泥水平衡盾构施工技术概论课件.ppt

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1、1,泥水平衡盾构施工技术,2013年7月,2,主 要 内 容,一、泥水平衡盾构工作原理二、泥水平衡盾构的类型三、泥水平衡盾构施工管理系统四、泥水平衡盾构施工关键技术五、工程实例,3,第一章 泥水平衡盾构工作原理,4,常用隧道施工方法,明挖法,矿山法,掘进机（Tunnel Boring Machine）,常用隧道施工方法,TBM硬岩掘进机,盾构,5,盾构机类型,就其稳定掌子面介质的不同，分为土压平衡盾构、泥水平衡盾构。,泥水平衡盾构,土压平衡盾构,6,土压平衡盾构简介,土压平衡盾构的基本原理利用盾构施加于开挖舱内渣土的压力平衡开挖面水土压力,刀盘切削下来的渣土通过刀盘上的开口进入土仓，渣土在土仓

2、内经过搅拌和渣土改良成为流塑状，盾构推进油缸的推力通过承压隔板传递给土仓内的渣土，继而传递给开挖面，以平衡开挖面处的地下水压和土压，从而保持开挖面的稳定。螺旋输送机从承压隔板的开孔伸入土仓进行排土.,7,泥水平衡盾构的结构及基本原理,典型泥水平衡盾构的基本结构,泥水仓,气垫仓,刀盘,主驱动,冲刷管,排浆管吸口,破碎机位置,管片拼装机,主机排浆泵,8,泥水平衡盾构的基本原理利用泥浆在由泥浆形成的泥膜面上的压力平衡开挖面水土压力,泥膜,气垫仓,泥水仓,冲刷管,排浆管,泥水盾构采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。将泥浆送入泥水室，在开挖面上形成不透水的泥膜，通过该泥膜平衡作用于开挖面的水土压力

3、。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥浆处理设备进行分离，分离后的泥水进行重新调浆，再输送到开挖面。泥水盾构适用的地质范围较大，从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。,泥水平衡盾构的结构及基本原理,9,泥水平衡盾构的基本原理开挖面上的泥膜,泥水平衡盾构的结构及基本原理,10,泥水平衡盾构的基本原理-开挖面上的泥膜,泥水平衡盾构的结构及基本原理,11,泥水盾构泥浆环流输送系统,地面泥水分离站,进浆泵,进浆管路,隧道中继泵,主机排浆泵,排浆管路,泥浆管延伸装置,泥水平衡盾构的结构及基本原理,12,盾构选型依据,盾构是一种特殊的施工装备，它与地质的适应性息息相关。,13,1、 工程地质因素：地层颗粒级

4、配是盾构选型的依据一,左边白颜色区域为卵石砾石粗砂区，为泥水平衡盾构机适用的颗粒级配范围。右边蓝颜色区域为细砂淤泥粘土区，为土压平衡盾构机适用的颗粒级配范围。 细颗粒含量多则碴土能形成不透水的流塑体，能够充满土仓的每个部位，以便建立压力并传递到切削面支撑土体，压力平衡可以实现。 粗颗粒含量高的碴土不能形成具备这种功能的碴土，因而不能实现土压平衡,只能借助于泥水平衡盾构大比重的泥浆悬浮液，形成泥膜并传递压力。 从掘进的角度，泥水平衡盾构机也适用于细颗粒土层，但细颗粒浆液的泥水分离难度大，投入大，场地要求高。 因此，图中的区域划分考虑了综合因素。,盾构选型依据,14,2、水文地质因素：地层渗透性是

5、盾构选型的依据之二,地层渗透性与盾构选型图既说明了地层颗粒与渗透率的一般关系细颗粒含量多的地层渗透率小，粗颗粒含量多的地层渗透率大，又反映了渗透率与盾构选型的关系：颗粒粗渗透率大水量充足，碴土为流体状，螺旋机不能形成土塞，土仓建立不了压力。 因此，图中土压平衡盾构机对应的指标是粗砂以下、渗透率10-4m/s以下。泥水平衡盾构机对应的指标是细砂以上、渗透率10-7m/s以上。,盾构选型依据,15,a. 在易发生流沙的地层中能稳定开挖面，可在正常大气压下施工作业；b. 泥水传递速度快而且均匀，开挖面平衡土压力 的控制精度高，对开挖面周边土体的干扰少，地面沉降量控制精度高；c.盾构出土，减少了运输车

6、辆，进度快；刀盘、刀具磨损小，适合长距离施工；d.刀盘所受扭矩小，更适合大直径隧道施工；e.适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的互层等地层。特别适用于地层含水量大、上方有水体的越江隧道和海底隧道。 随着施工技术的不断进步，泥水平衡式盾构适用的范围也在不断扩大。,泥水平衡式盾构特点,16,第二章 泥水平衡盾构的类型,17,泥水盾构有两种体系。即日本体系和德国体系日本体系为直接控制型，德国体系为间接控制型,18,直接控制型泥水盾构,日本和英国一般采用直接控制型泥水盾构直接控制型泥水系统流程如下：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆送入盾构的泥水仓，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，

7、然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向泥浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新送入盾构的泥水仓循环使用。泥水仓中泥浆压力，可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。由于送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。,19,间接控制型泥水盾构, 德国采用间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节

8、空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。,20,两种体系的比较,间接控制型泥水盾构与直接控制型泥水盾构相比，泥水压力的波动小,对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利。,切口水压波动示意图,21,两种体系的比较,缓冲气压室示意图,22,第三章 泥水平衡盾构施工管理系统,23,1、盾构掘进系统 包括泥水盾构掘进机（即主机、刀盘）和使其运转的动力设备、装载动力设备以及与掘进机同时前进的后配套拖车。,双刃滚刀,切刀,刮刀,24,碎石机,25,2、泥水加压和循环系统 包括进排泥泵、保压系统、进排浆管路及相关设备。,26,泥水系统的作用 一是及时向开挖面的泥水仓提供掘进施工需求

9、的泥浆，用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面的要求；二是及时把切削下来的土砂形成的混合泥浆输送到地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整利用。泥水系统与盾构的选型、掘进速度、地质条件等紧密联系在一起的，不同的地质条件应采用不同的泥水系统模式。,27,支护泥水作用,支护泥水在泥水盾构掘进中起着重要作用： 在开挖面土体表面形成泥膜，泥膜厚度随渗透时间增加而增加，从而有效提高渗透抵抗力。 支承、稳定开挖面土体。 盾构借助泥水压力与正面土压产生泥水平衡效果，有效支承正面土体。 对刀盘和刀头等切削设备有冷却和润滑作用。,28,泥水配比设计,主要由膨润土、C

10、MS、纯碱和水组成 膨润土的作用提高泥水粘度、比重、悬浮性、触变性CMS（缩甲基淀粉）的作用降低失水率、增加粘度纯碱（碳酸钠）调节PH值、分散泥水颗粒,29,泥水的技术指标,泥水比重 为使开挖面稳定，须将开挖面的变形控制在最低限度以内，希望泥水比重要相当高。但比重高的泥水使得送泥泵处于超负荷状态，并将导致泥水处理的困难；而比重低的泥水虽具有减低泵的负荷等优点，但却产生了逸泥量的增加、推迟泥膜的形成。 一般的泥水比重在1.051.3范围内较适宜。泥水的粘度 可通过将泥水从漏斗容器流出的时间来判定泥水的粘性，表示出外观的粘性(在清水中500cc漏斗粘性是19秒)。通常是采用2540秒/500cc左

11、右值的泥水。,30,泥膜形成机理,类型1：几乎不让泥水渗透，仅形成泥膜。类型2：地层土的间隙较大，仅让泥水渗透过去，没有形成泥膜。类型3：是上述两种类型的中间状态，边让泥水渗透，边形成泥膜。,31,控制泥水成本途径,新浆控制膨润土掺入比控制CMS掺入比控制纯碱掺入比调整浆新浆+回收浆新浆+回收浆+CMS新浆+回收浆+HEF回收浆+CMS回收浆+HEF回收浆+膨润土+碱,32,3、泥水分离处理系统 主要对泥水中携带出来的砂土进行分离。采用振动筛和旋流器进行分离。,33,4、管片安装和盾尾壁后注浆系统 主要作用是为开挖后的空间提供支撑和及时充填盾构机外壳前移后留下的空间。包括管片安装机、吊机、注浆

12、泵和相应管路。,管片安装机结构示意图,同步注浆示意图,34,第四章 泥水平衡盾构施工关键技术,35,36,（一） 盾构始发、到达,一般来说，盾构始发和到达技术的关键在于洞口地基加固范围、效果和洞圈止水密封的效果。 包括高压旋喷桩、搅拌桩、冷冻、钢板桩、降水等工法，根据不同的地质情况选用各种工法组合。 地基加固的长度要综合考虑破除洞门后的土体稳定能力和洞门密封防水效果，加固长度最好大于盾构主机长度。,37,高压旋喷施工,38,盾构组装,39,洞门密封,40,盾构始发,41,洞内管线布置,成型隧洞,42,（二）泥水压力设置 泥水压力采用静止土压力（水土分算）作为控制上限，主动土压力作为控制下限。穿

13、越密集建筑物时压力设定值靠近上限。一般根据地层性质，砂土、粉土、粉质粘土等渗透系数较大的地层，采用水土分算。地面荷载偏压的情况下，压力设定值宜取超载和无荷载的中间值。判断合理性的依据：A、压力设定要不断摸索，通过地表沉降及时修正。B、在渗透性大的地层，利用泥浆漏失量作为检验压力设定是否合理为依据是可行的。工程施工过程中，根据各项参数分析，总结出适应于该工程的泥水压力参考计算公式。,43,44,45,（三）掘进方向的控制与调整, 采用隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。 采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向。,隧道自动导向系统示意图,46,盾构掘进,盾构掘进同步注浆控制,47,

14、（四）壁后注浆,在盾构掘进过程中采取以下注浆方式： 通过盾尾注浆管在掘进的同时进行同步注浆； 必要时，在管片脱出盾尾后，通过管片上预留的注浆孔进行补充的二次注浆。,同步注浆示意图,48,盾构掘进,管片拼装,成型隧洞,管片吊运,49,（1）泥水压力平衡管理（2）碴土管理（3）姿态管理（4）注浆管理（5）管片拼装防水管理（6）进、出洞施工管理（7）隧道内管线布置,施工管理,50,第五章 工程实例,51,工程案例1 东京湾跨海公路隧道,52,（1）工程概况 全长15km，由海底隧道、桥梁和人工岛组成，其中隧道长10km。,53,隧道纵剖面图及人工岛,隧道及桥梁连接图,54,一次和二次衬砌管片,泥水式

15、盾构机,工程特点：大直径，盾构机外径14.14 m；高水压，隧道底板水压力为0.6 MPa；长距离掘进，分别为1.75 2.85 km；覆土厚度小，约20m；且为软柔地层；出发井位于海湾中部；海底对接；二次衬砌、竖井和设备安装交叉进行。,55,（2）人工岛施工（1989.61993.10）,地层加固（1989.61990.9）钢套板安装工作（1989.41990.11） 钢结构：35600T； 钢管桩、板桩： 31600T,56,人工岛施工现场,地下连续墙施工（1991.31992.10） 墙厚：2.8m, 深度：120m 人工岛内部开挖（1992.111993.10） 314000m3，结构

16、底板厚6m，V=44000m3 ， 侧壁厚4m, V=60000m3,57,（3）盾构隧道施工（1992.61997.4）,共8台盾构机同时推进（从Ukishima联络道、Kawasaki和Kisarazu人工岛出发）；管片自动安装系统改进施工效率，安装11块管片，需110分钟。,58,在海底实行冻结试错法对接（相距50m时，打300mm直径的水平钻孔以确定两相向盾构机头的错位量）位置校准前的准备位置校准前的准备位置校准校准掘进对接和第二阶段的撤除,59,60,工程案例2 南水北调中线穿黄隧道,（1）工程概况 隧洞段断面内直径为7.0m，外层为40cm厚钢筋混凝土管片结构，管片宽度1.6m；内

17、层为45cm厚现浇预应力钢筋混凝土整体结构。,61,南岸竖井平 台,北岸竖井平 台,北岸为黄河残存的二级阶地，地势宽广平坦，地面已填筑约3米高的平台。,南岸为邙山黄土丘陵，北侧临黄河一面自然坡度较为陡峭，发育有规模不等的冲沟。 施工平台位于黄河主河槽中。,62,S551盾构机,63,64,盾构施工泥水处理采用康明克斯2套MTP-800泥水处理系统泥浆处理系统，ZMTP-800泥浆处理系统由1套振动筛选机、一级旋流、二级旋流分离组合而成。采用三套压滤设备对废浆进行压滤处理。,泥水分离处理系统,泥水处理系统,65,调制浆系统,压滤系统现场实物图,66,管片安装机,67,盾尾密封,68,武汉市轨道交

18、通2号线越江隧道工程为武汉市重点工程，隧道北起江汉路站，南至积玉桥站。施工内容主要包括：盾构区间隧道、明挖风井、联络通道及江中泵房。,江汉路站,积玉桥站,一、工程地点及范围,工程案例3 武汉地铁2号线越江隧道,69,根据详勘报告及设计文件，盾构隧道在积玉桥站始发段约350m穿越的地层主要为（3-2a）淤泥质粘土、（3-2）粉质粘土，随后穿越约300m的（3-5）粉质粘土、粉土、粉砂互层后，进入粉细砂层至江汉路站，江中局部穿越含砾中粗砂层。江底约80m底部切削中风化泥质粉砂岩，最大切削厚度为1.2m。,泥岩,含砾中粗砂,淤泥质粘土,粉质粘土,互层,粉细砂层,粉细砂层,二、工程地质与水文地质,70

19、,1、为满足防灾、通风需要，临江处设置超深风井，武昌风井深达46米，汉口风井深达38米，武昌风井为武汉主城区第一深基坑。,三、工程地点及范围,71,冷冻加固,破除洞门,砼回填,灌水加压,2、盾构机在高水压（0.43Mpa）下四进四出穿越风井，施工风险大。盾构穿越风井施工须采取多种防水措施，以确保工程安全。,连续墙,素连续墙,72,3、长江下设置了的两条联络通道，为高水压、强渗透性砂层条件下冷冻法施工，施工处水压约为0.49Mpa，砂层与江水直接连通，且为长江中上游首个江底联络通道，无工程实例可借鉴，工程风险极大。,73,隧道采用泥水盾构工法施工，两台盾构机由中国中铁隧道装备与广州海瑞克公司联合

20、制造。,1、隧道施工,四、主要施工方法,74,与泥水盾构机配套的泥水分离设备及压滤设备由康明克斯铂元制造，用于处理循环泥浆中的碴土。,75,地面上的泥浆循环及调制浆系统由项目部自行设计制造。,76,风井围护结构为连续墙，采用双轮铣施工；风井开挖及主体结构衬砌采用逆作法施工。,2、风井工程,77,3、联络通道施工,联络通道采用隧道内水平冻结加固，矿山法施工。,78,右线盾构隧道,五、施工图片,79,左线盾构隧道遇两根约200mm的钢管，经专家会讨论确定采用：“地表冷冻加固+带压进仓切割钢管”方案。,五、施工图片,80,左线盾构机地面上的位置,81,液氮冷冻加固,82,武昌风井工程,汉口风井,83,谢谢!,