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盾构设备及施工关键技术 1 目录 一 盾构的基本部件 作用原理二 盾构施工沉降控制三 案例 2 一 盾构的基本部件 作用原理 1 盾构的基本部件盾构机主机主要由壳体 刀盘及驱动系统 拼装机 螺旋输送机 推进系统 等几大部份组成 土压平衡盾构机主要部件构成示意图 3 盾构机主机图 一 盾构的基本部件 作用原理 4 一 盾构的基本部件 作用原理 1 1盾构壳体保护掘进设备的钢结构外壳 包括切口环 支承环 盾尾一部分 切口环 切口环是保持开挖面的稳定 将挖掘下来的土砂向后方移动的通道 支承环 支承环是盾构承受土压力及主机设备载荷的受力构件 盾尾 盾尾的长度应根据衬砌环在盾构内的组装长度和盾尾密封的形状及其段数决定 同时考虑到隧道的曲线施工等因素 需要有一定的富裕量 5 一 盾构的基本部件 作用原理 1 2刀盘在盾构前端装有刀具 能旋转切削土体的钢结构组合体 6 土压平衡式盾构 泥水加压平衡盾构 7 海瑞克刀盘 8 有固定搅拌棒刀盘 9 无固定搅拌棒刀盘 10 一 盾构的基本部件 作用原理 刀具 贝壳刀 11 12 13 一 盾构的基本部件 作用原理 1 3刀盘驱动装置驱动刀盘旋转的装置 有液压驱动 变频电机驱动 定速电机驱动一种形式 该装置包括液压马达 电动机或变频电机 减速器 大小齿轮 大轴承等 盾构或顶管大刀盘的设计扭矩 T 般按T D3经验公式计算 其中 是扭矩系数 D是盾构的直径 14 一 盾构的基本部件 作用原理 1 4管片拼装机拼装管片的机械装置 能夹持管片 作圆弧运动 径向运动和纵向运动等 15 一 盾构的基本部件 作用原理及施工工法 拼装机盘体回转有快慢速度 采用了遥控拼装机技术 降低了设备的维修率 改善了作业人员的工作强度和安全性 提高了管片的拼装质量和工作效率 16 一 盾构的基本部件 作用原理 螺旋机驱动结构图 1 5螺旋输送机输送土仓中土体的机械装置 包括螺旋部分 驱动和闸门等装置 根据螺旋的形状 可分为有轴螺旋输送机和无轴螺旋输送机 17 一 盾构的基本部件 作用原理 18 一 盾构的基本部件 作用原理 1 6盾尾密封系统为防止衬砌环与盾构之间施工空隙涌水 漏泥而设置 由盾尾密封和油脂加注装置等组成的系统 盾尾油脂泵 盾尾密封示意图 盾尾密封装置结构图 盾尾密封刷 19 一 盾构的基本部件 作用原理 1 7推进液压缸用来推动盾构前进的液压缸 能克服盾构推进时所遭遇的阻力 推进泵组 阀组 20 一 盾构的基本部件 作用原理 1 8后方台车在隧道内装载着掘进所需主要机 电 液装备并跟随在盾构后行走的台车 21 一 盾构的基本部件 作用原理 1 9皮带机 22 一 盾构的基本部件 作用原理 1 10同步注浆系统 盾构施工隧道时 当盾构的盾尾脱离管片衬砌后 管片背面和地层之间形成一定的建筑空隙 若不及时回填这一空隙 会造成地表沉陷 进而对邻近的建筑物等产生破坏性的影响 因此 及时填充这一空隙的注浆系统是盾构的重要组成部分 同步注浆系统图 23 24 一 盾构的基本部件 作用原理 为确保隧道曲线段施工而设置 主要由铰接液压缸 密封装置以及铰接止转装置等组成 1 11铰接装置 25 一 盾构的基本部件 作用原理 复合盾构 混合盾构 26 二 盾构施工沉降控制 27 1 盾构施工土体纵 横向位移盾构施工地面沉降规律 盾构推进施工引起的地表和土体沉降位移的历时变化一般分为盾构到达前 盾构到达 盾构通过时 盾构通过 后续沉降5个阶段 1 盾构到达前的超前沉降在切口3 20m处一般发生沉降 但沉降量很小 主要是盾构掘削面引起的地下水位降低而发生的 当离盾构切口较近时 受开挖面后土体的位移而引起应力释放发生隆沉 28 2 盾构到达时的隆沉在切口0 3m范围内发生隆沉变化 当盾构设定土压值较大 推力较大 出土量小于100 时 地表呈隆起 当设定土压值较小 推力较小 出土量大于100 时 地表呈隆沉变化 3 盾构通过时的沉降 在盾构切口至盾尾范围内 一般发生沉降变化 主要由盾构超挖 土仓压力低 注浆压力不够 纠偏蛇行引起的土体扰动 29 4 盾尾通过后的隆沉 盾尾离开0 5m范围内 因注浆不及时及注浆压力不够而会发生较大沉降 若采用同步注浆 并及时 充足地注浆 则不易发生沉降 若过量注浆 则发生隆起 5 后续沉降 由于盾构施工过程中因挤压 超挖 蛇形 注浆等扰动土体后 土体缓慢固结产生的沉降 其特点是沉降时间很长 30 盾构机 推进方向 管片 31 横向位移1969年 美国科学家P B Peck结合采矿引起地面沉降槽的形状近似于概率论中的正态分布曲线 如图1 1所示 并给出地面沉降的横向分布估算公式 32 图1 1隧道上部沉降槽断面形状 33 34 35 2 盾构到达前隆沉 1 原因盾构到达前 因为土压力的原因 使土层失水 一般造成地层的微沉 2 措施合理设定土压力 加强塑流化改造 过建 构筑物及重要管线准备好后连续通过 36 3 盾构到达沉降及控制 1 建立持续稳定合理的土压 图二 37 38 39 40 2 影响建立土压的因素a土压仓土体流塑添加材料 加泥 膨润土 泡沫 水 化合物 加入位置 刀盘辐条 中心刀 土舱内 b盾构设备盾构机扭矩 尽量确保刀盘扭矩能力 掘进过程中施工扭矩一般控制在额定扭矩的80 以下为宜 刀盘形式 刀盘结构 4盾构通过沉降原因及控制 1 原因 a设备原因 b土压不平衡 2 措施 a设备改进 b增稠泥浆注入系统 c加快推进 41 5 盾尾到达沉降及控制同步注浆的目的 一 防止地层变形 二 提高隧道的抗渗性 三 管片受外力均匀 1 影响沉降的因素 a浆液流动性 稳定性 b体积收缩率 c浆液凝结时间 d注浆压力 e设备能力 盾尾漏浆 被动铰接 双液注浆 2 措施 a加快浆液凝结时间 b提早二次补浆 c在保各项参数的情况下加快推进 静止土压力 H 图5 42 不同注浆浆液及特性单液浆 双液浆液 2 注浆量及压力控制合理注浆压力 确保填充率 双液浆沉降量小 3 盾尾密封 43 6 后期沉降 1 机理由于盾构土仓压力变化作用 推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等因素 使周围地层形成正值的超孔隙水压区 其超孔隙水压在盾构隧道施工后的一段时间内消散复原 在此过程中地层发生体积损失 引起地面沉降 地层因孔隙水压力变化而产生的地面沉降 称之为主固结沉降 排水固结 土体受到扰动后 土体骨架还会发生持续很长时间的压缩变形 在此土体蠕变过程中产生的地面沉降为次固结沉降 在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中 次固结沉降往往要持续几年以上 44 2 采取措施1 从隧洞内往土体劈裂注浆 2 从地面进行注浆补偿 3 盾构机壁外减阻 45 三 辅助工法控制沉降1 隔离桩2 地层加固3 洞内沉降补偿劈裂注浆 46 三 案例 47 三 案例 1 含水小粒径砂卵石 且含砂量不均变化地层案例 北京南水北调配套工程 一期 2标段 颐和园北宫门段 48 1 曲线上始发 连续两个R 400m半径的急曲线和6 7 大坡度 并穿越高密度 低矮 结构很差的平房和浅覆土河道 2 不足2m的超近距离条件下穿大型立交桥越群桩基 桥桩竖向沉降和水平位移要求十分严格 仅仅2mm 国内尚无同类工程 3 盾构全程均在圆砾石低含砂量高水位地层内掘进 其中700m为全断面圆砾层 1 1工程概况 49 1 盾构穿越断面地层大部分为圆砾层 富含地下水 地层透水性很强 2 盾构段总长1961m 穿越断面地层主要为含砂量很低的圆砾层 部分地段夹有中细砂 地勘报告中显示圆砾最大粒径为17cm 平均粒径5 10cm 3 盾构穿越地层地下水比较丰富 且工程位置与清河相距较近 约30m 地下水与清河存在水力联系 工程地质条件和水文条件对盾构施工影响较大 是本工程的特点和难点 1 2地质 水文条件 三 案例 50 北京市市政四建设工程有限责任公司 北五环肖家河立交桥上部结构为预应力混凝土连续箱梁 桥桩均为直径1 2m钻孔灌注摩擦桩 桩长约20m 两根一组 通过承台联系 承台上为独柱 1 3穿越桥桩简介 三 案例 51 隧顶覆土厚度约12m 盾构由西向东依次穿越肖家河桥北侧B匝道ZB10 ZB11 轴间 Y线YZ8 YZ9 轴间以及D匝道ZD 1 ZD 2 轴间 所穿越桥桩编号为ZB10 ZB11 ZD1 ZD2和YZ8 共计有16根桩受影响 其中 距桩基YZ 8最小水平距离仅1 975m 平均距离在3m左右 ZB 10 三 案例 52 通过情况 桥梁差异沉降 2mm 完全满足桥梁设计要求及使用要求 得到业主单位的一致好评 该工程施工时间 2007年7月初至10月中旬 1 单班 12小时 最快18环 2 单周最快181环 3 单月最快634环 沿线沉降最大值 10mm中间全线一次穿越 没有更换刀具 三 案例 53 2含水小粒径砂卵石 且含砂量大于30 地层案例 沈阳地铁一号线13标 54 沈阳地铁一号线13标工程施工场地位于沈阳市和平区与沈河区交接地段 标段单线长1330 267m 2 1工程概况 2020 3 19 55 盾构穿越断面地层大部分为圆砾层 富含地下水 地层透水性很强本区间范围内的地形变化平缓 地面标高介于49 64 51 72m 最大地面高差2 08m 地貌类型为浑河新扇 勘察深度内的由第四系全新统人工填筑层 Q4ml 第四系全新统浑河新扇冲洪积层 Q41al pl 第四系上更新统浑河老扇冲洪积层 Q32al pl 第四系下更新统冰水沉积地层 Q1fg1 组成 本区间隧道上覆地层主要为杂填土 层 粉质粘土 1层 粉细砂 2层 中粗砂 3层 砾砂 4层和圆砾 5层 洞身穿越地层主要为粉质粘土 1层 中粗砂 3层 中粗砂 3层 砾砂 4层 砾砂 4层 和圆砾 5层 圆砾 5层 2020 3 19 56 怀 中区间场地内无地表水 在勘察深度内均有地下水 地下水类型为孔隙潜水 稳定水位埋深在7 40 9 90m 相当于绝对标高42 03 42 84m 地下水水温14 15 地下水主要补给来源为浑河侧向补给及大气降水垂直入渗补给 主要排泄方式为迳流排泄和地下水的人工开采 地下水流向总的方向是由东向西 含水层的渗透系数平均值为85m d 标准冻结深度1 2m 2020 3 19 57 地表建构筑物统计表 2 2盾构下穿建筑群简介 2020 3 19 58 2020 3 19 59 2020 3 19 60 2020 3 19 61 2020 3 19 62 2020 3 19 63 2020 3 19 64 2020 3 19 65 2020 3 19 66 2020 3 19 67 区间隧道穿越中街路的步行街 长约298 2m 右线隧道从步行街南边房屋底穿过 左线从步行街街中心穿过 左线距离北边房屋基础最小6 23m 沈洲商场 距离南边房屋最小5 54m 因此右线隧道掘进通过步行街影响最大的是南边的房屋建筑 2020 3 19 68 2 3工程特点 2020 3 19 69 2 4沉江控制措施 2020 3 19 70 该工程实施时间 2008年10月初至2009年9月中旬 1 单班 12小时 最快19环 2 单周最快179环 3 单月最快701环 沉降控制在5mm之内 单向区间没有检修刀具 2 5掘进效果介绍 2020 3 19 71 3无水大粒径砂卵石 且含砂量不均匀变化地层案例 北京地铁九号线03标 2020 3 19 72 丰台东大街站 丰台北路站区间沿丰台东大街下方设置 整体呈南北走向 隧道覆土9 12m 3 1工程概况 2020 3 19 73 丰台东大街站 丰台北路站区间沿丰台东大街下方设置 整体呈南北走向 隧道覆土9 12m 盾构穿越地质自上而下依次为杂填土 粉质粘土 5 卵石圆砾 卵石圆砾 盾构机主要穿越层为圆砾卵石 层 地勘揭露最大粒径420mm 估计最大粒径不小于600mm 一般粒径20 80mm 粒径大于20mm的颗粒约为总质量的55 75 卵石单轴抗压强度87 74 165 16MPa 盾构穿越地层内无地下水 3 2地质水文条