国内隧道大直径盾构施工技术风险控制[详细]

1、,大直径盾构技术应用及风险控制,目 录,一、现状与前景 二、施组和管理 三、工法和选型 四、应用和技术 五、风险与控制 六、结束语,一、现状与前景,目前国内在建的大直径盾构法隧道已达世界总和范围：公路、铁路、水利、地铁等领域。 已建成的有： 北京直径线 天津直径线 京津延长线 杭州青村路隧道 钱塘江公路隧道 南水北调穿黄隧道 中广核台山取水道 武汉长江公路隧道 扬州瘦西湖公路隧道 上海沪崇苏长江隧道 广深港高铁狮子洋隧道 南京纬七路长江公路隧道 上海地铁黄浦江越江隧道+10条 南京地铁三号线、十号线长江隧道,在建工程： 武汉地铁长江隧道 穗莞深珠海城际等 南京纬三路长江隧道 长株潭城际铁路隧道

2、 广州地铁四号线延长线 广深港深圳-香港段高铁隧道 武汉长江公路地铁联营长江隧道,待建项目： 北京地铁 北横隧道 太原城际线 上海A30公路隧道 珠海拱门公路隧道 深圳前海公路隧道 周家嘴路公路隧道 安徽芜湖越江公路隧道 广东汕头海湾公路隧道 京-张线、京沈线（高铁） 发展前景： 按目前不完全统计，在进行工可及初级论证的预估在今后5年内有近30条左右的各功能性的大直径盾构法隧道要进入施工期。,二、施组和管理, 工程水文地质的准确和可性度。 管片衬砌结构体系的长期稳定性。 高水压隧道结构体的防水可靠和耐久性。 长距离隧道通风和防灾体系。 隧道工程结构体系的抗震性能。 复合地层的砂土液化失稳及掌子

3、面的稳定性。（包括泥浆造型） 盾构机的造型的适应性和可靠性。 盾构推进过程中高水压、强透水、上软下硬等复合地层的施工风险。 长距离推进中的换刀的难度。 始发及接收井支护结构的安全性。,三、工法和选型,大直径盾构在国内主要以泥水加压盾构、土压平衡盾构为主体。工法的应用主要还是根据地质及水文为基础，在风险可控条件下采用合理的工法。土压平衡盾构工法成本低于泥水盾构，但由于开挖直径大，在施工管理上风险很大，目前在施工中复合地层选用土压盾构的实际成本高于泥水盾构，所以在盾构施工一定要以地质为基础，选用合适的盾构工法。,盾构的选型，目前国内外设备制造厂家根据施工所产生的设备存在风险不断的在创新。归纳下来已

4、在市场应用的有以下几方面的新工法： 1.双模盾构 S+E（泥水和土压切换模式） E+T（土压和硬岩机切换模式） 2.常压换刀（在高水压、强透水地质自稳差的地层换刀技术，从根本上保证了人员进舱 的安全风险） 3.饱和带压进舱作业法（在高水压进舱延长了工作时间和改善了环境，按普通带压进舱 作业对比，工效提高20倍以上） 4.刀具检查可视化系统（该系统的开发成功，极大提高了前期准备工作的精准性） 5.双压模式（土压平衡模式下盾构机的拱顶追加了一套带介质体的压力保护装置，在上 软下硬地层施工确保了超挖风险，控制地表沉降）,S+E（泥水和土压切换模式）,E+T（土压和硬岩机切换模式）,常压换刀（在高水压

5、、强透水地质自稳差的地层换刀技术，从根本上保证了人员进舱的安全风险）,刀具检查可视化系统（该系统的开发成功，极大提高了前期准备工作的精准性）,四、应用和技术,根据不同地质，盾构法施工应用范畴很广也是大直径盾构面临的大难题。应用技术难点主要表现在以下几方面：,盾构选型： 刀盘刀具。（刀盘结构强度，开口率、刀具选用布置） 功能配置。（压力、扭矩、推力等选用） 安保措施（超前加固，安全闸门，破碎功能，油脂类磨损检测等） 环流系统（压力控制、流量不平衡等） 信息系统（PLC功能、姿态自动检测等）,列出下表以供大家参考,刀盘结构强度,刀具承载力不够多角偏磨,冲击性磨损端盖脱落,轴与刀体分离,下面显示几组

6、照片供大家研究探讨,掌子面强中风化层,刀具由于开挖直径大、刀具的快速及不规则磨损,案二；,说明：图示蓝色曲线为推进速度曲线，红色曲线为刀盘扭矩曲线，黑色曲线框内为推进速度突降，扭矩居高不下的区间。 从以上表中可以完全看出在推进过程中扭矩和速度明显发生了反异差，简单的判定不是刀具出了问题就是地质发生突变。,推进参数的合理应用,管片与盾构的姿态控制,壁后同步注浆及补充注浆的控制, 浆液的质量 压力和流量 （P出=P切+0.6Bar）,尾盾保护,姿态控制 油脂质量 正确理解油脂舱、注浆、切口、三压力的相互关系应用,切口压力上限值的计算： P上=P1+P2+P3=rwh+ko(r-rw) h+r(H-

7、h)+20 式中：P上为切口水压的上限值（kpa） P1、P2、P3分别指地下水压力、静止土压力、变动土压力（kpa） h、H分别指地下水位至隧道中心埋深和地面至隧道中心埋深（m） ko为静止土压力系数 r、rw分别指土的容重和水的容重,切口压力计算,切口压力的计算及波动,23,切口压力计算,切口压力下限值的计算： P下=P1+P2+P3=rwh+ka(r-rw)h+r(H-h)-2CuKa+20 式中：P下、P2分别指接口水压力下限值、主动土压力 P1、P3分别指地下水压力、变动土压力 Ka为主动土压力系数 Cu土的粘聚力,送排泥流量的平衡及临界沉淀的控制,送排泥流量的探讨 1.掘削断面积

8、A A=1/4D2 2.地层中的含砂率 K(%) K=(100/(100+2*)*100 3.掘削土砂量 q m3/min Q=A*S/100 4.掘削土砂量中的干砂量 G m3/min G=A*(S/100)*(K/100) 5.排泥流量 Q2 m3/min 6.送泥流量 Q1 m3/min Q1= Q2-q 7.送泥浓度 C1（%) C1=(1-0)/(1-0)*100,8.排泥浓度 C2(%) C2=(C1*Q)+100G)/Q2 9.排泥比重 2=0+(C2(2-0)/100 0=1 10.管内流速 送泥管流速 V1(m/s) V1= Q1/(/4* d12*60) 排泥管流速 V2(

9、m/s) V2= Q2/（/4* d22*60） 排泥管内临界沉淀流速 VL(m/s) VL=FL* 2g* d2*(2-1)/ 1 FL常用系数：1.5(1.37) g重力加速度：9.8m/s2,带压进舱的泥膜质量及效果,地面处理设备的选用及管理,根据地质祥勘及物理指标，选用合理的分离设备 场地的限制条件，平面布置需优化 制浆系统的应急响应 管路布置要合理，工程设备要具有系统化,20倍以上发泡倍率验证法,首先由不同厂商提供各自泡沫产品使用的具体参数 （浓度C、发泡率FER），然后要求在相同工况条件下进行对比试验。（条件包括同一台泡沫发生器，同一把泡沫枪，相同土压下） 在泡沫发生器前端样品阀处

10、接一根约1m的软管或橡皮管进行取样观察，取软管喷出的成品泡沫。 （注意不要样品阀一开就取，待样品泡沫成型稳定再取，可以将样品阀打开让泡沫先打一会，再用容器去盛接。 另外更换泡沫品牌时，需要注意混合液箱内不要留有残余，以免两种品牌的混合液混合使用，造成实验结果不具说服力。更换品牌后，最好使用一段时间后再进行取样，将之前管路中的残留泡沫消耗殆尽） 同类泡沫产品在相同工况条件下，各自盛取软管喷出的相同体积的成品泡沫。 （用容器装好，并静置12小时后观察消泡情况，消泡严重的属于泡沫破裂不符要求，因此一定要扣除消泡体积，仅以最终剩余泡沫体积进行后续计算） 分别对静置后的泡沫样品称重，去掉容器重量得出实际

11、泡沫重量。 （泡沫的实质是混合液，气体重量可以忽略不计，因此称重的泡沫重量实际就是混合液重量，然后换算单位至L） 最后，称重消泡后泡沫的体积/混合液体积 得出的比例就为工况条件下该泡沫剂参数的实际发泡倍率。 以此来鉴别各类泡沫剂是否能达发泡倍率的要求。 另外，实际施工中也能以出渣情况参考。取一把渣土掰开，通过目测是否存在明显泡沫颗粒，或者通过在耳边手捏渣土是否听到渣土内有泡沫破裂声。这些也能表明泡沫是否渗透土体进行改良。如果渣土完全没有泡沫颗粒存在，则说明，泡沫在掌子面效果不佳，或者在土仓内早已消泡殆尽，甚至遇水又被稀释成混合液，起不到应有效果。,土压盾构的渣土改良剂的应用,五、风险与控制,风

12、险控制管理体系,风险管理基本原则 内容确定及风险计划制定 风险识别 风险分析 风险评估 风险处置 监控审查,系统性工程风险管理过程,根据国内外大直径盾构施工所发生的各类风险事故，主要为以下几大风险源：,地质风险,上软下硬复合地层,复杂的地质条件及复合地层施工难点与关键技术,复杂的地质条件及复合地层施工难点与关键技术,岩层不整合接触碎裂带,全断面软土层,断面内多为第四系坡（残）积层或砂（砾）质粘土或全强风化的地层；渗透性弱；刀盘易结泥饼；泥水处理工作强度大；废浆量大。,复杂的地质条件及复合地层施工难点与关键技术,四系地层中的漂石（称为外来异物）如图：,强全中微风化层如图：,红色显示刀具问题区,设备风险,刀盘整体加强筋板情况 刀盘中心加强筋板改造 辐板与辐条之间的加强改造,内圈变形,外圈保护刀具的应用,41,社会风险,由于盾构扰动