盾构法隧道设计施工关键技术

盾构法隧道设计施工关键技术,地下建筑与工程系张庆贺教授Telob:013701689475E-mail:zhang_qh地址：上海四平路1239号邮编：200092,施工篇,内容提要,Charpter1隧道施工工法的选择与盾构机的分类Charpter2盾构施工工艺Charpter3盾构施工关键技术,Charpter1隧道施工工法的选择及盾构机的分类,Section1常用隧道施工工法比较Section2盾构工法的发展Section3盾构机的分类,浅埋暗挖法,明挖法,矿山法,盾构法,顶管法,岩石掘进机,沉管法,Section1隧道施工工法的对比,表1,续表1,Section1隧道施工工法的对比,盾构需求形势,十一五期间城市轨道交通1200km，需新增盾构机100台；上海申通集团一次性向上海隧道股份公司定购20台自行研制的盾构；新增大型越江、跨海隧道30余条，需盾构30余台；新增水利水电工程、城市共同沟、物流等需盾构约50台；总市场规模在150亿元。,Section2盾构隧道的发展,1825年盾构机首次使用,国内盾构隧道走过的历程,近年国内盾构发展,1995广州地铁适合软硬岩交互地层的混（复）合型盾构1997秦岭隧道中铁18局TBMWirthAG（TB850/1000E）；1999黄河万家寨双护盾（Robbins180型）；2005上海隧道股份863计划直径6.34m国产自主知识产权盾构2005上海上中路隧道、沪崇苏隧道直径14.80m、15.43m泥水盾构。,Section3盾构机的分类,1、按照平衡开挖面的方式A、插板式B、挤压网格式C、土压平衡式D、泥水平衡式E、加泥式F、加水式,2、按照机械化程度A、人工B、机械化C、全自动化3、按照施工过程中的运输方式A、皮带传送B、泥浆泵C、手工挖小车推,盾构机的分类之二,4、按照掌子面敞开程度A、全敞口B、半敞口C、全封闭（面板式、条幅式、开口率）5、断面形式A、单圆B、双圆C、三圆D、矩形E、球形,盾构机的分类之三,全封闭盾构机,Charpter2盾构施工工艺,挖土运输系统土压平衡盾构,挖土运输系统泥水平衡盾构,盾构施工工艺流程图,Charpter3盾构施工关键技术,Section1盾构机的选型、订货、组装及调试Section2盾构进出洞施工技术Section3开挖面平衡技术Section4灾害地质障碍物探测和施工技术Section5同步注浆、稳定工作面的新鲜泥浆的制作传送及配套施工工艺Section6泥水中的渣土分离技术Section7大直径长距离盾构隧道施工技术,Section8地面沉降预测Section9管片制作检验及耐久性控制Section10地下（水底）施工的三维可视化及自动化操作管理系统Section11管片脱出盾尾上浮Section12盾构穿越已建隧道施工Section13联络通道施工技术Section14浅覆土施工,Section1盾构的选型、订货、安装及调试,盾构机选型及定购的依据,土质条件、岩性开挖面稳定隧道埋深、地下水位设计隧道的断面环境条件、沿线场地衬砌类型工期造价辅助工法设计路线、线形、坡度电气等其他设备条件,盾构机选型流程图,盾构机选型流程图,续上图,盾构机选型流程图,盾构机组装及调试流程,Section2盾构进出洞施工技术,盾构进出洞施工流程及要点,洞口设置出洞台架设置组装盾构机临时管片拼装盾构机试运转,主要方法深层搅拌、旋喷桩、SMW、注浆、降水、冻结,洞周土体加固,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,有限元计算分析,冻结法进出洞加固,平面图,剖面图,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,封门,盾构进出洞示意图,盾构进出洞门止水密封装置,盾构进洞前凿除封门（地下墙）,盾构进洞,盾构进洞,盾尾进洞,Section3开挖面泥水平衡技术,稳定工作面的新鲜浆液(cmc、mds、正电胶)的注入,泥浆注入与渣土排出,泥水平衡盾构开挖面平衡机理：开挖面形成渗透性差、具有一定表面张力的泥皮。一方面阻止泥浆进入地层，另一方面舱内压力作用下支撑易失稳的硬岩层，提高地层抗坍塌性,泥皮微观照片,泥水压力的设定,泥水压力采用下述的基本公式计算上限：静止土压孔隙水压变动压下限：主动土压孔隙水压变动压泥浆控制指标:比重粘性砂性成分含有量,泥水体系生产工艺,“CMS泥水体系”工艺,泥水体系生产工艺,“PMS泥水体系”工艺,优质泥浆浆液的研制(上海复兴路隧道工程PMS浆液试验研究）,研究的目的研发的一种适合泥水盾构特点的新型泥水系统。CMS(膨润土浆液体系）PMS（Polymer-MMH-ShieldSlurrySystem)主要研究内容1）室内对比实验（1）宏观试验a.比重；b.漏斗粘度；c.塑性粘度；d.动切力；e.初（终）失水量；（2）微观试验a.泥膜微观照片；b.粒度分析2)工程性试验,漏斗粘度计,密度计,高剪切搅拌器,旋转粘度计,失水仪,扫描电子显微镜,激光粒度分析仪,工程性试验区域,室内试验及工程性试验主要结论,（PMS）泥水体系有良好的剪切稀释特性，有一定的结构强度，携带和悬浮土渣能力优于原有泥水体系；有利于减少废泥水排放，保护环境。（PMS）泥水体系抑制地层粘土分散能力强，有利于盾构粘土层时开挖面的稳定；（PMS）泥水体系使用的泥水材料，保持了泥水具有合理的粒度级配，有利于形成高质量的泥膜；（PMS）泥水体系中聚合物所形成的网架结构，在盾构开挖砂土层时可稳定土层结构，抑制砂土层分散流动。（PMS）泥水体系，具有抗粘土污染能力，在盾构粘性土层时泥水性能具有良好的稳定性。（PMS）泥水体系，可控制低比重，有利于改善盾构速度。（PMS）泥水体系采用复合材料，与原有泥水材料使用对比，材料使用量少。,Section4灾害地质、障碍物探测和施工技术,流砂地层及破碎带软硬岩交互地层（上下重叠）障碍物处理（桩、孤石、沉船）粉质粘土（结饼螺旋出土器排土口放炮、喷涌）（南京地铁三山街站钓鱼台站区间）,流砂地层、破碎带等不良地质施工技术,快速调节泥水压力,及时调整泥浆配比和性能，调节泥水压力，有效地控制流砂、管涌及承压水开挖面土层探测及反馈电磁流量和射线密度计量测弃土体积,判断土体情况和开挖面稳定状况,（泥水盾构）,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,（土压盾构）,盾构穿越砂性土研究实例（上海M4线溧阳路临平路区间隧道工程）,工程选用土压平衡盾构，主要穿越粉土、砂质粉土地层。盾构刀盘扭矩、掘进顶推力均大于正常工作范围，地表沉降大。课题研究用土样取自螺旋出土器口部。重塑后，掺入肥皂水、泡沫剂。进行了常规指标试验、动静三轴试验、渗透性试验以及微观试验。主要结论掺入肥皂水或泡沫剂等添加剂，土体的物理力学性质均有所改善。主要体现在：孔隙率增加，渗透系数减小，土体保水性提高；抗剪强度降低，压缩模量提高，塑流性好。,流砂地层、破碎带等不良地质施工技术,（局部）气压技术,气压舱,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,超前预报地下障碍物,岸边探测地下障碍物通过电磁波波速法来辩识江中地下障碍物,电磁波探测,探头,障碍物显示,超前预报地下障碍物超前钻探,需要时还可通过超前钻头探查障碍物的物性,障碍物处理,刀盘上的夹碎装置破碎排除地层改良，从开挖面人工处理的方案,从盾壳外周预设带阀门孔实施地层改良,地层改良以便从开挖面处理障碍物,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。,Section5同步注浆与二次补浆,注浆材料,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。活性/惰性。注浆体积：盾尾间隙的150200。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。,Section6泥水中渣土分离技术,粉细颗粒涡流分离技术采用迷宫式沉淀池辅助液体加速废弃泥浆分离提高废浆的回收利用率，减量排放、无公害排放降低泥水分离施工成本,离心机,除砂器,剪切泵,振动筛,上海复兴路隧道工程泥水处理系统,国外泥水处理系统,Section7大直径长距离隧道施工技术,主轴承寿命刀具更换技术高水压下的盾构密封定向装置通风换气设备测控原件，自动控制体系耐久性土中盾构对接,刀盘驱动形式及主轴承耐久性,刀具更换技术之一,刀具更换技术之二,高水压下的密封技术,主轴承密封,盾尾密封,管片密封装置实例,盾尾密封系统,定向装置,盾构施工通风,通风量计算通风机选择盾构通风实例,盾构对接技术,盾构对接工法,贯入侧盾构,接收侧盾构,实际业绩：东京湾横断道路直径14.14m、8工区水压6kgf/cm2横滨污泥工厂直径9.70m水压3kgf/cm2,一般盾构对接技术,Section8沉降控制技术,引起沉降的原因,密封压力不足，前方土体松弛；螺旋桨转速过快，出土量过多；盾构纠偏或曲线推进时，造成过量超挖；盾构外壳拖带一层泥皮和土体，造成土体损失；管片衬砌接缝不严密，水和泥浆渗入造成土体损失；盾构外壳直径与管片拼装后外径不同，产生建筑间隙，管片脱离盾尾，土体失稳塌陷；隧道衬砌变形；推进造成的土体孔隙水压力变化和土体固结；土体由于施工扰动造成的次固结沉降；注浆填充材料固结收缩产生的沉降；,变形规律,1）横向沉降分布：S(x)为沉降量(m)；x为距离隧道中心线的距离(m)；i为沉降槽宽度系数。,2）横向沉降分布：yf=yf-L；yi=yi-LS(y)为沿隧道纵轴线分布的沉降量（m）；y为盾构推进起始点距离坐标原点O的距离（m）；yi为盾构开挖面距离坐标原点O的距离（m）；L盾构机的长度（m）；Vl1为盾构开挖面引起的地层损失（m3/m）；Vl2为施工因素引起的地层损失（m3/m）；i为沉降槽宽度系数。,变形规律,地面变形,道路、管线、房屋（构筑物）破坏,盾构法施工环境保护风险控制的重要环节,地面变形控制监测系统,Section9管片制作、检验及耐久性控制,高精度管片制作管片防水管片拼装,高精度高强度优质管片制作流程图,高精度高强度优质管片制作流程图,耐久性控制,配比保护层养护外加保护膜,成型钢筋分类堆放,钢筋笼焊接,成型钢筋笼堆放,模板清理、涂脱模剂,合笼后钢模尺寸检查,钢筋笼吊装入模,钢筋笼入模就位,混凝土浇注,管片浇注、振捣,表面压实,表面收光,浇注后的管片静养,管片翻身架,管片成型车间水平运输,成品管片水平运输,管片养护水池,管片入养护池养护,试块抗压检测,抗渗检测设备,管片检漏试验,三环试拼装,三环试拼装及接缝测量,管片堆场,管片堆场堆放,管片的防水,主要防水材料及膨胀机理,吸水性尿烷的水膨胀机理,吸水性树脂的水膨胀机理,优质止水橡胶条,管片拼装系统,管片拼装系统,水平运输,吊运,就位,固定,快速接头管片,销头,凹槽,管片的快速拼装技术之快速接头一,销槽,销头,管片的快速拼装技术之快速接头二,管片的快速拼装技术之异形管片,衬砌的快速施工技术之ECL工法,Section10地下（水底）施工的三维可视化及自动化操作管理系统,施工多媒体监控仿真技术,基管片环数据维护界面,智能模糊变形控制模块接口,地表沉降3D动画显示模块接口,施工监控与施工参数自动采集模块接口,智能神经网络变形预测模块接口,盾构推进状态动态查询器轴向单点-时间图,Section11管片脱出盾尾后上浮,损坏引起管片外弧面开裂破碎；螺栓抗拉屈服；隧道竖曲线翘起。原因同步注浆硬化滞后，浮力大于重力。对策合理选择同步注浆浆液控制盾构姿态底部释放，顶部二次补浆。,Section12盾构穿越已建隧道施工,损害已建隧道变形开裂渗漏水；两轨道高差影响运营；长期不均匀沉降。原因土体施工扰动，引起土体的加卸载，次固结等。对策加强监测；合理控制施工参数；及时二次补浆。,随着城市地下空间开发，盾构隧道交叉穿越的工程越来越多，以上海为例，近年来已建及再建的盾构隧道相互穿越10余次。,地铁二号线一期工程人民公园站河南中路站是区间隧道与地铁一号线人民广场站新闸路站区间段在人民公园站附近交叉。地铁二号线人民公园站河南中路站上下行线区间隧道盾构分别于98年5月和7月在地铁一号线运营隧道下方穿过，一、二号线两条隧道相距为1m左右，走向基本正交。,地铁二号线下穿一号线,地铁四号线下穿二号线,慢慢的推，分小段推；慢慢的转，均匀的转；顶住正面，调整压力；封住盾尾，合理注浆。,施工对策,Section13联络通道施工技术,武汉长江公路隧道及联络通道,上海市地铁4号线工程事故,作用避难、逃生；汇集污水。难题主隧道失稳损坏；开挖中坍方；作业面小，难以展开。工法比选、建设,主隧道与联络通道,明挖法暗挖法竖井暗挖法,联络通道的主要施工方法,主要施工方法的比较,Section14浅覆土施工,工程实例（南京地铁南北线一期工程试验段过内秦淮河）,盾构穿越处内秦淮河河道宽16.8m，河底标高距隧道顶仅0.97m，不足隧道直径的1/6，是典型的河底浅覆土隧道施工案例。,2.技术难题a.易产生冒顶通透水流;b.隧道上浮;c.遇流沙易产生管涌;d.盾构选型困难,1.浅覆土最小厚度的确定,3.主要施工对策河底抛土，加大隧道上覆土层厚度河底注浆加固加设抗浮板，为盾构推进及阻止隧道上浮提供反力,设计篇,内容提要,Charpter1构造设计及总则Charpter2荷载Charpter3圆环内力计算Charpter4断面设计Charpter5防水,Charpter1构造设计及总则,净空限界要求，含各类误差。线路设计要求（平、纵坡，埋深）。强度、刚度、耐久性（100年）、防水、防腐蚀、电迷流。适合覆土的变化、内力调整。允许裂缝（裂缝宽度0.2mm）。抗浮安全系数1.05。直径（使用），厚（0.050.06）D，地铁3035cm宽1.0，1.2，1.5m，6块、8块、12块,Charpter1构造设计及总则,材料：铸铁、钢、钢筋砼、陶瓷、挤压钢纤维砼、复合式衬砌（内衬、外注浆）。管片：箱形、块形、菱形、六变形、蜂巢形。连接螺栓：直、弯、销钉、凹凸榫槽。拼装排版设计：纵向通缝、错缝，转弯半径（平、竖曲线）标准环楔形纠偏块；标准环左转环右转环；（左右）环左转环右转环；通用管片。,Charpter2荷载,总则：取决于隧道处围岩介质的分类：地形、地质条件、埋深、工作条件、施工方法等；围岩、类较为坚硬土体、岩体，主要采用工程类比法、经验的解析公式方法、地层结构法为主；围岩、类（硬粘土、粉土、饱和粘土）浅埋，荷载结构法,可变荷载：地面车辆荷载及冲击力；地面车辆荷载引起的侧向土压力；地铁车辆轴重、及冲击力；人群及设施荷载；温度应力；施工荷载。,永久荷载：自重；地层压力；上覆土层破坏棱体范围内建筑物及其它设施；砼的收缩及徐变；预加应力；设备重；地基下沉的影响力；静水压力；侧向地层和抗力，地基反力。,偶然荷载：地震荷载；洪水；爆炸冲击荷载,荷载计算简图,地层压力,（1）深埋隧道围岩压力为松散荷载时的垂直均布压力（JTGD70-2004)q垂直均布压力;围岩重度；s围岩级别；w围岩宽度影响系数，w1i(B-5);B隧道宽度；iB每增加1m对围岩压力的增减率；B5m的围岩垂直均布压力为准，B小于5m时，i0.2；B大于5m时，i0.1；h隧道洞室土体土柱高；德国取2D，法国取1D。,（2）深浅埋分界荷载等