企业培训_土压平衡盾构施工技术培训教材

土压平衡盾构施工技术培训 上海斯美科汇建设工程咨询有限公司2017年3月 目录 土压平衡盾构施工技术 现代盾构机主要分为土压平衡式 泥水平衡式 硬岩式 复合式等类型 传统的盾构施工法大多有赖于气压 降水 注浆加固等措施来对付不稳定地层的局面 而土压平衡式盾构是对盾构正面的土加压 确保开挖面的稳定 即在切削刀盘后面的密封腔内充满开挖下来的土砂 并保持一定土压力 能较好地稳定开挖面和防止地表隆陷 是当今一种成熟的盾构新技术 一 土压平衡盾构施工技术 1 原理2 适用条件3 功能组成4 施工工艺流程 一 土压平衡盾构施工技术1 原理 土压平衡式盾构机是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘 将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮留密封仓内 并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡 以减少盾构推进对地层土体的扰动 从而控制地表沉降 在出土时由安装在密封仓下部的螺旋运输机向排土口连续的将土碴排出 一 土压平衡盾构施工技术2 适用条件 土压平衡盾构工法采用泥土加压平衡刀盘切削面 能使开挖面保持稳定 确保隧道施工安全 具有对地层扰动小和沉降小等优点 特点 施工中基本不使用土体加固等辅助施工措施 节省技术措施费 并对环境无污染 根据土压变化调整出土和盾构推进速度 易达到工作面的稳定 减少了地表变形 对掘进土量能形成自动控制管理 机械自动化程度高 施工速度快 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 土压平衡盾构机主要由五大系统组成 1 盾构掘进系统 2 控制系统 3 管片拼装系统 4 出土系统 5 壁后注浆系统 6760土压平衡式盾构机主体结构简图 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 1 盾构掘进系统掘进系统包括土压平衡盾构掘进部分和使其运转的动力设备 装载动力设备以及与掘进机同时前进的后方车架 土压平衡盾构掘进部分由刀盘 盾壳 刀盘动力驱动马达 推进千斤顶和铰接千斤顶等设备组成 先行刀切削刀仿形刀 推进油缸推力 速度 行程控制 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 1 盾构掘进系统 铰接装置 对于小曲线段的掘进或需要姿态纠偏时 预先使用铰接调整盾构机前部的角度是一种很有效的方法 盾构机配置铰接装置也是掘进小曲线段的一种保证 盾构机铰接油缸安装在中盾壳体上 铰接处有防水密封 由16只行程230mm的油缸组成 可使前后盾体最大左右弯曲1 5度 上下弯曲1 0度 具有300米半径的小曲线掘进能力 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 2 控制系统 含自动导向系统 控制系统包含刀盘转速 推进油缸和铰接油缸的压力 行程 速度 出土螺旋输送机的转速 同步注浆和盾尾油脂的压注等等设备的自动控制和手动控制 盾构的控制管理系统 不是单纯的信息中心 而是作为整体运转所不可缺少的一个体系 将这些信息集中在一起并迅速作出反应的某一处理称为中央控制 操作人员的操作技能是兼下达土木 电气 机械等综合判断指令的技术于一体 并在数据分析中起到显著的作用 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 2 控制系统 含自动导向系统 自动土压控制装置 通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行常时监视 利用装在控制室操作盘上的PLC计算出实际值与目标值的差值 通过PID控制 自动调整螺旋机转速的控制指令值 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 2 控制系统 含自动导向系统 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 2 控制系统 含自动导向系统 小松盾构机配置的自动导向系统为日本演算工房出品的ROBOTEC测量系统 配置的主要仪器为Trimble5603全站仪和倾斜仪 每隔50s就能就进行一次高精度的位置计算 并能够实时显示盾构姿态 为操作人员提供图像姿态和数据 通过对隧道设计轴线和盾构机姿态的比较 指导盾构参数的调整 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 2 控制系统 含自动导向系统 左图为小松盾构机控制屏 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 2 控制系统 含自动导向系统 右图为小松盾构机控制屏 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 3 管片拼装系统由管片拼装设备和管片吊运 输送等设备组成 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 3 管片拼装系统管片吊运 输送装置 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 4 出土系统由出土螺旋输送机和皮带输送机组成 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 5 盾尾壁后注浆系统盾尾壁后注浆的主要目的是控制地面沉降 防止向管片内漏水 使土压力作用均匀以及使管片组成的衬砌环早期稳定 防止管片上浮 侧移和错台 背填注浆方式 根据其实施时期可进行如下分类 a 同步注浆方式同步注浆与盾构掘进同时进行 通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管 在盾构向前推进盾尾形成空隙的同时 采用螺杆泵二管路 四注入点 同时注浆 注浆可根据需要采用自动控制或手动控制方式 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 一 土压平衡盾构施工技术3 功能组成 5 盾尾壁后注浆系统b 即时注浆方式即时注浆是在每一环掘进完成后 从盾尾的管片注浆孔实施背填注浆的 以尽量缩短尾部空隙的发生和尾部填充时间的延迟 在特殊地段 如软弱土层和急转弯段 采用两套注浆系统同时进行盾尾同步注浆和管片即时注浆 c 补充注浆方式根据工程实际情况 如管片渗漏 隧道沉降等 可采取在盾尾数环后的管片注浆孔进行二次 或多次 背填注浆 控制滞后沉降 减轻隧道防水压力 一 土压平衡盾构施工技术4 施工工艺流程 二 土压平衡盾构机操作 1 盾构机姿态控制2 盾构机参数控制3 其他操作 二 土压平衡盾构机操作 土压平衡盾构机操作的基本原则是 在控制切口环压力在要求范围内稳定和盾构机姿态在设计要求范围内的前提下 实现盾构机正常掘进 二 土压平衡盾构机操作1 盾构机姿态控制 1 影响盾构机姿态的原因 1 地层变化 2 掘进参数不合理 主要原因 3 设备存在缺陷 如刀具配置不合理 二 土压平衡盾构机操作1 盾构机姿态控制 2 在正常掘进过程中应当保持盾构机水平和垂直姿态在 30mm 经验表明垂直姿态控制在0 30mm更理想 这样的姿态无论对于超限和隧道上浮都有一定的帮助 在上软下硬的复合地层中 盾构机保证一定的俯角 2 5 推进 在沙层中保持 2 4的仰俯角推进 这样更有利于姿态的控制 二 土压平衡盾构机操作1 盾构机姿态控制 3 滚动角应当控制在 6 6间 根据滚动角的变化随时更换刀盘转向 一环中有需要的话可以多次转变刀盘转向 这样可以防止由于滚动角大造成隧道管片扭转和预防刀盘结泥饼 4 在曲线掘进时 在盾构机进入缓和曲线前 做好盾构机姿态调节 常规下一般姿态向曲线内侧偏移 10 25mm比较合适 弯转半径小时取大值 二 土压平衡盾构机操作1 盾构机姿态控制 5 推进油缸行程控制原则上推进至1330mm至1360mm的时候应停止掘进 除非特殊情况下推进油缸行程可以适当多走一点 如需接驳管线 但不宜走太多 推进油缸行程差不宜超过20mm 行程差过大 则盾尾刷容易碰擦管片 管片脱离盾尾较多 变形较大 管片姿态变差 甚至造成管片开裂 如果推进油缸行程差比较大时 应当合理的进行管片选型 通过管片来调整推进油缸的行程差 二 土压平衡盾构机操作1 盾构机姿态控制 纠偏过头 推进油缸行程差过大 造成的管片碎裂 二 土压平衡盾构机操作1 盾构机姿态控制 纠偏造成管片碎裂的情况 二 土压平衡盾构机操作1 盾构机姿态控制 6 铰接油缸伸出的长度 直接影响到掘进时盾构机的姿态 应减少铰接油缸的行程差 尽量将行程差控制在20mm以内 铰接油缸行程差加大 盾构机推力增大 同时造成管片选型困难 将铰接油缸的总行程控制在40 60mm之间为宜 7 管片选型要合理 其实在管片选型上 不能光凭盾尾间隙草率选定管片 应当以盾尾间隙为原则 结合铰接油缸行程和盾构机走向趋势来进行综合选型 二 土压平衡盾构机操作2 盾构机参数控制 严格按要求控制盾构的推进参数 其中包括千斤顶的油压控制 土仓压力的设定值 掘进速度 出土量 自转控制 刀盘扭距等 应根据地质变化 隧道埋深 地面荷载 地表沉降 盾构机姿态 刀盘扭矩 千斤顶推力等各种勘探 测量数据信息 谨慎操作 主要注意 土压力 掘进速度 出土量 纠偏量等 二 土压平衡盾构机操作3 其他操作控制 1 盾构进出洞土体加固为了在拆除盾构工作井的盾构端头临时墙时保持地层的稳定 防止盾构进出洞始发或接收时 在盾构完全进入地层之前与盾构到达后完全脱出地层时 其周围流出地下水和泥沙造成端头失稳 则需要根据地层条件 水文条件 隧洞埋深及周边环境等因素对盾构进出洞端头进行加固处理 可采用搅拌桩 高压旋喷桩结合压密注浆加固 或采用化学注浆加固 以及冻结加固等 二 土压平衡盾构机操作3 其他操作控制 2 洞口密封装置安装盾构在进出洞过程中 切口水压较高 洞口与盾构壳体形成环形的建筑空隙 为防止出洞时压力较高的泥水大量从洞门处通过此建筑空隙窜入井内 影响开挖面泥水压力的建立 造成开挖面土体的不稳定 必须设置性能良好的密封装置 洞口密封可采用钢翻板 钢套筒 帘布橡胶和油脂压注等多道密封装置 确保泥水平衡建立 二 土压平衡盾构机操作3 其他操作控制 3 洞门混凝土凿除盾构工作井围护结构为地下连续墙结构 出洞前需凿除洞圈内钢筋混凝土 最后一层凿至外层钢筋 暴露内 外排钢筋 割去外排钢筋 保留内排钢筋 一般采用风镐将洞门作粉碎性分层凿除处理 为确保高压旋喷桩加固效果 应严格控制每次凿除深度 一般为每层20cm 洞门混凝土凿除外层钢筋后 应在洞门上下左右及中部各开一孔 用来观察外部正面土体的加固效果 确认效果良好后 继续凿除剩余混凝土 对洞门内的外 内排钢筋依次作割除处理 整个凿除作业应密切注意外侧土体加固效果 根据实际情况 最终安全地将洞门凿除 二 土压平衡盾构机操作3 其他操作控制3 洞门混凝土凿除 洞门打探洞 二 土压平衡盾构机操作3 其他操作控制 3 洞门混凝土凿除 二 土压平衡盾构机操作3 其他操作控制 4 导向轨道的接长盾构出洞时 由于基准导轨与前方土体之间有一段的距离 即洞门到连续墙的距离 为保证盾构安全及准确出洞 在洞门内与凿除围护结构处安装二根导向接长轨道 安装倾角位置与基准一致 并在导轨下方作加固处理 三 质量控制 一 管片选型控制 二 管片拼装控制 三 注浆控制 三 质量控制 一 管片选型控制 管片选型的两个原则 第一 管片选型要适合隧道设计线路 第二 管片选型要适应盾构机姿态 三 质量控制 二 管片拼装控制管片破碎现象在隧道衬砌的内外两侧均有发生 衬砌外侧 一般发生在管片与盾构机外壳的接触部位 以拱底块 标准块与邻接块接缝处 封顶块居多 内侧一般发生在管片的角部 以标准块 邻接块和封顶块居多 管片中部少有发生 三 质量控制 二 管片拼装控制 1 管片拼装过程中的问题 破碎 1 圆环管片环面不平整2 拼装时工人的操作问题 拼装中出现的管片破碎不是技术问题 是最不应该发生的 三 质量控制 二 管片拼装控制拼装中止水条损坏管片拼装 三 质量控制 二 管片拼装控制 三 质量控制 二 管片拼装控制 2 管片破碎的防治措施管片破碎常常是以上一种或一种以上因素综合作用的结果 经过仔细分析再采取针对性措施进行处理 可以减少管片破碎现象的发生 1 搬运堆放时的针对性措施 1 在搬运过程中轻吊慢放 着地时要平稳 堆放时不宜超过3层 并正确摆放垫木 2 吊放管片的钢丝绳上缠橡胶条等 在起吊时 能起到缓冲作用 或者选用尼龙绳来代替钢丝绳 3 选 摆放好垫木 在管片车上管片搁置部位设置橡胶条 以起到缓冲作用 三 质量控制 二 管片拼装控制 2 管片破碎的防治措施2 管片拼装时的针对性措施 1 按要求贴膨胀止水条 橡胶密封垫 传力衬垫 纠偏用石棉橡胶板 保证粘贴可靠 位置正确 2 拼装前检测前一环管片的环面情况 清除环面和盾壳内的各种杂物 泥块及浆液 保证环面清洁 无夹泥 3 拼装前 先测量前一环各管片之间的相互高差 包括环向和径向 根据实测数据 调整已粘贴好的纠偏锲子 以保证拼装后环面的平整度 三 质量控制 二 管片拼装控制 2 管片破碎的防治措施 4 拼装时保证衬砌环圆度 块与块不错位 5 封顶块安装前 实测并确保顶部两邻接块间间距 并通过推进油泵的伸缩来调整好邻接块间的间距 控制在比设计值大6mm左右 以便顺利安装封顶块 6 及时复紧环向螺栓 总之 管片防破碎主要是要提高操作工人的工作责任心 三 质量控制 三 注浆控制 注浆按其注浆方式为同步注浆和二次补浆 按浆液性能分单液浆和双液浆 三 质量控制 三 注浆控制 1 同步注浆同步注浆是指在盾构掘进过程中 盾构机向前行进 管片脱出盾尾与围岩形成空隙的同时 从位于盾尾的注浆管路注入浆液填充形成的建筑空隙 三 质量控制 三 注浆控制 2 二次注浆盾构施工过程中 因同步注浆效果不理想 浆液未能有效填充管片衬背后建筑空隙 造成地面沉降大 成管片上浮 漏水等缺陷 为改善这种现象 采用利用管片吊装孔二次补充注入浆液 二次注浆可分为单液浆和双液浆 在阻止管片上浮 控制地表沉降时多采用注双液浆 其实除注浆方式不一样以外 在不同地层中掘进其浆液类型也有所区别 在砂层中用双液浆效果更为理想 四 掘进中常见问题处理 一 盾尾漏浆处理 二 地表沉降处理 三 渗漏水处理 四 掘进中常见问题处理 一 盾尾漏浆处理 盾尾漏浆是盾构施工最常见的 也是最麻烦的问题 特别是在富水层中掘进 如果盾尾刷受损 盾尾间隙差 浆液凝固时间长 注浆压力大等原因 漏浆的频率高很多 盾尾漏浆有两种形式 漏泥浆和漏砂浆 实际掘进中盾尾还会漏水 四 掘进中常见问题处理 一 盾尾漏浆处理 盾尾漏浆的根本原因是 盾尾刷在掘进过程中由于盾尾间隙差 盾尾刷受管片挤压导致失去弹性或者脱落造成盾尾漏泥浆和砂浆及清水 浆液凝固时间过短 造成浆液不能充分填充管片后空隙 而是堆积在注浆口附近 造成注浆通道受限制 后续浆液压力必然剧增 当浆液压力高于盾尾刷和油脂的抗压力时 就会击穿盾尾刷和油脂衬背而造成盾尾漏砂浆 长期下去就会导致盾尾漏泥浆和砂浆及清水 所以在防止盾尾漏浆最有效的措施是保护好盾尾刷和控制好注浆压力与浆液的凝固时间 四 掘进中常见问题处理 一 盾尾漏浆处理 在掘进过程中盾尾漏浆 首先应当了解漏浆情况 具体位置在哪个部位 漏浆量有多大 盾尾间隙如何 注浆压力有多大 综合以上信息进行处理 总而言之 在掘进中多注意保护盾尾刷 控制好注浆压力 使用配比合理的浆液 从根源上解决漏浆问题 在盾尾刷已经受损后 有条件更换盾尾刷时应马上更换尾刷 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 盾构法在软土层中推进 会导致不同程度的地面和隧道沉降 即使采用当前先进的盾构技术 也难完全防止这些变形 上海虹桥机场跑道下的盾构推进 采用严格措施 最终跑道沉降也达6mm 多数设计图纸要求 一般地段盾构掘进引起的地层损失率应 1 并不得超过地表最大允许变形 隆起10mm 沉降30mm 特殊情况下根据具体环境保护要求确定 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 盾构施工引起的地层损失和盾构周围土体受扰动 或受剪切破坏的重塑土的再固结 是地面和隧道沉降的基本原因 地层损失是盾构施工中挖除土体体积和建成隧道体积之差 建成隧道体积包括隧道外围包裹的压入浆体体积 地层损失率以占盾构理论排土体积的百分比表示 圆形盾构理论出土体积为盾构截面面积 周围土体再弥补地层损失中 发生地层变形 引起地面沉降 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 1 引起地层损失的因素是 1 开挖面土体移动 盾构掘进时 开挖面土体受到水平支护应力小于土体侧向应力 则开挖面土体向盾构内移动 引起地层损失 而导致盾构上方地面沉降 若盾构推进时 作用在正面土体的推应力大于侧向应力 则正面土体向上 向前移动 引起地层负损失 而导致盾构前上方土体隆起 2 盾构后退 在盾构暂停推进时 盾构推进千斤顶漏油而引起盾构后退 使开挖面土体坍落或松动 造成地层损失 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 1 引起地层损失的因素是 3 土体挤入盾尾空隙 压浆不及时 压浆量不足 压浆压力不适当 使盾尾后周边土体失去平衡状态 向盾尾空隙中移动 引起地层损失 4 改变推进方向 盾构在曲线推进 纠偏 抬头或磕头推进过程中 实际开挖面不是圆形而是椭圆 引起地层损失 盾构轴线与隧道轴线的偏角越大 则对土体扰动和超挖程度就越大 其引起的地层损失也越大 5 随盾构推进而移动的盾构正面阻碍物 使地层在盾构通过后产生空隙 而又无法及时压浆填充 引起地层损失 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 1 引起地层损失的因素是 6 推进的盾构外周粘附一层粘土时 盾尾后隧道外周环形成空隙会有较大量的增加 如不相应增加压浆量 地层损失必然大量增加 7 盾构移动对土层的摩擦和剪切 8 在土压力作用下 隧道衬砌产生的变形也会引起地层损失 饱和松软地层衬砌渗漏亦会引起地层沉降 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 2 施工引起的地层损失可分为三类 1 正常的地层损失 2 不正常的地层损失 3 灾害性的地层损失 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理地面沉降的横向分布估算公式为 S x 沉降量V1 地层损失量Z 距隧道中心的埋深 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 隧道上部地面沉降槽示意图Smax 隧道中心线处最大的沉降量i 沉降槽宽度系数 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 沉降槽宽度系数i的计算方法有多种 attewell的公式计算方法是 式中 r为隧道半径 Z为隧道的中心埋深 地层损失率的计算方法是 R V1 V其中 V为盾构的截面面积 31 55m2 直径6340mm盾构机 地层损失率用百分比表示 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理盾构掘进引起的地层损失率应小于1 如果大于1 区间隧道的后期沉降量大 相应可能引起运营隧道的曲率半径过小 影响隧道的正常使用和安全 对应于盾构掘进引起的地层损失率1 相应管片自脱出盾尾15天后不同盾构覆土厚度处的地面沉降槽最大沉降量 及盾构前方是最大隆起量 不得大于下表中的规定数值 表内数值就是根据目前1 的地层损失率来计算的 只要有隧道埋深就可计算出最大沉降量和最大隆起量 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 3 解决措施 1 注意盾构推进中各项工作参数的控制 对土压 推进速度 出浆量 纠偏保持高度重视 即做到不扰动或少扰动土体 2 应重视管片同步注浆的及时和压力 注浆量 使管片与土体间的空隙迅速填充密实 3 应重视同步注浆浆液的质量 配方 浆液的实物质 初凝时间等 四 掘进中常见问题处理 二 地表沉降处理 3 解决措施 4 重视后期的监测 根据沉降情况及时进行二次补浆 特别是双液浆因凝结时间短 固结后强度高 不易渗入周边土体等优点广泛应用于实际工程中 尤其是在含水量较高的软土层地