地铁盾构隧道施工技术简介.ppt

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1、请各位领导、各位专家指导！,地铁盾构隧道施工技术简介中铁二十局集团公司科技部郭朋超2010年8月,1、1 盾构掘进机的特点1、2 盾构技术的发展,主要内容,1、概述,2、盾构机选型,2.1盾构分类,3、盾构施工组织,2.2适用范围,4、组装、调试；进出洞,2.3选型特点,2.4 盾构机选型及定购依据,2.5刀盘面板分类,3.1 场地与交通疏解,3.2 掘进速度与施工长度,3.3 盾构与车站施工干扰,3.4 盾构管片供应,3.5 盾构通过特殊地段,3.6 盾构铺轨基地,4.1组装及调试流程,4.2 盾构进、出洞,5、盾构掘进技术,5.1泥水平衡盾构掘进,5.2 土压平衡盾构掘进,6、盾构管片制作

2、应用举例,1.1盾构掘进机的特点,1、概述,盾构掘进机（简称盾构）是地面下暗挖施工隧道的专用工程机械，具有一个可以移动的钢结构外壳(盾壳)，内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，可以进行开挖、支护、衬砌等多种作业一体化施工，广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程建设。目前，在欧美等工业发达国家使用盾构机进行施工的城市隧道占90%以上。,1.1盾构掘进机的特点,1、概述,现代盾构掘进机集液压、机电控制、测控、计算机、材料等各类技术于一体，属于技术密集型产品，其生产主要集中在日本、德国、英国、美国、加拿大等少数发达国家，其中又以德国、美国、日本技术最为先进。盾构施工法与矿山法相比具有的特

3、点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要作业都在盾构保护下进行，工艺技术要求高、综合性强（土建、机械)。,1.2 盾构技术的发展,1、概述,盾构作为一种安全、快速的隧道掘进技术，经历了四个发展阶段：以布鲁诺尔（Brunel，1818)盾构为代表的初期盾构；以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构；以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；以异型化、多功能、综合化为各自特色的第四代盾构。,1.2 盾构技术的发展,1、概述,第一代盾构:,Brunel盾构,伦敦Blackwall盾构隧道,1.2 盾构技术的发展,1、概述,第二代盾构:,网格式盾构,插刀盾构,1.

4、2 盾构技术的发展,1、概述,第二代盾构:,网格式盾构可分为干出土与水力出土两种类型，结构简单、操作方便，便于排除正面障碍物。基本构造分为：盾构壳体、推进系统、拼装系统及出土系统、控制系统等。水力出土特点：网 格：适合水力冲刷的网格和封板组成切口支承形式。泥水舱：盾构切口后部的隔墙板与网格间为泥水舱，该舱可供土体冲刷成泥水，舱底设置泥水排出管口。冲刷水枪：用于冲刷土体的旋转水枪。水力输送机具：舱内的泥水通过管路进行输送排放。,1.2 盾构技术的发展,1、概述,第三代盾构:,土压平衡盾构,泥水平衡盾构,1.2 盾构技术的发展,1、概述,第四代盾构:,复合式盾构,任意截面盾构,2.1 盾构分类,2

5、、盾构机选型,全开敞式盾构：手掘式盾构、半机械式盾构、机械式盾构半开敞式盾构：挤压式盾构、网格盾构封 闭 式盾构：土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构,盾构机的机型种类很多。根据地层条件和具体施工方法的不同，隧道盾构机可分为硬岩隧道掘进机(即TMB)、软岩隧道盾构机。而按开挖面的闭合程度，可分为开敞式、半开敞式和封闭式。,2.1 盾构分类,2、盾构机选型,开敞式又可细分为人工开挖盾构、半机械开挖盾构、机械开挖盾构；半开敞式有挤压盾构和网格盾构之分，而封闭式则可进一步分为泥水加压平衡盾构(含直接控制型、间接控制型两种)、土压平衡盾构(包括普通型、加泥型、加水型、泥浆型等种类)。还有将两种类型复合在一起

6、的复合型，也包括泥水型、土压型、敞开型等多种，此外，还有适用于城市地下工程，如市政供排水、电缆管道建设的微型盾构。而目前作为主流技术的，主要有泥水加压平衡盾构机、土压平衡盾构机、复合型盾构机、TMB掘进机和微型盾构机五种。,2.2 盾构机的适用范围,2、盾构机选型,泥水加压平衡盾构机 泥水加压平衡盾构由盾壳、开挖机构、推进机构、送排泥浆机构、拼装机构及附属装置组成。是目前各种盾构中最复杂、价格最贵的一种。适用范围较大，多用于含水率高的软弱土质中，是一种低沉降、较安全的施工机械，对稳定的地层优点尤为明显，其工作效率要高于土压平衡盾构机，但随着土砂百分比的增加，会出现泥水分离难度增大的不足。泥水平

7、衡盾构机的主要生产厂商有：日本川崎重工、三菱重工、小松盾构以及德国的海瑞克公司等。,2.2 盾构机的适用范围,2、盾构机选型,土压平衡盾构机 土压平衡盾构是在泥水加压盾构基础上开发的一种新型盾构。主要由盾壳、开挖机构、推进机构、排土机构、拼装机构及附属装置组成。土压平衡盾构通过对压管理，保持土压或土碴量的相对平衡与稳定来进行工作。广泛适用于对冲积粘土、洪积粘土砂质土、砂、砂砾、卵石等地质的施工，不需分离装置，占地面积少，施工时的覆土层可相对较浅。主要生产厂商有：日本川崎重工、德国海瑞克公司、加拿大罗浮特(lovat)公司等。,2.2 盾构机的适用范围,2、盾构机选型,组合式盾构机：组合式盾构机

8、开挖面稳定，施工方法可视土质情况的变化而转换，因此适应范围较广，根据需要可以从土压平衡转换为泥水加压方式，土料输送可由螺旋输料器转为泥浆及管道输送。有一定知名度的产品有川崎重工推出的直径为10.2m组合式盾构机产品；德国的海瑞克出品的直径为14.2m的盾构机。全断面硬岩掘进机（TBM掘进机）：全断面硬岩掘进机是由盾构技术发展而来。通常适用于硬基地层。特点是稳定性良好、施工速度快、隧道成型好、对周围环境影响小。微型盾构机：行业内通常把直径小于3m的盾构称为微型盾构。主要用于市政供排水管道，电缆管道等的建造。,2.3盾构选型的特点,2、盾构机选型,1、与其它隧道施工方法不同，盾构机是根据每一个施工

9、区段的地质条件、地下水条件、隧道断面大小、区间线路条件、周围建筑物环境等条件进行设计制作。所以，盾构机不是通用机械，而是针对于某种特定地质条件的专用机械。也就是说一般很难将盾构机转用到设计隧道以外的工程中加以利用。,2.3 盾构选型的特点,2、盾构机选型,2、盾构机在地下的施工是不可后退的。当盾构机在地下开始掘进施工后，就很难对盾构机的结构组成进行修改。除刀头等部位可以通过特殊的设计得到更换以外，盾构刀盘、压力舱、排土器、推进系统等很难在施工过程中进行修改。由此可见，盾构机的设计、制作从根本上决定了隧道施工的成功与否，是盾构隧道施工的关键环节。为了设计最为合理的盾构机械就必须进行周密的盾构选型

10、工作。,2.4 盾构机选型及定购的依据,2、盾构机选型,土质条件、岩性开挖面稳定隧道埋深、地下水位设计隧道的断面环境条件、沿线场地衬砌类型工期；造价辅助工法设计路线、线形、坡度电气等其他设备条件,盾构机选型流程图,2、盾构机选型,2.4 盾构机选型及定购的依据,盾构机选型流程图,续上图,2、盾构机选型,2.4 盾构机选型及定购的依据,2、盾构机选型,2.4 盾构机选型及定购的依据,盾构机选型流程图,2.4 盾构机选型及定购的依据,2、盾构机选型,盾构选型与地层关系,（1）少水地层、砂卵石地层宜选择开敞式网格盾构 少水或无水地层，地层具有较好的自稳性，降水下沉量小（如沈阳、成都等地层），土体颗粒

11、对刀盘刀具磨损很大，选择开敞式盾构网格盾构比较适宜。,刀具磨损严重,2.4 盾构机选型及定购的依据,2、盾构机选型,盾构选型与地层关系,（2）渗透系数与岩性、粒径,面板式刀盘辐条式刀盘,2、盾构机选型,2.5刀盘面板分类,刀盘特性比较,刀盘型式的选择,2、盾构机选型,2.5刀盘面板分类,3.1 盾构施工场地与交通疏解,3、盾构施工组织,一台盾构始发场地面积约25003000 m2，两台盾构始发场地面积40005000 m2，接收场地8001000 m2 左右。看似合理的施工组织方案，有时因没有合适的施工场地而改变。盾构井一般是沿线路中线设置的，在城市中心区因交通疏解要求往往导致场地较小，过小时

12、影响施工场地的合理布置如弃土场、注桨材料储存、管片堆场、施工人员的生产生活安排等，降低劳动生产率。因交通疏解、管线等条件限制盾构井设置在线路中线一侧时，盾构机始发周期延长，弃土、管片等洞内运输作业效率下降。,3.2 盾构掘进速度与施工长度,3、盾构施工组织,盾构掘进速度与工程地质条件、盾构机选型、掘进管理水平、地面建（构）筑物保护要求等因素密切相关。地铁区间隧道多采用（加泥）土压平衡盾构机，在目前的施工技术水平条件下，正常的平均掘进速度已达到每天79环，按1.2m或1.5m管片环宽计可达每天812m,综合考虑始发和到达掘进、通过建筑物保护段的沉降控制、地层性质与均质性、弃土与材料运输时间限制等

13、因素的影响，施工组织的平均指标一般按68m控制，当地层适于盾构施工且均质性好，环境限制条件少，一次掘进距离长时，掘进指标可按810m。,3.2 盾构掘进速度与施工长度,3、盾构施工组织,以下情形采用实际指标或偏低的掘进指标：穿越江河段选用泥水平衡盾构机时；穿越硬岩段选用复合式盾构机时；连续穿过建（构）筑物保护区段；长距离曲线地段特别是小半径曲线地段；盾构施工多个短区间；盾构机有超前钻探或超前注浆作业；长距离砂层地段；盾构井不在线路正上方；与车站、铺轨施工工期重叠时间较长。,3.2 盾构掘进速度与施工长度,3、盾构施工组织,盾构隧道土建费用主要由盾构机、掘进、衬砌三部分组成。有效降低造价的手段之

14、一是在满足工期的条件下尽量加大盾构机的掘进长度，降低盾构机摊销费用。考虑土建工期的限制，盾构施工经济长度一般控制在34km。,3.2 盾构掘进速度与施工长度,3、盾构施工组织,盾构机制造时间约需9个月，下井安装始发1个月。盾构隧道一般会先行招标以方便设备采购，与始发井的提供时间是匹配的，必要时要求始发井提前开工。,3.3 盾构与车站施工干扰,3、盾构施工组织,盾构井一般设置于线路正上方，不仅影响交通疏解方案，与车站施工场地有干扰，盾构机采用起吊方案时影响车站封顶时间，采用过站方案时正值车站施工期，站台需过站后施工。不论过站还是起吊，管片、材料和弃土运输均与车站施工有干扰，特别是盾构后配套需在车

15、站站台层折返作业时。规模较大的车站包括换乘站要对盾构与车站施工干扰进行分析。施工招标时车站与区间合标即几站几区间一个标，规模过大时，也可区间与始发站或第一个过站站合标，是减少施工干扰、方便施工协调、有利人员安排的办法之一。,3.4 盾构管片供应,3、盾构施工组织,盾构隧道施工组织应综合考虑管片厂的位置和沿线交通运输条件，全线盾构机同时开始掘进，管片供应过于集中，意味着盾构机数量增加，需要增加模板套数或管片堆场面积，直接或间接增加盾构隧道工程造价，也会引起年度工程投资的不均衡。而盾构施工长度增加，盾构机台数减少，模板套数自然减少，但工期相应延长。根据施工组织确定的盾构机数量，对模板套数和管片厂提

16、出具体要求。,3.5 盾构通过特殊地段,3、盾构施工组织,盾构通过曲线特别是小半径曲线地段时，盾构机推进易损伤管片，纠偏导致盾尾空隙加大，注浆量增加，即使使用中间铰接带弯曲机构的盾构机，其姿态的不断调整也会使掘进速度放慢；盾构通过需控制地面沉降的建筑物地段时，需要调整盾构机的推力、掘进速度、出土量等施工参数，减少盾构的超挖与欠挖，保持掘进与出土的平衡以控制压力变化，改善盾构前方土体的坍塌沉陷或挤密隆起现象；盾构通过砂层时，掘进面的压力平衡较难控制，容易产生地面沉降。所以，盾构机在长距离曲线地段、长距离建筑物保护地段、长距离砂层地段掘进时，盾构掘进指标必须降低。盾构掘进通过硬岩、孤石、地下障碍物

17、时，应编制风险预案。,3.6盾构铺轨基地,3、盾构施工组织,盾构铺轨基地与轨排井（有时是在地面）的数量与铺轨长度有关，一般有23处。盾构施工应与盾构井的设置匹配，盾构施工应向背离轨排井的方向施工。铺轨不一定要在盾构施工全部完成后才开始，当盾构过站或起吊施工下一区间时，若施工场地已转移，该区间可开始铺轨作业。为避免控制工期的盾构区间施工完成后才能开始铺轨，如果不是采用两台盾构同向推进，无论单盾构过站后折返还是单盾构单区间折返起吊，全线盾构施工方向应考虑左线或右线先通，保证铺轨作业的连续性及在控制工点能够一条线轨道先行铺通，利于车站设备的运输和吊装。,4.1组装及调试流程,4、盾构机组装、调试；进

18、、出洞,4.2 盾构进、出洞,4、盾构机组装、调试；进、出洞,主要方法：深层搅拌、旋喷桩、SMW、注浆、降水、冻结,洞周土体加固,4、盾构机组装、调试；进、出洞,4、2 盾构进、出洞,冻结法进出洞加固,平面图,剖面图,封门制作沉井：钢板桩；蛭石、珍珠岩膨胀水泥混凝土、砖砌体、泡沫混凝土连续墙：墙中预留轻质低强混凝土塞、局部浇注GFRP玻璃纤维和树脂热融合的玻璃纤维筋、碳纤维筋代替普通混凝土封门的破除：手工、爆破,封门,盾构进出洞示意图,盾构进出洞门止水密封装置,盾构进洞前凿除封门（地下墙）,5.1泥水平衡盾构掘进技术,5、盾构隧道掘进技术,泥水盾构的三大系统：盾构掘进；环流；泥水处理。,5.1

19、泥水平衡盾构掘进技术,5、盾构隧道掘进技术,切口压力,5.1泥水平衡盾构掘进技术,5、盾构隧道掘进技术,环流系统,5.1泥水平衡盾构掘进技术,5、盾构隧道掘进技术,泥水系统,5.2 土压平衡盾构掘进技术,5、盾构隧道掘进技术,土压平衡盾构的二大系统：盾构掘进渣土排放,5.2 土压平衡盾构掘进技术,5、盾构隧道掘进技术,盾构掘进系统：刀具选择、掘进模式、刀具更换,盘形滚刀,双刃滚刀,切刀,刮刀,5.2 土压平衡掘进技术,5、盾构隧道掘进技术,渣土排放系统：螺旋输送机；皮带运输；有轨与无轨运输,6.管片制作应用实例,西安地铁盾构管片设计宽1.5m，直线段管环外径6.0m，内径5.4m，厚300mm

20、；每环由6片管片组成，左右节标准环交替；混凝土强度等级C50，抗渗等级S10，钢筋为、级，主筋混凝土保护层厚度为50mm，内侧40mm；混凝土量为8.06m3。,6.管片制作应用实例,西安市政盾构管片厂主厂房为50m102m，5100m2,厂房净高12m。采用台座式平行作业施工方案。采用10套管片模具（已开工8套），每套日循环2次（最大生产能力为循环3次），年产1.5m标准节6000环。最大生产能力能够达到10000环。施工工艺流程见图1。,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,6.管片制作应用实例,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,盾构管片制作工艺流程(1/2),6.管片制作应用实例,1

21、、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,盾构管片制作工艺流程(2/2),6.管片制作应用实例,（1）管片模具加工及其精度要求 盾构施工管片成品检测标准要求高，以毫米计，详见表1，因而对管片模具内弧长度、厚度、螺栓孔尺寸和位置精度要求控制在1mm；宽度控制在0.5mm管模检测标准详见表2。西安市政、天石盾构厂分别采用上海模具厂和法国CBC公司加工的高精度模具每套造价约85万元。,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,6.管片制作应用实例,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,6.管片制作应用实例,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,6.管片制作应用实例,(2)灌注混凝土前施工准备 清洗模具：组模前

22、清洗钢模，混凝土残碴必须全部铲除，内表面使用胶片配合清理，高压水冲洗干净；喷涂脱模油：使用雾状喷雾器喷涂，抹布均匀抹，使模具内表面均布薄层脱模油，如出现脱模油流淌，用棉纱清理干净，如图2。,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,图2：清理模具,6.管片制作应用实例,(2)灌注混凝土前施工准备 组模：模具质量，尺寸精度，对生产合格管片，拼装准确的衬砌环极其重要，必须严格控制组模；模具检查：模具组装完成，由专职质检员用内径千分尺在模具指定位置进行宽度、内弧面检测，如图3；,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,图3：模具检测,6.管片制作应用实例,(2)灌注混凝土前施工准备钢筋笼骨架入模：钢筋笼在

23、靠模上制作完毕，用龙门吊配合专用吊具按各种规格将钢筋笼放入模具内，钢筋笼型号与模具型号要匹配，保护垫块位置准确，如图4。,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,图4：钢筋笼骨架入模,6.管片制作应用实例,（3）混凝土浇注 混凝土配合比必须进行试配并符合全部设计要求；混凝土浇注采用龙门吊将坍落度7010mm、强度C50、抗渗S1O的防水混凝土斗吊至模具上方，按先模具两端后中间进行放料。采用附着式风动振动器振捣，并辅助插入式振动棒振捣密实。市政管片厂仅用插入式振动棒振捣也能满足要求。全部振捣成型后，视气温及混凝土凝结情况，约10min后拆除压板，进行光面。光面分粗、中、细三个工序：接下页,1、西安

24、市政盾构管片厂台座式施工方案,6.管片制作应用实例,（3）混凝土浇注粗光面：使用铝合金压尺，刮平去掉多余混凝土，并进行粗磨。中光面：待混凝土收水后用灰匙进行光面，使管片乎整、光滑。精光面：使用长匙精工抹平，力求表面光亮无灰匙印，管片外弧面子整度的误差差值不大于5mm，如图5。,1、市政管片厂台座式施工方案,图5：混凝土压光,6.管片制作应用实例,（4）蒸汽养护：混凝土振动成型并光面2h后混凝土表面用手压有轻微的压痕时，在管片外弧面上盖上湿润的养护布，将用于蒸汽的帆布套在模具上，下部同地面接触的地方用木方压实，在帆布套上预留的小孔中插入温度计，检查无误后通人蒸汽，布置于模具底部的蒸汽管布满小孔，

25、蒸养时蒸汽从每个小孔中均匀喷出，使整个模具均匀升温，升温时速度控制在每小时1520，防止升温太快管片出现收缩裂纹，最高养护温度5060，恒温34h，降温速度在每小时1520，并保证蒸养后的管片温度与外界温度差不大于20。,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,6.管片制作应用实例,（4）蒸汽养护：在整个过程中要每半小时查看温度计上的读数，发现问题用调整蒸汽通入量的大小来调节温度，如图6；,1、市政管片厂台座式施工方案,图6：蒸汽养护,6.管片制作应用实例,（5）脱模 管片通过蒸汽养护足够时间后测试混凝土试块强度，当强度达到15MPa以上时，开始组织脱模；拆模顺序：叠齐养护布；拆卸手杆螺栓，清除

26、混凝土残积物；拆卸旁模与底模固定螺栓；拆卸侧模与端模连接螺栓，两侧和端模拆开后，使用专用水平起吊吊具，用龙门吊将管片吊出到管片翻身机上；拆模中严禁锤打，敲击模具等野蛮操作，管片起吊时，地面操作要由多人配合进行，确保管片垂直出模，以免损坏管片。,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,6.管片制作应用实例,（6）脱模后水池养护管片脱模后吊入水池内进行养护，确保管片完全浸泡在水里，管片入池时管片与池中水温差不得大于20，养护周期为7d，然后进行淋水养护，保持管片外面湿润，喷淋养护达到28天龄期，如图7。,1、市政管片厂台座式施工方案,图7：水池养护,6.管片制作应用实例,（7）三环试拼装 管片正式生

27、产前和每生产100环管片后，由于管模可能尺寸不够精确或生产过程中震动变形，需要进行三环试拼装以检查管片几何尺寸和模具是否符合要求；制作钢筋混凝土平台，平台确保水平，误差控制在2mm以内，如图8；,1、市政管片厂台座式方案,图8：三环试拼装及接缝测量,6.管片制作应用实例,（7）三环试拼装 制作12个拼装支架，支架能够在高度上进行微调，以便矫正管片拼装后的水平；拼装顺序：首先在平台上画直径为管片内径和外径的两个圆，作为拼装时的参考线；先放置标准块，再邻接块，最后放人封顶块；一环拼装完后，错缝拼装另两环；检测：管片拼装完后利用不同型号的插片对管片之间的纵缝、环缝进行测量，以检测各管片之间的缝隙是否

28、符合要求；再用水准仪分别测量各接缝的几个点，然后计算这几个点是否在同一面上。,1、西安市政盾构管片厂台座式施工方案,6.管片制作应用实例,西安天石盾构管片厂主厂房为213联跨结构，宽63m，5000m2，采用自动流水生产线作业施工方案。该生产线采用法国CBC公司生产的8套管片模具，每套日循环3.5次，年产1.5m标准节6000环。实际生产能力能够达到1200环。本方案采用国内组装的进口震动台进行混凝土振捣，如图9。,2、天石管片厂自动流水生产线,图9：震动台式混凝土振捣,6.管片制作应用实例,西安天石盾构管片厂主要施工方案与质量控制标准与“台座式”基本相同，不同的是全部8套模具均运行在轨道线上，操作工按分工在不同工序进行流水作业，如图10。,2、天石管片厂自动流水生产线,图10：天石自动流水生产线,6.管片制作应用实例,两种施工方案的共同特点是：(1)采用高精度钢模，低坍落度混凝土，蒸汽养护技术，快速生产高精度、高强度、高质量的盾构管片。(2)施工作业规范化、程序化、标准化。(3)本方案同时适用于制作精度要求比较高的高强度混凝土预制构件生产。不同点是自动流水生产线施工方案采用振动台振捣，广州地铁与西安市政管片厂均反映：长期使用自动振动台可能对钢制模具造成损伤。建议采用“台座式”平行作业施工方案。,3、“台座式”与自动流水生产线施工方案比选,汇报结束,感谢各位领导和专家！,