隧道与洞室工程盾构隧道工程实例.ppt

1、南京地铁1 号线一期工程南起奥体中心站,北至迈皋桥,全长21. 72 km , 共15 个区间。 其中5 个半区间采用土压平衡盾构施工,盾构推进总长度约10. 9 km 。 盾构隧道最大覆土厚度15 m , 最小厚度仅有0. 7 m ; 隧道纵坡为V 形,最大纵度为33 % , 形成高站位,低区间;最小平面曲线半径为400 m 。,1 土压盾构,为什么采用土压平衡？ 盾构隧道主要穿越的地层有:可塑-软流塑的粉质粘土、粉土、粉细砂、粉砂夹细砂。地下水位位于地表下12 m , 渗透系数为510-3cm/ s , 易液化。 其中淤泥质粘土具有高压缩性,极易产生土体流动,开挖面极不稳定;粉细砂,粉砂夹

2、细砂含水量丰富,透水性强,极易产生涌水、涌砂;尤其是有一段150 m 长的隧道处于严重的液化区,设计、施工中考虑了液化影响。,盾构隧道线路穿越的市中心区,街道狭窄,交通繁忙,道路两侧高楼林立,地下管线繁多。 由于泥水盾构在施工中需要泥浆池进行泥水分离,占地较大,对环境会造成一定的污染, 且盾构价格贵,设备技术不易掌握。 土压平衡盾构适合于粉质粘土、含水砂质粉土层,另外,配备加泥装置,对控制地表沉降效果很好。,区间隧道要穿越秦淮河、金川河、古城墙、在建的玄武湖公路隧道,以及多栋建筑物。 盾构穿越秦淮河时上面覆土仅有0. 7 m , 与在建的玄武湖公路隧道底板最小净距也仅为1 m , 施工难度很大

3、。,南京地铁1 号线盾构隧道内有4 台土压平衡盾构施工, 其中3 台为德国海瑞克公司生产,1 台为日本三菱公司生产。 南京地铁1 号线盾构区间隧道单线推进长度为10. 9 km , 分三个标段,分别由4 台盾构掘进,其中盾构一标为中华门站北工作井三山街站(试验段) 和新街口珠江路区间,由上海隧道公司采用日本三菱盾构施工 该标段单线推进长度3. 206 km , 2003 年10 月底完工,总工期31 个月;该段隧道顶部覆土较薄,试验段仅有410 m ; 盾构穿越内秦淮河时,需进行抗浮处理,盾构机距抗浮板底面仅有0. 8 m 。,盾构二标为三山街张府园新街口,单线推进长度3. 06 km , 2

4、003 年10 月底完工;该段由上海基础公司采用德国海瑞克公司的盾构施工。 盾构三标为玄武门许府巷南京站区间,单线推进长度4.57 km , 2003 年12 月底完成;该标段由洛阳隧道局采用2台德国海瑞克公司的盾构施工。,以盾构三标的盾构机为例,介绍盾构机的主要参数。 该台盾构机设计最大埋深18 m , 最大爬坡为35 ,最小转变半径为300 m ; 盾构最大推力为3560 t , 由16 对32 个千斤顶组成;盾构的外径为6340 mm , 盾构主机长7400 mm , 盾构总长度60 m ; 刀盘最大旋转扭距为469. 4 tm , 刀盘的开口度为40 % 。,该标段工程难点较多,盾构需

5、穿越玄武湖、在建的玄武湖隧道、古城墙、金川河和多栋建筑群,盾构局部穿越粉细砂地层。 盾构平均推进速度达810 环/天, 盾构三标最高达17 环/天。,盾构区间隧道共有24 个进出洞端头,根据地质条件、水文条件和地面环境分析,需全部进行加固处理。 盾构进出洞是盾构施工中技术难度大、工序较复杂的施工阶段,一旦处理不当,洞门外土体易塌方或流失,甚至使盾构失去控制。,因此在认真做好地质与环境调查基础上采取合理的加固方案, 严格控制盾构机进入加固区前的操作 适当对开挖面注入膨润土泥浆等,并低速推进,低速转动大刀盘,严防超负荷运转,以免产生盾构进入接收工作井前大刀盘被搅拌桩或旋喷桩卡住而强行推进的不利现象

6、。,进出洞端头井地层加固范围为隧道全断面开挖轮廓线外3.0 m, 始发端加固长度为6.0 m, 到达端加固长度为3.5 m 。 但从施工情况看,在砂层地段3.5 m 的盾构到达段加固长度显得较短。,盾构工作井加固方法的选取应根据地质、水文、周围环境合理选取。 南京地铁由于其地质的复杂性,因地制宜地采用了多种加固方法,如深层搅拌、高压旋喷、井点降水、冷冻法等,有时可多种方法并用。 深层搅拌法适于粘性土层、淤泥质土层;高压旋喷法适用于砂性土、粉土。 加固后土体强度控制在无侧限抗压强度为0.5 MPa左右。加固土体应均匀、密封防流砂,这对盾构安全进出洞至关重要。,例出许府巷及进玄武门区间段，隧道底部

7、基本为可硬塑粉质粘土，中部以下为可塑状粉质粘土，以上为流塑状粉质粘土； 在前期端头加固处理中，为确保加固质量，先后使用了深层搅拌桩、注浆及高压旋喷的方法，分别针对一般地段、地下有障碍物处、与车站连续墙相接处进行加固。然后人工用风镐对车站的连续墙进行了凿除，凿除至第二层钢筋为止。 在洞口密封、始发导轨、反力架及始发台安放好以后，进行连续墙最后一层砼的剥除，最后一次性始发成功。,但盾构二标、一标在进出洞时出现了一些问题。 例如,盾构二标在某站南端头盾构出洞时曾出现两次流砂,流砂量达110 m3,主要集中在洞门中心东西侧,东部20 m2 区域地面下陷达1.5 m 左右,加固区西南侧1.5 m2 范围

8、地面下降1 m 左右。 因洞门处的混凝土经过开凿,已经局部开裂。为防止洞门处的混凝土失稳,在洞门钢环上焊接18 号工字钢作为横挡, 采用木板支模浇灌C20 混凝土加固。,为防止流砂再次发生,保证盾构机安全出洞, 需对段头井补充加固。 为此,考虑了三种方法:深井降水法、旋喷桩加固法、冻结法。 根据两次流砂情况,流砂量在长时间内没有减少,反而有增加的趋势,说明地下水补给比较丰富,且内秦淮河离张府园南段头井约50 m, 地下水和内秦淮河可能连通,因此降水效果无法保证。,从理论上讲,旋喷加固在该地层加固效果较好,但夹在连续墙和搅拌桩加固体之间进行旋喷补充加固,一边为硬的水泥土,一边为钢筋混凝土,影响成

9、桩效果。 此外,洞门处的连续墙已开裂,旋喷桩施工时可能发生侧漏, 地层内可能有流动水存在,对成桩有影响。,最后决定对段头井采用冷冻法进行补充加固,在盾构出洞方向沿工作井的连续墙外侧布置冻结孔,并在冻结孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含水地层结冰,形成冻土墙。 盾构在冻土墙的保护下出洞。冻土墙设计有效厚度为0.5 m, 有效宽度为8.7 m, 冻结深度取18.5 m(洞口周边冻土搭接宽度1 m, 下部搭接高2.5 m) ,见图1。,图1张府园南段头井补充冷冻法加固,盾构一标在某站出洞时由于大量流砂,盾构洞门无法打开,原洞门周围的土体加固是用单管旋喷加固,加固范围为隧道上部4 m 、下部3 m 、

10、左右各3 m 、轴线方向6 m 。 在推进范围多处存在纯粉砂土含水层,流砂严重,致使多处加固效果不明显。 因此,以降水把地下水位降到15 m 以下,确保开洞无涌砂、流砂出现。井点设在隧道两侧2 m 处,井点间距沿盾构推进方向为2.5 m, 每排5 根共10 根,每根井管长17.5 m, 其中滤网长4.0 m 。,在盾构施工中,尽可能减少对周围土体扰动的关键在于保持盾构开挖面的稳定和管片脱出盾尾后及时充填空隙。 这就要求调整好盾构掘进参数, 做好同步注浆和二次压浆。,盾构掘进主要有如下10 个参数控制: 刀盘和土仓压力、排土量、推进速度、螺旋机转速、千斤顶总顶力、注浆压力、盾构坡度、盾构姿态和管

11、片拼装偏差等。,根据地质埋深和环境条件对参数选取作预测计算,同时对盾构轴线上方的地面变形进行实测反馈,以验证选择参数的合理性并优化施工参数。 一般选取盾构出工作井50100 m范围作为试验段,并通过对试验段地表沉降观测进行参数优化。通过控制推进速度、调整排土量等使地层水土压力与土仓压力的差值最小，从而保证开挖面的土压动态平衡。,该工程难点较多,下面仅介绍两个工点的处理方案。 1）盾构穿越在建的玄武湖隧道 盾构隧道两次下穿在建的玄武湖公路隧道,且两隧道之间最小间距仅为1. 0 m(见图2) 。,图2 盾构隧道与玄武湖公路隧道的相互关系,玄武湖隧道底沉降控制较严,要求控制在下沉-20 mm 、上隆

12、+ 5 mm 以内,因此盾构施工十分困难。 为了盾构施工的安全以及今后玄武湖隧道运营安全,盾构施工中根据模型试验及数值分析的结果,采用了如下技术措施: (1) 由于该处为淤泥质粉质粘土,且夹层很薄, 因此在玄武湖隧道施工前对隧道下部地铁通过地层进行了注水泥浆加固处理( q0 0.5 MPa) ;,(2)玄武湖隧道设计中,为了增强隧道的纵向刚度,加强了底板的配筋,并在底板下增加了抗拔桩,使运营期间的荷载大部分通过抗拔桩传递给下部地基中,同时还可以阻止盾构隧道的上浮; (3)盾构施工中加强监测,及时进行二次注浆, 并控制好土压平衡。 从监测结果看,玄武湖隧道最大下沉量为1. 9 mm , 最大上隆

13、1 mm , 满足预期确定的要求。,2）盾构过秦淮河盾构一标在三山街至中华门盾构区间,需穿越内秦淮河。 该处覆土很薄,在原河床条石基础下深度1.5 m 范围基本为碎石、碎砖等建筑垃圾,且盾构离抗浮板底只有80cm , 造成上部覆土不能加固密实,容易产生漏水、漏泥,使得隧道上部压力过小,隧道会产生向上漂移、下部产生空隙的现象。 另外,盾构掘进时难以控制,盾构容易出现偏移。,因此,盾构穿越内秦淮河施工时采取了如下措施: 将碎石、碎砖等建筑垃圾清除并覆土回填,在其上面浇70 cm 厚的抗浮板;在顶板下对盾构正面土体进行压密注浆加固,注浆孔采用内径100 mm 的PVC管,加固深度为7 m , 孔位间

14、距、孔位排距均为1 m , 共161 个加固孔,每个孔水泥用量0. 684 t ;在盾构两侧各做一排钻孔灌注桩,见图3。,图3 注浆加固图,北京轨道交通大兴线黄村西大街站工地,一、城陵矶 城陵矶长江穿越隧道地处长江中游江汉冲积平原与江南低山丘陵区过渡地带 位于城陵矶港下游约4km 处 要穿越长江干堤和1500m 的主河床 穿越区内多为绿泥石泥质板岩,有29 条断层,断层一般性状较差 透水性较强,地下水丰富, 水压高。,2 泥水盾构,工程起自长江南岸组装工作井,先以25 的下坡推进,距长江底部约12m 最后以3 的下坡穿越长江,与矿山法隧道实现对接后拆卸。 是重庆忠(县) 至湖北武(汉) 输气管

15、线潜江至湘潭支线的关键控制性工程。,穿越区地下水覆盖层潜水、基岩裂隙水及承压水。 承压水主要分布于两岸粘土及粉质粘土层以下粉土、细砂及卵石层中,江水为主要补给源,其埋深12m 左右,水位与江水位齐平。 位于基岩中心的脉状透水体(区) 局部具有承压性,与基岩裂隙水的水力联系密切,使与之形成复杂的地下渗流网络,对穿越隧道的稳定性极为不利。最大水头压力达0.166MPa 。,工程及施工特点 a. 地质级别变化大 隧道主要从全微风化的绿泥石泥质板岩、白云石泥质板岩、粉砂岩、粘土、粉质粘土、细砂、卵石层等地层中穿越。岩石最大饱和抗压强度为45MPa ,卵石最大粒径12cm。水渗透性强,在水压和土压的作用

16、下开挖面极度不稳定,要求盾构必须具有较强的稳定开挖面的性能。 b. 隧道穿过长江大堤 隧道最大埋深50m ,最小埋深28m。隧道在长江大堤下通过,需要严格控制地表沉降。,c. 水下穿过,水压变化大 最高水柱高度达65m ,江底穿越时隧道距离江底最小覆土厚度为28m ,最大水压0166MPa ,水压变化大,对盾构的防水性的要求极高。 d. 掘进方向控制要求严 盾构始终在坡度为25 、3 下坡推进, 前段部分坡度较大,后段坡度趋缓,隧道设计掘进方向误差为50mm,要求盾构方向控制能力强。,适应地层 地层渗透系数 排渣系统 推进力 刀盘 刀具寿命 工作效率 渣石封闭性 施工占地,泥水盾构,南岸竖井内

17、径7.5m ,深35.5m ,隧道全长2756.379m , 盾构段施工2011.379m （矿山法施工745m ）北岸竖井内径4.0m ,深67.5m是目前在建和已建的穿江隧道中最长的一条,被誉为“长江第一长隧”。,隧道穿越断面设于直线段上,纵坡为单面v 形,由25 到3 ,变坡点处设竖曲线,曲线半径为5000m ,长度22m; 隧道埋深在28m 到60m之间。盾构隧道内径2144mm ,采用预制钢筋混凝土环片衬砌,衬砌圆环为6 块,环片厚度250mm ,采用弯曲螺栓连接,防水性能为2 级。,二、南京 南京长江隧道工程是中国长江上隧道长度最长、盾构直径最大、工程难度最高、挑战性最多的工程之一

18、 南京长江大桥与三桥之间，连接河西新城区江心洲浦口区 左线于2009年5月20日10时贯通 右线于2009年8月22日上午贯通。,8月22日，南京长江隧道随着右线盾构机冲破最后一层加固区实现贯通,泥水平衡盾构机冲破南京长江隧道右线最后一层加固区,整个工程通道总长约6.2公里，按6车道城市快速通道规模建设，设计车速80km/h 采用“左汊盾构隧道右汊桥梁”方案，左汊盾构隧道建筑长度3.9公里；盾构直径近15米，是当今世界上最大直径的盾构隧道之一，仅次于上海长江隧道盾构机。,在南京长江隧道中使用的刀盘直径为14.93米、重约4000吨、长130余米、有5层楼高的“巨无霸”盾构机。 世界上最先进的泥水平衡