盾构法隧道设计施工关键技术

盾构法隧道设计＆施工关键技术地下建筑与工程系张庆贺教授Tel：021-65985249Mob:[phone]E-mail:[e-mail]地址：上海四平路1239号邮编：200092施工篇内容提要Charpter1隧道施工工法的选择与盾构机的分类Charpter2盾构施工工艺Charpter3盾构施工关键技术Charpter1隧道施工工法的选择及盾构机的分类Section1常用隧道施工工法比较Section2盾构工法的发展Section3盾构机的分类浅埋暗挖法明挖法矿山法盾构法顶管法岩石掘进机沉管法Section1隧道施工工法的对比序号施工方法环境场地要求优点缺点发展方向1明挖法市郊施工场地开阔，软岩和土体，如北京和天津地铁进度快，工作面大，便于机械和大量劳动力投入破坏环境生态，影响交通，带来尘土和噪声污染1）有效井点降水系统；2）可靠的支撑系统；3）大型土方机械，混凝土搅拌及运输机械2矿山法岩石和坚硬土体，如青岛和重庆地铁地面干扰小，造价低进度慢，劳动强度高，风险大1）多臂钻孔台车，自动装药引爆装置；2）光面爆破，喷锚支护，监控数据反馈指导设计和施工方法3暗挖法埋深较浅对土体进行冻结、注浆、深层搅拌桩加固地基，棚管法加固，浅埋车站，如北京、哈尔滨等城市地铁地面干扰小，造价低，便于土法上马机械化程度低，劳动强度高，环境恶劣，风险大1）发展可靠的浅地层地基处理技术；2）小型灵活的地下开挖机械；3）可靠的临时支护措施和机具表1序号施工方法环境场地要求优点缺点发展方向4盾构法和顶管法城市软地层、深埋隧道，如上海、广州、北京等城市地铁地面影响小，机械化程度高，安全，工人劳动强度低，进度快机械设备复杂，价格昂贵，施工工艺繁，专业施工队伍1）开发适用不同地质条件，自动更换刀盘的气压、土压泥水平衡盾构和顶管，超前探测排障技术；2）钢纤维挤压混凝土衬砌；3）三维仿真计算机管理系统，管理信息化，自动化；4）自动导向，中途对接异型盾构5沉管法(连续沉井)跨越江河湖海，软地基，如广州、宁波、上海过江隧道造价省，速度快，隧道断面大封锁江河水面，专门的驳运、下沉、对接的机具，水下作业，风险大大型涵管制作及驳运技术；2）地下定位对接、防水技术6凿岩机法（TBM）坚硬岩石地质，如广州地铁速度快，机械化程度高，安全，地面无干扰造价高，使用掌握复杂，刀具易磨损1）开发国产高性能凿岩机；2）改进高强合金刀具；3）完善后配套系统；4）超前不良地质探测系统续表1Section1隧道施工工法的对比盾构需求形势十一五期间城市轨道交通1200km，需新增盾构机100台；上海申通集团一次性向上海隧道股份公司定购20台自行研制的盾构；新增大型越江、跨海隧道30余条，需盾构30余台；新增水利水电工程、城市共同沟、物流等需盾构约50台；总市场规模在150亿元。Section2盾构隧道的发展1974年土压平衡盾构EPB1976年铰接式盾构1981年压注混凝土衬砌工法ECL1986～1988年复圆、多圆断面盾构MF1993年球体盾构、扩径盾构1825年盾构机首次使用1830年使用气压的半机械式盾构1840年能够壁后注浆的机械式盾构1865年圆形挤压式盾构1966年泥水加压盾构国内盾构隧道走过的历程1952年1966年1984年1994年手掘式盾构网格式式盾构土压平衡式盾构泥水平衡式盾构路南线隧道上海延安东一号线上海地铁路隧道上海打浦盾构输水巷道阜新Φ2.6m2003年杨浦线上海地铁双圆盾构近年国内盾构发展1995广州地铁适合软硬岩交互地层的混（复）合型盾构1997秦岭隧道中铁18局TBMWirthAG（TB850/1000E）；1999黄河万家寨双护盾（Robbins180型）；2005上海隧道股份863计划直径6.34m国产自主知识产权盾构2005上海上中路隧道、沪崇苏隧道直径14.80m、15.43m泥水盾构。Section3盾构机的分类1、按照平衡开挖面的方式A、插板式B、挤压网格式C、土压平衡式D、泥水平衡式E、加泥式F、加水式2、按照机械化程度A、人工B、机械化C、全自动化3、按照施工过程中的运输方式A、皮带传送B、泥浆泵C、手工挖小车推盾构机的分类之二4、按照掌子面敞开程度A、全敞口B、半敞口C、全封闭（面板式、条幅式、开口率）5、断面形式A、单圆B、双圆C、三圆D、矩形E、球形盾构机的分类之三全封闭盾构机Charpter2盾构施工工艺挖土运输系统土压平衡盾构挖土运输系统泥水平衡盾构拼装管片（1）：落地块位置千斤顶回缩，拼装落地块盾构推进：在保持正面压力平衡条件下，边推进边出渣，顶进一环拼装管片（4）：拼装封顶块拼装管片（2）：标准块位置千斤顶回缩，拼装标准块管片现场堆放：检查修补破损，粘贴止水橡胶条、传力衬垫拼装管片（3）：邻接块位置千斤顶回缩，拼装邻接块管片垂直运输：用龙门架将管片装运到电瓶车上管片水平运输（1）：用电瓶车将管片运至盾构机内千斤顶顶进：千斤顶顶进一环环宽距离泥浆注入：在保持正面压力一定的情况下，不断注入新鲜泥浆管片水平运输（2）：用单轨葫芦吊沿导梁将管片运至工作面泥浆运输：用泥浆排送管路将泥浆运送至泥浆处理设备,处理排放穿连接螺栓及嵌缝：将管片连成整体隧道衬砌,并做嵌缝堵漏处理.壁后注浆：用惰性或活性浆液填塞管片壁后空隙，并用以防水封堵手孔：用同色混凝土封堵手孔，防止穿孔螺栓生锈腐蚀二次紧固穿孔螺栓：将螺栓拧紧，增加隧道刚性铺设道轨及管路：盾构机前进同步铺设电瓶车及机架道轨以及相应管路二次注浆：对局部隧道渗漏点进行二次注浆防水预拌注浆浆液：在工作井附近拌制壁后注浆浆液壁后注浆浆液运输：用管路将浆液运至注浆桶盾构施工工艺流程图Charpter3盾构施工关键技术Section1盾构机的选型、订货、组装及调试Section2盾构进出洞施工技术Section3开挖面平衡技术Section4灾害地质障碍物探测和施工技术Section5同步注浆、稳定工作面的新鲜泥浆的制作传送及配套施工工艺Section6泥水中的渣土分离技术Section7大直径长距离盾构隧道施工技术Section8地面沉降预测Section9管片制作检验及耐久性控制Section10地下（水底）施工的三维可视化及自动化操作管理系统Section11管片脱出盾尾上浮Section12盾构穿越已建隧道施工Section13联络通道施工技术Section14浅覆土施工Section1盾构的选型、订货、安装及调试盾构机选型及定购的依据1.土质条件、岩性2.开挖面稳定3.隧道埋深、地下水位4.设计隧道的断面5.环境条件、沿线场地6.衬砌类型7.工期8.造价9.辅助工法10.设计路线、线形、坡度11.电气等其他设备条件•地上、地下建筑物•埋设物•水井、废井•旧建筑物、临时建筑•其它计划环境条件障碍物•噪声、振动•地基变形•地下水利用•施工垃圾处理•住房、文物等[调查项目]周围条件•土地利用状况•将来计划•道路种类、交通状况•施工用地状况•河川、湖沼等的状况地质条件•地层构成•地下水位（头）分布•缺氧气体、有害气体的有无•各层的工程性质（强度特性、变形特性、透水性）设计条件整理断面形状尺寸延长覆土线路工期盾构机选型流程图盾构机选型流程图•地下水污染、地下水枯竭•振动、噪声•日照、景观•交通•障碍物处理•开挖土的处理•开挖土的搬运•施工用地[论证项目]开挖面稳定性•自立性•地层构成•支护方式地基条件•影响范围•水平、铅直变形•临近建筑物变形环境保护其他可能适用的方式选择土压平衡式泥土压式土压式泥水加压式手掘式半机械式机械式闭胸式敞胸式续上图盾构机选型流程图续上图方法的选择[比较论证]安全•开挖面稳定•地基变形•环境保护•操作环境经济•推进•衬砌•盾构•相关措施工期•推进•衬砌•相关措施综合评价施工措施的论证•长距离施工•急曲线施工•障碍物注：选择开挖方式时请参照解说表盾构形式与土质•开挖面的稳定•地基变形•出发到达部的保护•周围建筑物的保护盾构机组装及调试流程盾壳块体的下部下井、安装设置盾构承台准备工作、进场人员培训机身块体的下部下井、安装刀盘驱动部在地面组装刀盘驱动部下井、安装刀盘在地面组装刀盘下井、安装盾壳块体上部下井、安装机体上部下井、安装盾尾前面块上下部分下井主体焊接作业液压管材、装配作业电气线路作业试运转、调整作业现场检查验收盾尾后块下部下井、安装拼装机在地面组装后下井真圆保持装置下井、安装后方作业台下井、安装盾尾后块上半部下井、安装Section2盾构进出洞施工技术盾构进出洞施工流程及要点洞口设置出洞台架设置组装盾构机临时管片拼装盾构机试运转・存在有设想的地层条件和实际偏差的可能性→实施原位地质调查・钻孔角度的确认→利用测斜计等・硬化材料的吐出量→异常时停下来检查・提升速度是否妥当→确认确实的加固・制定充分的拆除方案和涌水对策。（需要采用根据钻孔取样来确认加固效果等十分致密的方案）・拆除挡土墙的时候不能产生大的震动。・掘削面加压时，监视洞口衬垫的状况（有无翻开・断开）同时监视加压管的动作情况・充分监视推力，不能勉强推进，设定合适的掘进速度（1~5mm/min）・由于泥水压力会在挡土墙或洞口衬垫上施加过大的力，对泥水压力的管理将其控制在形成泥水循环所必须的最低限度。・在通过高压旋喷工法加固的区间时，加固后地基的碎片会阻塞管道，因此要进行清洗的循环・进洞时到达隔墙内时，必须确认有无漏水、涌水后才能进行解体施工要点工作井构筑施工地基加固施工临时墙（挡土墙）拆除盾构机出洞或进洞掘削面加压（或减压）掘进涌水保护方案施工流程主要方法深层搅拌、旋喷桩、SMW、注浆、降水、冻结洞周土体加固加固范围及强度计算粘性土加固区强度及厚度计算示意图加固区高度计算示意图加固区宽度计算示意图加固区强度及厚度计算示意图加固区高度计算示意图加固区宽度计算示意图砂性土MMMMKrdd)(21221DHMiid332DMd22DCMr2DCMrCHaCRR2ln2lnaHaBcos)(1KrEtmax2有限元计算分析冻结法进出洞加固平面图剖面图封门制作沉井：钢板桩；蛭石、珍珠岩膨胀水泥混凝土、砖砌体、泡沫混凝土连续墙：墙中预留轻质低强混凝土塞、局部浇注GFRP玻璃纤维和树脂热融合的玻璃纤维筋、碳纤维筋代替普通混凝土封门的破除：手工、爆破封门始推台架反力墙地基加固临时隔墙出洞口管片搬入临时管片ＴＢＭ进洞临时墙(钢制)临时隔墙高压旋喷加固支撑注浆加压式衬垫盾构进出洞示意图盾构进出洞门止水密封装置洞口铁件洞口衬垫洞口衬垫洞口铁件推板（活板）地层侧空气排出管推板（活板）混凝土在始推出洞口的临时墙的内侧，如图所示设置止水装置（洞口衬垫）。该衬垫为混凝土结构，在浇筑混凝土时，设置衬垫的框架，待混凝土硬化后，在框架上安装橡胶材料，固定好。盾构进洞前凿除封门（地下墙）盾构进洞盾构进洞盾尾进洞Section3开挖面泥水平衡技术稳定工作面的新鲜浆液(cmc、mds、正电胶)的注入泥浆注入与渣土排出泥水平衡盾构开挖面平衡机理：开挖面形成渗透性差、具有一定表面张力的泥皮。一方面阻止泥浆进入地层，另一方面舱内压力作用下支撑易失稳的硬岩层，提高地层抗坍塌性泥皮微观照片泥水压力的设定泥水压力采用下述的基本公式计算上限：静止土压＋孔隙水压＋变动压下限：主动土压＋孔隙水压＋变动压泥浆控制指标:比重粘性砂性成分含有量管理项目管理基准值测定用具比重1.15～1.35泥浆平衡器粘性25～35秒漏斗粘度计砂分含有率10～15％排泥口泥水沉淀池除砂器抛泥外运泥水泵清洁器储渣池泥水泵废浆池储浆槽调整槽P1泵盾构机1＃配浆罐CMS1＃储池膨润土纯碱CMC2＃配浆罐CMC配浆罐CMS1＃储池VMS1＃储池CMS泥水体系工艺泥水体系生产工艺“CMS泥水体系”工艺泥水体系生产工艺振动筛除砂器储渣池储浆池排泥口泥水1＃离心机2＃离心机抛泥外运储浆槽调整槽P1泵盾构机泥水泵PMSJHCT-11＃配浆罐剪切泵新浆储备池流量计PMS泥水体系工艺“PM