马蹄形盾构设计与施工

1、马蹄形盾构隧道设计与施工 主讲人：申志军（教高） 蒙西华中铁路股份有限公司 2016年12月,内容提纲,一、问题的提出,二、马蹄形盾构比选,三、盾构管片设计与预制,四、隧道施工,五、关键技术和需研究的问题,预留核心土法,三台阶开挖法,一、问题的提出,1.土质山岭隧道施工方法,一、问题的提出,1.土质山岭隧道施工方法-超前加固,一、问题的提出,1.土质山岭隧道施工方法-施工机械,2、存在的风险,安全风险大 施工质量差 施工进度慢 作业环境差 机械化程度低,隧道塌方,软岩大变形,拱顶开裂,大量施工粉尘,洞壁开裂,一、问题的提出,一、问题的提出,3、盾构工法-分类,一、问题的提出,3、盾构工法-单圆

2、盾构,一、问题的提出,双圆盾构,三圆盾构,3、盾构工法-多圆盾构,一、问题的提出,3、盾构工法-非圆盾构,相比于单圆盾构隧道，异形盾构隧道（多圆盾构隧道和非圆盾构隧道）具有断面利用率高、工程造价低的优点。,矩形盾构,马蹄形盾构,椭圆形盾构,二、马蹄形盾构方案比选,1、依托工程-白城隧道 白城隧道位于陕西省靖边县内，隧道全长3345m，为时速120km单洞双线电气化重载煤运铁路隧道，隧道最大埋深为81m。,1、依托工程-白城隧道,二、马蹄形盾构方案比选,白城隧道主要穿越地层以粉砂、细砂、砂质新黄土为主，细颗粒含量足够，天然含水量较低，弱透水。,2、工程特点,二、马蹄形盾构方案比选,（1）隧道进出

3、口浅埋段较长，浅埋段为松散的粉细沙地层，不能自稳，容易发生流砂及坍塌。,（2）隧道穿越的第四系上更新统砂质新黄土具湿陷性，隧道洞身部分地段位湿陷深度以内，需进行基底处理。,二、马蹄形盾构方案比选,（3）白城隧道下穿包茂高速、天然气管及供水管段，沉降控制要求高，盾构穿越施工风险存在。,二、马蹄形盾构方案比选,二、马蹄形盾构方案比选,3、施工工法对比,4、盾构选型 白城隧道主要穿越地层以粉砂、细砂、砂质新黄土为主，细颗粒含量足够，天然含水量较低，弱透水。隧道黄土地基承载力为180kPa，盾构机主机重量与盾体投影面积比值（40kPa）小于该数值，能够保证主机掘进过程中不会下沉。 采用土压平衡盾构机掘

4、进时，易于获得流塑性良好的渣土，建立土仓的平衡压力，掘进时能够有效控制地表沉降。并且黄土地层土压平衡盾构施工已经有成功经验，投资要低于泥水平衡盾构。 综上所述，本隧道工程应采用土压平衡盾构。,二、马蹄形盾构方案比选,二、马蹄形盾构方案比选,采用马蹄形断面较圆形断面内轮廓可减少约7.1m，减少部位为圆形断面仰拱底部混凝土仰拱填充，马蹄形断面可显著减少传统盾构的仰拱底部混凝土圬工方，节省工程投资，推荐采用马蹄形盾构断面形式。,4、盾构选型,二、马蹄形盾构方案比选,4、盾构选型,世界首台马蹄形盾构工厂组装整机图,2016年7月17日， 马蹄形盾构在中铁装备国家TBM产业化基地成功下线。,二、马蹄形盾

5、构方案比选,盾构外轮廓高10950mm、宽11900mm； 最大推进速度60mm/min； 最大推力13948t； 采用液压驱动； 开挖面设置刀盘9个； 单个刀盘最大驱动扭矩3044kn/m； 装机总功率3726kw。,二、马蹄形盾构方案比选,5、马蹄形盾构基本设计参数,整机长度118m，整机重量1600t。 采用双螺旋输送机出土，连续皮带机运渣，仰拱栈桥同步进行仰供填充。 马蹄形盾构体现的不仅仅是断面、外观上的变化，更反映工法、技术上的革新，它能够最大程度增加空间利用率。 开启了黄土隧道开挖新模式。,二、马蹄形盾构方案比选,6、马蹄形盾构设计概况,世界首台马蹄形盾构现场组装图,二、马蹄形盾构

6、方案比选,世界首台马蹄形盾构现场组装图,二、马蹄形盾构方案比选,世界首台马蹄形盾构组装完成内部图,二、马蹄形盾构方案比选,三、隧道盾构管片设计与预制,1.管片设计情况 白城隧道断面为3种半径4个圆形，管片设计为马蹄形断面，设计宽度1600mm，厚度500mm，整环管片分为7片+1片=8片，成环尺寸高度10590mm、宽度11540mm，管片设置奇偶环，无楔形量，采取错缝拼装，单片管片最重10t，管片混凝土等级C50，抗渗等级P10。,1.管片设计情况 管片连接采用螺栓连接，环向44颗RD30螺栓，纵向16颗RD36螺栓，机械性能等级8.8级。 根据隧道埋深管片分为浅埋、中埋、深埋管片。 管片生

7、产共使用模具4套，8环/天产量。管片采取固定生产方式，养护模式采取蒸汽养护及水池养护。白城隧道共计需要1902环。,三、隧道盾构管片设计与预制,1.管片设计情况,三、隧道盾构管片设计与预制,2.管片预制 5月8日开始预制，受天气及场地条件限制管片预制于11月13日停止本年生产，截至目前已经生产管片966环，管片剩余936环。 现场贮备量满足明年管片预制复工前掘进使用量。,三、隧道盾构管片设计与预制,管片钢筋笼制作,三、隧道盾构管片设计与预制,管片混凝土浇筑,三、隧道盾构管片设计与预制,管片水池养护,三、隧道盾构管片设计与预制,四、隧道施工,1.盾构掘进 白城隧道马蹄形盾构于2016年7月17日

8、在国家TBM产业化中心下线，2016年10月20日首环负环拼装，2016年11月11日举行始发仪式，目前已经掘进51环，合计81.6m。 本项目前100环定为始发段，始发段主要是设备、人员磨合、掘进参数及工序组织优化阶段，目前已经初步掌握地层特点及适合地层的掘进参数，单日最高进度4环（6.4m），后期进度基本能保证日均6环（9.6m）。,马蹄形盾构首环成功拼装,四、隧道施工,掘进参数控制,四、隧道施工,马蹄形盾构掘进出土情况,四、隧道施工,隧道内碴土运输连续皮带机,四、隧道施工,洞外碴土运输系统,转载皮带机,弃土场,连续皮带机,四、隧道施工,管片拼装完成后成型隧道,四、隧道施工,2.进度计划

9、（1）2016年11月1日30日 ，月掘进64米； （2）2016年12月2017年1月，月掘进240米； （3）2017年2月2017年9月，月掘进300米； （4）2017年10月，月掘进160米； （5）2017年11月，接收准备、隧道贯通。 在盾构掘进期间可进行仰拱可填充、电缆沟槽施工、部分附属工程施工，沉降观测期内施工完成出口明洞。,四、隧道施工,五、 关键技术与研究的问题,1、关键技术 大断面马蹄形盾构多刀盘联合分步开挖技术 多马达平衡负载协同驱动技术 大断面马蹄形盾构管片拼装技术 黄土地层大断面马蹄形盾构复合式渣土改良技术 大断面马蹄形盾构管片分块与接头设计技术 大断面马蹄形盾构防滚纠偏技术 大断面马蹄形盾构机在线监测与施工控制技术,2、进一步研究的问题 1.大