地铁盾构隧道施工技术的理论与实践

盾构隧道施工技术的理论与实践盾构施工技术1、盾构机简介2、盾构机的选型3、盾构机始发4、盾构机掘进5、盾构施工管理新建隧道与地下工程开挖方法预测分析盾构法将成为21世纪中国隧道施工的主要方法之一。中国面对平均每年290公里需要开挖的各类隧道（岩石中、土层中、海底中等），隧道掘进机法（TBM、盾构法和顶管法）、钻爆法、沉管法和浅埋暗挖法等都会在实际工程中使用，但当工程对经济效益和生态环境有重大影响而掘进工作面又受限制的情况下，面对速度、环保、效益等这些问题，盾构将成为人们的首选。盾构机在国内的应用前景领域（1）西部开发将修建大量铁路和公路隧道（2）开发利用城市地下空间将建设的地下隧道工程（3）水利、水电站地下隧道工程（4）长大跨海越江隧道工程（5）南水北调工程将要开挖大量输水隧道盾构施工与矿山法施工具有以下优点：1、地面作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小；2、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快；3、因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证；4、穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围可不受施工影响；5、穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候影响；6、对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；7、在费用和技术难度上不受覆土深度影响。盾构法施工也存在一些缺点：1、一次性投入大，施工设备费用较高；2、覆土较浅时，地表沉降较难控制；3、用于施作小曲率半径（R＜20D）隧道时掘进较困难。(一）盾构机简介德国海瑞克公司生产的加泥型土压平衡式盾构机，盾构主体外径6.25~6.28米，长8.5米（含盾尾、中体、前体、刀盘四部分）。本盾构机有以下主要特点：结构先进，自动化程度高，采用了国际盾构最新技术，开挖、出渣、衬砌拼装易于控制。施工效率与可靠性高，安全性能好，适用于较大的土质范围与地质条件，能用于多种复杂的土层，施工速度快，可以获得较小的沉降量。1、盾构机介绍盾构机配备泡沫注入系统，膨润土注入系统和压缩空气系统，具有土压平衡，开敞式，半开敞式三种功能模式，刀盘刀具设计为可更换式，盘形滚刀与齿刀可互换，以适应不同地层高效破岩切削需要。盾构机操作控制系统采用PLC，具有自动、半自动和手动三种控制模式。配置了土压力和推进参数自动测量，数据采集处理和运程传输系统，可以实现办公室的掘进工况信息管理，配备了自动定压同步注浆系统，对环形间隙及早注浆填充，以稳定管片和控制地层沉降。配备自动测量导向系统，可以实时测控盾构机姿态和管片拼装精度。盾构采用中间铰接方式，可以适应较小半径曲线的推进转弯；推进油缸设计为可分组独立控制伸缩动作，辅于配置的超挖刀，可以较好地控制掘进方向和进行纠偏。盾构机刀盘（直径6280MM）盾构机主体（全长8.5M)中、前、尾盾盾构机后续台车VMT系统显示面板连接桥螺旋机加注泡沫人闸液压马达同步注浆泵盾构机主控室控制面板盾构机主控室、司机操作间2、盾构发展趋势（1)盾构机在国内应用情况20世纪90年代，大直径的泥水式、土压平衡式盾构机在中国开始得到成功的应用。目前全国五大城市（北京、上海、广州、南京和深圳）地铁和管线工程大多采用日本、德国和法国生产的盾构机进行施工，约有26台左右。还有天津（2台）、广州三号线（11台），北京5号线（3台）、上海（8台）等新增或即将投入使用有20多台盾构机。目前地铁施工采用的盾构机约有50台。其它如引水隧道，市政隧道，过江隧道等都有应用盾构机进行施工。表1-2国内五大城市地铁工程使用的盾构机地点型式规格数量（台）制造公司（国别）附注北京⑴土压平衡式φ6.19米⑵土压平衡式φ3.3米11Herrenknecht（德国海瑞克）IHI（日本石川岛播磨）⑴用于地铁5号线工程⑵亮马河北路污水隧道上海⑴土压平衡式，φ6.34米⑵泥水式，φ11.22米⑶土压平衡式，φ6.34米712FCB公司（法国）Mitsubishi（日本三菱）FMT公司（法国）⑴用于地铁1号线⑵用于延安东路复线隧道⑶用于地铁2号线广州⑴土压平衡式，φ6.14米⑵泥水式，φ6.14米⑶土压平衡式，φ6.25米124Kawasaki（日本川崎）Kawasaki（日本川崎）Herrenknecht（德国海瑞克）⑴用于地铁1号线⑵用于地铁1号线⑶用于地铁2号线南京⑴土压平衡式，φ6.34米⑵土压平衡式，φ6.40米12Mitsubishi（日本三菱）Herrenknecht（德国海瑞克）用于地铁1号线深圳⑴土压平衡式，φ6.20米⑵土压平衡式，φ6.14米⑶土压平衡式，φ6.25米122Komatsu（日本小松）Mitsubishi（日本三菱）Herrenknecht（德国海瑞克）用于一期工程(2)盾构施工的新技术•A、自动化和省力化技术。自动控制技术，超前勘探技术，管片的自动搬运、拼装系统等。•B、与高深度化和长距离化相对应的技术。高水压对应技术，切削刀具更换技术，高速施工技术等。•C、特大直径和特小直径盾构机。•D、新施工法和特殊的盾构机。地下对接施工法、分岔盾构施工法、双圆形盾构、异形断面盾构等。MMST多轴盾构14.1M直径的盾构机—东京弯MF盾构机及工法H＆V盾构机DOT盾构机（DOUBLE-0-TUBE）异型断面盾构机•盾构机是一种专门用于开挖地下隧道工程的大型高科技施工设备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点。盾构机技术体现了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学、管理科学等高新技术的综合和密集，反映了一个国家的综合国力和科技水平。•随着对地下空间开发的需求越来越大，地下工程快速开挖的需要和科学技术水平的提高，盾构机与盾构施工技术在中国将得到快速的应用和发展。（3）盾构机在国内应用发展前景（二）盾构机的选型根据施工要求及地质条件作好盾构选型工作与其它隧道施工方法不同，盾构机是根据每一个施工区段的地质条件、地下水条件、隧道断面大小、区间线路条件、周围建筑物环境等条件进行设计制作。所以，盾构机不是通用机械，而是针对于某种条件的专用机械。也就是说一般很难将盾构机转用到设计隧道以外的工程中加以利用。盾构机在地下的施工是不可后退的。当盾构机在地下开始掘进施工后，就很难对盾构机的结构组成进行修改。除刀头等部位可以通过特殊的设计得到更换以外，盾构刀盘、压力舱、排土器、推进系统等很难在施工过程中进行修改。从这两点可知，盾构机的设计、制作从根本上决定了隧道施工的成功与否，是盾构隧道施工的最关键的环节。为了设计最为合理的盾构机械就必须进行周密的盾构选型工作。平面示意图m盾构选型工作根据设计断面选择盾构根据衬砌类型选择配套系统测定水压、松弛土层或围岩压力地质条件以外的条件：①工期；②外径、机长；③造价；④环境因数；⑤沿线条件；⑥基地条件；⑦设计线路，线型条件；⑧给排水条件及通风条件。工作面稳定不好时辅助工法种类及适用性的校核：①压气工法；②降水法；③化学注浆法；④冻结法。机种及辅助工法的综合比较分析盾构的选定SlurryEPBSandKörnungslinie400,006GrainDiameterdinmmMassenanteilederKörnerdin%derGesamtmenge00,0011030200,0020,020,060,2SiltSchlämmkornClayFein-7060508090100Mittel-600,62,06,060,020,0100908070Gravel50403020100SiebkornGrob-Fein-Mittel-Grob-Fein-Mittel-Grob-GrainSizeDistributionGrainSizeDistributionFoamPermeabilityPermeabilityTunnellingEquipment––10––1––10-1––10-2––10-3––10-4––10-5––10-6––10-7––10-8––10-9––10-10––10-11––10-12CobblesCoarsegravelMediumgravelFinegravelCoarsesandMediumsandFinesandSandy,SiltyclaySiltClayEPBSlurry/HydroPermeabilityFactork(m/s)盾构机的选型（粘土）（粉土）复合式盾构MixedShield盾构类型ShieldMachineMode硬岩式hardROCK土压平衡式EPB开式Openmode水力式Hydro泥水平衡式SlurryBalance盾构机主要技术参数MainTechnicalParametersoftheShieldMachine直径Diameter6280mm主机长度Lengthofthemainparts8500mm总长（含拖车）Totallength(withtrailers)64,000mm扭矩Torque5300kn·m推力/行程thrust/stoke3600T/2000mm转速rotatingspeed0-6.1rpm总功率generalpowerrate1500kw最大掘进速度MaxExcavationspeed8cm/min螺旋输送机Screwconveyer直径700mm270M3/h土压平衡盾构机工作原理水土压+压=土仓压力力力复合式泥水盾构工作原理复合式盾构压力调整原理图泥水盾构进排泥系统泥水系统示意图泥水输送基本程序图调整槽B作业面DV2E盾构CCV1V1P3P2V3处理设备P1AIF图7-4-5-6泥水输送基本程序图盾壳结构示意图盾构机的各个组成部分螺旋出土器刀盘盾体皮带机后配套台车盾构机组成部分主体结构：盾体(前盾、中盾、尾盾)、刀盘、气闸后配套设备：台车、连接桥、管片运输设备、出土设备、液压系统、电气系统、注浆系统、监控系统等。1、土体2、刀盘3、泥土仓4、压力墙5、千斤顶6、螺旋输送机7、管片拼装机8、衬砌刀盘转速和扭矩示意图050001000015000200002500000.511.522.533.544.55刀盘转速（ｒｐｍ）刀盘扭矩(KN-M)精心选配后续配套设备及供应系统在确定好盾构机后，须根据总体施工进度要求及始发井的场地情况精心选配后续配套设备，后续配套设备选择的好坏直接决定了掘进速度的快慢，如选择不当，会限制盾构机的本身的功能发挥。后续配套设备的选择主要从以下几方面考虑：（1）洞内运输系统为尽量减少每掘进循环的时间，必须确保洞内每环掘进的土方一次运出,管片同样一次运出，这样便可以确保安装管片的同时，进行出土作业。而要满足以上要求,须合理编制列车编组、计算土箱方量及电瓶车吨位，列车编组须满足最小长度装运最大运土量，确保弃土一次性运完。(2)地面运输系统地面运输系统主要包括龙门吊、集土坑、夜间出渣。龙门吊起重吨位由土箱满载重量决定，同时要充分考虑余量，比如土箱满载重25吨-30吨，则龙门吊起重吨位在考虑安全系数的前提下在提高2-3吨富裕量。集土坑的存渣量要按最快的掘进速度情况下的两天总出土量为佳，避免出现渣土无处堆放而又无法出渣的情况。(3)管片供应系统管片供应系统主要包括管片生产及现场管片存放。在始发掘进前,必须生产满足1-2个月掘进环数的数量，管模数量根据总的进度计划决定，尽量作到充分利用。现场存放一定要充分满足掘进速度的需要，在现场场地不足的情况下，可以尽量压缩其他用地，以确保管片及时供应。(四)、盾构机始发1、盾构机组装后配套台车及其它设备下井示意图盾构机安装示意图吊运刀盘吊运盾尾始发前破除洞门出洞前破除洞门在盾构机下井、到达以前，对始发井、接受井端头进行加固，加固方法采用地面旋喷桩加固，旋喷桩采用直径900mm、间距700mm的三重管。加固目的：①稳固土体，防止塌方；②止水；③保持TBM始发阶段的正确姿态。2、端头井土体加固盾构机始发前的洞门加固始发前的洞门破除⑴盾构机拼装调试完成后，开始拼装负环管片，在负环管片后安装一个0.4m宽的钢圆环，使砼管片受力均匀。⑵边拼装负环管片边将洞门处地下连续墙砼凿除，凿除分六块，自下而上分