地铁盾构工程关键施工技术.pdf
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1、二一八年六月地铁盾构工程关键施工技术前言随着国家经济持续快速发展,城市建设不断进行,城镇配套设施不断完善和品质提升,公共建筑和基础设施的建设正在迅速扩展。目前,五局承建的各类房建工程、公建工程及基础设施工程数量与体量在不断攀升,为满足市场越来越高的品质需求,特别是复杂工程、特殊工程、大型工程中不断应用新型材料、新型设备和创新技术等等。为持续提升企业技术创新能力,让技术积累成为企业的知识财富,达到提升类似工程的投标文件编制水平、指导后续类似工程施工的目的,进一步转化为企业的核心技术,特由局科技质量部组织各二级公司,总结及提炼编制了若干 工程关键施工技术。地铁盾构工程关键施工技术的编制得到隧道公司
2、的大力帮助和支持,在此表示感谢!本书在编制过程中难免有不足或未涉及之处,请提出宝贵意见,如有修改补充的内容请及时将意见反馈到中建五局科技质量部,以供今后补充完善。中建五局科技质量部二零一八年十二月目录?第一章 地铁盾构工程的背景和概况简?介51行业前?景72五局盾构业务分布情?况73五局地铁施工业?绩8第二章 地铁盾构工程技术特点及工程技术重难?点111盾构施工特?点132盾构施工重难?点13第三章 地铁盾构工程主要施工技术总?结151盾构复杂环境长距离穿越铁路枢纽关键技?术171.1?技术背?景171.2?水平定向勘探技?术171.3?基于全站仪的沉降自动化监测技?术262盾构小半径浅覆土穿
3、越铁路关键技?术322.1?技术背?景322.2?回填反压技?术332.3?轨道架空托换技?术333盾构富水地层近距离穿越运营地铁线关键技?术373.1?技术背?景373.2?MJS 水平加固技?术393.3?基于静力水准仪的自动化监测技?术443.4?富水断层破碎带盾构下穿既有运营地铁线路技?术474盾构岩溶强发育地层连续穿越重要建构筑物关键技?术504.1?技术背?景504.2?基于跨孔 CT 法的岩溶勘察技?术514.3?刀具选型技?术53?33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
4、33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334.4?高强富水岩溶地层盾构掘进参数控制技3333333333333术544.5?填仓换刀技3333333333333333333333333术575盾构溶土洞地层长距离穿越河流关键技33333333333333术615.1?技术背333333333333333333333333333景625.2
5、?河流勘察双重套管成孔技3333333333333333333术625.3?盾构隧道接缝非固化沥青防水技3333333333333333术655.4?盾构出渣实时控制技333333333333333333333术686盾构站内过复杂结构车站关键技33333333333333333术716.1?技术背333333333333333333333333333景716.2?盾体垂直顶升过站技333333333333333333333术726.3?先隧后站技3333333333333333333333333术763333333333333333333333333333333333333333333333
6、33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333第 一 章地铁盾构工程的背景和概况1行业前景随着国家可持续发展战略、城市化战略、西部大开发战略和高速铁路发展战略的实施,我国的基础设施建设在 21 世纪进入了大规模施工阶段。地下空间的开发,具有不占用地面资源、缓解地面交通、不影响景观、有利于
7、环境保护等优点,因此铁路隧道、公路隧道、城市地铁、过江隧道、地下行人通道、地下商场、管廊等的建设得到广泛应用。城市轨道交通作为提高交通能力、缓解交通拥堵的利器,已得到各级政府重视,轨道交通对经济增长的直接贡献率为 0.263,即一亿元投资可带来 2630 亿元财政收入,产生 2.63 亿元的 GDP,所以在中国有巨大的发展潜力。盾构作为城市轨道交通建设的主力军,市场潜力巨大。中国是全球最大的盾构市场。截至 2017 年末,中国内地共计 34 个城市开通城市轨道交通并投入运营,开通城规交通线路 165 条,运营线路长度达到 5033 公里。据不完全统计,2017 年中国内地城市轨道交通完成建设投
8、资 4762 亿元,在建线路长度 6246 公里,可研批复投资额累计 38756 亿元。截至 2017 年末,共有 62 个城市的城市轨道交通线网规划获批,规划线路总长 7424 公里。随着世界经济的逐渐复苏,众多发展中国家对基础设施建设投入增加,我国新兴的TBM 产品逐步进入海外市场,市场表现良好,以东南亚、南亚、南美、非洲为主的 TBM 市场潜力巨大,欧洲、美国、澳大利亚等市场也将逐步打开。2?五局盾构业务分布情况中建五局于 2012 年进入深圳地铁市场,2014 年 5 月,隧道公司盾构分公司依托深圳地铁 9104-2 标成立,而后成长壮大于南宁地铁 2 号线,经过 4 年发展,盾构分公
9、司目前承建的含有盾构工程的项目达 20 个,在行业内已经卓有成就。结合分公司近几年的技术应用情况,整理汇编形成中建五局地铁盾构工程六项关键施工技术,为后续类似工程提供施工技术参考,为五局奠定行业标杆提供技术支撑。中建五局承建的地铁盾构工程业务分布情况如图 1-1 所示。地铁盾构工程的背景和概况7图 1-1?中建五局承建的地铁盾构工程业务分布情况3五局地铁施工业绩我局近年来承建含有地铁盾构工程施工内容的工程项目如表 3-1 所示。表 3-1?中建五局地铁盾构工程施工项目统计表1深圳城市轨道交通9 号 线 BT 项 目9104-2 标段中建隧道市政工程项目共两站两区间,车站为鹿丹村站、人民南站,区
10、间为鹿人区间、人向区间,区间双线全长 3039m,均采用盾构法施工。已竣工序号项目名称承建单位项目类型工程简介备注2南宁市轨道交通 2号线 9 标段中建隧道市政工程项目共一站四区间,车站为西津站,区间为三苏区间、苏安区间、安西区间以及出入段线,区间双线全长 6763m,基本采用盾构法施工。已竣工3长沙市轨道交通 3号线土建施工 SG-8标朝阳村盾构工区项目中建隧道市政工程项目共两区间,分别为朝长区间、长烈区间,区间双线全长 3886m,均采用盾构法施工。在施4长沙市轨道交通4号线一期工程土建施工“投资+总承包”第一标段二项目中建隧道市政工程项目共一站四区间,车站为汉王陵公园站,区间为湘汉区间、
11、月湘区间、罐月区间以及出入段线,区间双线全长8352m,均采用盾构法施工。在施5长沙市轨道交通 4 号线一期工程土建施工“投资+总承包”第一标段六项目中建隧道市政工程项目共一站五区间,车站为溁湾镇站,区间为六望区间、望溁区间、溁湖区间、湖湖区间、湖阜区间,区间双线全场 10743m,均采用盾构法施工。在施6长沙市轨道交通 5 号线一期工程土建二标5工区项目中建隧道市政工程项目共两站两区间,车站为鹿丹村站、人民南站,区间为鹿人区间、人向区间,区间双线全长 3039m,均采用盾构法施工。已竣工87长沙市轨道交通 6号线工程中段(东区、西区)土建工程施工“投资+总承包”项目第二标段三项目中建隧道市政
12、工程项目共一站四区间,车站为麓枫路站,区间为麓松路站麓谷西站区间、麓谷西站麓枫路站区间、麓枫路站玉兰路站区间、玉兰路站望岳路站区间,区间双线 全 长8087m,均 采 用 盾 构 法 施 工。在施8长沙市轨道交通 6号线中段(东区、西区)土建施工“投资+总承包”第二标段六项目中建隧道市政工程项目共一站三区间,车站为岳华路站,区间为岳桐区间、岳教区间、教望区间,其中岳桐区间双线全长 1780m,采用矿山法施工;岳教、教望区间双线全长 2989m,均采用盾构法施工。在施9徐州市城市轨道交通 1 号一期工程 3标、4 标(营改增)项目中建隧道市政工程项目共四站四区间,车站为西安路站、文化宫站、徐州火
13、车站站、彭城广场站,区间为徐站区间、文徐区间、彭文区间、西彭区间,区间双线全长 4800m,均采用盾构法施工。在施10徐州市城市轨道交通 3号线一期工程土建 1 标项目中建隧道市政工程项目共两站三区间,车站为下淀站、大庆路站,区间为下大区间、大徐区间、徐复区间,其中下大区间双线全长539.4m,采用矿山法施工;大徐、徐复区间双线全长2045m,均采用盾构法施工。在施11深圳市前海市政配套土建预留工程土建9111 标段中建隧道市政工程项目共一站一区间,车站为怡海站,区间为梦怡区间,区间双线全长 666m,采用盾构法施工。在施12深圳市城市轨道交通 9 号线西延线工程 9112-1 标项目中建隧道
14、市政工程项目共两站两区间,车站为荔林站和南油西站,区间为怡荔区间和荔南区间,区间双线全长 2705m,采用盾构法施工。在施13深圳市城市轨道交通 13 号 线 工 程13503-2 标项目中建隧道市政工程项目共一站一区间,车站为留仙洞站,区间为留白区间,区间双线全长 9217.037m,采用 EPB 和 TBM 双模式盾构法施工。在施14南宁市轨道交通 4号线 1 标土建 1 工区项目中建隧道市政工程项目共洪运路站那历村站那洪立交站两个区间,区间双线全长约 4853m,均采用盾构法施工。在施15南宁市轨道交通 4号线 1 标土建 5 工区项目中建隧道市政工程项目共一站一区间,车站为玉象路站,区
15、间为五玉区间,区间双线全长 4910m,采用盾构法施工。在施16南宁市轨道交通 5号线土建 03 标 14工区中建隧道市政工程项目共两区间,邕降区间、降金区间,区间双线全长3905m,采用盾构法施工。在施17合肥市轨道交通 5号线土建施工总承包二标项目中建隧道市政工程项目共 1 站 6 区间,车站为杭州路站,区间为包华区间、渡包区间、杭渡区间、杭中区间、紫中区间、扬紫区间,区间双线全长 10208m,均采用盾构法施工。在施18郑州市轨道交通 3号线一期土建工程06 工区项目中建隧道市政工程项目共一站两区间,车站为太康路站,区间为黄金区间、金太区间,区间双线全长 1582m,均采用盾构法施工。在
16、施19重 庆 交 通 9 号 线TBM 工区中间隧道市政工程项目共 2 个标段,8 标包含 3 个区间,分别为刘鲤区间、鲤观区间、观蚂区间,区间双线全长 5172m,均采用复合式 TBM 施工;12 标包含 2 个区间,分别为青宝区间、宝兴区间,区间双线全长 3962m,均采用复合式 TBM 施工。在施20新加坡 C715?-?北东延长线盾构隧道项目中建隧道市政工程项目共一区间,区间双线全长 1401m,采用盾构法施工。在施地铁盾构工程的背景和概况9第 二 章地铁盾构工程技术特点和重难点1盾构施工特点盾构法作为一种先进的隧道施工工法具有以下特点:(1)盾构施工无需大面积迁改建筑、管线等,对周边
17、环境干扰较少,对地面交通及居民生活较小,施工不受地形地貌,江河水域、天气等条件限制。(2)盾构设备是针对某一类地质条件、隧道断面尺寸、埋深条件、围岩等进行设计、制作或改造,盾构设备的适应性、可靠性分析是必不可少的步骤。(3)对施工精度的要求高。区别于一般的土木工程,盾构施工对精度的要求非常高。管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。由于断面不能随意调整,对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。(4)管片内径小于盾构外径,盾构施工一旦开始,具有不可逆的特点。对于受困的盾构机,通常采用辅助措施脱困。2盾构施工重难点地铁盾构工程施工重难点如表 2-1 所示。表 2-1?地铁盾构工程技术重难点表
18、序 号重难点描 述措 施1沉降控制地铁盾构隧道施工受土压平衡建立、出土量控制、地层扰动、纠偏、同步注浆效果等因素影响,易造成地层应力变化、水土流失,从而引起地表隆陷、建构筑物和管线沉降破坏等,严重时影响城市地表管线安全及道路安全运营。沉降控制分事前、事中和事后控制,通过预加固、盾构施工参数控制和跟踪加固进行沉降控制,对重要建构筑物,必要时进行人员疏散等风险预控措施。2特殊地段盾构区间下穿江河、既有线、重要建构筑物,穿越溶岩区、上软下硬地层、全断面硬岩地层等特殊地段,可能发生隧道透水、喷涌、超挖、姿态偏差超限、盾构机下沉陷落、成型隧道管片破损、错台和渗漏水等风险。对区间地质进行补勘,分析地质条件
19、,采取预注浆加固、自动化监测、加强掘进参数管理、等方式控制。3成型隧道防水盾构隧道防水是施工控制重点,成型隧道防水效果的好坏与管片自防水、接缝防水、接口防水密不可分。应重点控制管片生产原材和制作工艺质量控制、管片运输保护、防水材料质量和粘贴效果、盾构施工参数控制、注浆材料质量和注浆参数控制、管片与洞门和联络通道等接口防水施工质量等。4开仓换刀地铁盾构隧道施工,在硬岩、长距离复合地层、软硬不均等环境掘进时,因刀具磨损,导致掘进速率降低,一般需要进行开仓检查及刀具更换。开仓方式分为常压开仓、带压开仓和填仓方式,根据不同的地质条件,选择合适的开仓方式,必要时,需对地层进行预加固处理后再行选择开仓方式
20、。地铁盾构工程技术特点和重难点13第 三 章地铁盾构工程主要施工技术总结主 机发动机功率潍柴斯太尔 225kW(2200r/min)给进力/回拖力610/610kN额定回转扭矩27000Nom(45r/min)13500Nom(90r/min)主轴转速045r/min090r/min给进行程6m导向孔直径240mm钻进角度816行走速度1.53.0km/h结构型式钢履带,马达齿轮齿条给进,驾驶室吊机,泥浆泵一体机吊机2 吨直臂吊机外形尺寸(LWH)900027502800mm质量22000kg泥浆泵规格型号BWF-600最大流量600L/min最高压力8Mpa质量650kg制浆系统选配1盾构复
21、杂环境长距离穿越铁路枢纽关键技术1.1?技术背景复杂环境下的铁路枢纽工程,由于铁路运输繁忙,无法进行地质勘察,铁路轨线对地层沉降变化敏感。因此,涉铁工程需解决不影响运营的情况下,完成地质补勘及实时监测。在这种条件下,徐州地铁 1 号线下穿徐州火车站铁路枢纽工程采用了水平定向钻进行地质勘察,并采用自动化监测对铁路枢纽进行实时监测,为盾构安全顺利下穿提供了可靠的数据支持。1.2?水平定向勘探技术1.2.1?设备选型根据基岩地层的基本情况和设计轨迹的圆滑程度,选择连云港黄海机械制造的FDP-60 非开挖导向钻机。与 FDP-60 非开挖定向钻机配套主要设备有外挂泥浆泵(额定流量 1000L/min)
22、、泥浆搅拌罐(10m3)、配浆罐(22m3)。非开挖定向钻机技术参数如表3-1-1 所示。地铁盾构工程主要施工技术总结表 3-1-1?FDP-60 非开挖定向钻机技术参数17钻辅具系统钻杆规格1026000mm钻杆质量140kg/根导向钻头170(230)mm扩孔钻头(切削式)500分动器80t1.2.2?工艺流程非定向钻施工流程如图 3-1-1 所示。1.2.3?关键技术控制要点水平定向勘探施工可分为定向孔成孔和物理勘探两部分,定向成孔关键环节包含钻孔路径的干扰标识、控向系统调校、试钻、定向钻进、套管下设。1.2.3.1?钻孔路径的干扰标识施工前,沿钻进计划线路标识信号干扰区,在钻进至此区域
23、时提示定位操作员注意工图 3-1-1?施工工艺流程图18具面角变化,及时调整钻进参数,合理穿越信号干扰区域。1.2.3.2?控向系统调校严格按控向系统调校程序对定位系统进行调校,包括基准方位角测定和干扰误差测定,定向软件系统采用 SteeringTool?2.9。轨迹基准线采用 1954 坐标系正东西向,用全站仪自入土点开始每 20m 放一参照点后,用探棒测定基准方位角。控向系统调校如图 3-1-2所示。图 3-1-2?控向系统调校1.2.3.3?试钻调试完成后,按地质条件、工程需要配好足量泥浆,进行钻机泥浆试喷射,钻机试钻进23 根钻杆,检测各部位、各系统的运行情况,对发现的问题及时处理。试
24、钻调试如图3-1-3 所示。图 3-1-3?试钻调试1.2.3.4?定向钻进(1)及时调整处理剂剂量,在泥浆的性能调整上要极大地增强其抑制性,严格控制泥浆的失水量,防止粘土的水化膨胀,防塌、防卡;适当降低粘度的切力,提高泥浆的助变性地铁盾构工程主要施工技术总结19和流动性,保持岩屑顺利返出地面;保证泥浆的润滑性,减少钻具阻力。(2)施工阶段要求尽可能将孔内的泥砂携带出孔外,同时维持孔壁的稳定;其基本配方是:10%预水化膨润土+4%增粘剂+4%降失水剂。(3)增强泥浆的造壁性,防止井壁塌方,防止缩径。要求泥浆具有很好的护壁效果,提高泥浆携带能力;其基本配方为:10%预水化钠基膨润土+0.5%提粘
25、剂+0.5 降滤失剂。(4)提高泥浆的润滑性,保证降低摩阻,增强携岩粉效果,严格防止钻屑床的形成,防塌、防卡;其配方如下:10%预水化膨润土+0.5%提粘剂+0.5 降滤失剂+0.3%润滑剂。(5)在整个钻进过程中,应努力做好通讯联络,充分利用对讲机、手机等通讯工具,使关键人员在整个过程中均处于受控状态,及时准确处理施工问题,确保定向穿越一次成功。(6)实际定向过程中,注意避免钻孔局部曲率过大。要做到勤定向、勤纠偏,多采用复合钻进方法尽量实现钻孔轨迹平滑,以保障水平定向钻进顺利完成,同时要方便后期综合测井或孔内成像等物探方法的顺利实施。(7)对于地层破碎带,进行套管加过或注浆处理,以做到孔壁稳
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