盾构法施工简介-中铁隧道ppt课件

,盾构法施工简介,开放交流合作共赢,.,1,一、概述盾构机是集机、电、液、光于一体的技术含量高的大型隧道施工设备，性能先进、结构复杂，施工机械化、自动化程度高。盾构法施工系统性强，往往牵一发而动全身。1、盾构隧道施工一般经历的五个阶段盾构机制造、下井、组装、调试、验收等和盾构始发准备；盾构始发和试掘进；盾构正常段掘进；盾构到达段掘进和盾构到达；盾构解体、吊出等。,一、概述,.,2,2、三个主要工序开挖出土管片拼装同步注浆3、每一循环的两个过程开挖与同步注浆管片拼装与土料运输4、三个控制要点开挖面的稳定盾构沿设计路线高精度推进（盾构姿态、隧道方向）管片作业,一、概述,.,3,二、盾构法施工流程,盾构总体施工流程始发井交付使用盾构始发架就位盾构机下井、安装、调试初始掘进（L=80100m）负环拆除及其它辅助设备调整正常掘进盾构机到达中间站盾构机通过中间站盾构机再次安装、调试盾构机再次初始掘进正常掘进盾构机到达终点站盾构机解体外运隧道清理准备验收,二、盾构法施工流程,.,4,三、盾构机下井、组装及调试,1、准备工作盾构机制造、厂内组装验收等完成。盾构机运输至工地。盾构始发准备应具备条件。主要有：始发托架安装、轨道安装、洞门密封装置安装、盾构端头加固、反力架安装、起吊设备到位等工作。,三、盾构机下井、组装及调试,.,5,2、盾构机组装、调试程序,三、盾构机下井、组装及调试,.,6,3、盾构机下井、组装,step1组装始发台、托架盾构运输到施工场地;组装盾尾、焊接盾尾及盾尾密封刷;组装台车,临时托架吊入井内;洞内铺设轨道。step2组装台车、桥架依次吊入后续台车；进行桥架组装;桥架吊入井内。,三、盾构机下井、组装及调试,.,7,step3吊装螺旋输送机完成桥架与后配台车的连接。螺旋输送机吊入井内。step4吊装中盾螺旋输送机后移;中盾吊入井内。,三、盾构机下井、组装及调试,.,8,step5组装前盾与中盾前盾吊入井内。step6组装刀盘前盾与中盾的连接;刀盘吊入井内;,三、盾构机下井、组装及调试,.,9,step7组装管片拼装机、盾尾主机连接及前移;管片拼装机及盾尾的吊入井内及拼装。step8组装螺旋输送机螺旋输送机前移;螺旋输送机吊起及组装。,三、盾构机下井、组装及调试,.,10,step9设备连接、安装反力架连接各台车的管线；反力架吊入井内；安装反力架；盾构机设备的连接。step10完成组装、准备始发完成组装;盾构机调试,准备始发。,三、盾构机下井、组装及调试,.,11,12,台车、桥架下井组装,三、盾构机下井、组装及调试,.,三、盾构机下井、组装及调试,盾构主机下井组装,.,13,4、盾构机调试（1）空载调试：盾构机组装和连接完毕后，即可进行空载调试。主要调试内容为：液压系统，润滑系统，冷却系统，配电系统，注浆系统，以及各种仪表的校正。着重观测刀盘转动和端面跳动是否符合要求。（2）负载调试：空载调试证明盾构机具有工作能力后即可进行负载调试。负载调试的主要目的是检查各种管线及密封的负载能力。使盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态。通常试掘进时间即为对设备负载调试时间。负荷调试时将采取严格的技术和管理措施保证工程安全、工程质量和隧道线型。,三、盾构机下井、组装及调试,.,14,四、盾构始发,1、盾构始发方法,四、盾构始发,整机始发分体始发,.,15,2、盾构始发流程3、盾构始发要点始发准备要充分始发部位地层加固始发基座始发反力架洞门凿除洞门密封负环管片拼装盾构掘进参数控制盾构姿态与方向控制,四、盾构始发,.,16,始发部位地层加固主要方法深层搅拌、旋喷桩、SMW、注浆、降水、冻结,四、盾构始发,.,17,18,加固范围及强度计算,粘性土,加固区强度及厚度计算示意图,加固区高度计算示意图,加固区宽度计算示意图,加固区强度及厚度计算示意图,加固区高度计算示意图,加固区宽度计算示意图,砂性土,.,19,封门制作沉井：钢板桩；蛭石、珍珠岩膨胀水泥混凝土、砖砌体、泡沫混凝土连续墙：墙中预留轻质低强混凝土塞、局部浇注GFRP玻璃纤维和树脂热融合的玻璃纤维筋、碳纤维筋代替普通混凝土封门的破除：手工、爆破,四、盾构始发,.,盾构始发示意图,四、盾构始发,.,20,四、盾构始发,.,21,四、盾构始发,.,22,四、盾构始发,.,23,24,五、盾构掘进模式和参数确定,1、掘进模式选择土压平衡盾构一般有土压平衡模式、敞开模式及半敞开模式三种掘进模式，应根据土压平衡盾构类型、盾构隧道围岩的工程地质和水文地质条件、施工环境等因素，综合判断、选择不同的掘进模式。（1）围岩为自稳定性差的地层或可能有较大涌水等地质地段，宜用土压平衡模式掘进。（2）围岩为稳定性好的岩石地层或地下水少的软土地层，宜用敞开模式掘进。（3）围岩处于软硬不均或具有一定自稳能力且地下水压力不太高的地层，宜用半敞开模式掘进。（4）遇到地层变换较大时应及时转换模式掘进。,土压平衡模式,敞开模式,半敞开模式,五、盾构掘进模式和参数确定,.,2、掘进主要参数确定要点土压平衡模式掘进时设定的土仓压力应与作用在开挖面上的水土压保持平衡。应根据地质、覆土厚度并结合环境监测数据调整，比较理论计算土压力与实际设定土压力来判断实际设定土压力是否合理。掘进速度设定时应考虑刀盘进入土体的贯入度、刀盘转速及盾构设备出土能力等因素。推力应根据埋深条件、地层土质、地下水及管片特征等条件分情况计算确定。扭矩应根据埋深条件、地层土质、地下水及管片特征等条件分情况计算确定。同步注浆压力应与覆土压力相当；同步注浆量应根据管片与围岩间隙计算确定，实际注浆量宜大于计算注浆量。应根据试掘进和监测情况，对掘进参数进行调整优化。,五、盾构掘进模式和参数确定,.,25,六、盾构试掘进,1、盾构试掘进为正常掘进控制提供依据，主要目的：应收集盾构掘进数据及地层变形测量数据；判断掘进参数是否适当；及早把握盾构掘进方向控制特性；盾构机磨合并进一步调试。2、试掘进长度的确定应考虑管片与周围地层的摩擦阻力和后续台车长度，试掘进结束后要拆除临时管片、始发基座和始发反力架等，盾构的掘进反力由管片与周围地层的摩擦阻力承担，掘进长度LF/2rf式中：L从始发井开始的管片长度（m）；F盾构千斤顶推力（N）；r管片外径(m)；f注浆后管片与地层的摩擦阻力（N/m2）,六、盾构试掘进,.,26,七、盾构正常段掘进,1、正常段掘进控制通过试掘进段的地基变形监测的结果确定的在不同地质地层中盾构推进的各项参数的调节控制方法。测定和统计不同地层条件下推力、扭矩的大小；盾构机姿态的控制特点；同步注浆的参数和浆液配合比；同步注浆中容易出现的问题及解决方法；各种刀具的适应性等。选定六个施工管理的指标（土仓压力；推进速度；总推力；排土量；刀盘转速和扭矩；注浆压力和注浆量）来进行掘进控制管理。,七、盾构正常段掘进,.,27,2、盾构掘进流程准备工作转动刀盘启动次级运输系统（皮带机）启动推进千斤顶启动首级运输系统（螺旋机）回填注浆停止掘进安装管片准备下一环掘进,七、盾构正常段掘进,.,28,.,29,3、盾构掘进施工要点掘进前根据地质状况、地表环境、盾构姿态、施工监测结果制定、下达当班盾构掘进作业指令，并准备好同步注浆、管片拼装工作。严格按照盾构设备操作规程、安全操作规程以及当班的掘进指令控制盾构掘进参数与盾构姿态。掘进施工时应根据围岩条件正确地使用盾构千斤顶，在确保围岩稳定的同时沿隧道设计线路正确地进行。注浆与掘进的同步进行，及时根据信息反馈情况调整注浆参数。按规定进行监控量测、盾构与管片姿态人工复核测量。严防出现盾构姿态突变。应尽量防止横向、竖向和转动偏差的发生，用测量数据修正盾构姿态，尽早进行“蛇行”修正。应根据地层条件适当注入添加剂改善碴土的塑流性，同时应慎重管理土仓压力和排土量。采用适合的排土方法，排土设备的配置应满足掘进能力。盾构暂停施工时应制定稳定开挖面的专项措施。,七、盾构正常段掘进,.,30,4、盾构姿态、盾构隧道方向控制要点采用自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态测量监控。采用分区操作掘进油缸来调整盾构机姿态，使盾构的掘进方向趋向隧道的设计中心线。在曲线段和变坡段，必要时利用盾构超挖刀进行局部超挖、在轴线允许偏差范围内提前进入曲线段掘进施工。盾构在调整方向的过程中不能有太大的趋势。当盾构处于水平线路掘进时，宜使盾构保持稍向上的掘进姿态，以防止盾构因自重而产生的栽头现象。应正确进行管片选型，控制拼装质量与精度，以使管片端面尽可能与计划的掘进方向垂直。施工中定期测量管片直径与圆度管片平面和高程偏差以及前沿里程成环情况等，及时反馈信息指导管片拼装施工。测量控制系统如下：,七、盾构正常段掘进,.,31,整个系统的组成情况及各个部件之间的相互关联。,七、盾构正常段掘进,.,32,5、盾构隧道纠偏要点当盾构隧道轴线偏离设计位置时必须进行纠偏。盾构隧道纠偏可采用千斤顶编组、区域油压、仿行刀进行。掘进油缸油压的调整不宜过快、过大，防止造成管片局部破损、开裂。蛇行的修正应以长距离逐步修正为原则，不宜过急。在切换刀盘转动方向进行滚动纠偏时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宜过快。实施盾构隧道纠偏不得损坏已安装管片，并保证新一环管片的顺利拼装。实施盾构隧道纠偏应防止盾尾漏浆而增大地面变形。盾构施工过程中，一方面要通过修正施工有关参数尽量避免和控制，同时也要在掘进的过程中，进行适时的测量与纠正，控制偏差在允许范围之内。,七、盾构正常段掘进,.,33,6、在不同地质条件应采取相应的措施进行掘进施工。（1）在软土地层中：应选择合理的掘时模式，并加强对施工参数的优化。在地面隆起允许的情况下适当提高盾构机的正面平衡压力。应保证连续均衡掘进，避免较长时间的搁置。盾构姿态调整量不可过大、过频。必要时应采用压注泡沫剂或膨润土等措施改良土体。（2）在砂层或富水砂层地段：适当加大土仓压力掘进施工。螺旋输送机应采用双闸门装置，加注泥浆或高效聚合物泡沫，必要时采用保压泵碴装置。采用土压平衡模式掘进，控制盾构掘进方向和铰接油缸的行程差。若出现喷涌应立即关闭螺旋输送机的后门，适当向前掘进，使土仓内建立平衡；通过刀盘的转动将土仓内的土体搅拌均匀；缓慢打开螺旋输送机后门，边掘进边出土，始终保持土仓内压力稳定。,七、盾构正常段掘进,.,34,（3）在岩层地段（含硬岩层）：在盾构机设计上，对刀具的配置、刀间距的设计要充分考虑。宜选用单刃滚刀、耐磨刀具，减少换刀次数与频率。有计划地进入土仓检查刀具状态和更换刀具。应确切掌握岩层的分布情况及其各项指标，施工中利用盾构机的超前钻机及时探明前方岩石情况。采用敞开模式掘进，应遵循高转速、低扭矩原则选取参数，以提高纯掘进速度。掘进过程中应随时监测刀具和刀盘受力状态，确保其不超载。硬岩段掘进时应采取启动盾构稳定装置、有针对性的加注泡沫剂以减少刀盘扭矩、降低掘进速度和刀盘正反转等措施，防止盾构旋转。（4）盾构在复合地层掘进时应注重对地层分界的判断，及时选取不同的掘进模式和掘进参数。,七、盾构正常段掘进,.,35,八、盾构到达段掘进及盾构到达,1、盾构到达方法,八、盾构到达段掘进及盾构到达,.,36,八、盾构到达段掘进及盾构到达,.,37,2、盾构到达流程3、盾构到达要点到达准备要充分到达部位地层加固始发基座洞门凿除洞门密封盾构掘进参数控制盾构姿态与方向控制,八、盾构到达段掘进及盾构到达,.,38,八、盾构到达段掘进及盾构到达,.,39,九、盾构机解体、吊出,2、盾构机解体吊出顺序,1、盾构机拆卸总体思路（1）拆卸顺序与组装顺序相反，后装的先拆，先装的后拆。（2）采用吊机解体吊出的方案。（3）拆卸之前对整机各部、各系统管路、电路与组件进行详细标识。（4）拆卸以应有序进行。,九、盾构机解体、吊出,.,40,3、盾构机解体吊出流程,九、盾构机解体、吊出,.,41,十、管片生产与管片拼装,1、管片设计（1）地铁隧道管片：C50S12钢筋砼；每环六块（3块标准、2块邻接、1块封顶）；通缝、错缝两种拼接方式。,十、管片生产与管片拼装,.,42,十、管片生产与管片拼装,.,43,荷载计算简图,（2）内力计算模型方法1）弹性匀质自由变形圆环。接头刚度与自身刚度无变化，地层作用荷载抗力，（无限制变形的连杆），结构力学方法。适合错缝拼装。2）修正惯用法弹性自由变形圆环的基础上对接头刚度进行。3）修正弹性变刚度自由变形（或约束变形）多铰圆环；接头不同刚度铰，管片为钢架梁，局部（或全部）圆环设支座连杆限制变形；通缝拼装更合适。4）有限元数值分析。衬砌管片和土层划分成不同单元。,十、管片生产与管片拼装,.,44,（3）其它类型管片,十、管片生产与管片拼装,.,45,2、管片生产（1）管片生产工艺流程,十、管片生产与管片拼装,.,46,十、管片生产与管片拼装,.,47,（2）管片模具,十、管片生产与管片拼装,.,48,（3）管片生产,成型钢筋分类堆放,钢筋笼焊接,十、管片生产与管片拼装,.,49,成型钢筋笼堆放,模板清理、涂脱模剂,十、管片生产与管片拼装,.,50,合笼后钢模尺寸检查,钢筋笼吊装入模,十、管片生产与管片拼装,.,51,钢筋笼入模就位,混凝土浇注,十、管片生产与管片拼装,.,52,管片浇注、振捣,表面压实,十、管片生产与管片拼装,.,53,表面收光,浇注后的管片静养,十、管片生产与管片拼装,.,54,管片翻身架,管片成型车间水平运输,十、管片生产与管片拼装,.,55,成品管片水平运输,管片养护水池,十、管片生产与管片拼装,.,56,管片入养护池养护,试块抗压检测,十、管片生产与管片拼装,.,57,抗渗检测设备,管片检漏试验,十、管片生产与管片拼装,.,58,三环试拼装,三环试拼装及接缝测量,十、管片生产与管片拼装,.,59,管片堆场,管片堆场堆放,十、管片生产与管片拼装,.,60,3、管片选型与安装,管片作为隧道施工的支护结构，是主要的受力结构，也直接关系到防水效果的好坏。管片安装质量的好坏不仅直接关系到成洞的质量，而且对盾构机能否继续顺利推进有着直接的影响。（1）管片选型管片选型应遵循的原则:管片跟着盾构走管片选型的考虑因素:盾尾间隙千斤顶行程差铰接角度盾构机的方向趋势管片选型要适合隧道设计线路和盾构机的姿态。,十、管片生产与管片拼装,.,61,（2）管片拼装管片是在盾尾内采用管片拼装机拼装。管片安装采取自下而上的原则，由下部开始，先装底部标准块（或邻接块），再对称安装标准块和邻接块，最后安装封顶块，封顶块安装时，先纵向搭接2/3，径向推上，然后纵向插入。用管片拼装机将管片吊起，沿吊机梁移动至盾尾位置。安装时千斤顶交替收回，即安装那段管片收回那段相对应的千斤顶，其余千斤顶仍顶紧。,十、管片生产与管片拼装,.,62,管片拼装施工工艺流程,十、管片生产与管片拼装,.,63,管片拼装系统,十、管片生产与管片拼装,.,64,十、管片生产与管片拼装,.,65,十、管片生产与管片拼装,.,66,管片快速拼装-异型管片,十、管片生产与管片拼装,.,67,十一、壁后回填注浆,回填注浆（同步注浆和二次注浆）是防止地层下降并使作用于隧道的土压力得以均布，注浆回填到管片背面，形成一定厚度的充填层，防止隧道承受偏压及接缝张开。充填层本身起防水层作用。1、浆液材料（1）单液、双液材料：配比及机理研究、拌浆及注浆工艺流程，粘稠度、不同龄期强度试验。（2）活性/惰性。（3）注浆体积：盾尾间隙的150200。（4）采用单液快硬浆液代替双液浆。单液浆先填充空隙、阻挡泥水后窜机理。单液可硬浆泵送工艺及设备。2、注浆压力、强度3、同步注浆施工工艺流程和系统工作原理,十一、壁后回填注浆,.,68,同步注浆施工工艺流程,十一、壁后回填注浆,.,69,十一、壁后回填注浆,.,70,十一、壁后回填注浆,.,71,十二、盾构隧道防水,1、管片结构自防水管片的生产主抓三个方面：砼密实度、抗裂性能和制作精度。2、管片接缝防水（1）弹性密封垫弹性密封垫贴紧贴牢。防止弹性密封垫脱落。弹性密封垫表面的杂物清理干净。（2）传力衬垫3、嵌缝防水4、螺栓孔防水5、注浆孔防水6、接口防水,十二、盾构隧道防水,.,72,十二、盾构隧道防水,.,73,十二、盾构隧道防水,.,74,十三、刀具更换,1、按单刀允许磨损量及相邻刀的高差及时更换刀具：更换作业尽量选择在中间竖井或地质条件较好、地层较稳定的地段进行。换刀准备工作应包括总体规划、设备物资供应、人员培训、成立应急救援小组、开仓审批等内容。当盾构在硬岩或自稳能力较强的地段掘进时，可在无压下直接进入刀盘作业。刀具更换程序应为：刀盘清理刀具检查和磨损量的测量制定换刀计划刀具拆除刀具安装刀具更换记录整体检查。在较差的地层换刀时，必须采用带压更换或对地层进行预加固等措施，确保开挖面的稳定。,十三、刀具更换,.,75,2、刀具,刀具图片,十三、刀具更换,.,76,正常磨损滚刀,非正常磨损滚刀,3、刀具磨损量的预测=KDNL/V:磨损量（mm）（最外周部）K:磨损系数（mm/km）D:盾构外径（m）N:刀盘转速（rpm）L:推进距离（km）V:推进速度（mm/min）,十三、刀具更换,.,77,严重磨损的滚刀,刀圈断裂,边缘刮刀掉落,刮刀掉落后磨损,十三、刀具更换,.,78,十四、碴土改良,在复杂地层掘进施工时应根据围岩条件可适当向刀盘面、土仓内和螺旋输送机注入泡沫或膨润土等添加剂进行碴土改良，改善碴土的塑流性；同时应慎重进行土仓压力和排土量管理。,十四、碴土改良,.,79,十四、碴土改良,.,80,十五、人员带压进仓,1、当清除开挖面前方障碍物、刀具更换等作业时，可采用气压辅助模式施工来控制开挖面的涌水。2、人员仓的加减气压应按国家空气潜水减压技术要求GB1251-90所规定的原则进行，不得随意调整。3、人员进出土仓作业流程,十五、人员带压进仓,.,81,十五、人员带压进仓,.,82,十六、灾害地质、障碍物探测和施工,1、流砂地层、破碎带等不良地质施工技术开挖面注入泡沫剂；填充粘土增加覆土层；控制同步注浆压力，防止注浆上翻；局部气压防止冒顶,（局部）气压技术,气压舱,十六、灾害地质、障碍物探测和施工,.,83,84,2、软硬岩交叠地质施工技术,在软硬岩交叠地层施工时，除了对刀盘上的刮刀加强外，还需配置用于破碎硬岩的先行刀和滚刀，自动监测刀具磨损，常压或局部气压下更换刀具。,适用于硬岩的刀具,十六、灾害地质、障碍物探测和施工,.,十六、灾害地质、障碍物探测和施工,.,85,十六、灾害地质、障碍物探测和施工,.,86,87,在隧道沿线进行详细的地质勘察。在选择处理方案时应当优先考虑在施工前进行不良地质的处理及障碍物的清除；当无法进行预先处理时再考虑施工中的探测及处理方法。,十六、灾害地质、障碍物探测和施工,.,十七、盾构地中对接,十七、盾构地中对接,.,88,十七、盾构地中对接,十七、盾构地中对接,.,89,90,十八、盾构过站、转场及调头,1、盾构机过站（过隧道）移动托架过站弧形导台过站利用永久管片过隧道利用临时管片过隧道,弧形导台,十八、盾构过站、转场及调头,.,2、盾构机转场解体吊装后运输转场整体吊装转场,十八、盾构过站、转场及调头,.,91,3、盾构机调头矿山法隧道内调头盾构工作井内调头,十八、盾构过站、转场及调头,.,92,盾构机调头顺序,十八、盾构过站、转场及调头,.,93,十九、盾构隧道施工监控量测与沉降规律,1、监控量测的目的和作用监测管片隧道主要是确保隧道施工安全（管片的变形与受力），并为隧道设计提供依据。监测隧道环境的变化（地层变形与地下水的变化），为隧道施工调整参数与工艺服务。监测地面建构筑物的变形情况（沉降与倾斜），必要时启动应急保护预案。2、主要监测项目（1）隧道内的监测项目隧道变形：目前主要是采用全站仪进行断面测量；管片错台量测与裂纹观测。（与隧道施工测量的关系）管片受力：特殊地段预埋钢筋计和在管片表面粘贴应变片量测。,十九、盾构隧道施工监控量测与沉降规律,.,94,（2）隧道周边环境地层变形：一般采用垂直孔进行测斜，来计算水平位移；同时必要时进行分层沉降量测。地下水位：采用从地表钻孔进行水位观测。（3）隧道地面建构筑物量测地表沉降量测：一般采用精密水准仪进行量测。建构筑物的沉降与倾斜量测：采用精密水准仪和全