马蹄形盾构设计与施工

马蹄形盾构隧道设计与施工主讲人：申志军（教高）蒙西华中铁路股份有限公司2016年12月内容提纲一、问题的提出二、马蹄形盾构比选三、盾构管片设计与预制四、隧道施工五、关键技术和需研究的问题初期支护二次衬砌仰拱填充初期支护≤2D初期支护二次衬砌仰拱填充上台阶中台阶下台阶核心土预留核心土法三台阶开挖法一、问题的提出1.土质山岭隧道施工方法一、问题的提出1.土质山岭隧道施工方法-超前加固一、问题的提出1.土质山岭隧道施工方法-施工机械2、存在的风险安全风险大施工质量差施工进度慢作业环境差机械化程度低隧道塌方软岩大变形拱顶开裂大量施工粉尘洞壁开裂一、问题的提出不同断面的盾构单圆盾构多圆盾构非圆盾构椭圆形盾构矩形盾构马蹄形盾构一、问题的提出3、盾构工法-分类一、问题的提出3、盾构工法-单圆盾构一、问题的提出双圆盾构三圆盾构3、盾构工法-多圆盾构一、问题的提出3、盾构工法-非圆盾构相比于单圆盾构隧道，异形盾构隧道（多圆盾构隧道和非圆盾构隧道）具有断面利用率高、工程造价低的优点。矩形盾构马蹄形盾构椭圆形盾构二、马蹄形盾构方案比选1、依托工程-白城隧道白城隧道位于陕西省靖边县内，隧道全长3345m，为时速120km单洞双线电气化重载煤运铁路隧道，隧道最大埋深为81m。1、依托工程-白城隧道二、马蹄形盾构方案比选白城隧道主要穿越地层以粉砂、细砂、砂质新黄土为主，细颗粒含量足够，天然含水量较低，弱透水。2、工程特点二、马蹄形盾构方案比选（1）隧道进出口浅埋段较长，浅埋段为松散的粉细沙地层，不能自稳，容易发生流砂及坍塌。（2）隧道穿越的第四系上更新统砂质新黄土具湿陷性，隧道洞身部分地段位湿陷深度以内，需进行基底处理。二、马蹄形盾构方案比选（3）白城隧道下穿包茂高速、天然气管及供水管段，沉降控制要求高，盾构穿越施工风险存在。二、马蹄形盾构方案比选对比指标矿山法盾构法对比结果安全1、隧道进出口浅埋段为松散的粉细沙地层，不能自稳，容易发生流砂及坍塌。2、洞身砂质新黄土，地层松散，掌子面不易稳定，易坍塌。3.下穿包茂高速、天然气管及供水管段地表沉降不易控制，易导致地表开裂，气管水管开裂等不利影响。且地方交通厅对于穿越包茂高速要求地表设置桥梁跨越。盾构施工具有保压系统和注浆系统，不会出现无支护状态，下穿高速公路、天然气管及供水管可能造成管线及路面变形，出现管线或路面破裂概率很小。盾构法更安全质量1、隧道施工中可能产生超欠挖，二衬混凝土振捣不密实、拱顶填充不密实等质量通病。2、防水板铺设不规范及施工缝处理不到位，易造成隧道渗漏。1、盾构施工采用专业的装备和专业化队伍，盾构管片采用工厂预制法生产，作业更规范、监管更容易，但管片拼装过程可能局部出现错台和破损现象。2、管片接缝采用成熟的防水橡胶，根据地铁隧道对比管片砌块式衬砌防渗效果明显优于复合衬砌。盾构法质量更高环保需要进行土方开挖及喷射混凝土作业，内燃机械洞内作业，粉尘、废气大，施工环境差。采用电动机械密闭施工，基本无粉尘、废气产生。盾构法环保更好工期能满足工期要求。能满足工期要求。均等投资掌子面施工稳定时，投资较低。投资较高，采用成本利润法，总投资较矿山法约高出15%。盾构法投资稍高二、马蹄形盾构方案比选3、施工工法对比4、盾构选型白城隧道主要穿越地层以粉砂、细砂、砂质新黄土为主，细颗粒含量足够，天然含水量较低，弱透水。隧道黄土地基承载力为180kPa，盾构机主机重量与盾体投影面积比值（40kPa）小于该数值，能够保证主机掘进过程中不会下沉。采用土压平衡盾构机掘进时，易于获得流塑性良好的渣土，建立土仓的平衡压力，掘进时能够有效控制地表沉降。并且黄土地层土压平衡盾构施工已经有成功经验，投资要低于泥水平衡盾构。综上所述，本隧道工程应采用土压平衡盾构。二、马蹄形盾构方案比选项目轨面以上有效净空面积轨面以下有效净空面积全部净空面积无砟马蹄形盾构66.115.181.2圆形盾构6919.388.3二、马蹄形盾构方案比选采用马蹄形断面较圆形断面内轮廓可减少约7.1m³，减少部位为圆形断面仰拱底部混凝土仰拱填充，马蹄形断面可显著减少传统盾构的仰拱底部混凝土圬工方，节省工程投资，推荐采用马蹄形盾构断面形式。4、盾构选型二、马蹄形盾构方案比选4、盾构选型世界首台马蹄形盾构工厂组装整机图2016年7月17日，马蹄形盾构在中铁装备国家TBM产业化基地成功下线。二、马蹄形盾构方案比选盾构外轮廓高10950mm、宽11900mm；最大推进速度60mm/min；最大推力13948t；采用液压驱动；开挖面设置刀盘9个；单个刀盘最大驱动扭矩3044kn/m；装机总功率3726kw。二、马蹄形盾构方案比选5、马蹄形盾构基本设计参数①整机长度118m，整机重量1600t。②采用双螺旋输送机出土，连续皮带机运渣，仰拱栈桥同步进行仰供填充。③马蹄形盾构体现的不仅仅是断面、外观上的变化，更反映工法、技术上的革新，它能够最大程度增加空间利用率。开启了黄土隧道开挖新模式。二、马蹄形盾构方案比选6、马蹄形盾构设计概况世界首台马蹄形盾构现场组装图二、马蹄形盾构方案比选世界首台马蹄形盾构现场组装图二、马蹄形盾构方案比选世界首台马蹄形盾构组装完成内部图二、马蹄形盾构方案比选三、隧道盾构管片设计与预制1.管片设计情况白城隧道断面为3种半径4个圆形，管片设计为马蹄形断面，设计宽度1600mm，厚度500mm，整环管片分为7片+1片=8片，成环尺寸高度10590mm、宽度11540mm，管片设置奇偶环，无楔形量，采取错缝拼装，单片管片最重10t，管片混凝土等级C50，抗渗等级P10。1.管片设计情况管片连接采用螺栓连接，环向44颗RD30螺栓，纵向16颗RD36螺栓，机械性能等级8.8级。根据隧道埋深管片分为浅埋、中埋、深埋管片。管片生产共使用模具4套，8环/天产量。管片采取固定生产方式，养护模式采取蒸汽养护及水池养护。白城隧道共计需要1902环。三、隧道盾构管片设计与预制1.管片设计情况断面位置最大弯矩（kN·m）最大弯矩处轴力（kN）配筋（每环）裂缝（mm）超浅埋管片内侧594.01998.48Φ22+4Φ20+2Φ180.16管片外侧673.52617.614Φ200.185浅埋管片内侧647.22816.08Φ22+6Φ200.13管片外侧842.53504.08Φ25+6Φ220.182中埋管片内侧922.94094.48Φ28+4Φ25+2Φ220.164管片外侧1133.05092.814Φ280.189深埋管片内侧622.82628.88Φ22+2Φ20+4Φ180.147管片外侧803.33289.66Φ25+8Φ220.190三、隧道盾构管片设计与预制2.管片预制5月8日开始预制，受天气及场地条件限制管片预制于11月13日停止本年生产，截至目前已经生产管片966环，管片剩余936环。现场贮备量满足明年管片预制复工前掘进使用量。三、隧道盾构管片设计与预制管片钢筋笼制作三、隧道盾构管片设计与预制管片混凝土浇筑三、隧道盾构管片设计与预制管片水池养护三、隧道盾构管片设计与预制四、隧道施工1.盾构掘进白城隧道马蹄形盾构于2016年7月17日在国家TBM产业化中心下线，2016年10月20日首环负环拼装，2016年11月11日举行始发仪式，目前已经掘进51环，合计81.6m。本项目前100环定为始发段，始发段主要是设备、人员磨合、掘进参数及工序组织优化阶段，目前已经初步掌握地层特点及适合地层的掘进参数，单日最高进度4环（6.4m），后期进度基本能保证日均6环（9.6m）。马蹄形盾构首环成功拼装四、隧道施工掘进参数控制四、隧道施工马蹄形盾构掘进出土情况四、隧道施工隧道内碴土运输连续皮带机四、隧道施工洞外碴土运输系统转载皮带机弃土场连续皮带机四、隧道施工管片拼装完成后成型隧道四、隧道施工2.进度计划（1）2016年11月1日～30日，月掘进64米；（2）2016年12月～2017年1月，月掘进240米；（3）2017年2月～2017年9月，月掘进300米；（4）2017年10月，月掘进160米；（5）2017年11月，接收准备、隧道贯通。在盾构掘进期间可进行仰拱可填充、电缆沟槽施工、部分附属工程施工，沉降观测期内施工完成出口明洞。四、隧道施工五、关键技术与研究的问题1、关键技术①大断面马蹄形盾构多刀盘联合分步开挖技术②多马达平衡负载协同驱动技术③大断面马蹄形盾构管片拼装技术④黄土地层大断面马蹄形盾构复合式渣土改良技术⑥大断面马蹄形盾构管片分块与接头设计技术⑦大断面马蹄形盾构防滚纠偏技术⑧大断面马蹄形盾构机在线监测与施工控制技术2、进一步研究的问题1.大断面马蹄形盾构机技术集成与制造2.大断面马蹄形盾构隧道管片设计3.大断面马蹄形盾构施工技术4.盾构机在线监测技术五、关键技术与研究的问题目前已经开始的科研内容为管片钢筋应力监测仪器的埋设，共计15环，已经完成12环。五、科研创新汇报完毕，谢谢大家！汇报完毕，谢谢大家！