区间隧道施工方法.ppt

隧道施工方法 几种施工方法 一新奥法二盾构法三TBM四浅埋暗挖法 新奥法 新奥法 新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称 原文是NewAustrianTunnellingMethod简称NATM 新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹 L V RABCEWICZ 教授于50年代提出的 它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础 将锚杆和喷射混凝土组合在一起 作为主要支护手段的一种施工方法 原理 新奥法是应用岩体力学理论 以维护和利用围岩的自承能力为基点 采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段 及时的进行支护 控制围岩的变形和松弛 使围岩成为支护体系的组成部分 并通过对围岩和支护的量测 监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则 新奥法隧道模型 锚杆 二次衬砌 施工过程 基本原则 1 充分保护围岩 减少对围岩的扰动 2 充分发挥围岩的自承能力 3 尽快使支护结构闭合 4 加强监测 根据监测数据指导施工 测量 断面大小及位置 台阶法环形开挖预留核心土法中洞法交叉中隔壁法中隔壁法双侧壁导坑法 盾构法 盾构机 软土层掘进机 于1847年发明 它是一种带有护罩的专用设备 利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进 用刀盘切割土体 同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块 盾构机掘进的出碴方式有机械式和水力式 以水力式居多 水力盾构在工作面处有一个注满膨润土液的密封室 澎润土液既用于平衡土压力和地下水压力 又用作输送排出土体的介质 软土层掘进机 原理 盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法 它是将盾构机械在地中推进 通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌 同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖 通过出土机械运出洞外 靠千斤顶在后部加压顶进 并拼装预制混凝土管片 形成隧道结构的一种机械化施工方法 盾构机既是一种施工机具 也是一种强有力的临时支撑结构 盾构机外形上看是一个大的钢管机 较隧道部分略大 它是设计用来抵挡外向水压和地层压力的 它包括三部分 前部的切口环 中部的支撑环以及后部的盾尾 大多数盾构的形状为圆形 也有椭圆形 半圆形 马蹄形及箱形等其他形式 土压平衡盾构工作原理 盾构推进时 其前端刀盘旋转掘削地层土体 切削下来的土体进入土舱 当土体充满土舱时 其被动土压与掘削面上的土压 水压基本平衡 使得掘削面与盾构面处于平衡状态 即稳定状态 示意图如图所示 由图可知 这类盾构靠螺旋输送机将碴土 即掘削弃土 排送至土箱 运至地表 由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量 确保掘削面稳定 土压平衡盾构机结构图 刀盘 盾尾 施工 1 在盾构法隧道的起始端和终结端各建一个竖井 城市地铁一般利用车站的端头作为始发或到达的竖井 2 盾构在始发竖井内安装就位 3 依靠盾构千斤顶推力 作用在竖井后壁或新拼装好的衬砌上 将盾构从始发工作井的墙壁开孔处推出 4 盾构在地层中沿着设计轴线推进 在推进的同时不断出土 泥 和安装衬砌管片 5 及时向衬砌背后的空隙注浆 防止地层移动和固定衬砌环位置 6 盾构进入到达竖井并被拆除 如施工需要 也可穿越竖井再向前推进 工作示意图 竖井施工 竖井施工 盾构机安装 安装就位 推进 沙土搬运和管片运输 沙土搬运 衬砌 衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌 沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构 衬砌技术通常是应用于隧道工程 水利渠道中 衬砌简单说来就是内衬 常见的就是用砌块衬砌 可以是预应力高压灌浆素混凝土衬砌 二次衬砌 二次衬砌是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌 与初期支护共同组成复合式衬砌 模筑衬砌 模筑衬砌指立拱架或模板后修筑的隧道衬砌 在全断面开挖隧道灌筑整体混凝土衬砌时 可实行综合机械 预制装配式衬砌 预制装配式衬砌是将若干在工厂或现场预制的构件运入坑道内 用机械拼装而成 一经装配 即可承受围岩压力 一经装配成环 不需养生时间 即可承受围岩压力 一经装配成环 不需养生时间 即可承受围岩压力 大量构件可以在工厂成批生产 在洞内进行机械化拼装 从而改善了劳动条件 节省了劳动力 拼装时 不需要临时支护如拱架 模板等 从而节省了大量的支撑材料及劳动力 拼装速度因采用了机械化而提高 缩短了工期 还可能降低造价 缺点 在坑道内需要足够的拼装空间 制备构件的尺寸要求有一定的精度 接缝多 防水较困难等 由于以上原因 在我国铁路上未能推广使用 挤压混凝土衬砌 挤压混凝土衬砌可以是素混凝土 也可以是钢筋混凝土 但应用的最多的是钢纤维混凝土 挤压混凝土的衬砌一次成型 内表面光滑 衬砌背后无空隙 故无需注浆 且对控制地层移动特别有效 但因挤压混凝土衬砌需要较多的施工设备 其中包括混凝土成型用的框模 拼拆框模的系统 混凝土配制车 泵 阀 管等组成的混凝土配送系统 而且 混凝土制备 配送 钢筋架立等工艺较为复杂 在渗漏性较大的土层中要达到要求尚有困难 故挤压混凝土衬砌的应用尚不广泛 管片 管片运输 管片运输 管片运输 管片拼装 管片拼装 盾构到达竖井 TBM TBM发展历史简介 隧道掘进机 TunnelBoringMachine 是一种用机械破碎岩石 出碴与支护实行连续作业的综合设备 它是由盾构技术发展而来的 1818年英国布鲁诺 Brunel 受蛀虫钻孔启示 最早提出盾构雏形与施工方法 1846年意大利人Maus发明隧道掘进机 盾构 1851年美国人查理士 威尔逊研制出TBM试用于花岗岩掘进未获成功 1881年波蒙特开发出压缩空气式TBM 成功用于英吉利海峡隧道直径2 1m的勘探导坑 美国罗宾斯 Robbins 公司1952年研制出第一台软岩TBM 1956年又成功研制中硬岩TBM 2020 3 23 53 2020 3 23 54 TBM法的概述与应用 掘进机 TunnelBoringMachine 简称TBM 是一种修建岩质隧道的工厂化施工技术 在机械施工中很长一段时期 把在土质隧道中采用的机械称为盾构 而把在岩质隧道中施工的机械称为掘进机 或岩石掘进机 由于机械制造技术的快速发展 这种区分越来越不明显 因此目前多把掘进机和盾构并称为盾构掘进机 2020 3 23 55 TBM主要制造商 美国罗宾斯德国海瑞克公司德国威尔特公司加拿大拉法特日本三菱公司 Robbins 2020 3 23 56 TBM刀盘结构示意图 TBM破岩方式主要有 挤压式与切削式1 挤压式主要是通过水平推进油缸使刀盘上的滚刀强行压入岩体 并在刀盘旋转推进过程中联合挤压与剪切作用破碎岩体 滚刀类型 圆盘型 楔齿形 球齿型2 切削式主要利用岩石抗弯 抗剪强度低 仅为抗压强度的5 10 的特点靠铣削 即剪切 与弯断破碎岩体 在两种破岩方式总的破岩体积中 大部分并不是由刀具直接切割下来的 而是由后进刀具剪切破碎的 先形成破碎沟或切削槽是先决条件 TBM破岩方式与原理 2020 3 23 58 TBM的优缺点 优点 快速 约为钻爆法的4 6倍 优质 洞壁光滑 超挖量少 高效 节约衬砌 节约人工劳动 安全 安全性加大 作业环境安全 环保 非爆破开挖 尘土 气体 噪音污染少 减少辅助洞室 减少地表破坏 自动化 信息化程度高 2020 3 23 59 缺点 1 设备购置及使用成本大 2 施工途中不能改变开挖半径 3 地质适应性较差 4 断面适应性较差 5 运输困难 TBM施工法始于二十世纪三十年代 限于机械技术水平 其应用实例甚少 五六十年代随着机械工业与掘进机技术水平的不断提高发展较快 迄今为止 世界上采用TBM施工的隧道超过1000座 总长度超过4000km 以逐步成为长大隧道修建的主要施工方法之一 国外典型应用 英吉利海峡隧道由2条外径8 6m单线铁路隧道与1条外径5 6m辅助隧道组成 全长48 5km 海底段长37 5km 隧道最深处在海平面下100m 全部采用TBM施工 英国侧6台 岸边段3台海底段3台 单向推进21 2km 法国侧5台 岸边段2台海底段3台 最深处需承受10atm水压力 平均月进尺1000m 月 隧道建成标志着TBM施工技术的最高水平 也是融合英 美 法 德等国TBM施工技术于一体的最高成就 国内外应用概况 国内应用国内TBM研发制造始于二十世纪六十年代中期 共生产10余台直径2 5 5 8m的TBM 先后用于下列水电与煤矿井巷工程 国产机型月均进尺20 300m 累计总掘进长度12km 云南西洱河水电站引水隧道引滦入津新王庄隧道陡河电站的引水隧道引大入秦总干渠38号隧道北京落坡岭水电工程贵州猫跳河水电站引水隧道福建龙门滩引水隧道江西萍乡 山西怀仁 山西古交 云南羊场煤矿 楔齿型与球齿型滚刀破岩原理最初由楔齿尖端在滚刀转动情况下产生切向张力破坏岩石的表面 切人深度为 然后由齿尖的楔入力继续引起剪切破坏 楔入深度为h 由于各齿环的齿节是不同的 因此加大了楔齿的破岩效果 球齿型滚刀的破岩原理与楔齿型滚刀相同 适用于硬岩掘进 2020 3 23 63 TBM的结构类型 构造和工作原理 一 全断面TBM TBM基本构造TBM由破岩机构 推进机构 岩碴装运机构 导向调向机构及吸尘 通风装置等几部分组成 破岩机构滚刀或削刀在强大轴推力的作用下旋转 切削与剪切破碎岩石 推进机构主支撑鞋顶撑洞壁以支承和推进机身 副支撑鞋控制振动与方向 出碴机构破岩形成的片状石碴 由安装在刀盘上的铲碴斗铲起 铲斗旋转到顶部卸入集料斗 经皮带机装车运出洞外 导向及调向机构导向机构是用来指示和校核掘进机推进的方向 使其保证符合设计的轴线和坡度的要求 通风及吸尘装置掘进机工作时将产生大量的热量与粉尘 故对通风 降尘要求较高 一般在刀盘头部安装有吸尘设备和喷水装置 掘进时连续喷水降尘 机房内专设通风降温设备 全断面TBM分类开敞式TBM 配置钢拱架安装器与喷锚等辅助设备 常用于硬岩 采取有效支护手段后也可应用于软岩隧道 双护盾TBM 适用于各种地质 既能适应软岩 也能适应硬岩或软硬岩交互地层 单护盾TBM 常用于劣质地层 单护盾TBM推进时利用管片作支撑 其原理类似于盾构 与双护盾TBM相比 掘进与安装管片不能同时进行 微型TBM 0 25 3 00m中型TBM 3 0 8 0m巨型TBM 大于 8 0m SingleShieldTBM 护盾 液压推进油缸 管片 刀盘 装渣斗 皮带输送机 DoubleShieldTBM 可伸缩护盾 刀盘 活动支撑鞋 辅助推进油缸 管片 GripperTBM 支撑鞋 钢支架举升器 锚杆安装机构 钢筋网举升器 2020 3 23 70 自由断面TBM 2020 3 23 71 自由断面TBM的优缺点 优点 开挖断面形状自由 易于适应地质条件的变化 开挖速度快 围岩松弛少 噪声 振动少 轻量 小型 机动性好 人员少 安全性高 机械购置费用低 2020 3 23 72 缺点 地质条件的适用范围小 发生粉尘 有涌水时易于泥化 TBM法隧道的施工流程 技术要点和辅助工法 TBM施工主要流程施工准备 全断面开挖与出渣 外层管片式衬砌或初期支护 TBM前推 管片外灌浆或二次衬砌Robbins开敞式TBM循环作业流程STEP1 作业开始 主支撑前位撑紧洞壁 后支撑腿提起 刀盘转动 推进油缸伸出 TBM前部前移一个作业行程STEP2 准备换步 刀盘停转 后支撑腿抵住仰拱承重STEP3 主支撑回缩 推进油缸回缩将自由态主支撑前拉回位STEP4 主支撑回位后伸出支撑鞋抵紧岩壁 后支撑提起 TBM定位找正 坡道上必要时先定坡度 STEP5 返回第一步 TBM准备下一循环掘进 掘进机法施工技术要求 基本原则TBM掘进断面大可达10m以上 小仅为1 8m 由于TBM与辅助施工技术日臻完善以及现代高科技成果 液压新技术 电子技术与材料科学技术等 的应用大大提高了TBM对各种困难条件的适应性 因此简单从开挖可能性来考虑TBM的适用范围是不全面的 判定依据隧道围岩的抗压强度 裂缝状态 涌水状态等岩性条件机械构造 TBM直径等机械条件 隧道断面 长度 位置状况 地址条件等 TBM工法选用流程 参见下页流程图 初步调查 地质构造分析地表调查弹性波速度阻抗试验钻孔调查 开挖直径刀具直径与数量马达刀具转速后续设备等 循环 支护辅助工法 临时设计 与钻爆法比较 线路决定 地质调查 当地条件 TBM规格决定 施工计划 经济分析 实施计划 变更线路 其他方法 No Yes TBM工法研究流程框图 二 工程地质条件主要调查影响TBM使用的地质条件 影响TBM选用的地质因素隧道地压 是否存在塑性地压 指标 围岩强度比 软岩 围岩抗剪强度比 似砂土软岩 围岩强度比断层破碎带 软弱泥岩以及蛇纹岩等膨胀性岩层掘进困难涌水状态 涌水范围 大小与压力会造成工作面崩塌与承载力低下 应慎用 机械条件TBM不仅受地质条件约束 还受到开挖直径 开挖机构的约束 在硬岩中开挖大直径隧道很是困难 日本实例的最大直径仅为5m左右 目前TBM多数是单轴回转式 若开挖直径越大 刀头内周与外周的周差速越大 将对刀头产生种种不良影响 随着开挖直径的增大 需要增大推力 支撑靴也要增大 将导致运输困难与承载力问题 开挖长度TBM进场需经历运输 组装等过程 根据其直径与型式 运输途径 组装基地状况等不同 需准备1 2个月 TBM后续设备长100 200m 为正规地进行掘进也需先筑一段长200m左右的隧道 隧道长度小于1000m时 其运行成本急剧增大 达3000m左右时的成本大致是一定的 国外在断面10 30m2 长1000km以上的隧道开挖 优先考虑采用TBM施工 最佳开挖长度为3000km以上 短隧道慎用 五 工程所在地的道路设施TBM的运输与组装要求注意工程所在地的基础设施条件 搬运计划应考虑道路宽度 高度与重量等限制 根据组装条件充分调查运输时的分割方法 即最小分割尺寸与重量 TBM一般在工厂试组装 试运输后分割 分割重量约为35t 断面3 5 3 5m左右 TBM施工电耗较高 约为同规模其他工法施工的双车道隧道的1 5倍 规划时应充分考虑 TBM选用应考虑的条件工程规模 隧道形状 长度 直径 埋深 走向 地质情况 岩石类型与强度 节理分布与发育程度 断层 暗河 溶洞 地下水分布 已有地表建筑 河流等基础设施 交通运输能力 水电来源 进出洞口场地施工进度与企业能力 制造维修 经济 施工管理与习惯 掘进机法施工要点 TBM施工管理措施TBM工厂化施工是一项管理系统工程 施工与设备管理水平的提高是其高效率与高效益的保证 在一般地质条件下 国外掘进机净掘进时间在40 50 左右 提高设备完好率 强调预防性维修 选择合理掘进系数 定时检查 更换与调换刀具配件储备与供应定岗定责 标准化作业地质超前预报控制测量与施工测量精度电力专供洞口平纵面条件 作业场地 大型临时工程等施工准备 衬砌施工技术要点衬砌结构一般是由临时或初期支护以及二次衬砌组成 在隧道设计时 就应确定基本支护形式 引水隧道大都采用护盾式TBM进行管片衬砌的结构形式 公 铁隧道除进行临时支护外 一般视地质情况采用二次喷射混凝土或二次模注混凝土作为永久衬砌 管片式衬砌护盾式TBM一般采用圆形全周管片式衬砌 该类衬砌适合于软弱围岩 管片间应安装止水条 并在管片外圆与洞壁间隙间压入豆石与注浆 二次模筑混凝土衬砌开敞式掘进机一般随开挖先施作临时支护 再进行二次模注混凝土衬砌 亦可采用二次喷射混凝土作为永久衬砌 加钢筋网或钢纤维 国产首台自主知识产权敞开式TBM长沙下线直径8米达到世界先进水平一个多世纪以来 其核心技术长期被国外垄断 甚至直到今年10月前 国内的TBM还全部依赖进口 国产首台敞开式TBM下线现场 国产首台敞开式TBM下线现场 浅埋暗挖法 定义 浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法 在城镇软弱围岩地层中 在浅埋条件下修建地下工程 以改造地质条件为前提 以控制地表沉降为重点 以格栅 或其他钢结构 和喷锚作为初期支护手段 按照十八字原则进行施工 称之为浅埋暗挖法 浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法 继1984年王梦恕院士在军都山隧道黄土段试验成功的基础上 又于1986年在具有开拓性 风险性 复杂性的北京复兴门地铁折返线工程中应用 在拆迁少 不扰民 不破坏环境下获得成功 同时 结合中国特点及水文地质系统 创造了小导管超前支护技术 8字型网构钢拱架设计 制造技术 正台阶环形开挖留核心土施工技术和变位进行反分析计算的方法 提出了 管超前 严注浆 短开挖 强支护 快封闭 勤量测 18字方针 突出时空效应对防塌的重要作用 提出在软弱地层快速施工的理念 由此形成了浅埋暗挖法 创立了适用于软弱地层的地下工程设计 施工方法 基本原理 浅埋暗挖法沿用新奥法 NewAustrianTunnelingMethod 基本原理 初次支护按承担全部基本荷载设计 二次模筑衬砌作为安全储备 初次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载 应用浅埋暗挖法设计 施工时 同时采用多种辅助工法 超前支护 改善加固围岩 调动部分围岩的自承能力 并采用不同的开挖方法及时支护 封闭成环 使其与围岩共同作用形成联合支护体系 在施工过程中应用监控量测 信息反馈和优化设计 实现不塌方 少沉降 安全施工等 并形成多种综合配套技术 优点 由于造价低 拆迁少 灵活多变 无须太多专用设备及不干扰地面交通和周围环境等特点 浅埋暗挖法在全国类似地层和各种地下工程中得到广泛应用 施工原则 管超前 严注浆 短开挖 强支护 快封闭 勤量测 管超前 严注浆 短开挖 强支护 快封闭 勤测量 施工步骤 施工方法 全断面 全断面开挖法施工操作比较简单 全断面一次钻孔 并进行装药连线 再起一次爆破成型 同时施作初期支护 铺设防水隔离层 进行二次筑模衬砌 这种开挖的优点是全断面开挖法有较大的作业空间 有利于采用大型配套机械化作业 提高施工速度 且工序少 便于施工组织的管理 缺点是由于开挖面较大 围岩稳定性降低 且每个循环工作量较大 另外深孔爆破引起的震动较大 因此要求进行精心的钻爆设计 并严格控制爆破作业 台阶法 台阶法施工就是将结构断面分成两个或几个部分 分步开挖 根据地层条件和机械配套情况 台阶法又可分为正台阶法 多台阶法等 台阶法开挖优点很多 能较早地使支护闭合 有利于控制其结构变形及由此引起的地面沉降 台阶法开挖的优点是灵活多变 适用性强 具有足够的作业空间和较快的施工速度 缺点是上下部作业互相干扰 应注意下部作业时对上部稳定