中国铁建穿越黄河盾构施工技术

穿越黄河盾构施工技术,中铁十六局集团有限公司二零零九年六月,从土压平衡盾构到泥水平衡盾构从小直径到大直径从过小河到穿江越海中铁十六局集团完工与在建盾构项目23个（深圳6个，广州2个，北京5个，上海1个，天津3个，苏州1个，杭州2个，穿黄2个，郑州1个）,DH-1500砾石型顶管机实照,一、西气东输穿越黄河施工技术,1、工程概况本工程是西气东输的三大重点项目之一，又是全线的“咽喉”工程；本工程南起荥阳市王村镇司村，北临焦作市武陟县大封镇寨上村，穿越黄河主河槽部分；黄河顶管穿越共有二大主体工程：一是沉井制作和下沉；二是3600m顶管穿越；沉井原设计为5个，其中三个工作井，二个接收井，后改为4个，取消了2#接收井。,黄河北岸设1#（15m）工作井、3#（15m）工作接收井、4#（8m）接收井共3座。黄河南岸设5#（15m）出发井1座。顶管自北向南共分为1175米长的1号井3号井区间，1166米长的3号井4号井区间，以及1250米长的5号井4号井区间三段。,黄河水面，左侧是4号井，河中筑岛,5号井冷冻施工,顶推施工,主顶系统,主顶系统包括底架、油缸组、顶进环、顶铁、钢后靠及液压泵站组成。主顶系统要求总推力不大于1200吨，采用6个行程为3m的双节千斤顶，6个千斤顶配置1个液压动力站，设置自动控制操作平台，每节钢管分三次进行顶进。每节钢管分三次进行顶进，第一次顶进2.8m，第二次顶进2.7m，第三次顶进2.3m。安装调试过程要保证安装精度,始发,施工中采用的出洞方案结构图,橡胶瓦套,钢丝刷,微膨胀砼,旋喷加固体,到达,4、获奖情况、重要意义,2003年9月15日10点，曾培炎在南京开会接到穿黄全线贯通喜报后，西气东输最难咽喉攻破，会议热烈鼓掌祝贺，国家发改委发来贺电。获北京市科技进步三等奖；获总公司科技进步一等奖为南水北调穿黄工程获取有益的详细地质资料，获取成功经验，成为南水北调穿黄隧道方案顺利通过有利佐证，为中国铁建十六局承揽南水北调穿黄工程奠定了基础。提升了中铁十六局的越江穿河的地下工程施工能力,二南水北调穿黄隧洞盾构施工技术,中线工程近期从丹江口水库引水，终点北京。远景考虑从长江三峡水库或以下长江干流引水增加北调水量。具有水质好，覆盖面大，自流输水等优点，是解决华北水资源危机的一项重大基础设施。穿黄工程规模宏大，地质条件复杂，技术难度高，社会影响大，是总干渠上最关键的建筑物，也是南水北调中线的标志性工程。,南水北调中线工程示意图,穿黄工程各标段分布示意图,标(北岸工程标),标(南岸工程标),标(穿黄隧洞标),1、工程概况,南水北调工程为举世瞩目的国家重点战略工程，直接影响到整个国家自然环境的保护和生态环境的建设，关系到人民生活和生产水平的提高。黄河盾构穿越工程是其中具有标志性的关键工程和“咽喉工程”，直接控制着南水北调项目能否顺利实施和按期完成。本工程在黄河底下35m处进行穿越，地质条件复杂且掘进距离长，施工中存在着较大的风险和困难。,南水北调中线穿黄工程位于河南省郑州市上游约30公里处，穿黄工程南北总长19.38km。其中穿黄隧洞包括邙山隧洞段和过河隧洞段，共长4250m，双洞布置,两洞各采用一台泥水平衡盾构机自北向南推进。过黄河隧洞段长3450m，南、北两端各设一圆形工作竖井,隧洞为圆断面，内径7.0m，外径8.7m，最小埋深23m，洞底高于基岩面。隧洞外层为装配式普通钢筋混凝土管片结构，厚40cm，管片宽度1.6m；内层为现浇预应力钢筋混凝土整体结构，厚45cm，标准分段长度为9.6m；内、外层衬砌由弹性防水垫层相隔，内、外衬单独受力。邙山隧洞又称斜井段，水平投影长度800m(含南岸竖井段)，上端设有渐变段与进口闸室相接，下端与穿黄隧洞交于南岸施工竖井，隧洞断面和衬砌结构型式与过河隧洞相同。,平面示意图,穿黄隧洞平面布置图穿黄隧洞纵剖面图,穿黄隧洞剖面图,2、工程地质,过河隧洞段地质情况，过黄河隧洞穿越的主要地层为Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾(泥砾)石层。根据隧洞围土的组成可划分为三种类型：单一粘土结构：隧洞围土为Q2粉质壤土层，分布在桩号5+6586+033和7+1097+919。总长1185m。上砂下土结构：隧洞围土上部为Q41砂层，下部为Q2粉质壤土层，分布在桩号6+0337+109和7+9198+233，总长1390m。单一砂土结构：隧洞围土主要为Q41中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石透镜体。该类结构分布在桩号8+233以北，长875m。隧洞开挖范围内，Q2粉质壤土粘粒含量829；Q41中砂、粗砂渗透系数为i103i102cm/s；砂砾石层渗透系数为i102i101cm/s。砾卵石粒径210cm，,盾构穿越黄河地层示意图,中线穿黄工程简介北岸地层,粘土岩,砾质砂,壤土,中细砂层,中细砂层,中细砂层,砂壤土,粘土,地下33m处分布两层50cm厚的砂卵石透镜体，对地下连续墙成孔有影响。,下部位于粉质壤土层中，稳定性较好，但含有较多的钙质结核，对地下连续墙的造孔会有一定影响。,中线穿黄工程简介南岸地层,细砂层,地层结构相对简单,粉质壤土和古土壤层均呈硬塑状，强度较高，工程地质条件较好，但大量分布的钙质结核对连续墙施工会产生不良影响。,上部6.5m为细砂和砂砾石层，粒径最大大于10cm，施工存在涌水、涌砂问题，应采取相应的处理措施；,砂质壤土层,壤土层,3、工程重难点、风险点,1、超深地连墙及竖井施工安全,2、盾构长距离掘进，盾构机选型与配套设备的质量、性能,3、盾构进出洞风险,4、高水压下盾尾密封失效,5、盾构机刀具磨损和更换,6、不良地层和地质风险,本工程位于黄河主河槽内，工程地质条件差，一次穿越长达3450m，对机械性能要求极高；盾构机全过程均位于覆土30余米的洞内施工，穿越富含水的砂层，水土压力大，掘进前方土体易产生坍塌、密封防水要求相当高；盾构机进出洞时需凿除围护结构，极易出现涌水涌砂；黄河底下地层复杂，对盾构机刀具及刀盘磨损大；此外，因南水北调工程为国家重点战略工程，举世瞩目，工期控制相当严格，须确保竖井和盾构施工及二衬施工的里程碑工期。,7、水利隧洞特殊设计与要求,4、对策、施工方案,采用高性能的德国宝峨液压双轮铣成槽机进行竖井超深地连墙施工。选用德国海瑞克盾构机，选用耐磨刀具，配备齐全气压下换刀、检修、排障所需的各种辅助设备盾构始发采用双高压旋喷、冷冻加固，洞门采用双止水帘布，双排钢丝刷等装置，预备双液注浆、聚氨酯密封、盾尾油脂密封等措施，预备大功率排浆泵、钢材等各种抢险设备物资，应急预案。配备刀具磨损检测装置、加装刀具、选择换刀位置和加固措施，制定应急预案。加强施工管理、技术培训、机械维修保养国内外专家顾问，专项施工方案，科研攻关。,2005年9月27日开工典礼,2006年5月顺利完成了深达76.6米的连续墙施工创造了国内最深的施工记录,5、竖井施工,导墙施工,成槽施工,钢筋笼下设,灌注导管安装,水下砼浇注,泥浆制作及循环,钢筋笼加工,(一)连续墙施工施工工艺流程,双轮铣工作原理成槽精度控制技术,施工时间:2006年5月07年4月,6、洞门加固、破除,自凝灰浆墙,地连墙,帷幕灌浆,旋喷加固体,洞门加固方案比选,目前国内经常使用的旋喷工艺有：单重管法、两重管法、三重管法。近来引进了日本的RJP法，国内称为双高压旋喷工艺。两重管直接采用高压泥浆切割，搅拌均匀，止水效果好.但砂土的N30时,其切割能力降低，形成的有效桩径随深度而严重递减。本工程砂层的标贯N45，深达50米，水压达5Bar，两管法的空气流压力一般为7Bar，钻头出口压力相抵只有2Bar，该压力无法保护高压水泥浆流的切割和置换。,实验总结,双高压三管法施工顺利，返浆正常，施工参数稳定，较好的保证了桩身的整体性和均匀性。两管法由于难以返浆，导致土体逐渐密实，机械扭矩增大，甚至出现将旋喷管抱紧抱死，导致埋管。施工中需放慢提升速度，经常调整施工参数，导致桩身的整体性和均匀性较差。两重管法施工时间长，扰动大，在砂层中易发生坍孔导致埋管。IIA、IIB标共进行5次两重管高喷试验，出现了3次旋喷管卡、埋事故。,原旋喷加固设计情况,设计采用两重管施工,加固深度为50米,梅花型布置，排距80cm，横向67cm，设计桩径1.0m，搭接20cm（上图）。但若桩径达不到1m时，可能出现单桩现象(见下图),紧贴连续墙内侧加高示意图,变更后总体施工方案,蓝色部分旋喷桩排距减少为60cm，增加桩体搭接的有效性。向下加固到粘土层，向上加固到地下水位，形成封闭的小型基坑。,双高压三重管施工上道喷水压力：3537Mpa，下道喷浆压力：3133Mpa空压机流量及压力：21m3/1.38MPa；旋转速度（r/min）：10提升速度（m/min）：0.1根据黄河勘测设计有限公司实验中心实验数据表明均能满足设计强度不低于3Mpa的要求：双高压三管的芯样强度为4.44和4.77Mpa,两重管的芯样强度为15.0和17.5Mpa。施工时按照392kg/m来控制水泥用量，因双高压三重管的实际桩径大于1米，而两重管的桩径小于1米，故桩体中的实际水泥含量有较大的差异导致了强度的不同。,冷冻加固，降水,7、洞门密封,（1）盾构组装（2）加装刀具（3）延长管线（4）台车在地面（5）泥水处理系统（6）隧道施工（7）盾构正常施工（8）配套设备,8、盾构始发,加装刀具位置,9、管片生产与设计变更,直螺栓；楔形块很大；楔角很小原管片设计简介隧洞外层为装配式普通钢筋混凝土管片结构，管片为通用楔形管片，外径8.7m，内径7.9m，厚度40cm，环宽1.6m，楔形量34.8mm，搭接长度1067mm，最大管片重量:6.5吨。每环管片由等分的7块管片组成，分别为4块标准块（A1、A2、A3、A4）、2块邻接块（B1、B2）和1块封顶块K块，管片设计选取的是大封顶块、环向凸凹榫结构，纵向为平接头，同时K块的径向旋转角为16度。管片拼装采用错缝拼装方式。,原管片在拼装和推进施工过程中的问题严重。主要表现在：（1）拼好的管片在下环推进后，K块会向隧道内错动，出现较大的错台，最大的错台值达到25mm。（2）由于上一环K块向内错台较大，导致下一环管片与本环K块相拼装的管片纵环向螺栓难以插入,进而管片难以拼装。强行拼装会使得管片产生碎裂。（3）内外弧面和边角破碎严重，进而导致止水条失效，成型隧道产生渗漏水。(4)管片外弧面破碎部分碎块进入到盾尾密封内对盾尾密封有较大的损害，对穿黄工程这种长距离高水压下的盾构施工危害极大。,管片错台和碎裂的主要原因,（1）K块径向旋转角过大穿黄工程所用管片K块的径向旋转角为16，与国内外其它类似工程相比，旋转角过大，导致其自锁角过小。经过计算发现，只要K块两侧纵缝稍微有一点间隙，K块在受到外力的作用后就可以向隧道内错动较大距离，比如两侧的间隙各有3mm时，K块错台就可以达到17.9mm，超出10mm的设计要求。通过计算，得出错台量y和纵缝间隙x的关系函数为y=5.9014x。（2）管片环缝非传力面之间未留间隙管片环缝非传力面之间未留间隙，施工过程中非传力面在传力垫片达到压缩量之后相互挤压，导致管片边角碎裂。管片凹槽与凸榫之间设计有1mm的间隙，设计的丁晴软木衬垫为1.5mm，压缩后为1mm。这样在施工过程中两环管片环缝之间除传力面接触以外，其他非传力面也接触在一起。由于非传力面接触挤压，从而导致管片内弧面及边角混凝土破碎。（3）管片止水条槽面积大于止水条实体面积,图4B2块内弧面角部碎裂,图5管片外弧面碎裂,图6B1块外弧面角部碎裂,图7B1块内弧面碎裂,图8B2块内弧面碎裂,（1）、K块径向旋转角过大穿黄工程所用管片K块的径向旋转角为16，与国内外其它类似工程相比，旋转角过大，导致其自锁角过小。经过计算发现，只要K块两侧纵缝稍微有一点间隙，K块在受到外力的作用后就可以向隧道内错动较大距离，比如两侧的间隙各有3mm时，K块错台就可以达到17.9mm，超出10mm的设计要求。通过计算，得出错台量y和纵缝间隙x的关系函数为y=5.9014x。,图10错台量和纵缝间隙关系图,图11K块径向旋转角图,（2）、管片环缝非传力面之间未留间隙管片环缝非传力面之间未留间隙（如图13），施工过程中非传力面在传力垫片达到压缩量之后相互挤压，导致管片边角碎裂。管片凹槽与凸榫之间设计有1mm的间隙，设计的丁晴软木衬垫为1.5mm，压缩后为1mm。这样在施工过程中两环管片环缝之间除传力面接触以外，其他非传力面也接触在一起。由于非传力面接触挤压，从而导致管片内弧面及边角混凝土破碎。,图13管片环缝构造图,穿黄所用管片槽深20mm，橡胶密封垫高度30mm，压缩量为20mm。根据地下工程防水技术规范中8.1盾构法施工的8.1.6密封条沟槽的截面积应大于密封条的截面积：A=（11.15）A0，其中A=槽面积，A0=密封垫面积。但是现在实际上槽面积为980mm2，密封条面积为1045mm2，显然不符合规范要求，密封条面积过大直接导致管片外弧面边角应力过大，形成应力集中造成管片外弧面碎裂。另外，经过实验分析，穿黄工程的橡胶密封垫压缩量为19mm时，所需应力将在15T/m以上，与国内外其它工程相比，穿黄工程的橡胶密封垫的压缩应力过大。,（3）、止水条设计不符合规范要求,管片推力试验,根据设计和业主的要求我部对管片作了推力试验，来验证管片密封止水条是否能将管片外弧面混凝土胀裂，实验结果表明管片外弧面混凝土在受力后产生破碎（如图15、图16）。试验证明管片密封止水条的设计是不满足工程需要的，是有缺陷的。,图15管片推力试验1,图16管片推力试验2,（1）在每环管片的K块、B1块、B2块纵缝加工直径为53mm、长度为300mm的圆形定位孔，在整环管片拼装结束后，在定位孔中插入直径为50mm、长度为300mm的尼龙质定位棒，对K块进行限位。如下图所示：,10、刀盘修复与改造,盾构掘进施工至2008年9月2日共完成849环管片拼装施工，累计掘进1363米。自盾构机进入粉质粘土夹钙质结核层后，掘进参数发生明显变化，扭矩明显增大，掘进速度非常缓慢，同时从泥水分离系统筛分出铲刀、刮刀、油管、螺栓等物件。9月3日停止掘进，随后决定进行带压进舱检查刀具、更换刀具等工作。,9月18日9月25日期间，我部带压进舱检查了盾构机刀盘以及刀具的损坏情况。检查发现刀盘周边存在较大的损坏情况。分析其主要原因是：穿黄隧洞地质复杂，地层中卵石、钙质结核含量大，对刀盘外圈的刀具磨损严重，刀盘外圈结构也有一定损坏；海瑞克刀盘刀具磨损检测装置