盾构设备及关键施工技术.ppt

盾构设备及施工关键技术目录 一、盾构的基本部件、作用原理 二、盾构施工沉降控制 三、案例一、盾构的基本部件、作用原理1.盾构的基本部件盾构的基本部件 盾构机主机主要由壳体、刀盘及驱动系统、拼装机、螺旋输送机、推进系统、等几大部份组成。土压平衡盾构机主要部件构成示意图土压平衡盾构机主要部件构成示意图 盾构机主机图一、盾构的基本部件、作用原理一、盾构的基本部件、作用原理一、盾构的基本部件、作用原理1.1盾构壳体 保护掘进设备的钢结构外壳。包括切口环、支承环、盾尾一部分。切口环：切口环是保持开挖面的稳定、将挖掘下来的 土砂向 后方移动的通道。支承环：支承环是盾构承受土压力及主机设备载荷的受力构件。盾尾：盾尾的长度应根据衬砌环在盾构内的组装长度和盾尾密封的形状及其段数决定，同时考虑到隧道的曲线施工等因素，需要有一定的富裕量。一、盾构的基本部件、作用原理1.2刀盘 在盾构前端装有刀具，能旋转切削土体的钢结构组合体。土压平衡式盾构土压平衡式盾构泥水加压平衡盾构泥水加压平衡盾构海瑞克刀盘海瑞克刀盘有固定搅拌棒刀盘有固定搅拌棒刀盘无固定搅拌棒刀盘无固定搅拌棒刀盘一、盾构的基本部件、作用原理刀具贝壳刀贝壳刀一、盾构的基本部件、作用原理1.3刀盘驱动装置 驱动刀盘旋转的装置。有液压驱动、变频电机驱动、定速电机驱动一种形式。该装置包括液压马达、电动机或变频电机、减速器、大小齿轮、大轴承等。盾构或顶管大刀盘的设计扭矩(T)般按T=D3 经验公式计算，其中是扭矩系数，D是盾构的直径。一、盾构的基本部件、作用原理1.4管片拼装机拼装管片的机械装置。能夹持管片，作圆弧运动、径向运动和纵向运动等。一、盾构的基本部件、作用原理及施工工法拼装机盘体回转有快慢速度，采用了遥控拼装机技术，降低了设备的维修率，改善了作业人员的工作强度和安全性，提高了管片的拼装质量和工作效率。一、盾构的基本部件、作用原理驱动驱动螺杆螺杆筒体筒体螺旋机驱动结构图螺旋机驱动结构图闸门装置闸门装置轴承轴承油马达油马达测速齿轮测速齿轮1.5螺旋输送机 输送土仓中土体的机械装置，包括螺旋部分、驱动和闸门等装置。根据螺旋的形状，可分为有轴螺旋输送机和无轴螺旋输送机。一、盾构的基本部件、作用原理一、盾构的基本部件、作用原理1.6盾尾密封系统盾尾密封系统 为防止衬砌环与盾构之间施工空隙涌水、漏泥而设置，为防止衬砌环与盾构之间施工空隙涌水、漏泥而设置，由盾尾密封和油脂加注装置等组成的系统。由盾尾密封和油脂加注装置等组成的系统。盾尾油脂泵盾尾油脂泵盾尾密封示意图盾尾密封示意图盾尾密封装置结构图盾尾密封装置结构图 盾尾密封刷盾尾密封刷盾尾密封刷盾尾密封刷一、盾构的基本部件、作用原理1.7推进液压缸推进液压缸 用来推动盾构前进的液压缸，能克服盾构推进用来推动盾构前进的液压缸，能克服盾构推进时所遭遇的阻力。时所遭遇的阻力。推进泵组推进泵组阀组阀组一、盾构的基本部件、作用原理1.8后方台车后方台车 在隧道内装载着掘进所需主要机、电、液装备并跟随在隧道内装载着掘进所需主要机、电、液装备并跟随在盾构后行走的台车。在盾构后行走的台车。一、盾构的基本部件、作用原理1.9皮带机皮带机 一、盾构的基本部件、作用原理1.101.10同步注浆系统同步注浆系统 盾构施工隧道时，当盾构的盾尾脱离管片衬砌后，管片背盾构施工隧道时，当盾构的盾尾脱离管片衬砌后，管片背面和地层之间形成一定的建筑空隙，若不及时回填这一空隙，面和地层之间形成一定的建筑空隙，若不及时回填这一空隙，会造成地表沉陷，进而对邻近的建筑物等产生破坏性的影响。会造成地表沉陷，进而对邻近的建筑物等产生破坏性的影响。因此，及时填充这一空隙的注浆系统是盾构的重要组成部分。因此，及时填充这一空隙的注浆系统是盾构的重要组成部分。同步注浆系统图同步注浆系统图 一、盾构的基本部件、作用原理 为确保隧道曲线段施工而设置。主要由铰接液压缸、密封为确保隧道曲线段施工而设置。主要由铰接液压缸、密封 装置以及铰接止转装置等组成。装置以及铰接止转装置等组成。1.11铰接装置铰接装置 一、盾构的基本部件、作用原理一、盾构的基本部件、作用原理复合盾构（混合盾构）复合盾构（混合盾构）二、盾构施工沉降控制1、盾构施工土体纵、横向位移盾构施工地面沉降规律：盾构推进施工引起的地表和土体沉降位移的历时变化一般分为盾构到达前、盾构到达、盾构通过时、盾构通过、后续沉降5个阶段。(1)盾构到达前的超前沉降在切口3-20m处一般发生沉降，但沉降量很小，主要是盾构掘削面引起的地下水位降低而发生的。当离盾构切口较近时，受开挖面后土体的位移而引起应力释放发生隆沉。(2)盾构到达时的隆沉在切口0-3m范围内发生隆沉变化。当盾构设定土压值较大、推力较大、出土量小于100%时，地表呈隆起；当设定土压值较小、推力较小、出土量大于100%时，地表呈隆沉变化。（3）盾构通过时的沉降：在盾构切口至盾尾范围内，一般发生沉降变化，主要由盾构超挖、土仓压力低、注浆压力不够、纠偏蛇行引起的土体扰动。（4）盾尾通过后的隆沉：盾尾离开0-5m范围内，因注浆不及时及注浆压力不够而会发生较大沉降；若采用同步注浆，并及时、充足地注浆，则不易发生沉降，若过量注浆，则发生隆起。（5）后续沉降：由于盾构施工过程中因挤压、超挖、蛇形、注浆等扰动土体后，土体缓慢固结产生的沉降。其特点是沉降时间很长。盾构机盾构机推进方向推进方向管片管片横向位移1969年，美国科学家P.B.Peck结合采矿引起地面沉降槽的形状近似于概率论中的正态分布曲线，如图1-1所示。并给出地面沉降的横向分布估算公式 图1-1 隧道上部沉降槽断面形状2、盾构到达前隆沉（1）原因盾构到达前，因为土压力的原因，使土层失水，一般造成地层的微沉；（2）措施合理设定土压力，加强塑流化改造；过建、构筑物及重要管线准备好后连续通过。3、盾构到达沉降及控制（1)建立持续稳定合理的土压（图二）(2)影响建立土压的因素a土压仓土体流塑添加材料：加泥（膨润土），泡沫，水，化合物；加入位置：刀盘辐条，中心刀，土舱内；b盾构设备盾构机扭矩：尽量确保刀盘扭矩能力，掘进过程中施工扭矩一般控制在额定扭矩的80%以下为宜；刀盘形式：刀盘结构：4盾构通过沉降原因及控制（1）原因：a设备原因；b土压不平衡。（2）措施：a设备改进；b增稠泥浆注入系统；c加快推进。5、盾尾到达沉降及控制同步注浆的目的：一、防止地层变形，二、提高隧道的抗渗性；三、管片受外力均匀。（1）影响沉降的因素：a浆液流动性、稳定性；b体积收缩率；c浆液凝结时间；d注浆压力；e设备能力（盾尾漏浆、被动铰接、双液注浆）（2）措施：a加快浆液凝结时间；b提早二次补浆；c在保各项参数的情况下加快推进。静止土压力静止土压力=H （图（图5）不同注浆浆液及特性单液浆，双液浆液；（2）注浆量及压力控制合理注浆压力，确保填充率，双液浆沉降量小。（3）盾尾密封6、后期沉降（1）机理由于盾构土仓压力变化作用、推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区，其超孔隙水压在盾构隧道施工后的一段时间内消散复原，在此过程中地层发生体积损失，引起地面沉降。地层因孔隙水压力变化而产生的地面沉降，称之为主固结沉降(排水固结）。土体受到扰动后，土体骨架还会发生持续很长时间的压缩变形。在此土体蠕变过程中产生的地面沉降为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中，次固结沉降往往要持续几年以上。（2）采取措施1）从隧洞内往土体劈裂注浆；2）从地面进行注浆补偿；3）盾构机壁外减阻。三、辅助工法控制沉降1、隔离桩2、地层加固3、洞内沉降补偿劈裂注浆三三.案例案例三.案例1.1.含水小粒径砂卵石，且含砂量不均含水小粒径砂卵石，且含砂量不均 变化地层变化地层案例：案例：北京南水北调配套工程（一期）北京南水北调配套工程（一期）2 2 标段（颐和园北标段（颐和园北宫门段）宫门段）一期检修闸一期检修闸1、曲线上始发，连续两个R400m半径的急曲线和6.7大坡度，并穿越高密度、低矮、结构很差的平房和浅覆土河道；2、不足2m的超近距离条件下穿大型立交桥越群桩基，桥桩竖向沉降和水平位移要求十分严格，仅仅2mm，国内尚无同类工程；3、盾构全程均在圆砾石低含砂量高水位地层内掘进，其中700m为全断面圆砾层。1.1工程概况工程概况（1）盾构穿越断面地层大部分为圆砾层,富含地下水,地层透水性很强；（2）盾构段总长1961m，穿越断面地层主要为含砂量很低的圆砾层，部分地段夹有中细砂。地勘报告中显示圆砾最大粒径为17cm，平均粒径510cm；（3）盾构穿越地层地下水比较丰富，且工程位置与清河相距较近（约30m），地下水与清河存在水力联系。工程地质条件和水文条件对盾构施工影响较大，是本工程的特点和难点。1.2地质、水文条件地质、水文条件三.案例 北五环肖家河立交桥上部结构为预应力混凝土连续箱梁，桥桩均为直径1.2m钻孔灌注摩擦桩，桩长约20m。两根一组，通过承台联系，承台上为独柱。1.3穿越桥桩简介穿越桥桩简介三.案例 隧顶覆土厚度约12m，盾构由西向东依次穿越肖家河桥北侧B匝道ZB10#ZB11#轴间、Y线YZ8#YZ9#轴间以及D匝道ZD-1#ZD-2#轴间。所穿越桥桩编号为ZB10、ZB11、ZD1、ZD2和YZ8，共计有16根桩受影响，其中，距桩基YZ-8最小水平距离仅1.975m，平均距离在3m左右。输输水水隧隧洞洞轴轴线线输输水水隧隧洞洞轴轴线线ZB-10三.案例通过情况：桥梁差异沉降2mm；完全满足桥梁设计要求及使用要求，得到业主单位的一致好评。该工程施工时间：2007年7月初至10月中旬。（1）单班（12小时）最快18环；（2）单周最快181环；（3）单月最快634环。沿线沉降最大值10mm中间全线一次穿越，没有更换刀具三.案例2 2 含水小粒径砂卵石，且含砂量大含水小粒径砂卵石，且含砂量大于于30%30%地层案例：地层案例：沈阳地铁一号线沈阳地铁一号线1313标标 沈阳地铁一号线沈阳地铁一号线1313标工程施工场地位于沈阳市和平区与标工程施工场地位于沈阳市和平区与沈河区交接地段，标段单线长沈河区交接地段，标段单线长1330.267 m1330.267 m。2.1工程概况工程概况盾构穿越断面地层大部分为圆砾层盾构穿越断面地层大部分为圆砾层,富含地下水富含地下水,地层透水性很强地层透水性很强本区间范围内的地形变化平缓，地面标高介于本区间范围内的地形变化平缓，地面标高介于49.6449.6451.72m51.72m，最大地面高差最大地面高差2.08 m2.08 m。地貌类型为浑河新扇。勘察深度内的由第四。地貌类型为浑河新扇。勘察深度内的由第四系全新统人工填筑层（系全新统人工填筑层（Q4mlQ4ml）、第四系全新统浑河新扇冲洪积层）、第四系全新统浑河新扇冲洪积层（Q41al+plQ41al+pl）、第四系上更新统浑河老扇冲洪积层（）、第四系上更新统浑河老扇冲洪积层（Q32al+plQ32al+pl）、）、第四系下更新统冰水沉积地层（第四系下更新统冰水沉积地层（Q1fg1Q1fg1）组成。）组成。本区间隧道上覆地层主要为杂填土本区间隧道上覆地层主要为杂填土层、粉质粘土层、粉质粘土1 1层、粉层、粉细砂细砂2 2层、中粗砂层、中粗砂3 3层，砾砂层，砾砂4 4层和圆砾层和圆砾5 5层，洞身层，洞身穿越地层主要为粉质粘土穿越地层主要为粉质粘土1 1层、中粗砂层、中粗砂3 3层，中粗砂层，中粗砂3 3层，砾砂层，砾砂4 4层、砾砂层、砾砂4 4层，和圆砾层，和圆砾5 5层、圆砾层、圆砾5 5层。层。怀中区间场地内无地表水，在勘察深度内均有地下水，地下水类型为孔隙潜水，稳定水位埋深在7.409.90m，相当于绝对标高42.0342.84m。地下水水温1415。地下水主要补给来源为浑河侧向补给及大气降水垂直入渗补给。主要排泄方式为迳流排泄和地下水的人工开采。地下水流向总的方向是由东向西，含水层的渗透系数平均值为85m/d。标准冻结深度1.2m。建筑物名称建筑物名称与隧道的关与隧道的关系系线路通过范线路通过范围围结构类型结构类型基础类型及其它基础类型及其它承载力承载力隧道隧道埋埋 深深(m)西顺城街双线上方DK16+767+780双向8车道城市主干道460Kpa10.638怀远门双线上方DK16+780+812主楼高约8层、耳楼高约5层，灰砂砖墙、砼过梁结构94年维修，桩基础，桩长约。460Kpa11.688兴隆轩右线上方DK16+783+7956层砖混结构基础不详460Kpa11.438金昊名城左线外侧DK16+783+7957层砖混结构古建筑物加固而成。460Kpa11.438古籍书店双线上方DK16+842+8664层砖混结构年代久远，基础不详460Kpa13.088正阳小区81号双线上方DK16+866+9837层砖混结构。桩底标高约，桩基础距离隧道顶部约。人工挖孔桩,桩长,桩径0.8,C20砼。开发商:沈河区房产局修建科；1993年修建460Kpa16.058盛京旅游文化广场双线上方DK17+018dkDK7+0653层基础不详，开发商:沈河区房产局17.888地表建构筑物统计表地表建构筑物统计表2.2盾构下穿建筑群简介盾构下穿建筑群简介 建筑物名称兴隆轩线路通过范围DK16+768DK16+780与隧道的关系右线隧道上方建筑物结构形式6层砖混结构基础类型及其它基础不详地基承载力460Kpa隧道覆土厚度(m)11.438兴兴隆隆隆隆轩轩怀远门怀远门 建筑物名称怀远门线路通过范围DK16+780DK16+812与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式主楼高约8层、耳楼高约5层，灰砂砖墙、砼过梁结构基础类型及其它桩基础，桩长约10m地基承载力460Kpa隧道覆土厚度(m)11.688 备注94年维修过一次 建筑物名称古籍书店线路通过范围DK16+842DK16+866与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式4层砖混结构基础类型及其它年代较久，基础不详地基承载力460Kpa隧道覆土厚度(m)13.088备注94年维修过一次 建筑物名称正阳小区线路通过范围DK16+866DK16+983与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式7层砖混结构基础类型及其它人工挖孔桩、桩长10米，桩基础距离隧道顶部约5.5m地基承载力460Kpa隧道覆土厚度(m)16.058备注1993年建造 建筑物名称盛京旅游文化广场线路通过范围DK17+018DK17+065与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式3层砖混结构基础类型及其它基础不详地基承载力400Kpa隧道覆土厚度(m)17.888备注 建筑物名称文轩阳光园线路通过范围DK17+170DK17+240与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式6层基础类型及其它挖孔桩最深9米，桩径0.8-1.2米地基承载力400Kpa隧道覆土厚度(m)20.965备注2001年修建 建筑物名称紫金商厦线路通过范围DK17+280DK17+360与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式地上7层，地下1层基础类型及其它桩基类型不详，桩基础底标高为39米，距离隧道顶约12.5m地基承载力400Kpa隧道覆土厚度(m)21.968备注1993年修建建筑物名称文化大楼线路通过范围DK17+385DK17+422与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式4层，局部5层基础类型及其它桩基类型不详，桩基础底标高为37.4m，距离隧道顶约11.1m地基承载力400Kpa隧道覆土厚度(m)21.968备注1993年修建 建筑物名称沈阳春天线路通过范围DK17+660DK17+710与隧道的关系左线旁建筑物结构形式地上7层，地下2层基础类型及其它人工挖孔桩，桩长10m地基承载力540Kpa隧道覆土厚度(m)20.171备注1993年修建，底部有防空洞 区间隧道穿越中街路的步行街，长约298.2m，右线隧道从步行街南边房屋底穿过，左线从步行街街中心穿过，左线距离北边房屋基础最小6.23m（沈洲商场），距离南边房屋最小5.54m。因此右线隧道掘进通过步行街影响最大的是南边的房屋建筑。工程特点工程特点 本段施工又不同于一般圆砾层的盾构施工，主要有以下本段施工又不同于一般圆砾层的盾构施工，主要有以下几个特点，根据此特点，我们制定了一些针对性措施。几个特点，根据此特点，我们制定了一些针对性措施。2.3工程特点工程特点 下穿建筑物沉降的控制下穿建筑物沉降的控制安全安全评估估合理参数合理参数 合理调整盾构机掘进参数合理调整盾构机掘进参数（掘进速度，土压力控制，（掘进速度，土压力控制，刀盘转速、塑流化改造、刀盘转速、塑流化改造、同步注浆、三次补注浆等）同步注浆、三次补注浆等），以快速、匀速、连续的，以快速、匀速、连续的原则施工。原则施工。减阻注减阻注浆 在盾构机机头、机在盾构机机头、机尾外注入减阻浆液，尾外注入减阻浆液，从而降低推力，降从而降低推力，降低对盾构外土体的低对盾构外土体的扰动。扰动。加加强监控控 加强建筑物的监加强建筑物的监控量测，根据反控量测，根据反馈数据及时调整馈数据及时调整掘进参数。掘进参数。施工前，对建筑物现施工前，对建筑物现况进行安全评估，确况进行安全评估，确定沉降等控制基准值，定沉降等控制基准值，以此为依据确定一级以此为依据确定一级汇报制度，确定预警汇报制度，确定预警值、警报值。值、警报值。2.4沉江控制措施沉江控制措施该工程实施时间：2008年10月初至2009年9月中旬。（1）单班（12小时）最快19环；（2）单周最快179环；（3）单月最快701环。沉降控制在5mm之内；单向区间没有检修刀具；2.5掘进效果介绍掘进效果介绍3 3 无水大粒径砂卵石，且含砂量不均无水大粒径砂卵石，且含砂量不均匀变化地层案例：匀变化地层案例：北京地铁九号线北京地铁九号线0303标标 丰台东大街站丰台北路站区间沿丰台东大街下方设丰台东大街站丰台北路站区间沿丰台东大街下方设置，整体呈南北走向，隧道覆土置，整体呈南北走向，隧道覆土9 912m12m。3.1工程概况工程概况 丰台东大街站丰台北路站区间沿丰台东大街下方设置，整体呈南北走向，隧道覆土912m。盾构穿越地质自上而下依次为杂填土、粉质粘土5、卵石圆砾、卵石圆砾。盾构机主要穿越层为圆砾卵石层，地勘揭露最大粒径420mm，估计最大粒径不小于600mm，一般粒径2080mm，粒径大于20mm的颗粒约为总质量的55%75%，卵石单轴抗压强度87.74165.16MPa，盾构穿越地层内无地下水。3.2地质水文条件地质水文条件车站挖掘砾石状况车站挖掘砾石状况入洞口处砾石入洞口处砾石 该地层中卵石粒径较大，硬度非常高，且地层中不含地下水，该地层中刀具合金损坏较快，该地层中盾构施工被定义为世界性难题，其它相邻标段盾构施工均半途而废，改为暗挖施工，如此恶劣地层条件下我们仍创造了以下优异的成绩。该工程进行时间：2011年2月20日2011年6月底。单班（12小时）掘进记录：20环 日掘进记录：35环；周掘进记录：187环；月掘进记录：450环。3.3掘进效果介绍掘进效果介绍谢 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