土压平衡盾构施工工艺.ppt

土压平衡盾构施工工艺 刘鹏军中国铁建重工集团2016年10月 1 总则 1 1适用范围适用于采用土压平衡式盾构机修建隧道结构的施工 1 2编制参考标准及规范1 2 1地下铁道工程施工及验收规范 GB50299 1999 1 2 2地下铁道设计规范 GB50157 92 1 2 3铁路隧道设计规范 TB10003 2001 1 2 4盾构掘进隧道工程施工验收规范 1 2 5公路隧道施工技术规范 JTJ042 94 1 2 6公路工程质量检验评定标准 JTGF80 1 2004 2 术语 ZTE系列复合式土压平衡盾构机是中国铁建重工集团通过吸收 消化国外先进技术 根据中国铁建长期盾构施工经验 自行研发具有自主知识产权的大型隧道施工设备 是国务院16项重大技术装备之一 适用于粘土 砂土 砂砾 岩石等地层 土压平衡盾构机由刀盘旋转刀具切削土体 切削后的泥土进入密封土舱 通过螺旋输送机出渣调节土舱压力 土舱内的土压主要是由螺旋输送器的出土量来控制的 出土量多则平衡土压下降 反之则上升 同时还要密切配合刀盘的切削速度和油缸推进速度 使土舱内始终充满泥土而不致挤得过密或过松 达到稳定开挖面的效果 有效控制地表沉降 由螺旋输送机和皮带输送机进行出碴 管片机进行管片衬砌支护 实现隧道全断面一次成形 土压平衡盾构机是一种集机 电 液压 控制 传感 信息技术于一体的隧道施工成套设备 也可称为隧道加工中心 使得隧道施工变成了工厂化 智能化特点 具有掘进快速高效 安全环保可靠 施工质量高等特点 被广泛应用于水利 电力 交通 市政管道等隧道工程 2 1土压平衡盾构 铁建重工土压平衡盾构 土压平衡盾构工作原理 各种刀盘 2 2端头加固 为确保盾构始发和到达时施工安全 确保地层稳定 防止端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况 根据各始发和到达端头工程地质 水文地质 地面建筑物及管线状况和端头结构等综合分析 确定对洞门端头地层加固形式 端头土体横向加固最小尺寸表 端头加固 防止地层不能自稳 加固一 是保证始发时围护结构凿除后掌子面土体能够保持自稳 加固二 是在盾尾进入洞口防水装置前防止洞口地层涌砂涌水 加固目的 盾构始发 端头加固长度 端头加固 加固范围 加固范围以包裹盾构主机并预留一定的封堵渗漏通道的区域为原则 结合上海 南京 苏州等软土地层的加固实例 加固范围确定为隧道纵向 方向为9米 横向为隧道轮廓线外3m 盾构始发 凿除洞门 在检查端头土体加固满足要求后 同时在盾构组装后对洞门进行破除 第一步 先凿除围护结构保护层 并将外层的钢筋全部割除取出 并凿除至剩余内排钢筋 第二步 待盾构机始发时抵拢掌子面和到达时盾构机抵拢围护结构时 割除围护结构内层钢筋 再开始掘进 盾构始发 始发设施安装 始发基座安装 始发基座 始发基座 发射架 起导向和支撑盾构的作用 在洞门凿除完成之后 依据隧道设计轴线定出盾构始发姿态空间位置 然后反推出始发基座的空间位置 并固定牢固 盾构始发 2 3始发架及帘布安装 2 4反力架 盾构刚开始掘进时 其推力要靠工作井井壁来承担 因此 在盾构与井壁之间需要设传力设施 此设施称为反力架 反力设施安装 反力架是为盾构机前进提供反推力 在安装反力架时 反力架端面应与始发基座水平轴垂直 对反力架固定前应按设计对其进行精确的定位 反力架与工作井结构连接部位的间隙用型钢垫实 以保证反力架脚板有足够的受力面 负环砼管片紧靠在反力架上 以保证混凝土负环管片受力均匀 始发设施安装 盾构始发 反力架 负环管片 负环管片 后部型钢支撑 2 4添加剂 采用土压平衡盾构掘进时 为改善土体的流动性防止其粘附在盾构机上而注入的一些外加剂 添加剂的功能是 辅助切削面的稳定 提高泥土的塑流性和止水性 减少切削刀具的磨耗 防止土舱内的泥土压密粘附 减少输送机的扭矩和泵的负荷 土舱内的碴土必须具有 良好的塑性和流动性 良好的粘稠度 低的内摩擦力 低的透水性 一般情况下刀盘切削下来的碴土不一定具有这些特性 造成刀盘扭矩大 碴土流动困难 在土压力作用下易压实固结 容易产生泥饼或泥团 根据地层情况 向开挖土舱内注入泡沫 粘土或添加剂 进行强制搅拌 使碴土具有可塑性和不透水性 螺旋机排土顺畅 土舱内的压力容易控制和稳定 土压平衡盾构施工场地布置主要有 盾构机 出碴列车 门吊 管片供应 砂浆搅拌站 始发井 弃碴坑 风水电供应系统等系统组成 3施工准备 3 1技术准备3 1 1根据隧道外径 埋深 地质 地下管线 构筑物 地面环境 开挖面稳定及地表隆陷值等的控制要求 经过经济 技术比较后选用盾构设备 3 1 2认真熟悉工程设计文件 图纸 对工程地质 水文地质 地下管线 暗渠 古河道以及邻近建筑等调查清楚 并将上述内容汇总表示在工程纵剖面总体图上 然后提出针对性的技术措施 以确保工程进展顺利和邻近范围内原建筑物的安全 3 1 3进行工程环境的调查和实地踏勘 为制订施组提供足够的依据 进行核实的主要项目有 1 土地使用情况 根据报告和附图 实地踏勘调查各种建筑物的使用功能 结构形式 基础类型及其与隧道的相对位置等 2 道路种类和路面交通情况 3 工程用地情况 主要对施工场地及材料堆放场地 弃土场地 运土路线等做必要的调查 4 施工用电和给排水设施条件 5 有关环境保护的法律和法规 6 地下障碍物及管线 3 1 4根据工程特点 施工设备的技术性能及操作要领 对盾构司机及各类设备操作人员进行上岗前的技术培训并持证上岗 3 1 5建立完整的测量和监控量测系统 以便施工时控制隧道位置 对地层沉降及结构的变形进行监测 并及时反馈信息 3 1 6根据工程特点 工程目的 隧道结构 环境条件及其保护等级 施工设备的性能 工程所处地质条件编制施工组织设计 经审批后作为指导施工的依据 3 2材料准备3 2 1盾构掘进时的添加材料 粉末粘土 膨润土 发泡剂 高吸水性树脂 增粘剂等 3 2 2注浆材料 砂浆 水泥浆 速凝剂 3 2 3衬砌材料 钢筋混凝土管片 3 3主要设备及机具 3 3 1隧道掘进机械 土压平衡盾构机及其配套设备 备用刀具 3 3 2材料与管片运输机械 门式吊车 机车 管片车 砂浆车 碴车 3 3 3供电系统 供排水系统 砂浆搅拌设备 通风设备 充电设备 3 3 4碴土外运设备3 3 5测量仪器 全站型经纬仪 精密水准仪 铟钢尺 倾斜仪 压力计 3 4作业条件 3 4 1弃碴场地 管片堆放场地 注浆材料堆放场地等工作施工场地已布置妥当 3 4 2盾构始发井工程已经施工完毕 3 4 3盾构机在始发井内安装调试完毕 运转正常 3 4 4操作人员经培训合格 具备上岗资格 3 4 5各项监测系统已设置妥当 3 4 6施工组织计划经监理部门审核批准 3 4 7衬砌管片已开始批量生产 3 5劳动力组织 盾构施工总流程 盾构安装始发 盾构始发模式 条件要求 车站站台层结构施工完成的长度能够容纳车架摆放的空间 一般须84米 整机的长度 另外离端头84米左右处预留出土口 地面提供管片堆放和出土吊机行走的场地 整机始发 指盾构机主机和车架均放在车站底板上组装并连接 始发掘进时车架和主机一起整体向前移动的方式 始发阶段管片 材料 渣土均从出土口吊运 整机始发和分体始发两种模式 盾构始发模式 分体始发掘进阶段管片 材料 渣土均从盾构井吊运 施工效率低 费用高 在没有整机始发的条件时采用 分体始发模式 将全部 或部分 后配套车架放在地面 主机吊放到井下 主机与台车之间通过延长管线提供主机掘进 待掘进约70米距离后 拆除延长管线 负环管片 将后配套车架和连接桥吊放到洞内与主机连接 并进行整机调试后 恢复正常掘进状态 分体始发 延长管线始发 盾构掘进分为四个阶段 1 负环掘进 由于盾构需要调试 参数需要调整 掘进始发加固区 因此盾构负环掘进速度非常慢 2 始发段掘进 始发段掘进时 掘进参数需要调整 后配套管路需要转接 出碴效率低 掘进速度慢 3 正常段掘进 盾构进入正常段掘进后 设备进入正常状况 运输系统也处于正常状态 盾构进入快速掘进阶段 掘进速度高 4 到达段掘进 盾构进入到达段掘进 需要调整姿态 掘进速度开始放慢 掘进 a 设备处于始发 磨合阶段 掘进注意刀盘转速 扭距 推力等参数的控制及油脂使用 掘进总推力 反力架承受力刀盘扭矩 盾体与始发架的摩擦力 防扭块的阻力 主机的重力等 36 b 防止盾构侧滚 低头 盾体易侧滚 可采用刀盘低转速 低扭矩 正反转来调整 盾构刚始发掘进时 控制掘进速度 刀盘切削土体可加添加剂降低刀盘扭矩力 防止盾构低头 同时加强盾尾支撑观测 尽量完善负环钢支撑 c 注意控制土舱压力 d 根据控制土舱压力的大小 来调节螺旋输送机的出土量 出土速度及推进速度 进而来保证土仓内土压力与开挖面土压力的相对平衡 e 前期掘进 前100m 是掘进摸索阶段 此段摸索与掘进有关的参数及设备的属性 同时要加强维修保养及部分实操培训 负环管片 始发架及反力架的拆除 为了后期站台工作的延续及完成电瓶车的编组等因素 故对负环管片 始发架及反力架进行拆除 a 在拆除负环前 先将反力架斜撑割除 后移 b 拆除负环 先将紧挨反力架的第一环拆除 c 拆除两环负环环间管片的连接螺栓 用龙门吊将其吊出 按上述方法依次拆除全部负环 d 吊出拆除的反力架及始发托架 e 完成轨道铺设 4 施工工艺和控制要求 4 1技术要求4 1 1盾构在厂内制造完工后 必须进行整机调试 检查核实盾构设备的润滑系统 液压系统和电气系统的状况 调试机械运转状态和控制系统的性能 确保盾构出厂就具备良好的性能 防止设备的先天不足给工程带来不必要的困难 4 1 2盾构掘进施工对上部所需的覆土层的厚度 应满足下列要求 1 在控制地面变形要求高的地区 各种盾构的最小覆土厚度一般均不宜小于隧道直径的1倍 2 当实际覆土厚度不能满足上述规定时 应选用下列措施 水底隧道覆土厚度不足时 应选用合适工艺来增加覆土厚度或加固措施 在陆地上施工点厚度不足时 可在设计允许情况下调整隧道埋设深度 也可选用合适粘性增加覆土厚度或采用井点降低地下水位 使盾构使用的气压值能与覆土厚度相适应 或用注浆方法减少土的透气性 4 1 3平行双线应有足够的线间距 隧道与隧道 隧道与其它建 构 筑物之间所夹土体 岩体 加固处理的最小厚度为水平方向1 0m 竖直方向1 5m 4 1 4两条隧道平行或立体交叉施工时 应根据地质条件 土压平衡盾构的特点 隧道埋深和间距 以及对地表变形的控制要求等因素 合理确定两条盾构推进前后错开的距离 4 1 5土压平衡式盾构掘进时 工作面压力应通过试掘进50 100m后确定 在掘进中应及时调整并保持稳定 4 1 6掘进中开挖出的碴土应填满土仓 并保持盾构掘进速度和出土量的平衡 4 1 7盾构掘进中遇有下列情况之一时 应停止掘进 分析原因并采取措施 1 盾构前方发生坍塌或遇有障碍 2 盾构自转角过大 3 盾构位置偏离设计轴线过大 4 盾构推力较预计的值有较大出入时 5 管片发生裂缝或注浆发生故障时 6 盾构掘进扭矩发生较大波动时 7 壳体卡住隧道衬砌环 8 盾构上飘或磕头 推进方向难以掌握 4 2材料质量要求4 2 1工程所使用的各种原材料 半成品或成品都必须符合国家现行有关标准和设计要求 特别是防水材料在使用前必须按规定抽查检测 4 2 2盾构掘削时使用的添加材应满足表16 3 2 1的功能要求 4 3职业健康安全要求4 3 1盾构工作竖井地面设防雨棚 井口周围应设防淹墙和安全栏杆 4 3 2更换刀具的人员必须经过培训 刀具的吊装和定位必须使用吊装工具 在更换滚刀时要使用抓紧钳和吊装工具 所有用于吊装刀具的吊具和工具都必须经过严格检查 以确保人员和设备的安全 4 3 3隧道施工时应进行机械通风 保证每人每分钟需供应新鲜空气3m3 最小风速不小于0 15m s 隧道内气温不得高于28 隧道内噪声不得大于90dB 4 3 4带压作业人员必须身体健康 并经过带压作业的专业培训 制定并执行带压工作程序 4 4环境要求 4 4 1针对盾构施工在特定的地质条件和作业条件下可能遇到的风险 在施工前必须仔细研究并切实采取防止意外的技术措施 4 4 2应特别注意防止瓦斯爆炸 火灾 缺氧 有害气体中毒和涌水情况等 预先制定和落实发生紧急情况时的对策和措施 5施工工艺 5 1工艺流程 5 2操作工艺 5 2 1盾构掘进时碴土质量控制 1 土压平衡控制 土压力可通过以下3种方式调节 调节螺旋输送机的转数 调节盾构推进油缸的推进速度 两者组合控制 2 碴土流塑性控制 碴土的塑流性可通过以下3种方法判定 刀盘负荷 由刀盘切削扭矩 螺旋输送机的扭矩等负荷的变化推定碴土的塑流性 螺旋输送机的排土效率 碴土塑流性好的情况下 从螺旋输送机的转数算出的排土量与计算开挖土量的相关性较高 排土形状测量 根据目测排土状况或者碴土取样的坍落度试验可以判定泥土的塑流性 3 防止刀盘泥饼的形成 土仓内水 土 气压力设定值不宜过高 应设法减小刀盘与正面岩土的挤压应力 采取泡沫剂等措施切断裂隙水通道 控制地层中裂隙水涌入 合理布设刀盘开口及刀具 遇到塑性大 裂隙水丰富的全风化岩土时 应将滚刀更换为齿刀 向刀盘正面注入适量的泡沫剂或水 减小刀盘与正面土体的碾磨力 同时还可增加碴土的流塑性 在土仓内加以适当的气压 提高螺旋输送机的排土能力 5 2 2盾构在特殊地层中的施工 1 盾构在含孤石地层中的施工 合理调节掘进参数和控制掘进方向 以达到控制盾构机的姿态 孤石出现后立即停止推进分析情况 判定孤石大小 刀盘是否有能力破碎孤石 刀盘有能力可继续掘进 否则 停机处理 若前方地层的自立性好 则先清空土舱内的泥土并建立气压平衡 随后作业人员通过人行闸进入土舱 对孤石进行粉碎 若地层自立性差或根本不能自立 则需先对土体进行加固处理 随后方可允许作业人员进舱工作 2 盾构在不同地层分界面处的施工 盾构由软土层进入全断面岩层 即由土压平衡向欠压或无压过渡时 适当降低土压设定值 增加同步注浆量 调整各区域油缸压差 控制盾构方向 还应放慢推进速度 盾构由全断面岩层进入软土层 即由无土压或欠压 向土压平衡态过渡时 除适当通过土压设定值 减少同步注浆量外 还应通过盾构与设计轴线的相对坡度 调整各区域油压差 改变推进油缸的合力位置和方向 提高推进速度 3 盾构穿越断裂带的施工 施工前应确切地掌握断裂带的分布状态 视实际情况对隧道顶部以上断裂带土层进行加固 盾构前盾切入断裂带时 应考虑盾构正前方岩土性质的变化 对盾构姿态和出土量等参数作相应调整 以防止盾构产生下倾 上仰 为了抑制沉降和断裂带涌水的不利影响 应及时实施同步注浆 盾构穿越后 为确保隧道稳定 防止断裂带向盾构切口涌水 必须及时向隧道外周的断裂带地层进行注浆 切断盾构切口的涌水通道 保持盾构掘进速度 控制螺旋输送机闸门开度 避免喷涌造成地层沉降 5 2 3刀具选用 1 在软土层或粘度较高的砾质粘土层中施工时 应尽可能不用滚刀 2 在强度较高的风化岩中施工时 应安装滚刀 3 在强度较低的风化岩中施工时 应安装超前开挖的刀具或贝壳刀 5 2 4刀具更换 1 更换刀具停机时间比较长 容易造成盾构整体沉降 引起地层及地表沉降 损坏地表及地下建 构 筑物 要求 更换前做好准备工作 尽量减少更换时间 更换作业尽量选择在中间竖井或地层条件较好 较稳定地段进行 在地层条件较差的地段进行更换作业时 必须带压更换或对地层进行预加固 确保开挖面及基底的稳定 在岩层中更换刀具时 可对土舱施加气压 更换刀具时要选择地层自立性稳定的区段进行 最好选择全断面均为岩层的区段 2 首先除去土舱中的泥水 残土 清除刀头上黏附的泥沙 确认要更换的刀具 运入工具 然后拆去旧刀具 换上新刀具 3 更换刀具要记录刀具编号 原刀具类型 刀具磨损量 修复刀具的运行记录 更换原因 更换刀具类型 更换时间和更换人等 5 2 5盾构纠偏 1 盾构纠偏只能在盾构内径与管片外径两者之间的施工间隙范围内调整 过量纠偏会使盾壳卡住管片 导致管片被挤坏或增加下一环管片拼装的困难 2 盾构纠偏应及时 连续 不要过量纠偏 过大纠偏会使盾构轴线与隧道轴线产生较大的夹角 影响盾尾密封效果产生盾尾漏浆 过量纠偏将增加盾构对土体的扰动 增大地面变形 当盾构轴线偏离设计位置时 必须进行纠偏 盾构纵坡最大纠偏量可按下式求得 i i盾 i衬 i 一般小于0 5 式中i 盾构与管片相对坡度 盾构平面最大纠偏量可按下式求得 L S tan 式中 盾构与衬砌允许的水平夹角 一般为tan 0 5 S 两腰对称的推进油缸的中心距 mm L 两腰对称的推进油缸伸出长度的允许差值 mm 28 5mm 盾构推进坡度与隧道设计轴线的偏角应小于0 3 17mm 管片安装 管片安装 盾构掘进 管片地面运输 管片卸车 止水条粘帖 管片井下水平运输 管片安装 盾构掘进 管片拼装 螺栓紧固 成型隧道 同步注浆 同步注浆 掘进注浆 盾构掘进 盾构轴线控制 盾构掘进 盾构推进千斤顶分为4个压力区 通过改变分区千斤顶的压力实现盾构的转弯或纠偏 L 盾构轴线控制 盾构掘进 5 2 6盾构到达终点 1 一般以隧道贯通前最后50m范围为到达段 按环境 地质条件 洞门尺寸及深度 洞口封门形式 确定洞口土体加固处理方案 并对土体加固效果进行鉴定 2 到达井内的盾构接收基座应符合盾构基座技术要求 导轨应可调节 以适应盾构到达时的姿态 在曲线地段 接收基座应根据曲线在该位置的切线方向进行定位 3 盾构掘进至离洞口封门结构100m时 必须做一次盾构推进轴线的方向传递测量 以逐渐调整盾构轴线 4 为防止由于盾构推力过大和开挖面土体挤压损坏洞口封门结构 在切口离封门10m起应控制出土量 切口离封门结构300 500mm时停止推进 并使切口开挖面压力降到最低值 以确保洞口封门拆除的施工安全 5 盾构停止掘进后 按计划方法与工艺拆除封门 盾构应尽快地连续推进和拼装管片 使盾构能在最短时间内全部进入接收井内的基座上 6 在拼装的管片进入加固范围后 浆液改为快硬性浆液 提前在加固范围内将泥水堵在加固区外 当最后一环管片拼装完成后 通过管片的二次注浆孔 注入双液浆进行封堵 盾构到达 5 2 7盾构到达 1 盾构机到站前一个月 必须加固好车站两端的洞门土体 以保证加固体的强度及盾构机进 出站安全 2 盾构机到站前20天 开始进行盾构到达的一切准备工作 包括接受托架的安设 横移钢板的安设 始发反力架的修改 对盾构机维修保养的准备工作 3 盾构机到达的洞门破除工作 先凿除前方维护结构的一半厚 最后一层钢筋的破除在盾构机完全进入加固体后进行 确保到站安全 5 2 8盾构调头 1 必须预先编制调头方案 做到可靠 安全 2 盾构的调头方法应根据竖井尺寸 设备 盾构直径 重量及移动距离等决定 3 盾构在竖井内调头时 要有调头设施 当盾构在竖井内水平移动距离较大时 可采用移车台 右腰部拉杆 拉杆连接处钢板 盾构到达 接收 阶段 盾构调头 5 2 10盾构机的维护 盾构机的维护分为日常巡检保养与定期保养与维修 日常巡检保养 是指盾构操作人员对盾构运转状况进行外观目测和仪表数据观测 采用视 听 触 嗅等手段 检查盾构及配套设备的运转情况 观测主控室的运转参数 检查机件的异响 异味 发热 裂纹 锈蚀 损伤 松动 油液色泽 油管滴漏等 初步判断盾构的工作状态 日常巡检保养具体内容为 1 各部位的螺栓 螺母松动检查并拧紧 2 异常声音 发热检查 3 液压油 润滑油 润滑脂 水 空气的异常泄漏检查 4 各润滑部位供油 供脂情况检查并补充 5 油位检查及补充 电源电压及掘进参数检查确认 6 电气开关 按钮 指示灯 仪表 传感器检查并处置 7 液压 电气 泥浆 水 空气等管线检查确认并处置 8 安全阀设定压力检查并确认 9 滤清器污染状况检查确认并处置 定期保养 定期保养是指按规定的运转周期或掘进长度对盾构及其配套设备进行检查和维护 定期保养与维修的主要内容有 1 检查油位 液压油滤清器有无泄漏 2 检查旋转接头 用润滑脂枪给轴承注油 3 检查刀盘驱动主轴承 检测油污染程度 含水量 4 检查刀盘驱动行星齿轮的油位 监听运行声音 5 检查推进油缸 润滑关节轴承 6 检查螺旋输送机变速器的油位 润滑螺旋输送机轴承 后闸门 伸缩导向 土压平衡盾构 7 清理电动机 液压油泵的污物 8 检查铰接油缸 对润滑点注脂 9 润滑管片拼装机 管片吊机 管片输送机的润滑点 润滑所有轴承和滑动面 10 检查空压机温度 检查凝结水和冷却器污染 11 液压油箱油位开关操作测试 12 检查皮带运输机各滚子的转动 刮