地铁盾构工程建设关键要点.ppt

地铁盾构工程建设关键要点 江华中国矿业大学 北京 北京新开线路概况 计划开工建设新机场线 3号线 12号线 17号线 19号线一期 7号线东延等6条线路 累计长度183公里 力争开工建设机场线西延 8号线三期南延 房山线北延等3条线路 累计长度10 4公里 2015年计划开工线路 保六争九 目录 1概述 明挖法 其关键工序是围护结构施工 降水施工 土方开挖及防水工程等 矿山法 常用方法有台阶法 CD工法 CRD工法 双侧壁导坑法等 盾构法 集开挖 支护 排土为一体的机械自动化施工方法 目前最为快速的暗挖方法 明挖法 1 1地铁盾构工程应用及发展概况 矿山法 盾构法 1 1地铁盾构工程应用及发展概况 盾构工法起源于19世纪初 经过近200年的发展 已被世界各地广泛采用 其发展大致可分为4个阶段 1 1地铁盾构工程应用及发展概况 我国自1950年开始将小型盾构运用于下水道工程 经过60多年的不断发展 盾构法至今已成为我国地铁隧道施工中一种重要的施工工法 60年代北京地铁盾构试验 上海上中路隧道工程盾构直径达14 87m 上海研制的具有自主知识产权的 先行号 盾构 1 1地铁盾构工程应用及发展概况 北京地铁 在建6号线 8号线二期 9号线 10号线二期 14号线大部分采用盾构法施工 目前共投入盾构约50余台 其中大部分为全新的盾构 1 1地铁盾构工程应用及发展概况 广州地铁 地铁线路建设过程中共采用了100多台盾构进行施工 截止至2010年初 1 1地铁盾构工程应用及发展概况 盾构隧道发展趋势 长距离化 大直径化 2008年北京地下直径线 11 97m泥水平衡盾构 2010年天津地下直径线 11 97m泥水平衡盾构 1 1地铁盾构工程应用及发展概况 双圆盾构 三圆盾构 盾构隧道发展趋势 断面形式和功能多样化 机械化程度高 1 2盾构技术的优势 对周围环境影响小 出土量控制容易 施工过程中对周围地层及建 构 筑物影响小 不影响地表交通 不影响商店营业 无经济损失 无需切断 搬迁地下管线等各种地下设置 对周围居民生活 出行影响小 空气 噪声 振动污染较小 下穿派出所 下穿道路 下穿桥梁 下穿居民楼 1 2盾构技术的优势 适用地表环境及地层条件广 施工不受地形 地貌 江河水域等地表环境条件的限制 施工不受天气条件限制 适用地层广 软土 砂软土 软岩直到岩层均可适用 下穿河流 下穿铁路 穿越砂卵石 占地面积较小 适于大深度 大地下水压施工 相对而言施工成本低 掘进速度快 有利于缩短工期 劳动强度相对较低 采用管片衬砌 洞壁完整美观 改善洞内劳动条件 减轻了体力劳动量 施工在盾壳的保护下进行 避免了人员伤亡 减少了安全事故 1 2盾构技术的优势 盾构分体始发占用场地较小 洞内劳动条件较好 在盾壳保护下施工 1 3盾构技术现存的缺点 覆土较浅时 地表沉降控制较难 1 3盾构技术现存的缺点 施工中的一些质量缺陷问题尚未得到有效解决 如管片错台 破损 渗水以及隧道轴线偏差等 1 3盾构技术现存的缺点 我国地域广大 地层条件复杂 根据地质条件特点 可分为三大典型地质条件 以广州地区为主的风化岩及软硬复合地层 以上海地区为代表的软土地层 以北京地区为代表的砂层 砂卵石地层 1 4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题 复合地层 软土地层 砂卵石地层 广州地区 广州素有 地质博物馆 之称 地质条件十分复杂 广州地区复合地层最主要的特点是 1 水文地质条件复杂 2 断裂带影响较大 3 黏土成分较高 4 花岗岩及其球状风化影响较大 5 岩层的成分 结构和构造差异性较大 6 基岩单轴抗压强度 天然 差别较大 1 4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题 广州地区 复合地层中盾构施工的主要特点 1 经常变换盾构施工模式 2 盾构的配置 如刀具 需要作出适当的调整 3 采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化 4 在围岩强度变化极其悬殊的地段及石英含量高或高强度硬岩地段等地层中掘进时 需要较频繁的更换刀具 5 在某些特殊的复合地层可能需要一些辅助工法 1 4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题 1 4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题 广州地区 上海地区 上海是我国拥有盾构法隧道最多的城市 上海市政隧道大部分要通淤泥质黏土或淤泥质亚黏土 其承载力低 含水量高 灵敏度大 渗透系数小 为典型的软土地层 在修建地铁 直径6m左右的隧道 工程方面 上海的土质具有采用土压平衡盾构的天然条件 1 4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题 北京地区 北京地区西部的粗大颗粒沉积物向东逐渐变为细小的颗粒沉积物 且地层互层现象十分明显 北京地区存在着3种典型地层 1 砂砾石 砂卵石地层 2 粉砂 细砂 中 粗砂地层 3 粉土 粘土地层 1 4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题 1 4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题 北京地区 技术特点及要求在既有建 构筑物下穿越 地表沉降控制严格 施工精度要求高 隧道穿越砂卵石地层 刀具磨损严重 推力及扭矩大 控制开挖面土体平衡困难 城市残余水的影响较大 地下空洞众多 工程接口协调要求高 1 4我国三大典型地质条件下盾构施工特点及应注意的问题 北京地区 目前除地下直径线外 均采用土压平衡盾构进行施工 1 5因地制宜选择盾构工法 1 5因地制宜选择盾构工法 盾构选型以工程地质 水文地质为主要依据 综合考虑施工长度 地面及地下建 构筑物等环境条件 同时考虑工期 成本等因素 并参考国内外已有盾构工程实例及相关的技术规范等 对盾构及辅助设备的配置等进行研究 1 5因地制宜选择盾构工法 盾构选型基本步骤 1 5因地制宜选择盾构工法 地质条件 包括隧道穿越地层的颗粒级配及粒度分布 抗压 抗拉强度 压缩性能 渗透系数 粘聚力 内摩擦角 孔隙水压 地下水情况 水位 流速 流向 有无侵蚀性 等 1 5因地制宜选择盾构工法 土层稠指标与渗透系数及弃土体容重 1 5因地制宜选择盾构工法 目录 2 1盾构的分类 盾构的分类方法很多 目前较为普遍的是按盾构掘削面的挡土形式及加压稳定掘削面的形式相结合的方法对盾构进行分类 2 1盾构的分类 手掘式 半机械式 机械式 挤压式 土压式 泥水式 2 1盾构的分类 盾构 封闭式 敞开式 适用于粘土 粉土 砂层 砂卵石地层施工占地小 环境污染小设备造价较低 辅助施工措施少 工程成本较低 适用于含水砂层 砂卵石地层 砾石地层 高承压水地层施工占地规模大设备造价较高 泥水分离系统复杂 工程成本较高 适用于自稳性好 无水砂卵石地层或岩层隧道内可采取超前加固等措施 施工方法灵活设备造价低 工程成本低 泥水平衡 土压平衡 两种应用最广泛的主流机型 2 2盾构技术的基本原理 2 2盾构技术的基本原理 2 2盾构技术的基本原理 土压平衡盾构 EPB 2 2盾构技术的基本原理 泥水平衡盾构 SlurryShield 2 2盾构技术的基本原理 泥水平衡盾构 SlurryShield 2 3盾构主要系统构成及其与TBM的区别 盾构 用于土层或土岩混合地层中 即 软土盾构 TBM 国际隧道协会 2 3盾构主要系统构成及其与TBM的区别 盾构机械构造 开挖系统推进系统转弯装置排土装置注浆设备添加材注入装置盾尾密封装置其它 Cutterhead Shield 2 3盾构主要系统构成及其与TBM的区别 土压平衡盾构 2 3盾构主要系统构成及其与TBM的区别 泥水平衡盾构 2 3盾构主要系统构成及其与TBM的区别 TBM 主要破除岩石 布置的刀具主要为滚刀 采用皮带运输设备运送渣土 2 4国内常用日系盾构与德系盾构的比较 新乡 大连等 国外购置 引进配件组装 国产化发展 目前国内盾构主要来源 日本 石川岛 小松 奥村 日立等 德国 海瑞克 法国 法马通 沈重 中铁装备等 主要为国外购置 2 4国内常用日系盾构与德系盾构的比较 目前国内购置的日系盾构与德系盾构的主要区别为 2 4国内常用日系盾构与德系盾构的比较 日系盾构 德系盾构 2 4国内常用日系盾构与德系盾构的比较 以北京在施地铁线路为例 使用日系盾构较多 2 5盾构工程建设的几个关键要求 设备 施工 管理 设备 施工 管理 合理的盾构选型 盾构设备进场前进行适应性评估 盾构组装完毕后进行相关验收 穿越重大风险源前对盾构状态进行检查 对盾构关键施工环节 如始发 到达加强过程管控 加强对盾构施工参数的管控 应对施工中遇到的不良地质及障碍物 加强盾构设备及施工管理 严格执行国家规范 避免风险事件的发生 2 5盾构工程建设的几个关键要求 2 5盾构工程建设的几个关键要求 盾构设备 2 5盾构工程建设的几个关键要求 到达 盾构按照预定线路掘进至接收位置 破洞门而从隧道内驶出的过程 始发 盾构设备经组装 调试 相关配套机械安设完毕 盾构开始负环拼装 进行隧道掘进的过程 按始发位置 竖井始发 车站始发按始发方式 整机始发 分体始发 共性问题 跟正常段的区别 端头加固 盾构参数渐变转换 盾构施工过程中关键环节 2 5盾构工程建设的几个关键要求 监控中心依托专业化安全风险管理咨询机构全面开展安全风险管理工作 监控分中心依托第三方监测单位开展具体线路的安全风险管理工作 工点控制中心由施工单位 监理单位 第三方监测单位按照风险管理体系要求完成监控信息采集处理工作 目前北京地区为加强风险技术管理 建立了从公司层 项目管理层到现场实施层的三级安全风险监控机构 2 5盾构工程建设的几个关键要求 对地铁建设工程安全风险以预防为主 加强各阶段的安全风险的预控与管控 并贯穿工程建设的全过程 规范 完善建设单位 各相关参建单位在安全风险技术管理方面的工作责任及工作内容 提出了 施工单位全面监测 第三方监测单位重点监测 施工 监理 第三方监测单位现场巡视 风险预警以第三方监测单位为主 的预警管理模式 北京地区安全风险管控核心思想 目录 3 1盾构设备常见问题 盾构系统应全面服务 叶片中部断面凹凸不平 螺旋输送机轴焊接处 3 1盾构设备常见问题 螺旋输送机 3 1盾构设备常见问题 螺旋输送机 螺旋输送机扭矩极具增大 3 1盾构设备常见问题 螺旋输送机 3 1盾构设备常见问题 主驱动大齿圈 0 6bar 主轴承密封 3 1盾构设备常见问题 3 1盾构设备常见问题 刀盘磨损异常 3 1盾构设备常见问题 推进系统 常见故障 液压推进系统漏油 推进压力低 推进系统无法正常操作 3 1盾构设备常见问题 管片安装部位 机械式 真空吸盘式 3 2施工中的主要问题 不良地质 障碍物 土体改良 盾构推进过程中 随工程地质条件变化 适当调整施工参数 当遭遇不良地质 障碍物等 盾构施工存在着安全风险隐患 3 2施工中的主要问题 不良地质 北京地下直径线 盾构推进过程中 曾遭遇地层中的钙质胶结物 盾构推进出现困难 3 2施工中的主要问题 障碍物 北京地下直径线 在穿越既有4号线宣武门车站过程中 遇到地下障碍物 刀盘进行直接切削 刀盘及刀具磨损严重 盾构长时间停机 3 2施工中的主要问题 土体改良 北京地铁九号线丰 六区间左线盾构穿越砂卵石地层过程中 土体改良效果差 土舱内土体被挤压密实 无法建立连续的土压平衡 前期 后期 3 2施工中的主要问题 土体改良 北京地铁十号线二期西 六区间 3 3管理中的主要问题 执行国家规范 相关规定 M1 M2 M4 M3 施工质量 盾构设备 关键工序 重大风险工程 3 3管理中的主要问题 施工质量 管片拼装质量 管片破损 管片错台 管片渗漏水 管片掉块 管片裂缝 盾构掘进方向控制 施工质量管理 3 3管理中的主要问题 施工质量 管片破损 错台 渗漏水往往是相伴产生的 可采取的措施如下 管片的出场要严格控制质量要求 无论出现什么问题 对盾构姿态都不应 急纠 要缓慢纠偏 要按照相关的规范进行操作 包括管片的吊装和安装 及盾构参数的控制 应采取及时有效的措施避免隧道管片上浮 破损 错台 渗漏水 73 可编辑 隧道内一般采用自动测量系统 即实时检测盾构位置 三维坐标 和姿态 倾斜 横斜 高差 的设备 水准点导入竖井 自动测量设备 3 3管理中的主要问题 施工质量 3 3管理中的主要问题 施工质量 3 3管理中的主要问题 直线段水平偏差 3 3管理中的主要问题 曲线段水平偏差 偏差角 水平偏差 3 3管理中的主要问题 盾构设备 盾构设备进场前进行适应性评估 盾构组装完毕后进行相关验收 穿越重大风险源前对盾构状态进行检查 关键工序 盾构始发 到达条件验收 开舱换刀 重大风险工程 专项施工方案验收 施工参数控制等 目录 4 1盾构始发 盾构始发 是指在盾构始发工作竖井内利用反力架和临时组装的负环管片等设备或设施 将处于始发基座上的盾构推入端头加固土体 然后进入地层原状土区段 并沿着设计线路掘进的一系列作业过程 盾构始发是盾构施工中风险较大的环节之一 极易发生安全事故 渗水 浆液和泡沫沿洞门密封处涌出 4 1盾构始发 4 1盾构始发 天津海河共同沟隧道始发 4 1盾构始发 天津海河共同沟隧道始发 采用旋喷桩加固 加固深度约28m 纵向加固长度10m 加固宽度14 2m 加固深度30 25m 在第1次加固区与地下连续墙之间施作三排高压旋喷桩 在加固区周边施作两排高压旋喷桩 旋喷桩成U型布置 和前2次施工的旋喷桩联合将竖井始发端头土体封闭 4 1盾构始发 天津海河共同沟隧道始发 破除洞门地下连续墙 少量涌水涌砂 施工单位未引起足够重视 继续破除地下连续墙 涌水流沙量增大 淹井 4 1盾构始发 天津海河共同沟隧道始发 事故处置措施 立即将所有工作人员和重要机械设备尽可能撤离盾构始发井 停止用水泵抽取始发井中的泥水 让地下水土自然涌入工作井 待工作井水位达到一定高度 地层中的水压力与工作井中的水压力达到平衡 然后采取措施密封洞门 抽干工作井中的水 4 1盾构始发 天津海河共同沟隧道始发 原因分析 粉土 砂土层易液化地下水水位较高盾构始发端土体加固质量欠佳 地质因素 设计因素 高压旋喷桩成桩质量和桩间咬合较难保证特别在粉土 砂土地层中 旋喷加固法效果一般 4 1盾构始发 南水北调穿黄工程始发 南水北调中线穿黄工程 是整个南水北调中线的标志性 控制性工程 其任务是将中线调水从黄河南岸输送到黄河北岸 之后向黄河以北地区供水 隧洞双洞平行布置 各采用1台泥水平衡盾构施工 始发端洞门采用双层压板和止水橡胶帘布 4 1盾构始发 南水北调穿黄工程始发 4 1盾构始发 南水北调穿黄工程始发 4 1盾构始发 南水北调穿黄工程始发 4 2盾构到达 渗水 带出大量细砂 地表塌陷 盾构到达 是指盾构在掘进过程中由原状土进入到达竖井端头加固土体区域 然后将盾构推进至到达竖井的围护结构处后 从竖井外侧破除井壁进入竖井内接收台架上的一系列作业过程 盾构到达相较始发而言 具有更大的危险性 实际施工中应引起高度重视 其成功与否直接关系着工程的成败 4 2盾构到达 4 2盾构到达 南京地铁元通站到达 4 2盾构到达 南京地铁元通站到达 2007 11 20上午9点30分 管片突然下沉 错台约15cm 周边混凝土开裂 环缝出现长约1 5m 宽5cm的张开裂缝 大量水土从接缝向元通站涌入 4 2盾构到达 南京地铁元通站到达 2007 11 20上午10点50分地表路面出现严重变形 2007 11 20下午5点地表出现塌陷 4 2盾构到达 南京地铁元通站到达 2007 11 21地表塌陷进一步发展 2007 11 25路面塌陷长度已达150 160m 塌方位置距离盾构井约80m 塌方又延伸了将近80m 塌方距离大约有150 160多米 4 2盾构到达 南京地铁元通站到达 2007 11 25上午仍有水和砂子从洞门底部漏出 4 2盾构到达 南京地铁元通站到达 抢险过程及措施 安装钢筋网片和模板 纵向设置钢支撑 使用混凝土分层浇注在隧道内堆放水泥袋封堵洞口 并设置开启的进入口迅速调集注浆设备进场 地面填充注浆通过聚氨酯注入 填充混凝土浇注后形成的渗流间隙隧道内注水回填 以维持隧道稳定 4 2盾构到达 南京地铁元通站到达 原因分析 地质因素 由长江水携带的泥沙淤积而成 为松软的河漫滩 地质条件十分复杂 设计因素 端头土体纵向加固长度不足 且端头加固方法的选择存在问题 施工因素 端头加固效果检验时 水平探孔实施偏少 当水平探孔出现少量流水和涌砂时并没有引起足够的重视 且未安装洞门密封橡胶和压板 旋喷桩下部搭接不良 旋喷桩整体搭接不良 4 2盾构到达 北京地铁大兴线黄村火车站右线到达 盾构到达端头除了在洞门处做了 800的围护桩外 未在纵向和横向范围对端头土体进行加固处理 4 2盾构到达 北京地铁大兴线黄村火车站右线到达 2009 10 9下午破除洞门 等待盾构到达工作井 2009 10 9晚上刀盘即将顶上围护桩 4 2盾构到达 北京地铁大兴线黄村火车站右线到达 2009 10 10日凌晨盾构端头区域地表混凝土地面开始出现裂缝 裂缝逐渐开始扩展 随后地表出现塌方 形成一个长约3m 宽2 5m 深2m的大坑 4 3盾构通过中间风井或联络通道 北京地铁八号线二期林 森区间 左线盾构在到达中间风井过程中 土压控制较差 出土过多 引起地层损失 致使中间风井西侧地表塌陷 塌陷进一步发展 回填后 4 3盾构通过中间风井或联络通道 北京地铁十号线二期十 分区间 双线在中间风井接收及始发过程中均未安装止水橡胶帘布 造成不同程度渗漏水 中间风井始发前提前破桩造成水土流失 2011 9 4右线到达中间风井过程中未安装止水橡胶帘布及扇形压板 洞门边缘3点钟和8点钟方向有水涌出 且水量较大 2011 9 18开始采取注浆等措施进行堵水 2011 9 27基本无渗水现象 4 3盾构通过中间风井或联络通道 北京地铁十号线二期十 分区间 接收端大量土体被推出 端头处流水带出大量细砂 2011 10 21左线盾构中间风井接收端头渗水较为严重 未安装橡胶帘布和扇形压板 盾构到达过程中大量土体被推出 4 3盾构通过中间风井或联络通道 北京地铁十号线二期十 分区间 4 4盾构施工过程 北京地铁十号线二期六 莲区间 双线先后下穿北京西机务段铁路 左线先行 施工参数控制基本合理 安全通过 右线盾构在通过过程中 土压控制偏低 导致出土量偏大 引起地层损失 2011 8 27隧道上方北京西机务段铁路区域发生塌陷 4 4盾构施工过程 北京地铁十号线二期六 莲区间 北京西机务段铁路 始发井 右线塌陷位置 45 50环土压01情况 50 58环土压01情况 0 6bar 0 2bar 0 6bar 0 2bar 4 4盾构施工过程 北京地铁十号线二期六 莲区间 4 4盾构施工过程 天津地铁2号线建 天区间右线 事故发生位置 4 4盾构施工过程 天津地铁2号线建 天区间右线 2011 5 6上午右线螺旋输送机突被异物卡住 清理水泥碎快过程中出现涌水涌砂 经在洞内采取多种措施封堵后无效 决定采用地面注浆及封堵隧道注水 左 右线分别在2011 5 8晚9点 2011 5 6晚11点封堵 人员全部撤离 4 4盾构施工过程 天津地铁2号线建 天区间右线 撤离前泥砂覆盖机人仓一半多 右侧裂缝最大处 左侧裂缝最大处 右线 撤离前泥砂覆盖人仓的一半多 泥砂覆盖深度大约2 8m 水流往后流 泥砂往后呈斜坡状向后延伸 管片从192 205环均产生不等缝隙 左线 1 5 台车两侧及顶部发生管片错台 破损 张开等 200 220环漏水较严重 目录 5 1合同要求 人员要求 设备要求 合理划分标段 合同要求重点 5 1合同要求 人员要求 项目经理须具有盾构施工经历 或经过相关盾构技术培训 项目总工须具有盾构施工经历 或经过相关盾构技术培训 盾构副经理须具有盾构施工经历 且在含有盾构区间的标段中担任过盾构施工主要管理人员 盾构操作手须是本单位员工 且具有相关培训经历和类似地层操作经历 盾构标段驻地监理工程师须具有盾构区间施工技术 管理经历 含有盾构区间标段的项目经理 项目总工 盾构副经理 盾构操作手和驻地监理工程师须经培训合格后方可上岗 5 2技术要求 落实相关规范 规定的具体要求 组段划分 参数选择 主要辅助参数 5 2技术要求 组段划分 5 2技术要求 组段划分 5 2技术要求 参数选择 土压力 bar KPa 及出土量 m3 刀盘扭矩 KN m 过载 脱困 盾构总推力 KN 全部推进阻力之和推进速度 mm min 贯入度 mm rpm 取决于刀具高度和高差刀盘转速 rpm 注浆压力 bar KPa 及注浆量 m3 盾构施工前合理设定施工参数 同时施工过程中严格控制盾构施工参数 是确保盾构安全施工的必要条件 土压 刀盘扭矩 总推力 推进速度 5 2技术要求 参数选择 根据不同组段特点 得到主要参数控制范围参考表 5 2技术要求 主要辅助施工参数 同步注浆 二次补浆 浆液量 浆液质量 注浆压力 初凝时间 结实率 5 2技术要求 主要辅助施工参数 浆液质量控制指标 5 3辅助保障措施 盾构推进过程中 对盾构施工参数进行实时监控 尤其是穿越重大风险源过程中 有利于盾构施工安全风险管控 由中国矿业大学 北京 研发的 盾构施工实时管理系统 以简洁的界面与灵活的操作 已广泛应用于北京地铁安全风险管控 实时形象地显示工程进度和风险工程明确管控重点 显示盾构生产过程中的各项参数 对盾构施工远程实时监控 盾构施工全部数据进行各种条件下的查找 统计和分析 盾构施工过程中的材料消耗 功效等参数进行统计和查询 主要盾构施工参数实时预警 给出主要施工参数的控制范围 5 3辅助保障措施 5 3辅助保障措施 施工数据传输过程 采用光纤作为传输介质 这种传输方式在国内外是首创 盾构施工数据稳定 实时传输至地面监控系统 5 3辅助保障措施 隧道内外数据传输系统 盾构施工数据稳定 实时传输至监控中心 盾构施工数据发送 盾构施工数据接收 5 3辅助保障措施 盾构至服务器数据传输 5 3辅助保障措施 系统基本结构 全线概况及各个盾构区间概况 工程地质 重要风险工程 实时显示各个盾构区间工程进度 重要风险工程 5 3辅助保障措施 系统界面 实时显示盾构施工进度和盾构设备参数 远程实时显示盾构施工参数 并自动预警 5 3辅助保障措施 系统界面 盾构施工功效统计 盾构施工功效 推进速度 材料消耗统计和输出 5 3辅助保障措施 系统界面 盾构施工材料消耗统计 国内外盾构 TBM施工管理中首创 1 同步注浆量 2 盾尾油脂 3 泡沫添加剂 5 3辅助保障措施 系统界面 盾构施工全部数据进行各种条件下的分析