地铁盾构隧道施工技术的理论与实践.ppt
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1、盾构隧道施工技术的理论与实践1盾构施工技术2n1、盾构机简介n2、盾构机的选型n3、盾构机始发n4、盾构机掘进n5、盾构施工管理3新建隧道与地下工程开挖方法预测分析盾构法将成为21世纪中国隧道施工的主要方法之一。中国面对平均每年290公里需要开挖的各类隧道(岩石中、土层中、海底中等),隧道掘进机法(TBM、盾构法和顶管法)、钻爆法、沉管法和浅埋暗挖法等都会在实际工程中使用,但当工程对经济效益和生态环境有重大影响而掘进工作面又受限制的情况下,面对速度、环保、效益等这些问题,盾构将成为人们的首选。4盾构机在国内的应用前景领域n(1)西部开发将修建大量铁路和公路隧道n(2)开发利用城市地下空间将建设
2、的地下隧道工程n(3)水利、水电站地下隧道工程n(4)长大跨海越江隧道工程n(5)南水北调工程将要开挖大量输水隧道5 盾构施工与矿山法施工具有以下优点:1、地面作业少,隐蔽性好,因噪音、振动引起的环境影响小;2、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快;3、因隧道衬砌属工厂预制,质量有保证;4、穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时,周围可不受施工影响;5、穿越河底或海底时,隧道施工不影响航道,也完全不受气候影响;6、对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全;7、在费用和技术难度上不受覆土深度影响。6盾构法施工也存在一些缺点:1、一次性投入大,施工设备费用较高;2、覆土较浅时,地表沉降较
3、难控制;3、用于施作小曲率半径(R20D)隧道时掘进较困难。7(一)盾构机简介德国海瑞克公司生产的加泥型土压平衡式盾构机,盾构主体外径6.256.28米,长8.5米(含盾尾、中体、前体、刀盘四部分)。本盾构机有以下主要特点:结构先进,自动化程度高,采用了国际盾构最新技术,开挖、出渣、衬砌拼装易于控制。施工效率与可靠性高,安全性能好,适用于较大的土质范围与地质条件,能用于多种复杂的土层,施工速度快,可以获得较小的沉降量。1、盾构机介绍8盾构机配备泡沫注入系统,膨润土注入系统和压缩空气系统,具有土压平衡,开敞式,半开敞式三种功能模式,刀盘刀具设计为可更换式,盘形滚刀与齿刀可互换,以适应不同地层高效
4、破岩切削需要。盾构机操作控制系统采用PLC,具有自动、半自动和手动三种控制模式。配置了土压力和推进参数自动测量,数据采集处理和运程传输系统,可以实现办公室的掘进工况信息管理,配备了自动定压同步注浆系统,对环形间隙及早注浆填充,以稳定管片和控制地层沉降。配备自动测量导向系统,可以实时测控盾构机姿态和管片拼装精度。9盾构采用中间铰接方式,可以适应较小半径曲线的推进转弯;推进油缸设计为可分组独立控制伸缩动作,辅于配置的超挖刀,可以较好地控制掘进方向和进行纠偏。10盾构机刀盘(直径6280MM)11盾构机主体(全长8.5M)12中、前、尾盾13盾构机后续台车14VMT系统显示面板15连接桥螺旋机16加
5、注泡沫人闸17液压马达同步注浆泵18盾构机主控室控制面板19盾构机主控室、司机操作间202、盾构发展趋势(1)盾构机在国内应用情况20世纪90年代,大直径的泥水式、土压平衡式盾构机在中国开始得到成功的应用。目前全国五大城市(北京、上海、广州、南京和深圳)地铁和管线工程大多采用日本、德国和法国生产的盾构机进行施工,约有26台左右。还有天津(2台)、广州三号线(11台),北京5号线(3台)、上海(8台)等新增或即将投入使用有20多台盾构机。目前地铁施工采用的盾构机约有50台。其它如引水隧道,市政隧道,过江隧道等都有应用盾构机进行施工。21表1-2 国内五大城市地铁工程使用的盾构机地地点点型式规格型
6、式规格数量数量(台)(台)制造公司(国别)制造公司(国别)附附 注注北京土压平衡式6.19米土压平衡式3.3米11Herrenknecht(德国海瑞克)IHI(日本石川岛播磨)用于地铁5号线工程亮马河北路污水隧道上海土压平衡式,6.34米泥水式,11.22米土压平衡式,6.34米712FCB公司(法国)Mitsubishi(日本三菱)FMT公司(法国)用于地铁1号线用于延安东路复线隧道用于地铁2号线广州土压平衡式,6.14米泥水式,6.14米土压平衡式,6.25米124Kawasaki(日本川崎)Kawasaki(日本川崎)Herrenknecht(德国海瑞克)用于地铁1号线用于地铁1号线用于
7、地铁2号线南京土压平衡式,6.34米土压平衡式,6.40米12Mitsubishi(日本三菱)Herrenknecht(德国海瑞克)用于地铁1号线深圳土压平衡式,6.20米土压平衡式,6.14米土压平衡式,6.25米122Komatsu(日本小松)Mitsubishi(日本三菱)Herrenknecht(德国海瑞克)用于一期工程22(2)盾构施工的新技术A A、自动化和省力化技术。自动控制技术,、自动化和省力化技术。自动控制技术,超前勘探技术,管片的自动搬运、拼装系统等。超前勘探技术,管片的自动搬运、拼装系统等。B B、与高深度化和长距离化相对应的技术。高、与高深度化和长距离化相对应的技术。高
8、水压对应技术,切削刀具更换技术,高速施工水压对应技术,切削刀具更换技术,高速施工技术等。技术等。C C、特大直径和特小直径盾构机。、特大直径和特小直径盾构机。DD、新施工法和特殊的盾构机。地下对接施、新施工法和特殊的盾构机。地下对接施工法、分岔盾构施工法、双圆形盾构、异形断工法、分岔盾构施工法、双圆形盾构、异形断面盾构等。面盾构等。232425MMST多轴盾构2614.1M直径的盾构机东京弯27MF盾构机及工法28HV盾构机29DOT盾构机(DOUBLE-0-TUBE)30异型断面盾构机31盾构机是一种专门用于开挖地下隧道工程的大盾构机是一种专门用于开挖地下隧道工程的大型高科技施工设备,它具有
9、开挖快、优质、安全、型高科技施工设备,它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点。经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点。盾构机技术体现了计算机、新材料、自动化、信盾构机技术体现了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学、管理科学等高新技术的综合和息化、系统科学、管理科学等高新技术的综合和密集,反映了一个国家的综合国力和科技水平。密集,反映了一个国家的综合国力和科技水平。随着对地下空间开发的需求越来越大,地下工随着对地下空间开发的需求越来越大,地下工程快速开挖的需要和科学技术水平的提高,盾构程快速开挖的需要和科学技术水平的提高,盾构机与盾构施工技术在中国将得到快速的应
10、用和发机与盾构施工技术在中国将得到快速的应用和发展。展。(3)盾构机在国内应用发展前景32(二)盾构机的选型33 根据施工要求及地质条件作好盾构选型工作 与与其其它它隧隧道道施施工工方方法法不不同同,盾盾构构机机是是根根据据每每一一个个施施工工区区段段的的地地质质条条件件、地地下下水水条条件件、隧隧道道断断面面大大小小、区区间间线线路路条条件件、周周围围建建筑筑物物环环境境等等条条件件进进行行设设计计制制作作。所所以以,盾盾构构机机不不是是通通用用机机械械,而而是是针针对对于于某某种种条条件件的的专专用用机机械械。也也就就是是说说一一般般很很难难将将盾盾构构机机转转用用到到设设计计隧道以外的工
11、程中加以利用。隧道以外的工程中加以利用。34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。从这两点可知,盾构机的设计、制作从根本上决定了隧道施工的成功与否,是盾构隧道施工的最关键的环节。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工作。35 平面示意图m 盾构选型工作根据设计断面选择盾构根据衬砌类型选择配套系统测定水压、松弛土层或围岩压力地质条件以外的条件:工期;外径、机长;造价;环境因数;沿线条件;基地条件;设计线路,线型条件;给排
12、水条件及通风条件。工作面稳定不好时辅助工法种类及适用性的校核:压气工法;降水法;化学注浆法;冻结法。机种及辅助工法的综合比较分析盾构的选定3637盾构机的选型(粘土)(粉土)38复合式盾构MixedShield盾构类型ShieldMachineMode硬岩式hardROCK土压平衡式EPB 开式开式Openmode水力式水力式HydroHydro泥水平衡式泥水平衡式SlurryBalanceSlurryBalance39盾构机主要技术参数盾构机主要技术参数Main Technical Parameters of the Shield Machine直径 Diameter 6280mm 主机长度
13、Length of the main parts 8500mm 总长(含拖车)Total length(with trailers)64,000mm 扭矩 Torque5300knm 推力/行程 thrust/stoke3600T/2000mm 转速 rotating speed0-6.1rpm 总功率 general power rate1500kw最大掘进速度 Max Excavation speed 8cm/min 螺旋输送机 Screw conveyer直径直径700mm 270M3/h 40土压平衡盾构机工作原理水土压+压=土仓压力力力41复合式泥水盾构工作原理42复合式盾构压力调整
14、原理图43泥水盾构进排泥系统44泥水系统示意图45泥水输送基本程序图图7-4-5-6 泥水输送基本程序图46盾壳结构示意图47盾构机的各个组成部分螺旋出土器刀盘盾体皮带机后配套台车48盾构机组成部分主体结构:盾体(前盾、中盾、尾盾)、刀盘、气闸后配套设备:台车、连接桥、管片运输设备、出土设备、液压系统、电气系统、注浆系统、监控系统等。1、土体2、刀盘3、泥土仓4、压力墙5、千斤顶6、螺旋输送机7、管片拼装机8、衬砌49刀盘转速和扭矩示意图50精心选配后续配套设备及供应系统 在确定好盾构机后,须根据总体施工进度要求及始发井的场地情况精心选配后续配套设备,后续配套设备选择的好坏直接决定了掘进速度的
15、快慢,如选择不当,会限制盾构机的本身的功能发挥。后续配套设备的选择主要从以下几方面考虑:51(1)洞内运输系统 为尽量减少每掘进循环的时间,必须确保洞内每环掘进的土方一次运出,管片同样一次运出,这样便可以确保安装管片的同时,进行出土作业。而要满足以上要求,须合理编制列车编组、计算土箱方量及电瓶车吨位,列车编组须满足最小长度装运最大运土量,确保弃土一次性运完。52(2)地面运输系统 地面运输系统主要包括龙门吊、集土坑、夜间出渣。龙门吊起重吨位由土箱满载重量决定,同时要充分考虑余量,比如土箱满载重25吨-30吨,则龙门吊起重吨位在考虑安全系数的前提下在提高2-3吨富裕量。集土坑的存渣量要按最快的掘
16、进速度情况下的两天总出土量为佳,避免出现渣土无处堆放而又无法出渣的情况。53(3)管片供应系统管片供应系统主要包括管片生产及现场管片存放。在始发掘进前,必须生产满足1-2个月掘进环数的数量,管模数量根据总的进度计划决定,尽量作到充分利用。现场存放一定要充分满足掘进速度的需要,在现场场地不足的情况下,可以尽量压缩其他用地,以确保管片及时供应。54(四)、盾构机始发1、盾构机组装后配套台车及其它设备下井示意图55盾构机安装示意图盾构机安装示意图56吊运刀盘吊运盾尾57始发前破除洞门出洞前破除洞门在盾构机下井、到达以前,对始发井、接受井端头进行加固,加固方法采用地面旋喷桩加固,旋喷桩采用直径900m
17、m、间距700mm的三重管。加固目的:稳固土体,防止塌方;止水;保持TBM始发阶段的正确姿态。2、端头井土体加固58盾构机始发前的洞门加固59始发前的洞门破除60盾构机拼装调试完成后,开始拼装负环管片,在负环管片后安装一个0.4m宽的钢圆环,使砼管片受力均匀。边拼装负环管片边将洞门处地下连续墙砼凿除,凿除分六块,自下而上分块进行,并分块吊出井外。洞口内径与盾构外径存在10cm的环形空隙,为了防止水土从间隙处流失,在洞圈安装一道橡胶止水带,扇形板等组成密封装置,以保证盾构出洞的安全。盾构机盾尾密封刷人工涂满油脂,地面监测点布设,并获得初始成果。3、盾构机始发准备61由于洞圈与盾构外径有一定的间隙
18、,为了防止盾构出洞时及施工期间土体及浆液从该间隙中流失,在洞圈周围安装由橡胶帘布、扇形压板等组成的密封装置。洞门密封安装止水帘幕62洞门临时密封装置63反力架及负环管片示意图安装反力架及负环管片示意64盾构始发实况65盾构掘进由操作司机在中央控制室内进行,由工地技术人员经计算初设正面土压力值。土压力值根据隧道埋深、土层性质和地面超载计算。设定值约为计算值的1.051.1倍。开始施工时,在盾构机的正面及盾构体的上下方设置土、水压传感器监控平衡系统,在盾构机前面安装岩土勘探系统。打开出土闸门,依次开启皮带输送机,螺旋机和刀盘,推进千斤顶,调整好各千斤顶工作油压。此时刀盘切削土体,盾构前进。1、盾构
19、机掘进(四)、盾构机掘进66盾构机根据设定的正面土压力自动控制出土速度或掘进速度。盾构机的行程、上下左右四个区域千斤顶压力、螺旋机转速、盾构扭转、俯仰等参数,将显示在显示屏上,盾构司机及时做好参数记录,并参照仪表显示以及其它人工测量和施工经验调整盾构机姿态和各项参数,使盾构始终按设计的轴线推进。67隧道盾构掘进示意图开挖衬砌出土运输68盾构操作室司机操作盾构机掘进 盾构机掘进实况69进入正常掘进后,出土、进料的运输将直接影响着掘进的速度。在左右线的掘进中,采取在隧道内铺设轨道(四轨三线)进行运输,选用38kg/m钢轨,在进行出土、进料运输中,始终保持一列电瓶车停在洞内道岔后的一侧轨道线上,当从
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