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,盾构施工技术,1、盾构机简介2、盾构机的选型3、盾构机始发4、盾构机掘进5、盾构施工管理,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。,盾构机在国内的应用前景领域,(1)西部开发将修建大量铁路和公路隧道(2)开发利用城市地下空间将建设的地下隧道
2、工程(3)水利、水电站地下隧道工程(4)长大跨海越江隧道工程(5)南水北调工程将要开挖大量输水隧道,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。,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,地表沉降较难控制;3、用于施
3、作小曲率半径(R20D)隧道时掘进较困难。,(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,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破岩切削需要。
4、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。,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。,盾构机刀盘(直径6280MM),盾构机主体(全长8.5M),中、前、尾盾,盾构机后续台车,VMT系统显示面板,连接桥,螺旋机,加注泡沫,人闸,液压马达,同
5、步注浆泵,盾构机主控室控制面板,盾构机主控室、司机操作间,2、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。,表1-2 国内五大城市地铁工程使用的盾构机,(2)盾构施工的新技术,A、自动化和省力化技
6、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。B、与高深度化和长距离化相对应的技术。高水压对应技术,切削刀具更换技术,高速施工技术等。C、特大直径和特小直径盾构机。D、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、异形断面盾构等。,MMST多轴盾构,14.1M直径的盾构机东京弯,MF盾构机及工法,HV盾构机,DOT盾构机(DOUBLE-0-TUBE),异型断面盾构机,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。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
7、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。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,盾构机与盾构施工技术在中国将得到快速的应用和发展。,(3)盾构机在国内应用发展前景,(二)盾构机的选型,根据施工要求及地质条件作好盾构选型工作 与其它隧道施工方法不同,盾构机是根据每一个施工区段的地质条件、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。,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
8、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。,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
9、辅助工法的综合比较分析 盾构的选定,盾构机的选型,(粘土),(粉土),复合式盾构Mixed Shield,盾构类型Shield Machine Mode,硬岩式 hardROCK,土压平衡式EPB,开式 Open mode,水力式Hydro,泥水平衡式Slurry Balance,土压平衡盾构机工作原理,水 土压+压=土仓压力力 力,复合式泥水盾构工作原理,复合式盾构压力调整原理图,泥水盾构进排泥系统,泥水系统示意图,泥水输送基本程序图,图7-4-5-6 泥水输送基本程序图,盾壳结构示意图,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,盾构机组成部分主体结构:盾体(前盾、中
10、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,刀盘转速和扭矩示意图,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:,(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
11、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。,(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。,(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
12、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。,(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,盾构机安装示意图,吊运刀盘,吊运盾尾,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900mm、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,盾构机始发前的洞门加固,始发前的洞门破除,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
13、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,由于洞圈与盾构外径有一定的间隙,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,洞门临时密封装置,反力架及负环管片示意图,安装反力架及负环管片示意,盾构始发实况,盾构掘进由操作司
14、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、盾构机掘进,(四)、盾构机掘进,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
15、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。,隧道盾构掘进示意图,开挖,衬砌,出土,运输,盾构操作室,司机操作,盾构机掘进,盾构机掘进实况,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,当从盾尾台车门架下中线驶来的列车经过洞内道岔进入另一侧轨道线后,等候的列车立即过岔进入盾尾台车架下的中线进行装碴、卸管片作业,尽量缩短两列车之间的等候时间。,螺旋机将密封仓内的土输送到皮带运输机上,再由皮带输送至泥斗中,由电瓶车将
16、泥斗车通过隧道内钢轨拖运至井口,泥斗由地面上的门吊吊运至井上,倒入地面渣土池中,夜间再装车外运。,2、运输与出土,运送管片,运送碴土,皮带输送机上出土现况,土斗吊运现况,道岔,龙门吊,准备好管片螺栓,然后装上螺栓止水橡胶圈,清理盾尾积水、淤泥,备好紧螺栓工具。盾构机司机根据盾尾间隙,千斤顶行程及WMT自动导向系统计算出的封顶块位置综合确定封顶块位置,然后通知地面工程师。地面工程师根据盾构机司机提供的下一环封顶块位置安排工人把管片按拼装顺序吊至管片车上。安排三辆运输车运输一环管片,每一辆管片车堆两块管片,把最先安装的管片放最上面,其余类推,封顶块放在第三辆管片车上的最上面。管片运输车开到1#2#
17、台车位置。利用管片吊车将管片吊至管片输送器中间(期间把管旋转900)。管片随管片输送器一起向前移动进入一个循环状态(一个循环包括:吊起、前移、下降、后退),按以上步骤将管片(根据安装进度)放置在管片安装位置。,(1)管片拼装准备,3、管片与管片拼装,根据管片安装顺序,将须安装管片位置的千斤顶缩回到位,空出管片拼装位置。用管片安装摇控器操作,管片安装头须与管片调整好相对位置(通过调整安装头上的六个自由度),然后吊起管片。将管片旋转至最终的正确位置上。穿上螺栓,拧紧螺栓(纵向与环向螺栓)。将该管片位置的千斤顶伸长,顶住管片。在作上述工作的同时,管片输送器继续按拼装顺序输送管片至安装位置。余下管片重
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