盾构施工关键技术及其发展PPT课件.ppt

钟显奇广东省基础工程公司 盾构施工关键技术及其发展 1 盾构施工的关键技术 洞门处理技术水土压力平衡技术和土石方排放地面沉降控制管片背后注浆姿态控制刀盘布置技术和混合地层施工技术急转弯技术质量控制措施 2 SEW ShieldEarthRetainingWallSystem ShieldEarthRetainingWallSystem 始发井 到达井 用于盾构始发和到达的SEW工法 洞门处理技术 3 ShieldEarthRetainingWall 4 従来工法 SEW工法 ShieldEarthRetainingWallSystem 機 FFU壁 地盤改良範囲 5 FFU材料的使用 本区间左线盾构机始发是采用SEW工法进行盾构始发 它的工作原理就是在盾构始发洞门范围内的围护结构上 预先埋设一种玻璃纤维材料 简称FFU 形状大小可结合围护结构的形式进行预制 利用在材料两端的钢结构分别与围护结构的钢筋进行连接 以保证材料与围护结构钢筋笼的整体性 在围护结构施工时可随钢筋笼一起放入槽段 孔 内 然后浇注混凝土 6 运用FFU材料加固后的左线始发洞门 左线盾构始发 7 在盾构始发时 盾构机可以直接通过围护结构 对FFU进行切削 免除了传统上洞门凿除的工序 另外由于该材料在预埋时 根据围护结构的受力情况 考虑到其强度问题以保证洞门的稳定性 因此在盾构始发前 也可取消对端头进行加固的工作 8 盾构机切削FFU材料时排出的渣样 9 水土压力平衡技术 土压平衡在泥土仓内将土体拌和成流塑的 熟土 熟土 从螺旋出土器中排出 通过在泥土仓内压入泥浆或压缩空气 即使土体容易排出 同时维持压力的平衡 但螺旋出土器容易喷涌 泥水平衡通过泥水循环 维持一定的压力 保持地层的稳定 同时将土渣输送到地面 不同的地层 压力设定的方法不一样 淤泥 静止土压力 砂层 水压力 均加2m水头 10 11 泥水平衡盾构机的原理 开挖面被加以大于孔隙水压力的泥浆压力 使工作面得以稳定 泥水平衡盾构利用泥水平衡开挖面压力及输送掘削下来的土体 是一种先进的盾构工法 12 泥水盾构的主要特点 1 在易发生流砂的地层中能稳定开挖面 2 泥水压力传递速度快而均匀 开挖面平衡土压力的控制精度高 对开挖面周边土体的干扰少 地面沉降量的控制精度高 3 盾构出土由泥水管道输送 速度快而连续 减少了电机车的运输量 保证安全及文明施工 4 需要较大规模的泥水处理设备及场地 13 泥水循环流程及泥水分离处理 泥水盾构通过泥浆循环将碴土携带到地面 通过泥浆处理场将浆 碴分离 碴土外运 泥浆则循环使用 每台盾构机泥浆循环量约500m3 h 14 泥水处理设备 泥浆处理设备在工作 2005 2 1 土渣分离系统出渣情况 2005 2 1 15 泥浆池布置 16 地面沉降控制技术 关键是压力控制地面沉降控制 17 注浆效果示意图 壁后注浆层 18 过江采用声纳法进行监测 采用了声纳法对盾构过珠江时江底沉降进行监测 声纳法监测点布置示意图 19 江堤和过江段沉降曲线 20 6260泥水平衡盾构机侧面 盾构机刀盘正面 刀盘布置技术和混合地层施工技术 21 刀盘刀具配置与选用主切削刀 贝壳刀 滚刀 单刃及双刃滚刀 中心刀 鱼尾刀 中心滚刀刮刀 22 第一种断面 古河道冲刷形成的典型断面 接触面含粗砂和砾石 掘进过程容易卡住刀盘 上软下硬地层的两种断面情况 上软下硬地层的特点 上软下硬地层施工 23 而且该地层由于明显的强弱过渡 容易对刀具产生强烈的冲击而造成崩 裂的不利影响 另外 中风化岩层地层造成掘进困难 若掘进缓慢 则对上部的砂层容易产生因过分的扰动而塌方 第二种断面有如下情况 底下的中风化岩层地层掘进困难 中间的 地层容易产生泥饼 上部的砂层容易塌方 因此 泥浆性能指标和掘进参数必须严格控制好 方能确保掘进顺利 该地层不具备自然条件下开仓换刀的条件 24 大中区间地质复杂多变 刀盘断面上部为砂层 下部为 岩层 是典型的上软下硬地层 该岩层完整性好 且含砾石 对刀具的磨损很大 刀盘也容易结泥饼给盾构的掘进带来了极大的困难 区间左线在444环开仓换完刀后 外周9把滚刀 其余为贝壳刀 掘进到510环开仓后检查刀具发现17贝壳刀磨损严重 2 上软下硬地层对刀具的磨损大 1 上软下硬地层中沉降控制难度大 上软下硬地层施工的难点 25 开挖面轨迹线非常清晰 岩层完整性很好 岩石成分主要为泥岩 砂质泥岩 局部存在砾岩岩石强度约10 30Mpa 部分地层的泥岩中含有很多砾石 砾石强度高达80 100Mpa 26 贝壳刀极其容易磨损 配置滚刀时 控制也很关键 否则也容易出现偏磨 27 断层破碎带岩样 28 3 容易形成泥饼 盾构在高粘性土或泥质岩等地层中掘进时可能会在刀盘尤其是中心区部位及土仓隔板前刀盘支撑之间产生泥饼 当产生泥饼后 泥饼会裹住滚刀使用滚刀偏磨 从而导致掘进速度急剧下降 刀盘扭矩也会上升 使盾构掘进困难 大大降低开挖效率 掘进过程必须做好对刀具的保护措施 一旦刀具磨损 盾构掘进将变得异常困难 甚至无法继续掘进 29 3 4 1选用合理的刀具实践证明 以滚刀为主配置主切削刀具 本项目在采用滚刀掘进后 平均每天掘进进度为5 6环 且刀具磨损在正常范围内 滚刀也未出现偏磨 配置贝壳刀的刀盘 配置滚刀的刀盘 上软下硬地层施工的主要技术措施 30 出洞刀具图 31 防泥饼及滚刀偏磨技术措施 在有泥饼形成条件的地层 中央操控人员要严格监测盾构机的各种参数 合理的控制掘进速度 及时用低比重优质泥浆置换土仓内粘土 防止粘土在土仓内堆积 保证刀盘开口处通畅 在掘进过程中每掘30cm清洗一次土仓 防止土仓内结成泥饼 可大大降低泥饼的形成或化解初步形成的泥饼 对泥浆处理设备的出土温度进行跟踪监测 对土仓隔板的温度也进行人工随时探测 以便及时发现异常苗头 32 实施效果 33 34 35 36 广茂铁路的沉降控制地面沉降监测点除了沿隧道轴线方向按要求布置剖面监测点和横剖面的监测点外 在隧道与铁路的交点处另外增设监测点 并沿着与铁路垂直的方向布设横剖面的监测点 同时 在铁路与隧道的交点处两侧的路基上 相隔6m距离布两个点 以监测路基的沉降 上软下硬地层施工的沉降控制情况 37 盾构过广茂铁路地面沉降曲线图 38 地表的时间沉降曲线 39 大 中区间段穿过广茂铁路后 左 右线均马上进入急曲线段 左线的急曲线段半径为260m 右线的急曲线段半径为290m 在急曲线段内 左 右线的线路纵向坡度均约为3 的下坡和23 的上坡 小半径急转弯盾构隧道施工技术 40 难题1 盾构机如何在急转弯段解决盾构推力问题 正常情况下的纠偏和 R500m的转弯 通常是采用千斤顶的偏选来使盾构机转弯或纠偏的 但对于急转弯段来说 千斤顶的过分偏选 将造成两个问题 每个千斤顶能提供的推力约120t 若选用的千斤顶太少 无法提供盾构掘进所需的推力 管片受力过于集中 会对管片产生破坏 急转弯段施工的难点 本工程最小转弯半径为260m 急转弯段的地层既有近乎全断面岩层也有全断面的软弱土层 砂层和淤泥层 实现盾构机转弯 有如下难题 41 难题2 在岩层中掘进 如何保证开挖直径 保证盾构机在岩层中能顺利转弯而不被岩层卡住 盾构机在岩层中转弯 需要的超挖量是多少如何保证开挖直径 这些 在掘进前必须计算清楚 并制定好相关措施 使盾构机在岩层中能顺利沿计划曲线转弯 如若盾构机在岩层中被卡住 将使盾构机的推力变得很大 甚至无法掘进 42 难题3 在软弱地层中掘进 因盾构机的阻力和推力均较小 如何使盾构机在掘进过程中提供足够的侧向力 使盾构机能在软土层中顺利转弯 盾构机是一个刚体 在软土地层中掘进时 容易出现整体平移现象 这使得盾构机在软弱土层中掘进时 同样须预先制定好相关措施 使盾构机能顺利沿计划曲线转弯 如若盾构机在软弱土层中无法转弯 将使盾构机远离计划曲线 施工失败 43 难题4 如何使管片受力尽量均匀 以保护管片 问题5 如何控制在侧向力的作用下 不要产生过大的偏移 隧道整体易因侧向分力向弧线外侧偏移急曲线隧道每掘进一环 管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度 在千斤顶的推力下产生一个侧向分力 管片出盾尾后 受到侧向分力的影响 隧道易向圆弧外侧偏移从而可能导致管片超限 44 问题6 如何控制盾构掘进的线形 如何控制盾构机姿态 出现偏差怎么办 在急曲线段 由于盾构机本身为直线形刚体 不能与曲线完全拟合 曲线半径越小 盾构机身越长 则拟合难度越大 在急曲线段盾构机掘进形成的线形为一段段连续的折线 为了使得折线与急曲线接近吻合 掘进施工时需连续纠偏 特别在缓和曲线段 每环甚至每米施工参数都有所不同 盾构机姿态控制难度更大 45 问题7 广州盾构施工通用的环宽1 5m管片能否满足转弯要求 问题8 管片如何选型 要注意哪些问题 46 如何使盾构机转弯 盾构的急转弯主要靠铰接装置和千斤顶的选用来实现 盾构机的铰接装置 47 对于本工程最小转弯半径为260m 若不开启铰接是无法满足转弯的 盾构机启用铰接进行曲线掘进 铰接的开启量于曲线半径有关 最理想的开启量是 盾构机在打开铰接后 其前后体均沿计划曲线行走 根据这一原则 可计算本工程所采用盾构机 在打开铰接后 其能转弯的最小转弯半径为163 95m 满足该转弯的刀盘开挖的理论超挖量为19 65mm 铰接开启量应该是多少 刀盘开挖的超挖又是多少 48 急曲线段铰接与左右行程差使用参数值 49 1 使用铰接和彷行刀 盾构机掘进进入缓圆曲线后开启盾构铰接装置 配合开启仿形刀进行超挖 并依据设计曲线半径及盾构直径计算铰接角度 开启盾构铰接装置 使得盾构机前体与后体的张角与曲线吻合 预先推出弧形趋势 为管片提供良好的拼装空间 随着盾构进入缓和曲线 逐步减小水平张角 急转弯段施工主要技术措施 50 2 盾构掘进时预偏 为了控制隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内 盾构掘进时 考虑给隧道预留一定的偏移量 将盾构沿曲线的割线方向掘进 管片拼装时轴线位于弧线的内侧 以使管片出盾尾后受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量 预偏量控制在40mm 60mm左右 3 注意管片选型 为满足急转弯施工要求 在缓和曲线段内 开始使用环宽为1 2m管片 其管片结构形状均为通用形式 楔形量皆为41mm的双边楔形管片 根据每环掘进完后盾构的行程差来安排F块的安装位置 以此来保证管片姿态跟着盾构姿态走 51 4 控制掘进速度与推力 在常规隧道施工时 为了保证进度 盾构机掘进速度往往达到20 30mm min左右 同时产生的推力也较大 因此 必须适当地降低掘进速度 掘进速度控制在10 15mm min左右 降低千斤顶总推力 同时也意味着降低侧向分力 有利于减少隧道向弧线外侧的偏移量 5 加强注浆质量与管理 在急曲线段 注浆采用双液浆 因双液浆为瞬凝性浆液 具有较高的早期强度 良好的流动性和填充的均匀性 可以在较短的时间内将建筑空隙填充并达到一定的强度 与原状土共同作用 有效减小管片受侧向压力影响在建筑空隙范围内向弧线外侧的偏移量 在注浆时 特别注意加强对管片外弧侧的注浆 通过注浆防止或减少管片向外弧侧的偏移 并为盾构机转弯提供足够的侧向力 52 急转弯段管片与计划轴线的偏差情况 实施结果 53 54 急转弯段管片偏移情况 55 急转弯隧道施工后情况 56 结论 采用以铰接为主 通过适当的铰接开启量 用千斤顶的选用辅助调整 是实现盾构机在小曲率半径曲线中顺利掘进的最好方法 加强管片外弧侧注浆 防止管片侧移 为盾构机转弯提供足够的侧向力 是盾构机实现转弯的保证 57 盾构吊装 把LSD 200液压提升机安装在钢结构吊装架上 用64条 18mm 30m的高强钢索的两端分别联接到LSD 200液压提升机和320t的盾构机上 调整好吊装重心和用1t手拉葫芦把64条高强钢索的均匀受力后 用上锚锁锁紧高强钢索 起动LSD 200液压提升机缓慢吊起 每吊起500mm后用下锚锁锁紧高强钢索 把上锚锁松开并回退500mm 重新锁好高强钢索 松开下锚锁 继续提升盾构机 反复进行 当高出地面1100mm时 钢结构吊装架进行平移 平移到位后 固定放置在预先准备好的运输车上 如右图所示 58 盾构运输 盾构机运输时 运输车行驶速度控制在5km h以内 平路采用1台拖头在前牵引 通过较大坡度 3 纵坡时采用2台拖头前拉后推 驶入盾构场地时 将后面拖头解下 由一个拖头拖入场地内并进行转弯 驶入停放位置后 将液压全挂车的高度降低存放 等待吊入盾构井 盾构运输通过厦滘村牌坊 59 河岸陡坡 全断面硬岩 工程实例 60 隧道基本情况 每个区间长度约1000m覆土厚度 5 25m隧道直径 6000平曲线情况 大 中区间线路线型以曲线为主 有2个曲线段 占该区间总长的58 曲线最小转弯半径为左线R260m 右线R290m 最大下坡为55 最大上坡为21 785 管片情况 环宽1 5m和1 2m 管片楔形量分别为38mm和41mm地质情况 61 大坦沙南 中山八站区间 隧道洞身地层统计比例图 中山八站 西场站区间 隧道洞身地层统计比例图 62 大坦沙南 中山八站地质纵断面图 55 下坡段 全断面软土 江底覆土约5米 隧道洞身主要穿越砂层 隧道洞身主要穿越上软下硬层 广茂铁路 宽约160米珠江 63 中山八站 西场站地质纵断面图 隧道洞身主要穿越风化岩层 64 260米宽的珠江 盾构过江 65 312米宽的珠江三枝香水道 2005 3 30 505米宽的南珠江 2005 3 30 66 泥水盾构越江基本情况 盾构隧道由西往东下穿宽度约260m的珠江 江中线以西约100m范围内 江底隧道线间距13m 坡度55 覆土厚度最小仅有5m 小于1倍的盾构直径 在过江隧道的南侧 有一条 800过江自来水管 水管离隧道最近的地方正好在珠江西岸的江堤处 距隧道约10m 因此盾构施工通过该江堤段时 存在一定的风险 67 过江段地质情况 隧道过江段的洞身地层主要为淤泥 淤泥质砂层和中粗砂层 隧道底部存在少量的卵石层 红层岩的强 中风化 隧道的覆土层为淤泥层及淤泥质砂层 地表水与砂层及岩体裂隙水水力联系密切 富水性强 左线 68 右线 69 珠江西岸江堤基础为抛填石 该基础底部与盾构隧道间的净距仅为4m 而在过江水管与江堤相交处 其基础为钢筋混凝土预制沉箱基础 基础底部有桩伸至持力层 在盾构施工时 应有效控制河堤和自来水管的沉降 特别要绝对防止抛填石基础的块石进入土仓 江堤情况 70 安全过江的原则与过江风险 1 安全过江原则 连续掘进 快速通过 2 过江风险分析 切口压力 因隧道顶部覆土层以淤泥 淤泥质砂层和中细砂层为主 稳定性和抗击穿能力差 切口压力太小会坍塌 太大会击穿覆土层 必须设定合适的切口压力后 还要保证压力稳定 一旦切口压力波动 对覆土层扰动是双向反复作用 更容易造成失稳坍塌 坍塌后回填困难 土仓堵塞 切口压力失去控制 盾构难以继续掘进 71 盾尾密封 如若盾尾漏浆严重 一方面导致切口水压下降 刀盘前方土体失稳 另一方面 隧道内大量淤积泥浆 若抽排不及时 将造成盾构机被淹没 沉降监测 掘进过程中沉降监测是信息法施工最重要的基础 是保证施工安全的必要措施 而河床的沉降监测比陆地复杂的多 一方面是工作环境 另一方面是河床的动态特征 过江风险分析 72 过江堤段技术措施 盾构机过江堤段施工措施1从地面情况分析 江堤的地面高度由高至低分别是 混凝土路面 江堤斜坡段 珠江江堤 因此 从覆土厚度的变化情况来看是一个渐变的过程 同时也为过江堤段提供了一个较好的过渡段 2泥浆采用高浓泥浆 泥浆的粘度应在25s以上 泥浆比重控制在1 15 1 20的范围内 同时控制好切口水压的波动性 必要时可采用逆推掘进 3盾构机采用快速通过为原则 掘进速度一般控制在3 5cm min 如条件允许可增至4cm min 4派测量人员随时监测珠江潮位的变化 并把测得数据及时反馈到中控室以指导施工 中控室人员应根据数据 在过江堤段时 每环掘进需重新设置切口水压 以保证江堤的安全和掌子面的稳定 5盾构机过江堤段时管片环数应为71环 77环 根据江堤的覆土厚度和珠江水位的变化 拟定这几环开始掘进时的切口水压设定值详见下表 并根据下一环的切口水压设定值 在推进过程中逐步均匀调整切口水压 其中第77环的切口水压须根据潮水位情况进行调整 73 74 过江的措施 在江堤河床底的地段 在河床面浇注一层混凝土 并采用沙包堆积在上方 以