机撑板顶升油缸滚子钢板5盾构机过站注：盾体过站利用托架承载平移，外置千斤顶推进；后配套过站用卷扬机整体牵拉。6盾构机破洞（二）掘进技术1.掘进模式选取土压平衡掘进模式：土层、全风化、易坍塌的淤泥质等软弱地层以及断裂破碎带敞开式：能够自稳、地下水少的地层半敞开式：具有一定自稳能力和地下水压力不太高的地层，砂质土层不适宜掘进模式的选取还应结合具体的地面建筑物、管线等地表环境2.盾构机掘进方向控制激光导向系统与人工复测相结合。采用分区操作盾构机推进油缸控制掘进方向①在直线平面段掘进时，则应尽量使所有油缸的行程保持一致，推力下部比上部大一些。②在上坡段掘进时，与直线段相比，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时，适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，适当加大右侧油缸的推力；在右转弯曲线段掘进时，则适当加大左侧油缸的推力。③在岩土质无变化的地质条件下，保持所有油缸的推力和速度；在软硬不均的地层中，则根据不同地层的岩土特性及分布情况，遵循硬地层一侧推进油缸的推力适当加大，软地层一侧适当减小，减小推进速度，适当加大刀盘转速的原则操作。盾构机姿态的调整主要利用推进千斤顶进行，在纠偏困难的情况下利用超挖刀及铰接千斤顶。激光导向系统管片黄盒子后视靶激光经纬仪控制盒盾构控制室计算机显示器激光靶盾构机3土仓压力控制•土压设定值可按照土力学进行初步计算。•通过调整推进千斤顶推进速度和螺旋输送机转速控制土仓土压。•土仓内壁安装有土压传感器，可反映土仓内的土压。•根据地表监测反馈结果及时调整土仓土压。4注浆技术•注浆目的：尽早的充填环型间隙使管片尽早支撑地层，防止地面变形过大危及周围环境安全，作为隧道外防水层和结构加强层。•注浆包括同步注浆和二次注浆。同步注浆通过盾构机注浆系统注入。二次注浆作为同步注浆的补充，通过管片中部的注浆孔注入。•同步注浆材料为：水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水、外加剂及水。•二次注浆一般为水泥－水玻璃双液浆。同步注浆浆体要求•①具有能充分填满间隙的流动性;•②注入后必须在规定时间能充分硬化;•③保证衬砌与周围土体的共同作用，减少地层移动;•④具有一定的强度，以满足抗震要求;•⑤产生的体积收缩小;•⑥受到地下水衡释不易引起材料的离析等。•同步注浆压力一般为1.1～1.2倍的静止土压力（0.2～0.4MPa）。若同步注浆压力过大则易引起地表有害隆起或破坏管片衬砌，损害盾尾密封。•注浆量为130～180％的理论注浆量。•同步注浆、二次注浆的具体配比、压力控制等通过现场试验确定。5刀具检查更换•刀具分三种：滚刀、齿刀和刮刀。•刀具的检查可分定期与不定期检查两种。在盾构机需要穿越江河、断裂带、砂层等地段前，一般需要提前对刀盘刀具进行全面的检查，尽量避免在不良地质中检查更换刀具。•换刀原则：在稳定地层，可全部拆下，再统一换上；不稳定地层，则拆下一把换完后，再换另一把。•换刀频率：定期换刀可按全风化以下地层每掘进300m检查刀具的磨损情况，并换刀；中风化及微风化地层，每100m检查和换刀一次。不定期换刀是根据地层及推进速度来考虑。•换刀具步骤：主要步骤为停止掘进、进入土仓、检查刀具并作记录