盾构机工作原理及施工工艺简介(最终版).ppt

盾构机法隧道施工与验收规范 主讲人 郑勇中交二航局工程装备分公司佛山地铁二号线 一期 TJ1标项目部 Contents 目录 盾构机分类 由于国家和地区的不同 技术发展的起源不同 盾构的分类也有所不同 目前已经处于技术混合的状态 大致来说分类如下 挖掘的地质条件分 软土盾构机 软土 复合式盾构机全断面硬岩盾构机 TBM 从盾构机的工作机理分 敞开式和密闭式 密闭式分 土压平衡式盾构机泥水平衡式盾构机 含气垫式 从直径的大小分 小型盾构机 一般在5米以下 大型盾构机 一般在5米以上 超大型盾构机 一般在14米以上 Contents 目录 盾构工法盾构施工工法是指使用盾构机 一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳 一边进行隧道掘进 出渣 并在机内拼装管片形成衬砌 实施壁后注浆 从而不扰动围岩而修筑隧道的方法 盾构工法及工作原理 盾构工法及工作原理 盾构隧道 施工期间 盾构隧道 运营期间 盾构施工工作原理盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工 从而最大限度地减少对地面建筑物 交通设施及地下管线的影响 为了达到这一目的 除了刀盘和盾构钢壳可以被动地产生支护作用以外 使用压力仓内泥土或泥水压力平衡开挖面上的土压力和水压力 使用壁后注浆及时填充由开挖产生的盾尾空隙 主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键 盾构工法及工作原理 盾构工法及工作原理 泥水盾构施工原理 泥水盾构工法是指使用盾构机 按一定要求配制的膨润土或粘土浆液 通过泥浆泵 输浆管以一定的压力从洞外送到开挖工作面 泥浆压力稍高于开挖面土压和水压 泥浆在开挖面上形成不透水的泥膜 与此同时 刀盘从工作面切削下来的渣土与泥浆混为一体 通过泥浆管送外地面的泥渣分离场 经分离后的废渣运出工地 分离后的工作泥浆重复循环利用的一种进行隧道掘进 并在机内拼装管片形成衬砌 实施壁后注浆的修筑隧道的方法 气垫式泥水平衡盾构是泥水盾构的一种 其基本原理和泥水盾构相同 其主要的区别在于开挖仓的压力可通过送排泥流量和气垫仓压力进行调节 通过气垫仓压力自动平衡系统 能够精准的控制开挖仓压力的稳定 精度可达到 1kpa 可更好的确保整个开挖仓压力的稳定 设备上增加了气泡仓系统 如下图所示 盾构工法及工作原理 气泡仓 气垫式泥水盾构施工原理 盾构工法及工作原理 将开挖的土体进行泥土化处理 工作面的稳定是通过土体自身和由盾构千斤顶压力控制土仓内泥土压力来维持平衡 与泥水盾构机不同的是 切削下来的土渣由螺旋输送机进行排土 土压平衡盾构机装备有注入添加剂的机构和强力搅拌添加剂和渣土的机构 对渣土进行改良 以促进开挖渣土流动性 添加剂的种类有膨润土 发泡剂等 土压盾构施工原理 Contents 目录 盾构机的制造 盾构机制造现场俯瞰 盾构机组成盾构机主要由开挖系统 刀盘驱动系统 盾构千斤顶推进系统 排土系统 泥水盾构为环流系统 管片拼装系统 铰接装置 测量导向系统 注浆系统 注酯系统 操作控制界面 液压 电气 PLC控制系统 后方台车 通风装置 泥水处理设备 泥水盾构 及其他一些重要装置如盾壳 刀盘 尾刷 人闸等组成 盾构机从前往后依次为盾构本体 刀盘 前体 中体 盾尾三部分 工作平台 连接桥架 各节台车等 盾构机的制造 盾构机的制造 单刃滚刀 磨损检测刀 注入口保护刀 导向刀 保护刀 8连中心滚刀 切削刀 盾构刀盘刀具示意图 双刃滚刀 盾构机的制造 盾构刀盘刀具安装 盾构机的制造 刀盘主驱动 刀盘的驱动力按照电动机 减速机 小齿轮 带齿圈大口径轴承 刀盘滚筒 中间梁 刀盘的顺序进行传递刀盘主驱动采用中间支承型 采用多台变频电机驱动 可进行无级调速 盾构机的制造 盾构推进千斤顶 推进千斤顶右多根千斤顶组成 一般最大伸展速度为8cm min 设置有4个分区 每个分区一根千斤顶中安装有内置式行程传感器 盾构机的制造 土压盾构出渣系统 土压盾构螺旋机 土压盾构皮带输送机 盾构机的制造 泥水盾构出渣系统 泥水环流系统示意图 泥水处理系统 盾构机的制造 管片拼装机 管片拼装机采用环形齿轮结构形式 旋转速度可在0 2 1 5rpm之间无级调速 回转角度 220度 可满足宽度1 2m和1 5m管片的拼装要求 盾构机的制造 铰接系统 被动铰接 主动铰接 为方便盾构曲线施工 设置有铰接油缸 设置有行程传感器 最大铰接角度为左右1 5度 上下0 5度 盾构机的制造 盾尾密封系统 盾尾密封由2排或3排钢丝刷 1排钢板刷和1排逆流防御板组成 盾尾刷间形成多道腔体 通过盾尾油脂泵供脂填充 以确保盾尾密封压力 盾构机的制造 后续台车布置 与盾构机相关的操作盘 动力盘 动力单元及油箱等装配在后续车架上 并且排列成便于操作 检查的形式 台车截面为门型 盾构机的制造 管片及材料搬运系统 一次梁 喂片机组合形式 一次梁 二次梁组合形式 盾构机的制造 同步注浆和二次注浆系统 分为同步注浆和二次注浆设备 同步注浆系统的注浆管路在盾尾壳体内 及时对管片衬砌背部和地层间的空隙进行充填 有效地控制地表沉降 填充过程由流量 压力表控制 二次注浆通过管片注浆孔对管片衬砌背部进行二次补充注浆 二次注浆设备 同步注浆设备 盾构机的制造 导向测量系统 采用专用的自动测量系统和掘进管理系统 能够满足实时连续地检测管片的姿态和坐标 自动测量盾构机中心线与隧道设计轴线的偏差等数据 并能够在隧道掘进机控制室内与地面监控室的监视屏幕上以图形的方式实时显示 同时具备数据的分析 处理 存储 检索 打印等功能 Contents 目录 盾构施工工艺流程图 盾构施工工艺流程 盾构始发 盾构掘进 盾构接收 盾构始发准备盾构工作井施工围护结构土方开挖与支护体系主体结构端头加固 盾构始发 盾构始发准备盾构临时设施施工在接收盾构施工场地后开始临时设施的施工 主要包括泥水站 泥水盾构 渣土坑 土压盾构 龙门吊轨道梁和搅拌站基础 以及环流管路和电气 通讯线路管沟等 盾构始发 盾构始发 托架安装反力架安装 盾构始发 盾构始发 盾构机下井盾构机组装 下井顺序先后配套 后主机 设备组装完毕后 接通液压管路 动力电缆 控制电缆 最后将水管 风管 气管连接好 一切准备就绪后 开机现场调试设备设计要求的各部件性能参数 盾构机的调试空载调试负载调试泥浆处理设备及注浆设备的调试洞门凿除与洞门密封帘板安装负环管片拼装盾构始发 盾构始发 洞门密封 掘进模式选择土压平衡盾构机的掘进模式有三种 1 空仓掘进2 半仓掘进3 满仓掘进 实际施工过程中根据实际的地质水文条件选择不同的掘进模式 泥水平衡盾构机掘进模式则较为单一 盾构掘进 满仓掘进 半仓掘进 空仓掘进 盾构掘进 盾构掘进 掘进参数选择控制同步注浆 二次注浆渣土运输管片 材料运输管片拼装管线延伸下一环盾构掘进 掘进施工主要工作内容 盾构掘进 盾构施工主要技术环节控制 1 盾构推进盾构总推力控制 正面土体主动土压力 水压 总摩擦力 盾构总推力 正面土体被动土压力 水压 总摩擦力 土仓压力控制 土仓压力控制 水压力 主动土压力 土仓压力 水压力 被动土压力 一般取值土仓压力 水压力 静止土压力 20KPa2 盾构姿态主要是推进坡度 平面方向 自身转角 盾构前进的轨迹一般为蛇形 要保证按正确方向掘进 就要 勤测勤纠 盾构姿态控制在 50mm范围内 盾构机滚动角控制在1deg以内 超过0 5deg就要及时调整 如 在砂性土层或覆土层较薄地层推进 容易上浮 通过调整千斤顶分区压力进行纠正 3 土方的挖掘和运输挖土量的多少是由 切削刀盘的转速 切削扭矩 推进油缸的推力决定 排土量多少是由 螺旋输送机的转速 或送排泥泵的流量 来调节的 要使挖土量和排土量保持平衡 才能避免超挖过大并保证土压稳定 盾构掘进 盾构施工主要技术环节控制 4 管片拼装管片拼装一般为错缝拼装 拼装时保证环面拼装的平整度 同时保证管片之间及管片和盾尾间的密封性 防止隧道渗漏水 5 壁后注浆注浆要做到 及时 量足 浆液体积收缩小 注浆量一般取130 180 浆液配比要合理 控制还注浆压力 注浆压力过大 管片外的土层被浆液扰动面造成较大的后期沉降 并容易跑浆 反之 注浆压力过小 浆液填充速度过慢 填充不足 也会使地表变形增大 盾构掘进 盾构施工主要施工措施 1 减少地层损失的措施主要还是对上面所提几条进行控制 地表变形的大小取决于地层和地下水条件 隧道直径 埋深 施工条件 而具体措施的确定 我们盾构在掘进中有个 试掘进段 所有参数 调节措施等都在这一段区间内试掘进得出 2 地层与建筑物隆陷控制措施掘进前先对周边环境做详细勘查了解 对受影响建构筑物做好相对应保护措施 地面变形接近 5 20mm时 尽快找出原因采取相应措施 相当于达到报警的要求了 而地面变形为 10 30mm 是其变形的极限值 在控制地层与建筑物隆陷中 最主要的措施就是 注浆 3 盾构通过上软下硬地段的施工措施主要是盾构掘进困难 刀盘刀具磨损大 引起地层沉降 措施主要有三点 1 合理配置刀具 做好刀盘刀具耐磨检测及保护措施 2 必要的渣土改良措施 3 合理控制掘进参数 盾构掘进 盾构施工主要施工措施 4 盾构穿越河流时的施工措施1 难度 风险均较大 2 施工前 河底隔水层的连续性 渗透系数 厚度为地质勘察重点 3 准备 盾构机设备检修 添加剂材料 应急物资做好充分准备 4 控制盾构速度 总推力和土仓压力 速度在小于20mm min 总推力要严格控制 保持土仓压力稳定 减少对河底扰动 5 注浆压力要严格控制 压力在0 2 0 3MPa内 注浆量为空隙的130 180 内 因注浆压力过大会破坏水底隔水层 形成一条涌水通道 6 盾尾密封 这也是重点 掘进时定时 定量 均匀压注盾尾油脂 有效保护盾尾钢丝密封刷 5 盾构穿越建 构 筑物的施工措施和穿越河流相似 关键是监测 还有就是注浆加固 针对特殊建构筑物 在盾构快到建筑物50m时就要开始布点监测 盾构接收准备盾构工作井施工围护结构土方开挖与支护体系主体结构端头加固盾构临时设施施工接收架安装洞门密封安装 盾构接收 盾构施工技术 盾构平衡始发 到达施工技术 平衡始发 到达施工工法原理 利用玻璃纤维钢筋的特性 在围护结构洞门范围采用玻璃纤维钢筋代替钢筋 刀盘可直接对洞门进行切削 构筑一个相对密闭的空间 利用基坑内外水土压力平衡的原理 先对盾构工作井范围回填砂至盾构筒体以上约1m 再在回填砂顶部浇筑0 2m 0 3m的C30素砼 最后对基坑内进行灌水 基坑内水位与基坑外的地下水位齐平 平衡始发 平衡到达 盾构施工技术 盾构平衡始发施工工艺 黑旋风出渣 砼与GFRP筋 始发井灌水 浇筑砼压重层 反力墙预留孔洞 反力墙预埋钢环 盾构主体下井 组装 导台 第一环管片与反力墙搭接防渗墙 盾构井回填砂 盾构施工技术 盾构平衡始发施工工艺 安全到达 洞门处管片壁较厚的注浆体 接收井清理完成 洞门干燥 盾构拆机 隔板砼凿除清理 回填砂清理 洞门处管片壁较厚的注浆体 盾构施工技术 盾构平衡始发 到达施工技术 平衡始发 到达施工工法特点 1 免除洞门凿除和减少端头加固 简化施工工序 缩短工期 使用该材料后 由于盾构机始发时是对洞门直接切削 因此可简化了洞门凿除 端头加固等施工工序 节约了施工成本和工期 2 免除洞门的人工凿除洞门 其安全性高 大大降低了人工凿除的危险性 同时也较好地保证了基坑的安全 3 对环境影响较少 使用该材料可免除人工凿除洞门和端头加固的繁琐工序 以及该工序施工带来噪声及对地面环境的影响 4 玻璃纤维筋被切削能力强 施工进度快 5 材料本身抗拉强度大 玻璃纤维筋材料作为围护结构的一部分 在基坑开挖过程中仍承受土压力的作用 由于本材料抗拉强度大 可代替钢筋混凝土起到围护结构的作用 6 回填式平衡始发 到达工法对于隧道埋深较深的盾构法隧道更适宜 其相对于从地面进行搅拌桩和旋喷桩加固而言 会更经济 更安全 进度更快 因为后者随着深度加深 其加固效果更差而成本会更高 而本工法则基本不会增加成本 盾构施工技术 先隧后站施工技术 先隧后站施工原理 接收井或中间风井 在施工至只完成维护结构施工和第一道支撑和冠梁施工的前提下 盾构掘进施工在原状土中平衡到达的形式 即盾构在未开挖的基坑内进行盾构到达的先隧后站的施工工法 先隧后站盾构到达示意图 盾构到达时仅土方开挖至冠梁底 为原状土盾构到达掘进施工 盾构施工技术 盾构正常接收 空推穿越中间风井 二次始发采用 先隧后站 施工工法穿越中间风井中间风井一般较小 可采用盾构平衡接收和始发施工工法穿越中间风井 盾构穿越中间风井施工技术 Contents 目录 盾构施工常见问题及处理措施 盾构施工中常见的问题及处理措施盾构进 出洞洞门涌水 流砂原因分析有以下几点 端头加固效果不好洞门密封装置失效掘进面土体失稳 处理措施 端头加固应提高施工质量 保证加固后土体强度和均匀性 洞门密封圈安装要准确 在盾构推进的过程中要注意观察 防止盾构刀盘的周边刀割伤橡胶密封圈 密封圈可涂牛油增加润滑性 控制好掘进参数 避免掘进参数变化太大 盾构施工常见问题及处理措施 盾构掘进中盾尾漏浆原因分析有以下几点 密封装置失去弹性密封油脂压注量太少或不均匀盾尾刷发生翻卷密封油脂质量不合格 处理措施 严格控制盾构推进的纠偏量 尽量使管片四周的盾尾空隙均匀一致 减少管片对盾尾密封刷的挤压程度 及时 保量 均匀地压注盾尾油脂 控制好盾构姿态 避免紧急纠偏 避免盾构后退 导致盾尾刷损坏 采用优质的盾尾油脂 要求有足够的粘度 流动性 润滑性 密封性能 盾构施工常见问题及处理措施 管片接缝渗漏原因分析有以下几点 管片纵缝出现内外张角 前后喇叭 缝隙不均匀 止水条失效 管片碎裂密封材料失效 处理措施 提高管片的拼装质量 及时纠环面 拼装时尽量保证管片的椭圆度和止水条的正常工况 提高纵缝的拼装质量 环面的偏差及时进行纠正 使拼装完成的管片中心线与设计轴线误差减少 管片始终能够在盾尾内居中拼装 对破损的管片及时进行修补 运输过程中造成的损坏应在贴止水条以前修补好 对于因为管片与盾壳相碰而在推进或拼装过程中被挤坏的管片 也应原地进行修补 以对止水条起保护作用 控制好盾构姿态 避免紧急纠偏 盾构施工常见问题及处理措施 同步注浆管堵塞原因分析有以下几点 长时间没有注浆注浆管没有及时清洗浆液含砂量太高浆液沉淀凝固 处理措施 停止推进时定时用浆液打循环回路 使管路中的浆液不产生沉淀 长期停止推进 应将管路清洗干净 拌浆时注意配比准确 搅拌充分 定期清理浆管 清理后的第一个循环用膨润土泥浆压注 使注浆管路的管壁润滑良好 经常维修注浆系统的阀门 使它们启闭灵活 盾构施工常见问题及处理措施 刀盘刀具磨损原因分析有以下几点 遇到障碍物复合地层或遇孤石 岩脉等特殊地层掘进 刀具出现偏磨岩石地层掘进 刀具正常磨损 处理措施 做好地质补勘 根据不同地层掘进 配置好相应刀具 刀盘刀具做好耐磨加固处理 并设置好检查耐磨装置 做好定期检查换刀计划 盾构施工常见问题及处理措施 刀盘结泥饼原因分析有以下几点 渣土流动不畅 渣土改良效果差 土压盾构 刀盘冲洗孔配备不够泥浆浓度比重过大 刀盘土仓清洗不到位 泥水盾构 处理措施 根据地层变化及时更换刀具 土压盾构增大泡沫等添加剂的用量 减小渣土黏附性 加强渣土改良效果 降低结泥饼概率 必要时螺旋输送机上加入泡沫 增加渣土流动性 以利于排渣 泥水盾构降低泥浆的粘度和比重 及时排浆 调浆 加大循环流量和冲洗刀盘的力度 及时洗仓 设置刀盘搅拌棒 增加刀盘及隔板的注入口 盾构施工常见问题及处理措施 地面发生较大沉降原因分析有以下几点 覆土地层软弱 盾构施工过程发生震陷盾构施工发生土方量超挖过大盾构施工过程中管片背部填充不充分 空隙较大 导致地面下沉过大 处理措施 在发生沉降范围内 对相应管片加强二次注浆 并加强地面沉降监测 增加监测频率 及时根据监测结果进行注浆调整 合理选择好盾构掘进参数 控制好盾构机土仓压力平衡 控制好盾构姿态 保证同步注浆压力和注浆量 土压盾构则做好渣土改良 针对软弱地层进行地面加固 适当加大同步注浆量及优化同步注浆浆液配比 增加早期强度 并检查确认刀盘适应性 若刀盘开挖面过大 采取更换刀具减小刀盘开挖直径等措施处理 Contents 目录 盾构施工质量控制主要包括以下几个方面 盾构施工过程质量控制盾构机姿态控制即成形隧道轴线质量控制 与设计轴线 50mm管片拼装质量控制 无较大错缝 漏水 椭圆度较好管片背后填充注浆质量控制 无空洞 填充密实盾构施工影响范围内建构筑物保护控制地面沉降保护控制 盾构施工质量控制与检查验收 盾构施工检查验收主要参见GB50446 2008盾构法隧道施工与验收规范盾构始发条件验收盾构施工过程检查盾构接收条件验收竣工验收 盾构施工质量控制与检查验收 盾构始发条件验收1 图纸资料验收2 工作井及始发场地验收3 技术方案 技术交底 安全方案及交底资料验收4 盾构机进场 安装调试 现场验收5 现场施工人员培训6 始发辅助措施验收等 盾构施工质量控制与检查验收 盾构施工过程检查管片拼装质量管片拼装应严格按拼装设计要求进行 管片不得有内外贯穿裂缝和宽度大于0 2mm的裂缝及混泥土剥落现象 管片拼装过程中应对隧道轴线和高程进行控制 其允许偏差和检验方法应符合表9 4 4的规定 管片拼装管片拼装允许偏差和检验方法见表9 4 5 管片修补当管片出现缺棱掉角 混泥土剥落 大于0 2mm宽的裂缝活贯穿性裂缝等缺陷时 必须进行修补 修补材料强度不应低于管片强度 盾构施工质量控制与检查验收 表9 4 4隧道轴线和高程允许偏差和检验方法 表9 4 5管片拼装允许偏差和检验方法 盾构施工过程检查壁后注浆分同步注浆 即时注浆和二次补强注浆 同步注浆 即时注浆的注浆量填充系数应根据地层条件 施工状态和环境要求确定 填充系数为1 30 2 50 二次补强注浆的注浆量和注浆速度应根据环境条件和沉降监测结果等确定 要求 管片与地层间隙应填充密实 并应确保衬砌环稳定 不得漏水 隧道防水应满足环境保护和设计要求 盾构施工质量控制与检查验收 盾构施工过程检查施工安全 卫生与环境保护隧道内作业场所必须设置照明设施 配备消防设施 隧道和工作井内必须安置足够的排水设备 隧道内作业位置与场所必须