典型砂卵石地层盾构施工技术

1、北京西部地区典型砂卵石地层盾构施工技术 北京市市政四建设工程有限责任公司Beijing No.4 Municipal Construction Engineering Co.,Ltd.汇 报 提 纲一、北京西部地区典型砂卵石地层特点 二、北京地铁9号线03标基本情况介绍三、北京西部典型砂卵石地层盾构施工技术 四、工程施工进度 五、总结一、北京西部地区典型砂卵石地层特点 1、卵石粒径大，500mm1200mm居多；2、卵石含量高达5080，细颗粒少；3、卵石强度高，大于100Mpa;4、地铁穿越范围内全断面无水；5、地层破坏性为突发性，属脆性破坏。 该地层与国内其他在建地铁城市相比地质情况复杂，

2、施工难度高。在该种地层中进行盾构施工，国内尚属首次，国外也不多见，为世界性难题。二、北京地铁九号线03标基本情况介绍丰台北路丰管路游泳场北路 工程概况1.1盾构掘进方向北京地铁九号线03标位于丰台区东大街，由“两站一区间”组成，丰台东大街站、丰台北路站和丰台东大街站丰台北路站区间，均为地下结构，其中丰台东大街站是目前北京地铁在建最长的车站；区间呈南北走向，单线隧道长1083m, 左线长1053m，洞径6m，采用盾构法施工。由于地处九号线南段的中间关键节点之一，03标也是全线最难点，区间隧道是否按期安全优质贯通是九号线南段年底顺利运营的关键。 参建单位1.2建设单位：北京市轨道交通建设管理有限公

3、司监理单位：中咨工程建设监理公司设计单位：北京城建设计研究总院有限责任公司 北京市市政工程设计研究总院施工单位：北京市政建设集团有限责任公司埋深（m）投标时初勘报告施工阶段补勘岩性名称最大粒径(mm)一般粒径(mm)粒径大于的颗粒占总质量的百分比岩性名称最大粒径(mm)一般粒径(mm)粒径大于的颗粒占总质量的百分比9.0-10.0卵石12020-7070%卵石10.0-11.0卵石24020-8065%卵石45070-12070%11.0-12.0卵石32030-7065%卵石12.0-13.2卵石25030-6065%卵石53090-19080%13.2-14.0卵石16040-6070%卵

4、石520110-21085%14.0-15.0卵石31040-11070%漂石920180-28085%15.0-16.3卵石33050-12080%卵石610140-26080%16.3-17.5卵石400100-14085%卵石470130-25085%投标时初勘报告与施工前补堪报告 -（北京城建勘测设计研究院有限责任公司） 工程地质与水文条件1.3 工程地质与水文条件1.3这种地质构造是西南郊地区独有的特殊地质构造，具有大粒径漂石、卵石含量高、硬度大、间断级配、全断面无水等特点。 工程重点及难点1.4 一、03标工期非常紧：工程初期拆迁进度缓慢，严重影响工程进度。从车站开挖到具备试运行要

5、在不到一年时间完成，同时在盾构施工阶段还将经历两会、中高考的对施工的影响；其中区间隧道更是要在无水大粒径漂砾石地层中4个月的时间内实现洞通，并且盾构始发和接收到场地狭小，车站施工与盾构施工过程始终处于交叉作业状态，对我们的盾构施工组织提出了很高的要求。 工程重点及难点1.4 二、03标地处闹市区，施工场区狭小，对如何有效协调车站与区间施工组织提出非常高的要求。北京市市政四建设工程有限责任公司场地狭小 工程重点及难点1.4 三、施工周边环境复杂，靠近居民区和商户，同时区间双线隧道位于道路下方，地面交通流量大，沿途地下管线交织密集，并存在大量严重松散地层。周边环境复杂 工程重点及难点1.4 四、盾

6、构接收的同时近距离侧穿立交桥桥桩，并下穿D2200污水管线，控制桥桩变形和污水管竖向位移为难点，整个区间施工环境风险非常高。北京市市政四建设工程有限责任公司11.8m4.62m3.63m临近穿越立交桥万丰桥隧洞隧洞 工程重点及难点1.4 五、区间隧道施工最大的难度是在地质条件上。全线均为无水大粒径漂砾石地层，漂石粒径大、卵石含量高、硬度大、间断级配。地勘揭示地层中卵砾石的含量高达80%，最大粒径超过900mm，平均抗压强度80Mpa以上，而且在隧道断面下部存在砾石胶结致密地层，在此地层下尚无盾构施工比较成功先例，被中外专家评价为具有高难度、高科技、高风险、高投入的世界性难题。三、北京西部典型砂

7、卵石地层盾构施工技术 盾构设备选型3.1 1.设备规格：6.14m 加泥式土压平衡盾构机 2.建设单位：北京市轨道交通建设管理有限公司 3.盾构制造方：北京市市政四建设工程有限责任公司 4.施工使用方：北京市市政四建设工程有限责任公司 5.应用项目：北京地铁九号线03标 投入两台加泥式土压平衡盾构机盾构机完成区间双线掘进施工。盾构机参数外径6.4m壳体总长8805mm全长13455mm总推进力40000kN单位面积推力:1350kN/m2推进千斤顶 2500 kN 16根铰接千斤顶 2500 kN 12根盾构最大掘进速度92 mm/min 刀盘参数驱动方式电动变频驱动 扭 矩 (45 Hz 时

8、) 6282kN-m (扭矩系数=22.6)扭 矩 (120%时)7538 kN-m主轴承型式三排三列滚柱轴承转速01.6 rpm总功率660 kW刀盘支撑方式中间支撑 盾构设备选型3.1目前，世界上还没有盾构机能够完全满足这种无水大粒径漂石地质条件的快速掘进施工。市政集团四公司为了攻克这一世界性难题，凭借敏锐的市场洞察力，依靠多年积累的雄厚研发和制造能力、丰富的盾构施工经验、精干高效的人才储备，决定在吸收消化原有IHI盾构机技术的基础之上研制两台拥有我国自主知识产权的盾构机。公司充分剖析北京西南地区独特的无水大粒径漂砾石地层构造，在原IHI盾构机的基础上，融入 “以疏为主、以隔为辅”的设计思

9、路，转化了四公司承担的市政路桥控股集团科研项目“盾构系列化模块化研究”的部分成果，对盾构机刀盘、螺旋输送机等进行了优化，研发了自主的自动控制系统，制造了两台拥有我国自主知识产权的盾构机，该盾构设备具有大开口率、高扭矩、高推速、强输送能力等显著特点。 盾构机的研发3.2市政四公司通过北京地铁10号线、大兴线、沈阳地铁1号线以及北京南水北调团九线等工程中，集聚了盾构施工经验、人才储备、技术实力，有着对在砂卵石地质条件盾构施工的深刻理解。通过对当前国内外盾构机制造业的业态、发展方向、国内提供配套设备的实际能力调研。本着有效地利用国内、外两种资源实现盾构最佳的技术经济性为出发点，通过多层次论证，针对该

10、项目，公司成立了以公司总经理助理为代表的盾构科技研发攻关小组。 盾构机的研发3.2 盾构机的研发3.2经过6个月艰苦奋战，2011年1月底，2台具有我国自主知识产权的盾构机在北京市政集团四公司盾构基地正式下线，投入施工。 设备特点3.3 采用大直径螺旋输送机带式螺旋，输出最大粒径由原先 增大到 ，可大幅提高大粒径卵石的通过能力，是目前中国6m级在用地铁盾构最大的无轴螺旋 。原IHI盾构机螺旋新盾构机螺旋460mmL750mm 650mmL1100mm 设备特点3.3 进一步优化刀盘、刀具布置 原刀盘采用圆形辐条式,不能满足大粒径漂砾石地层施工。原IHI盾构机刀盘 设备特点3.3刀盘开口率为54

11、%，采用新型刀具布置新盾构机刀盘 设备特点3.3新盾构机刀盘特点1、增大刀盘开口率。2、增强刀具的抗撞击性。（1）通过加宽合金以保证刀具的有效切削，加强刀具两侧合金的防撞击能力；（2）在刀具两侧加增防撞挡块，用于减小大直径砾石的冲击防止合金破碎。3、优化刀具的布置。（1）在刀圈上的先行刀分3层布置，以保护刀圈及减轻内圈刀具压力。（2）布置刀具时，覆盖整个开挖断面，对称性布置刀具，保证刀盘受力均衡，运转平稳；切刀正反方向布置，刀具整体采用牙型交错排列。4、加强刀具的耐磨性。对刀座进行耐磨焊条堆焊，以提高其耐磨性；5、增加鱼尾刀保护刀。对鱼尾刀中心加泥口进行保护。 设备特点3.3盾构机推力由原来的

12、37500kN增大到40000kN，在全镐推进时，速度能达到92mm/min ，在全千斤顶顶伸下理论最大日掘进速度为48环，日进尺57.6m。 控制系统具有自主知识产权，特别是自动纠偏系统可有效降低对操作手操作水平的要求，使操作手从繁复地操作中解放出来，使其有更多精力处理施工中的其他问题，解决制约盾构施工效率及成型隧道质量的瓶颈，以提高施工效率，确保工程质量。 增大推力及推速，大幅提高工效 具有自主产权的控制系统 塑流化改造技术3.4 在无水砂卵石中，塑流化改造的效果直接影响到刀盘扭矩的大小和土压力的平衡。在掘进初期，为使土体具有良好的流动性，于是向开挖面注入大量泥浆，结果在施工中发现泥浆量过

13、大使螺旋排出的土过稀，甚至出现喷涌，土压力波动较大。同时，土压仓内大粒径砂卵石会在重力作用下沉至底部，使土体搅拌不均匀，增大了刀盘扭矩和刀具的磨损。经过分析后，减小泥浆注入量，增大泡沫注入量，同时提高稀释液的粘度和泡沫的发泡率，结果刀盘扭矩大大降低，能够建立稳定的土压力。 通过分析得出：在砂卵石地层中，泡沫能够大大改善土压平衡盾构机的掘进性能，泡沫注入量加大以后刀盘扭矩明显减小，推进速度大幅提高，刀盘刀具的磨损程度降低，提高了设备的使用寿命。 双液注浆技术3.5 因无水砂卵石颗粒之间空隙大，浆液在土体之间的流动性好，扩散较快，因此要求浆液凝固时间较短，故宜选用双液注浆（水泥，粉煤灰浆液+水玻璃

14、）。同时浆液扩散面积大，管片外圈与土体之间填充率较低，因此需要加大注浆量，提高填充率数值。通过分析地面沉降等相关数值，本标段同步注浆填充率取110%120%，同步注浆压力范围设定为0.50.7MPa。二次补注浆量控制在500600L，为防止成型管片变形，二次补注浆的压力范围设定为0.40.5 MPa。考虑到地面沉降控制、成型管片变形等因素，同步注浆以总量控制为主，二次补注浆以压力控制为主。四、工程施工进度 盾构机下井组装4.1短短6个月的时间2台盾构机制造成功，正式下线投入北京地铁九号线03标施工，在无水大粒径漂砾石地层施工中充分体现了设备的优势，体现了团队的实力. 盾构机下井组装4.1201

15、1年2月26日，右线盾构机吊装下井，开始组装调试。3月16日正式始发。3月31日掘进至55环完成初始掘进。2011年1月16日，左线盾构机吊装下井，开始组装调试。2月16日正式始发。3月4日掘进至49环完成初始掘进。 施工过程4.2从2011年2月16日左线盾构机正式始发至6月20日盾构机刀盘抵桩，历时124天。从2011年3月16日右线盾构机正式始发至6月29日盾构机刀盘抵桩，历时103天。实际施工时地层难度超乎想象，地层稳定性极差，土压力平衡建立非常困难，对盾构设备刀具磨损严重，对塑流化改造技术、管理和效果控制提出非常高的要求。 施工过程刀盘检修4.2施工过程中创造了单班掘进20环、单日掘

16、进35环、单周掘进176环、不换刀最长掘进480m、地面微沉降、桥梁2mm沉降的辉煌记录，得到国内外专家们的高度评价，是对四公司长期以来致力于地下工程研究和探索的大力肯定，开创了盾构在无水大粒径漂砾石等复杂地层下掘进的新领域，书写了地铁盾构建设历史的新篇章。 取得成绩4.3随着右线最后一环管片的拼装完成，盾构机精准破洞而出，北京地铁九号线03标盾构区间双线2136m精准贯通。从第一台盾构开始掘进到双线贯通，仅用4个月时间，单线掘进3个月，各项指标完全满足要求，为九号线年底通车创造了先决条件。 圆满完成4.4 圆满完成4.4 左线区间从2011年6月21日开始进行洞门凿除工作。7月7日盾构机开始

17、解体，至7月14日全部解体吊装完成，历时8天。 右线区间从2011年6月29日开始进行洞门凿除工作。7月20日盾构机开始解体，至7月29日全部解体吊装完成，历时10天。五、总结砂卵石层分类及其对刀具的影响最大粒径300mm含砂率30%特别注重磨损冲击，磨损砂卵石层分类：1. 无水砂卵石，含水砂卵石（含水量不影响刀具布置，影响土仓添加材料）；2. 砂卵石粒径大小，300mm界限（影响刀具布置）3. 砂含量百分比分类，30%（影响刀具布置）砂卵石层对刀具的影响： 1、北京地铁9号线03标段盾构隧道的顺利贯通标志着被称为世界性难题的无水大粒径漂砾石地层盾构施工难题成功攻克，填补了国内乃至国外该地层盾构施工的空白。为以后相似地层的盾构施工提供了宝贵的经验。 2、将国内盾构机的研发、制造技