盾构工程的技术进步.pdf

1 盾构工程的技术进步盾构工程的技术进步盾构工程的技术进步盾构工程的技术进步 孙孙孙孙 钧钧钧钧 同济大学隧道与地下工程研究所同济大学隧道与地下工程研究所同济大学隧道与地下工程研究所同济大学隧道与地下工程研究所 上海市城建集团院士工作研究室上海市城建集团院士工作研究室上海市城建集团院士工作研究室上海市城建集团院士工作研究室 20072007年年年年9 9月月月月2525日日日日 沈阳市沈阳市沈阳市沈阳市 2 介绍提纲介绍提纲介绍提纲介绍提纲 一、城市地下铁道与过江隧道施工、盾构机掘进开一、城市地下铁道与过江隧道施工、盾构机掘进开一、城市地下铁道与过江隧道施工、盾构机掘进开一、城市地下铁道与过江隧道施工、盾构机掘进开 挖概述挖概述挖概述挖概述 二、盾构隧道的主要施工技术问题二、盾构隧道的主要施工技术问题二、盾构隧道的主要施工技术问题二、盾构隧道的主要施工技术问题 三、土压三、土压三、土压三、土压/ /泥水平衡式盾构机的工作特征与掘进机制泥水平衡式盾构机的工作特征与掘进机制泥水平衡式盾构机的工作特征与掘进机制泥水平衡式盾构机的工作特征与掘进机制 四、盾构掘进施工中的若干技术关键及其处治四、盾构掘进施工中的若干技术关键及其处治四、盾构掘进施工中的若干技术关键及其处治四、盾构掘进施工中的若干技术关键及其处治 五、近年来盾构隧道工程的应用进展（以上海市经五、近年来盾构隧道工程的应用进展（以上海市经五、近年来盾构隧道工程的应用进展（以上海市经五、近年来盾构隧道工程的应用进展（以上海市经 验为例）验为例）验为例）验为例） 六、有关盾构施工的一些图照六、有关盾构施工的一些图照六、有关盾构施工的一些图照六、有关盾构施工的一些图照 3 一、城市地下铁道与过江隧道施工、盾一、城市地下铁道与过江隧道施工、盾一、城市地下铁道与过江隧道施工、盾一、城市地下铁道与过江隧道施工、盾 构机掘进开挖概述构机掘进开挖概述构机掘进开挖概述构机掘进开挖概述 盾构机选型 盾构进、出洞段的地基加固 盾构掘进开挖面稳定（舱压、出土量） 管片运输与安装 盾尾密封与壁后注浆 盾构掘进姿态控制与纠偏 泥水处理系统 盾构工作竖井施工（始发井、接收井） 盾构机选型 盾构进、出洞段的地基加固 盾构掘进开挖面稳定（舱压、出土量） 管片运输与安装 盾尾密封与壁后注浆 盾构掘进姿态控制与纠偏 泥水处理系统 盾构工作竖井施工（始发井、接收井） 4 二、盾构隧道的主要施工技术问题二、盾构隧道的主要施工技术问题二、盾构隧道的主要施工技术问题二、盾构隧道的主要施工技术问题 √√1. 盾构机的基本概况盾构机的基本概况 √√2. 土压平衡系列盾构机选型土压平衡系列盾构机选型 √√ 普通型土压平衡盾构 加泥式土压平衡盾构 普通型土压平衡盾构 加泥式土压平衡盾构 √√ 泥水加压式盾构 泥浆型土压平衡盾构 泥水加压式盾构 泥浆型土压平衡盾构 3. 盾构机的工作原理盾构机的工作原理 5土压平衡盾构基本构造和工作原理简图土压平衡盾构基本构造和工作原理简图土压平衡盾构基本构造和工作原理简图土压平衡盾构基本构造和工作原理简图 6 泥水供入 泥浆排放 刀盘 （控制舱压） 密封泥浆仓 泥浆泥浆 加水稀释 出土 加压泥水 泥水加压盾构工艺流程简图泥水加压盾构工艺流程简图泥水加压盾构工艺流程简图泥水加压盾构工艺流程简图 螺旋输送机 7盾构法施工示意图盾构法施工示意图盾构法施工示意图盾构法施工示意图 8 实际的排土量、需要的开挖量与地表变形的关系示意图实际的排土量、需要的开挖量与地表变形的关系示意图实际的排土量、需要的开挖量与地表变形的关系示意图实际的排土量、需要的开挖量与地表变形的关系示意图 0A PP 0Ap PPP0p PP 0Ap PPP0p PP 0Ap PPP0p PPPi POPi POPi POPi POP i 开挖量控制模式框图开挖量控制模式框图 图中图中图中图中 i P 0 P 实际的舱压值； 设定的舱压值； 外边土、水压） 11 项 目项 目泥水式盾构泥水式盾构土压平衡盾构土压平衡盾构 工作面稳定工作面稳定√ 腔里的泥水压√ 腔里的泥水压腔里的泥土压腔里的泥土压 开挖料排除开挖料排除√ 流体输送√ 流体输送泥浆管泥浆管机车输送机车输送运输带）运输带） 盾 构 结 构 盾 构 结 构 主体主体由罩部、梁架部和尾部组成由罩部、梁架部和尾部组成 铣头铣头面板式面板式辐射式或面板式辐射式或面板式 推进机构推进机构布置于梁架部的盾构千斤顶布置于梁架部的盾构千斤顶 段组装结构段组装结构设置于尾部的安装器和圆度支承装置设置于尾部的安装器和圆度支承装置 附属机构附属机构位置测定、形位测定测量装置及其工段所需装置位置测定、形位测定测量装置及其工段所需装置 排泥、排土机构排泥、排土机构√ 泥水循环流体输送√ 泥水循环流体输送螺旋输送机螺旋输送机 搅拌、混合搅拌搅拌、混合搅拌√ 搅拌器搅拌泥水√ 搅拌器搅拌泥水搅拌器混合搅拌泥砂土搅拌器混合搅拌泥砂土 添加材料注入装置添加材料注入装置没有没有有有 √ 适用土质√ 适用土质饱水松软粘土层、砂质土、 砂砾和泥岩 饱水松软粘土层、砂质土、 砂砾和泥岩 粉质粘土层，当用于砂土 时，需考虑辅助施工法 粉质粘土层，当用于砂土 时，需考虑辅助施工法 耐水压性耐水压性无需采取对策，较土压平衡盾 构有利 无需采取对策，较土压平衡盾 构有利 需要机械挡水机构需要机械挡水机构 刀盘耐久性刀盘耐久性√较土压平衡盾构寿命长√较土压平衡盾构寿命长比泥水式差比泥水式差 泥水式盾构与土压平衡盾构的特征比较表泥水式盾构与土压平衡盾构的特征比较表 12 泥水盾构施工的开挖参数和地层特性（以穿黄隧洞为例）泥水盾构施工的开挖参数和地层特性（以穿黄隧洞为例） 特性特性参数参数 隧洞开挖直径隧洞开挖直径8.82m（盾构外径）（盾构外径） 盾构机开挖推进速率盾构机开挖推进速率2～（～（4））cm/min 每小时开挖量每小时开挖量100.3 m3/h 土层孔隙比土层孔隙比38 开挖土体的比重开挖土体的比重1.64 t/ m3 开挖土体的颗粒比重开挖土体的颗粒比重2.658 t/ m3 盾构机穿过的地层盾构机穿过的地层Q42-1、、 Q41-4 盾构机穿过地层的土质盾构机穿过地层的土质 亚粘土、中砂、粉细砂、细砂、 黄土状粉质壤土 亚粘土、中砂、粉细砂、细砂、 黄土状粉质壤土 13 盾构机主要技术参数 项目 盾构机主要技术参数 项目单位单位指标指标 1.外型尺寸外型尺寸 外径φ外径φmm8.82 内径φ内径φmm8.7 长度长度m8.5 2.推进系统推进系统 总推力总推力kN115000 推进速度推进速度cm/min24 3.刀盘刀盘 转速转速转转/min00.6 扭矩扭矩kNm12000 4.管片拼装机管片拼装机 型式型式环式环式 转动范围转动范围210 提升能力提升能力t12 盾尾密封盾尾密封环环4 4 . 盾构机主要技术参数盾构机主要技术参数 14 5. 泥水加压盾构的掘进、开挖技术泥水加压盾构的掘进、开挖技术 √ 开挖面稳定机理 泥浆的主要性能指标 √ 开挖面稳定机理 泥浆的主要性能指标泥浆密度、粘 度和泥浆压力 开挖稳定判别与保证 泥浆密度、粘 度和泥浆压力 开挖稳定判别与保证土砂掘削量控 制、溢水量和土体崩塌检查、地表沉降∕ 隆起预测与信息反馈 开挖面稳定的施工技术管理 土砂掘削量控 制、溢水量和土体崩塌检查、地表沉降∕ 隆起预测与信息反馈 开挖面稳定的施工技术管理 泥水特性和泥水分离处理泥水特性和泥水分离处理 15 泥水盾构施工泥水特性一览表泥水盾构施工泥水特性一览表（以穿黄隧洞为例） 序 号 （以穿黄隧洞为例） 序 号泥浆特性泥浆特性符 号符 号单 位单 位数 值数 值备 注备 注 1表观粘度表观粘度Va厘泊厘泊1020 2塑性粘度塑性粘度Vp厘泊厘泊510 3屈服点屈服点Yp帕斯卡帕斯卡510 4失水量失水量ml1530 5 泥团（实验 室） 泥团（实验 室） mm15 6马氏粘度马氏粘度Vm秒秒3550 7密度密度t/ m3 1.021. 2 8PH值值710 9砂率砂率15 16 泥水分离式处理系统主要技术指标泥水分离式处理系统主要技术指标 序 号 序 号 项 目项 目单 位单 位指 标指 标备 注备 注 1粗筛处理能力粗筛处理能力m3/h800 2二次除砂处理能力二次除砂处理能力m3/ h120 3 弃渣量弃渣量 t / h165 4泥水回收利用率泥水回收利用率75 17 √√6. 盾尾密封与止水盾尾密封与止水 7. 盾构掘进姿态控制与纠偏 √ 盾构掘进姿态控制与纠偏 √8. 同步注浆与注浆材料同步注浆与注浆材料 9. 盾构长距离掘进的可靠性保证盾构长距离掘进的可靠性保证 10. 盾构进、出洞段的地基加固盾构进、出洞段的地基加固 √ 高压旋喷法 深层搅拌桩法 化学灌浆法 √ 高压旋喷法 深层搅拌桩法 化学灌浆法 √√ 冻结法 冻结法 √√ 对盾构进出洞段施工的难点和重点 对盾构进出洞段施工的难点和重点 18 19 加气乳剂 砂 类 粘土类 化学物类 其 它 砂类 粘土类 化学物类 其它 无空气 有机类 ---泡沫 有空气 有空气 无空气 水泥类 非水泥类 无机类 壁 后 注 浆 缓凝型 瞬凝型 固结型 可塑型 水玻璃类 铝类---可塑 双液型 单液型---悬浊液 壁 后 注 浆 壁后注浆图壁后注浆图 1）按注浆材料特性分类）按注浆材料特性分类 2）按浆液状态分类）按浆液状态分类 20 调整后的调整后的A、、B浆液配合比浆液配合比 A 液液B 液液 水水 水泥 （ 水泥 （kg）） 膨润土 （ 膨润土 （kg）） 稳定剂 （ 稳定剂 （kg）） 水玻璃 （ 水玻璃 （l）） 785275553.677 21 11. 盾构出洞段施工要点盾构出洞段施工要点 22 23 √√12. 盾构出洞后的上浮 √ 盾构出洞后的上浮 √13. 出洞段的地面沉降控制（浅复土条件）出洞段的地面沉降控制（浅复土条件） 24 三、土压三、土压三、土压三、土压/ /泥水平衡式盾构机的工作特征与掘泥水平衡式盾构机的工作特征与掘泥水平衡式盾构机的工作特征与掘泥水平衡式盾构机的工作特征与掘 进操作控制进操作控制进操作控制进操作控制 √√1. 盾构掘进施工流程（图）盾构掘进施工流程（图） 2. 盾构机械的工作特征与掘进操作控制盾构机械的工作特征与掘进操作控制 3. 制约盾构施工的工程地质条件 对泥水盾构掘进施工 对土压平衡盾构施工 制约盾构施工的工程地质条件 对泥水盾构掘进施工 对土压平衡盾构施工 25 盾构工作 井施工 盾构起始工作 台设置 盾构机 组 装 安装回填注浆设备、反 力座和后继设备的设置 管片制作、运输 拼装试环管片 盾构机试运转 拆除临时封门、盾构机贯入 开挖面泥水加压、掘进 泥水系统运转 北岸始发段地基加固 检查开挖面稳 定 、地表隆/ 沉 掘进试运转 正常掘进管片安装壁后注浆下一掘进循环盾构完成掘进并拆除隧洞二次衬砌 南岸到达段地基加固 掘进速度、舱压、 出土量、 盾尾注浆压力调整 盾构掘进施工流程图盾构掘进施工流程图 试推进检验 中继井 出入口段 出井口 试推进检验 中继井 出入口段 出井口 26 四、盾构掘进施工中的若干技术关键及四、盾构掘进施工中的若干技术关键及四、盾构掘进施工中的若干技术关键及四、盾构掘进施工中的若干技术关键及 其处治其处治其处治其处治 √√ 1. 关于盾构穿越深厚砂性土层的掘进施工关于盾构穿越深厚砂性土层的掘进施工 土舱压力设定 砂性土改良 螺旋机出口 土舱压力设定 砂性土改良 螺旋机出口“喷发喷发” 2. 管片通缝和错缝拼装管片通缝和错缝拼装 3. 盾构刀盘与刀具盾构刀盘与刀具 27 4. 关于含水松散地层中盾构隧道的不均匀沉降及 因水土流失导致施工中隧道沿纵向弯曲断裂问 题 关于含水松散地层中盾构隧道的不均匀沉降及 因水土流失导致施工中隧道沿纵向弯曲断裂问 题 5. 隧道纵向接头构造中的变形缝设置隧道纵向接头构造中的变形缝设置管片 防水密封垫、竖井与隧道间的柔性接合 管片 防水密封垫、竖井与隧道间的柔性接合 28 五、近年来盾构隧道工程的应用进展五、近年来盾构隧道工程的应用进展五、近年来盾构隧道工程的应用进展五、近年来盾构隧道工程的应用进展 （以上海市经验为例）（以上海市经验为例） 六、有关盾构施工的一些图照六、有关盾构施工的一些图照六、有关盾构施工的一些图照六、有关盾构施工的一些图照 29 上海地铁盾构雄姿上海地铁盾构雄姿上海地铁盾构雄姿上海地铁盾构雄姿 30 先先先先 行行行行 号号号号 31 7号盾构吊装就位2号盾构设备车架 盾构设备车架盾构操纵室 7号盾构吊装就位2号盾构设备车架 盾构设备车架盾构操纵室 32 盾构出土隧道运输 管片吊下管片拼装 盾构出土隧道运输 管片吊下管片拼装 33 盾 构 进 洞 隧 道 全 景 盾 构 进 洞 隧 道 全 景 34 延安路隧道建成通车 盾构施工 中央控制室 延安路隧道建成通车 盾构施工 中央控制室 35 大连路隧道横断面设计大连路隧道横断面设计大连路隧道横断面设计大连路隧道横断面设计 管片宽度 1.5m管片宽度 1.5m 管片厚度 0.48m管片厚度 0.48m 衬砌分块 8块衬砌分块 8块 双车道宽度 3.75m2双车道宽度 3.75m2 净高 4.5m净高 4.5m 36 Φ11.22m泥水盾构井下安装Φ11.22m泥水盾构井下安装 37 盾构始发推进盾构始发推进盾构始发推进盾构始发推进 洞口冻结加固洞口冻结加固 38 上海地铁盾构广州地铁盾构 南京地铁盾构北京地铁盾构 上海地铁盾构广州地铁盾构 南京地铁盾构北京地铁盾构 大连路隧道Φ大连路隧道Φ11.22m泥水平衡盾构安装、施工泥水平衡盾构安装、施工 加拿大LOVAT公司的复合 型土压平衡盾构 日本最新的Ф14.14m泥 水平衡盾构 加拿大LOVAT公司的复合 型土压平衡盾构 日本最新的Ф14.14m泥 水平衡盾构 日本的矩形盾构 日本的双圆土压平衡盾构 日本的矩形盾构 日本的双圆土压平衡盾构 德国海瑞克盾构德国海瑞克盾构 44 M8线双圆隧道盾构图 45 双圆隧道盾构双圆隧道盾构 46 双圆盾构隧道管片双圆盾构隧道管片 47 双圆盾构始发推进双圆盾构始发推进 48 谢谢谢谢