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北京地区盾构施工技术 Tel E mail 1 盾构施工技术发展简述 1 1欧美盾构技术的发展1 2日本盾构技术的发展1 3中国盾构技术的发展1 4世界盾构机主要制造商生产盾构机台数1 5中国进口盾构机一览表1 6日本盾构法施工隧道用途一览 1 1 1英国早期盾构技术的发展 1836年布鲁涅尔将盾构改进后再次穿越泰晤士河 于1841年贯穿隧道 1869年巴洛等在地铁工程中首次采用圆形盾构和气压技术施工 并使用铸铁砌块 1879年汤姆森首次采用机械式盾构 采用钢砌 1 1 2法国早期盾构技术的发展 1892年在巴黎首次使用盾构技术建设隧道 衬砌采用木材 1879年在巴黎首次采用椭圆盾构修建下水道 1 1 3德国早期盾构技术的发展 1896年首次采用盾构技术建设隧道 1913年采用马蹄形盾构建设公路隧道 1 1 4美国早期盾构技术的发展 1891年在巴尔的摩使用长方形盾构 1892年在巴尔的摩使用顶盖式盾构 1 2日本盾构技术的发展 1817年在国铁羽越隧道采用盾构法施工 因地质不良失败 1926年在引水隧道使用盾构法施工 因水压过高失败 1939年在国铁隧道采用气压式盾构施工成功 1953年在关门公路隧道使用顶盖式盾构施工 1 2日本盾构技术的发展 1957年在地铁工程中首次采用盾构施工 矩形 1960年在名古屋地铁采用圆形盾构施工 1962年在东京下水道首次采用圆形盾构施工 1963年在大阪自来水隧道首次采用机械式盾构施工 1 2日本盾构技术的发展 1957年在地铁工程中首次采用盾构施工 矩形 1960年在名古屋地铁采用圆形盾构施工 1962年在东京下水道首次采用圆形盾构施工 1963年在大阪自来水隧道首次采用机械式盾构施工 1 2日本盾构技术的发展 1977年开发出局部气压盾构机 1978年开发出高浓度泥水盾构机 1978年开发出泡沫盾构机 1980年开发出MF盾构机 1983年开发出DOT盾构机 1 2日本盾构技术的发展 1990年开发出地中对接盾构机 1992年开发出自由断面盾构机 1993年开发出球形盾构机 1994年开发出三圆盾构机 矩形盾构机 1 2日本盾构技术的发展 1994年开发出子母式盾构机 全自动管片拼装机 1998年开发出双矩形盾构机 双层盾构机 2001年开发出万能盾构机 1 3中国盾构技术的发展 上海盾构技术的发展 广州盾构技术的发展 北京盾构技术的发展 1 3 1上海盾构技术的发展 1963年直径为4 2m实验工程 手掘式 1966年直径为10 0m打浦路越江隧道 网格式 1989年地铁施工采用土压平衡及泥水平衡盾构机 进口 2001年地铁施工采用DOT盾构机 2004年独立研制出地铁施工用盾构机 1 3 2广州地铁盾构技术的发展 1995年一号线地铁采用土压平衡及泥水平衡盾构机 盾构施工长度占30 二号线地铁工程盾构施工长度占33 三号线地铁工程盾构施工长度占68 四 五号线地铁工程尽量采用盾构施工 1 3 3北京盾构技术的发展 1999年在亮马河污水工程首次采用现代盾构技术施工 2001年地铁五号线在雍和宫段进行盾构施工试验 2003年五号线地铁正式采用盾构施工 盾构施工长度占地下线长度39 2004年预计十号线与四号线盾构施工长度占地下线长度平均大于50 1 4目前世界上主要盾构制造商生产盾构机台数一览 1 5中国进口盾构机一览表 1 6日本盾构法施工隧道用途一览 国内盾构施工企业一览 2 盾构机基本概念2 1盾构机分类 2 2各类盾构机概念图全面敞开型 密闭型 密闭型 2 3各种盾构机型适应地质范围 2 4盾构技术的施工特点 1 机械化水平高 施工组织简单 易于管理 2 施工安全 速度快 工程结构质量优良 3 施工引起沉降小 较易于控制 4 可在有水地层施工 不需降水 5 施工占地场地小 6 施工对周边环境干扰小 特别适合穿越既有建 构筑物之下或近旁 7 工程投资易于控制 8 工程变化的适应性差 2 5盾构技术的新发展 多圆盾构 异型盾构 扩径盾构 小半径曲线 急曲线 大坡度 高速化 球形盾构 地中直接对接盾构 双圆盾构 三圆盾构 多圆盾构 子母式盾构 子母式盾构 子母式盾构 子母式盾构 扩径盾构 MMST工法 球形盾构 地中直接对接盾构 矩形 DPLEX盾构 小半径曲线 急曲线 高速化 V H盾构 T型盾构 2 6盾构技术的基本原理 开挖面土体平衡示意图 1 2 6泥水平衡盾构机的工作原理 图 3 北京地区盾构施工技术特点 3 1北京地铁隧道所穿越地层的地质水文条件 北京地区处于平原与山区相连接的地带 城区位于平原地区的边缘 它的北部和西部靠山 东部和南部连接华北平原 是一个不完整的盆地地区 基本上是西北高 70m 90m 东南低 30m左右 其北部和西部的山区分别是阴山山系和太行山系 有五大河流 大清河 永定河 北运河 潮白河和泃错河 从西北向东南入海 由各河流所携带的堆积土石是北京平原的主要组成物质 因此第四系松散土层和砂卵石 砾石地层遍布全市 地下水也以不同型式埋藏其中 从而形成了北京地区工程地质与水文地质特点 下图为北京地形与河系分布图 3 2北京地区地层成份与三种典型地层 如前所述 第四系冲洪积层 河流相的砂 砂砾石 砂卵石以及粘土 粉土 粘质粉土和粉质粘土等粘性土互层而生 其地质沉积层的 相变 十分明显 彰显了北京地区土层条件的复杂性 对相应的工程建设带来了相当的困难 就一般而言 西部的粗大颗粒沉积物向东逐渐变为细小的颗粒沉积物 且地层互层现象十分明显 因此 就北京广大地区而言 存在着如下三种典型土层 砂砾石 砂卵石地层 粉砂 细纱 中 粗砂地层和粉土 粘土地层 砾石的最大粒径在40 60cm 地层的最大含砂率约25 40 不等 粉质粘土地层 沙砾石 砂与粘土互层地层 砂砾石 砂卵石地层 3 3与上海及广州地区的简单对比 3 3 1上海地区是我国最早大面积开发 研制和推广应用盾构法施工技术的城市 其地层主要特点是软弱地层 软质土基本上是上海地层的主要特征 下图展示了上海这种典型软弱地层的土质情况 象修建地铁 直径6米左右的隧道 这样的工程 上海的这种土质具有采用土压平衡盾构的天然条件 3 3 2广州在近些年来大量采用盾构技术于地铁工程建设中 其地层的主要特点是软硬复合地层 或称土岩混合地层 下图给出了这种复合地层的特点 这种地层对采用土压平衡盾构法施工有一些独特的要求 3 4北京地铁盾构施工的技术特点和要求 1在既有建 构筑物下穿越 地表沉降控制严格 而且施工精度要求高 2隧道穿越砂卵石地层 刀头磨损严重 推进扭矩大 控制开挖面土体平衡困难 3穿越全断面砂层或无水砂层 推进阻力与扭矩大 控制开挖面土体平衡困难 4城市残余水的影响较大 5地下空洞众多 6工程接口协调要求高 3 5北京盾构施工中的应用机型与思考 北京已经完成和正在实施的盾构施工工程中 不论是污水隧道工程 还是地铁建设工程 均采用了土压平衡盾构 如前所述 北京地区 主要是北京城区 的工程地质条件和水文地质条件的变化是很大的 有些地方相距只有几米 其土层状况就有很大的变化 这样的地层条件和水文条件 对盾构机的选型带来了一定的困难 同时北京城区的地面条件非常复杂 例如要保护的文物古迹很多 四环以内高层建筑也广泛存在 地下管线情况也是纵横交错 有些古老的管线更是需要慎重考虑 仅从地层条件和水文条件来看 北京的三种典型的地层中 在有水和无水的条件下 土压平衡 泥水平衡和敞开式盾构 都有其应用条件 如在一般土层条件下 可采用土压平衡盾构施工技术 进行必要的土体改良 在玉渊潭 西客站到永定门地区地下砂砾石含量很高 地下水储量丰富的地区 可以考虑采用泥水平衡盾构 但必须是有足够的地面场地来满足泥水盾构对地面条件的基本要求 而这个条件在北京市区往往是很难满足的 这也是北京与上海和广州的最大不同之处 施工 而在北京西南部地区 由于粉细 中粗砂地层的存在 加之地下水位很低 一般地表以下16m 18m均是干燥地层 地层的自稳性能很好 因此可考虑采用具有一定超前支护结构的敞开式盾构 其造价低 施工方便的特点可以得到充分发挥 4 盾构在北京三种典型地层中施工的技术特点 鉴于目前北京地区盾构施工基本上采用的是土压平衡盾构 因此讨论在不同地层中的盾构施工技术特点时 主要针对土压平衡盾构而言的 盾构施工在三种典型地层中的特点 主要是针对北京地区三种典型地层的土层特点而言的 当然 土层的水文条件也是影响技术特点的主要考量因素 针对不同的土层条件和地下水状况 土压平衡盾构施工的技术特点如下 4 1东部地区的粘土 粉土等地层 对于东部地区的粘土 粉土等地层土压平衡盾构施工时 主要考虑粘性土的存在 会影响开挖舱内土体的流塑性状态和地下水的渗透性能 因此 必要的土体改良措施是必须的 如泡沫 膨润土等外加剂的使用 来改善土体的流塑性和渗透性 从而也改变了开挖舱内土体的容重 使之更适合于土压平衡盾构的土体条件 如下图所示 经改良后的土体的流塑性和渗透性明显改善的状况 在北京盾构施工中是相当常见的 4 2砂层为主地层地段 对于砂层在整个开挖土体中占有一定比例的地层地段 土压平衡盾构施工的实践也表明 适量的土层改良也是必要的 但更重要的特点是砂层占开挖面面积一定比例后 5号线统计结果是20 左右 4号线和10号线正在施工中 还没有此参数 对刀具的磨损是相当严重的 最短的一段 5号线17标段 从换上新刀到再次换刀 盾构仅推进49环 刀具磨损已十分严重 最直接的后果是盾构无法正常掘进 下图是刀具在砂层中磨损的情况 4 3砂砾石 砂卵石地层 盾构穿越砂砾石砂卵石地层 刀头磨损严重 推进扭矩大 控制开挖面土体平衡困难 砂卵石地层的土压平衡特点 砂卵石地层抗剪强度的评价 砂卵石地层的内摩檫力 砂卵石地层的咬合力 天然休止角 35 40 且与坡高无关 与内摩擦角的区别 密实卵石的稳定坡角 与坡高有关60 85 4 4盾构穿越全断面砂层或无水砂层 推进阻力大 推进方向不易控制 切削土体不易搅拌成可塑性体 土压平衡建立困难 石英砂含量大时刀具磨损大 4 5更换刀头 继用刀头 备用刀头 继用备用刀头 主副刀头 幅条回转刀头 牵引链回转换刀方式 4 6幅条式刀盘与面板式刀盘耐磨比较 切削模式不同 刀具作用不同 切削渣土的流动效果不同 围岩受力状态不同 5 盾构施工技术在北京地铁中的应用情况 现在全面开工建设的北京地铁4号线 5号线 10号线 含奥运支线 和即将开工建设的机场线 有许多标段采用盾构法施工 下图是北京地铁建设中正在进行的4号 5号和10号线的线路图 加上即将进行正式开工建设的机场线盾构标段 2006年内 北京将有18 20台盾构在为北京的地铁的建设进行工作 6 北京盾构施工技术中的几个关键问题的探讨 6 1盾构机型问题正如前所述 北京地区盾构施工 应根据北京地区地层条件的具体特点和水文条件的具体情况来选择使用合适的盾构机型 以达到技术上先进可行 经济上合理和满足工期要求之目的 就目前而言 统统采用土压平衡盾构确实存在着一定的问题 当然不管是单一土层还是混合土层 在大部分条件下选用土压平衡盾构施工 就北京目前条件而言是可以接受的 但对某些具体条件下 如砂砾石高水压条件 似乎泥水平衡盾构更加合适 而对于南部和西南部无水砂层地质条件 敞开式盾构似乎更加合理 总之 合理机型的选择有待于进一步的探讨 6 2刀盘型式问题 辐条式刀盘结构和面板式刀盘结构是北京盾构施工通常采用的两种刀盘结构型式 面对北京地区较为复杂的地层地质和水文条件 究竟何种刀盘型式更适合北京的盾构隧道施工 是长时间以来没有得到很好解决和公认一致的结论 从地铁五号线施工情况看 应该是辐条式刀盘结构更为合适 北京地铁10号线11标段 施工单位为北京住总集团 设备制造商分别为日本石川岛播磨和德国海瑞克公司 刀盘型式分别为辐条式和面板式 前后依次分别穿越长度为2122 2135 m和697m的隧道 隧道的基本条件一致 北京的三种典型地层都将遇到 混合地层是主要地质特征 希望通过这个工程实践和经验总结 进一步回答北京地质条件下的刀盘结构型式问题 6 3刀具磨损和换刀问题 刀具磨损一直是困扰着北京盾构施工的重要技术问题之一 不同于广州地铁建设中的刀具磨损情况 北京这种混合地层中的盾构施工 只要有砂层和砾石层存在 尤其是砂层存在 刀具的磨损十分严重 已有的五号线工程实践已经充分证明了这一点 刀具磨损到一定程度 换刀成为保护盾构正常施工的必然选择 采取什么方式 在什么样的情况下去更换刀具 也是北京地铁建设中需要急待解决的问题 五号线盾构施工中曾经换过刀具 但尚不能给出明确合理的换刀方式 基于北京地层和地面条件的复杂性 有压换刀和无压换刀方式均采用过 但目前还不能给出一个十分明确的结论 6 4地面沉降控制与信息化施工管理问题 地面沉降控制一直是盾构施工中需要解决的问题 但也是一直没有很好的解决的问题 由于北京地面条件的复杂 有时对地面沉降的控制要求十分严格 因此盾构施工中合适的地面与地层沉降控制措施是十分必要的 如同步注浆材料的选