盾构施工技术简介.ppt

盾构施工技术介绍,目录,一、盾构施工发展,二、盾构机选型,三、盾构施工主要技术,常用隧道施工方法,明挖法,矿山法,掘进机（TunnelBoringMachine）,常用隧道施工方法,TBM硬岩掘进机,盾构,一、盾构施工发展,一、盾构施工发展,1802年，英国采矿工程师阿贝尔马蒂厄提出修建英吉利海峡隧道的计划，设计从英法两岸用一种有掩体结构的挖掘机修筑隧道，每侧各挖掘18.7km，最后在瓦恩班克浅滩对接贯通。1803年，爆发英法战争，使该计划未能实施。,阿贝尔马蒂厄设计的隧道,起源,盾构机问世至今已有近180多年的历史，其源于英国，发展于日本、德国等。,一、盾构施工发展,起源,1818年，法国工程师布鲁诺尔（MareIsambardBrunel）在伦敦从船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理。后来，布鲁诺尔完善了构思，注册了专利。,布鲁诺尔注册专利的盾构,一、盾构施工发展,起源,布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下的隧道工程中首次使用这种盾构,设想成为现实。矩形盾构断面尺寸为11.3m6.7m。泰晤士河下的隧道工程始于1825年，施工期间遇到了许多困难，在经历了五次以上特大洪水后，直到1843年才全部完工。,泰晤士河底隧道施工时涌水,一、盾构施工发展,其后随着盾构机的设计、制造能力的逐渐发展，盾构施工得到了快速的发展和广泛的应用,就其开挖断面不同，发展的有单圆盾构、双园盾构、三圆盾构、矩形盾构、异形盾构、自由断面盾构等。,分类,就其稳定掌子面介质的不同，分为土压平衡盾构、泥水平衡盾构。其中土压平衡盾构根据地层条件可采用敞开式（大气压力）、气压平衡式（压缩空气）、土压平衡式（改良后的碴土）三种模式掘进。,一、盾构施工发展,三圆盾构掘进机,分类（按开挖断面不同）,单圆盾构掘进机,一、盾构施工发展,异型盾构掘进机,矩形盾构开挖成型隧道,分类（开挖断面不同）,一、盾构施工发展,分类（稳定掌子面介质）,泥水平衡盾构,根据平衡开挖面平衡介质（出渣方式）可分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构。,土压平衡盾构,一、盾构施工发展,土压（泥水）平衡原理,土压（泥水）平衡模式是在盾构开挖时，利用土仓内的土压（泥水压）或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。,二、盾构机选型,类型选择,二、盾构机选型,从国内外施工实例来看，主要从土压平衡盾构和泥水盾构中选择,两种机型比较,类型选择,土压平衡盾构对地质条件的要求,地层颗粒级配与地层含水量,细颗粒含量：对于土压平衡盾构机来说，最能适应的土层就是含有足够细颗粒的地层。理想的颗粒尺寸的地层包括粘土、淤泥、砂，并且含有25-30%的水分。当地层中没有足够的细颗粒含量时，例如砂卵石地层，应采取辅助的处理措施，比如注射泡沫、聚合物或非常高浓度的泥浆帮助解决细颗粒问题。以便使土压平衡盾构机能适应这种地层。,二、盾构机选型,类型选择,二、盾构机选型,土压平衡盾构对地质条件的要求,地层颗粒级配与地层含水量,类型选择,土压平衡盾构对地质条件的要求,上图左边白颜色区域为卵石砾石粗砂区，为泥水平衡盾构机适用的颗粒级配范围。右边蓝颜色区域为细砂淤泥粘土区，为土压平衡盾构机适用的颗粒级配范围。级配图说明细颗粒含量多则碴土能形成不透水的塑流体，容易并能够充满土仓的每个部位，以便建立压力并传递到切削面支撑土体，而又不发生堵仓。可以实现土压平衡。粗颗粒含量高的碴土不能形成具备这种功能的碴土，因而不能实现土压平衡机理。只能借助于大比重的泥浆悬浮，传递压力并被输送。从掘进的角度，泥水平衡盾构机也适用于细颗粒土层，但细颗粒浆液的泥水分离难度大，设备需要多，除非场地条件非常优越和必须使用泥水平衡方式，否则不会在细颗粒地层采用泥水平衡方式。因此，图中的区域划分考虑了综合因素。,地层颗粒级配与地层含水量,类型选择,土压平衡盾构对地质条件的要求,地层的渗透系数,地层的渗透系数大于10-4m/s且地下水压力大，地下水量丰富的地层不适合于采用土压平衡盾构掘进。在此种条件下，即使采用平衡模式，带压力的地下水会稀释泡沫效果，渣土失去流塑性在螺旋机中不能形成土塞止水作用而发生喷涌，土仓不能维持压力，输送带斜坡段不能向上输送渣土，导致施工不能正常进行。此时可以采用高浓度膨润土浆液、高分子聚合物进行改良保持渣土的流塑性，但膨润土浆液实施难度大、高分子聚合物价格高昂，实际上很难作为常规手段。,类型选择,土压平衡盾构对地质条件的要求,地层的渗透系数,主要部件选型,土压平衡盾构主要组成部件及工作原理简介,刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，掘进一环管片的长度后停止掘进，在盾壳的掩护下安装管片衬砌。,1、刀盘2、主轴承3、推进油缸4、压力仓5、螺旋输送机6、管片安装机7、闸门8、管片小车9、管片吊机、10、皮带输送机11、后配套约20个系统和装置,二、盾构机选型,二、盾构机选型,土压平衡盾构主机工作原理,主要部件选型,刀盘,刀盘结构,面板式,辐条式,二、盾构机选型,二、盾构机选型,二、盾构机选型,二、盾构机选型,主轴承,主要部件选型,主驱动,刀盘驱动方式,二、盾构机选型,二、盾构机选型,主要部件选型,刀具,主要部件选型,二、盾构机选型,盾体,按照铰接方式分为2种：1）主动铰接：铰接油缸和推进油缸均有调向功能，铰接缸在推进缸前面，可直接迫使刀盘转向。调向时可采用主动转向方式也可采用被动转向方式。调向性能好，但结构较复杂，造价较高。2）被动铰接：铰接油缸随动，结构较简单，造价较低。,二、盾构机选型,主要部件选型,人仓,按照舱室数量分为2种：1）双仓：主仓和副仓，副仓也称为材料仓。主仓和土仓在不减压状态下，通过副仓的独立降压升压，分别与主仓隔断和连接，完成进仓作业过程中外部刀具材料的运进，提高作业有效时间和效率。结构复杂。2）单仓：结构简单，但带压进仓作业的有效时间短，效率低。,主要部件选型,螺旋输送机,螺旋输送机由筒体、驱动装置、螺旋轴、出碴闸门组成。是土压平衡盾构的排土装置，主要有以下三个功能：1）碴土在螺旋机内向外排出的过程中形成密封土塞，碴土压力从前至后依次递减。2）在保持土仓土压的同时，将盾构土仓内的土体向外连续排出。3）将土仓内的土压值自动与螺机转速值进行比较，随时调整向外排土的速度，实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构连续正常向前掘进。,二、盾构机选型,二、盾构机选型,主要部件选型,螺旋输送机,按照螺旋轴结构分为2种：1）带式螺旋轴：在相同的筒体直径下，可输送更大粒径的卵石或石块，但止水密封效果较差。2）轴式螺旋轴：在相同的筒体直径下，输送的粒径小于带式轴，但止水密封效果好。,主要部件选型,皮带输送机,皮带输送机，将碴土从螺旋输送机的出碴口运到碴车内。,二、盾构机选型,右图：塑流状的碴土,二、盾构机选型,主要部件选型,皮带输送机,右下图：改良不佳的砂质碴土,左下图：改良不佳的砂质碴土发生喷涌,主要部件选型,管片安装机,管片安装机在盾尾内部拼装管片。有46个自由度动作，包括旋转、提升、纵向移动、XYZ三个轴向的摆动。管片抓取有2种方式。机械抓取式真空吸盘式,地铁盾构一般采用机械抓取式,二、盾构机选型,主要部件选型,同步注浆系统,同步注浆系统的目的主要有以下四个方面：1、及时填充盾尾建筑空隙，支撑管片周围岩土，控制地表沉降；2、凝结的浆液作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，防止地下水或地层的裂隙水向管片内泄漏；3、保证管片环周向的均匀受力，形成受力拱壳，为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化。4、限制隧道结构蛇行变化，有利于盾构姿态的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定。,二、盾构机选型,主要部件选型,同步注浆系统,安装在后配套拖车上的注浆泵及砂浆罐,二、盾构机选型,主要部件选型,盾尾密封系统,盾尾止水一般采用钢丝刷密封装置，是集弹簧钢板、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构。盾尾油脂泵向每道钢丝刷密封之间的腔室提供压力油脂，以提高止水性能。,二、盾构机选型,主要部件选型,测量导向系统,导向系统由激光全站仪、ELS靶（前视棱镜）、后视棱镜、控制盒及显示屏等组成。控制有效距离200m，控制精度2秒。,二、盾构机选型,主要部件选型,测量导向系统,盾构姿态显示屏,二、盾构机选型,主要部件选型,泡沫系统和膨润土添加系统,该系统是实现土压平衡最重要的系统，大部分地层都不具备天然适于土压平衡掘进需要的碴土特性，需要通过添加泡沫膨润土或高分子聚合物对碴土进行改良，使之具有塑流性，充满土仓传递压力；具有止水密封性能，在螺机内形成土塞；较低的剪切力能够被刀盘搅拌；较好的润滑性避免在刀盘及土仓结构粘附；,二、盾构机选型,主要部件选型,膨润土添加系统和泡沫系统,二、盾构机选型,三、盾构施工主要技术,三、盾构施工主要技术,盾构掘进施工主要模式,敞开掘进模式,敞开模式掘进的基本条件：在埋深合适、地层能够自稳、地层无地下水、地面无建筑物或地表下无地下各类管线的条件下，可以采用敞开模式掘进。例如在弱风化岩微风化岩地层中，岩体整体性良好，岩体能够形成承力环，开挖面在一定时间内保持自稳不发生坍塌等。,敞开模式掘进的优点：敞开式模式掘进时，土仓渣土处于半仓甚至小半仓状态，刀具的二次磨损大为减少；刀盘的搅拌力矩减少，驱动扭矩可降低到满仓掘进时的50%以下；泡沫注入基本停止；由于土仓在常压下工作，主轴承油脂的用量可以减少、推力荷载将减少300900t（1bar3bar时）左右；等，因此在地质条件允许时采用敞开模式掘进比较有利。,三、盾构施工主要技术,盾构掘进施工主要模式,气压掘进模式,气压模式掘进的基本条件：在埋深合适，地层渗透系数小，或隧道顶板上部存在较厚的不透气隔离层、地面上没有重要建筑物和重要危险管线时，可采用气压模式，通过向土仓进行气体加压保压方式来掘进。此时土仓渣土至少是半仓以上，同时必须向土仓加水及泡沫，保持渣土流塑状态以便在螺旋机内形成土塞止水保压作用。采用气体保压模式掘进时，工程师必须确保或证实地层的渗透性弱，气体向地层的渗透较少，空压机的排量有足够的能力补偿气体向地层的泄漏量。同时空压机需要连续工作的时间在有效掘进时间的50%以下。,三、盾构施工主要技术,盾构掘进施工主要模式,气压掘进模式,气压模式掘进的优点：气压式模式掘进时，土仓渣土可处于半仓状态，刀具的二次磨损减少；刀盘的搅拌力矩减少，驱动扭矩可降低；由于气体对传感器压力作用比较均衡，传感器反映的土仓压力比较准确，有利于掘进沉降的控制；由于气体的可压缩性大，当出土过快或过慢时气体的压缩和膨胀可容让或弥补土仓渣土容积的变化保持土仓压力的恒定，有利于掘进沉降的控制；,三、盾构施工主要技术,盾构掘进施工主要模式,平衡掘进模式,平衡模式掘进的优点：平衡模式是盾构机最常用的掘进模式，盾构利用土仓渣土压力平衡开挖面的地层压力，使盾构周围的土体基本保持在原始的原状土状态，确保地表的沉降在规定的误差范围内以保证地面建筑物和地下管线的安全。,平衡模式掘进的风险：1、碴土改良不佳：导致：1）堵仓，刀盘阻力矩增大不能转动，土仓难以建立压力。2）喷涌。3）刀盘泥饼及土仓泥饼。2、超挖导致地表沉降。3、同步注浆不足导致地表沉降。4、土仓压力设定失误导致地表沉降。5、刀具异常磨损损坏。6、刀盘磨损。7、卡刀盘。8、卡盾。9、始发风险。10、到达风险。11、进仓作业风险。12、主轴承密封失效。13、铰接密封失效。14、尾刷密封失效。15、螺旋机卡转、异常磨损。16、中线超差。17、盾构调向困难等等,三、盾构施工主要技术,盾构掘进施工主要模式,盾构施工中各个工序介绍,盾构始发工序,条件要求：车站站台层结构施工完成的长度能够容纳整机摆放的空间，一般须75米。另外离端头75米左右处预留出土口。地面提供管片堆放和出土吊机行走的场地。,整机始发指盾构机整机均放在车站底板上组装并连接，始发掘进时整机整体向前移动的方式。始发阶段管片、材料、渣土均从出土口吊运。,整机始发和延长管线始发两种模式,三、盾构施工主要技术,盾构始发模式,始发和正常掘进阶段管片、材料、渣土均从盾构井吊运。施工效率低，费用高，在没有整机始发的条件时才不得不采用。,延长管线始发,三、盾构施工主要技术,延长管线始发模式：始发时将后配套车架放在地面，主机吊放到井下，通过主机和车架之间的延长管线提供主机前进的电、气、液等动力。待掘进约60环后，拆除延长管线和负环管片，将后配套车架和连接桥吊放到洞内和主机连接，进入正常掘进状态。,盾构始发模式,下面主要以整机始发模式下简介各道工序,三、盾构施工主要技术,车站结构要求：盾构井吊装孔尺寸不小于11.57.5m，满足盾构整机始发车站结构须完成75m，离始发端墙约73m以后处设置盾构临时出土口。,盾构始发,对车站的接口要求,水接口：提供50管径的施工用水接口,电接口：,三、盾构施工主要技术,端头加固,软土地层不能自稳，加固一是保证始发时围护结构凿除后掌子面土体能够保持自稳，二是在盾尾进入洞门密封装置前防止洞口地层涌砂涌水。,加固目的,盾构始发,三、盾构施工主要技术,端头加固,加固范围,加固范围以包裹盾构主机并预留一定的封堵渗漏通道的区域为原则。结合上海、南京、苏州等软土地层的加固实例，加固范围确定为隧道纵向方向为8m（到达端头9米），横向为隧道轮廓线外3m。,盾构始发,三、盾构施工主要技术,常用的方法有：高压旋喷桩法深层搅拌桩法高压旋喷桩法深层搅拌桩法冰冻法：垂直冰冻和水平冰冻两种,加固方法（工法选择）工法介绍,端头加固,盾构始发,三、盾构施工主要技术,加固方法（工法选择）工法比较,搅拌桩旋喷桩加固费用较高，加固时间6个月后强度过高不利于掘进。但旋喷浆液可以有效达到每个缝隙，达到止水的效果，在碰到小型障碍物时搅拌桩无法加固的盲区、旋喷桩可以拟补。均需占用地面场地。,冻结法施工因其良好的防水性和强度指标在富水地层得到了较好的应用。特别是水平冻结加固、几乎不用占用地面场地。但后期融沉的时间较长，注浆作业和盾构掘进干扰。另外较旋喷和搅拌加固，工期须增加1个月左右。,端头加固,盾构始发,三、盾构施工主要技术,加固方法旋喷搅拌方案介绍,主要采用深层搅拌桩加固，搅拌桩和围护结构之间的间隙采用高压旋喷桩补充。,端头加固,盾构始发,三、盾构施工主要技术,加固方法旋喷搅拌方案介绍,搅拌桩桩径800mm，间距600，梅花形布置。旋喷桩桩径800mm，桩间距600mm，搭接200mm。,搅拌桩桩位旋喷桩桩位,端头加固,盾构始发,三、盾构施工主要技术,加固方法加固质量要求,加固后土体的无侧限抗压强度1MPa，渗透系数小于110E-8cm/s,端头土体加固检查方法和标准表,备注：适用于搅拌或旋喷加固的土体,端头加固,盾构始发,三、盾构施工主要技术,加固方法水平冰冻法介绍,在土体中施工水平冻结管、在冻结管中循环低温盐水，带出土体中热量，使土体在10摄氏度左右，形成防水性好、强度高的止水帷幕。盾构在冻结帷幕的保护下始发。,端头加固,盾构始发,三、盾构施工主要技术,加固方法水平冰冻法施工图片,端头加固,盾构始发,冻结管,盐水管路,三、盾构施工主要技术,加固方法加固质量要求,加固后土体的无侧限抗压强度一般3MPa，无渗水。,端头土体加固检查方法和标准表,备注：适用于冰冻法加固土体,端头加固,盾构始发,三、盾构施工主要技术,洞门砼凿除,在检查端头土体加固满足要求后并在盾构组装后对洞门进行破除第一步：先凿除围护结构保护层，并将外层的钢筋全部割除取出，并凿除至剩余内排钢筋。第二步：待盾构机始发时抵拢掌子面和到达时盾构机抵拢围护结构时，割除围护结构内层钢筋，再开始掘进。,盾构始发,三、盾构施工主要技术,始发设施安装,始发基座安装,始发基座,始发基座（始发架）起导向和支撑盾构的作用。依据隧道设计轴线定出盾构始发姿态空间位置，然后反推出始发基座的空间位置。并固定牢固。,盾构始发,三、盾构施工主要技术,始发设施安装,洞门密封安装,目的：防止泥砂或地下水从洞门圈与盾构壳体间的空隙涌入盾构工作井内，影响盾构机开挖面土仓压力、开挖面土体的稳定。形式：采用折叶式压板。,盾构始发,三、盾构施工主要技术,三、盾构施工主要技术,盾构始发,始发设施安装,洞门密封安装,反力设施安装,反力架为盾构机始发时提供反推力，在安装反力架时，反力架端面应与始发基座水平轴垂直。对反力架固定前应按设计对其进行精确的定位。反力架与工作井结构连接部位的间隙用型钢垫实，以保证反力架脚板有足够的受力面，负环砼管片紧靠在反力架上。以保证混凝土负环管片受力均匀。,始发设施安装,盾构始发,反力架,负环管片,负环管片,后部型钢支撑,三、盾构施工主要技术,盾构机组装步骤,（1）后配套下井,（2）450T吊机进场就位。,（3）主机三大件下井。,（4）主机井底连接。,（5）后配套和主机管线连接。,盾构机组装调试,盾构始发,三、盾构施工主要技术,盾构贯入加固体,洞圈砼凿除后，盾构推进刀盘进入洞门密封装置，切入土体，出土开始正常掘进、并逐渐增加土压，在刀盘出加固区1环前将土仓压力设定至理论土压，正常掘进。盾尾进入密封装置一环后开始进行同步注浆，及时充填盾尾间隙。前4环采用凝结速度较快的浆液。在刀盘推出加固区前用双液浆封堵洞口，防止密封漏浆、漏泥。,盾构始发,三、盾构施工主要技术,信息化施工（监测及信息反馈）,盾构始发,掘进期间、专业测量人员对地表、建筑物、管线布点进行测量，并及时将测量数据反馈给