盾构施工技术

土压盾构机施工技术让世界更畅通Contents目录一、盾构机简述二、土压盾构机施工技术三、土压盾构机施工风险控制四、案例分析一、盾构机简述盾构机的选型三盾构机的分类一盾构机的基本构造及工作原理二一、盾构机的分类盾构机均一地层盾构机复合地层盾构机地层盾构机岩层盾构机混合盾构机土压平衡型盾构机泥水盾构机开胸模式欠土压模式闭胸模式加气压模式泥水模式加气压模式隧道掘进机总称地层分类与盾构机之间的关系盾构机的适应性分类盾构机选型(二类)盾构机选模式(六种)全断面隧道掘进机硬岩隧道掘进机(TBM)（软土、软岩）1）通过土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。2）通过螺旋输送机排放渣土。1.土压平衡盾构机主要用于软土、砂土、杂填土、粘土、粉质粘土、砂质粘土、淤泥质粘土、粉土、交杂少量砾石等地层，如北京、上海、西安、南京、长春、苏州等地铁部分标段。1）软土土压平衡盾构机2）复合式土压平衡盾构机主要用于长沙、昆明、南京、南昌、南宁等中风化、微风化砂质泥质板岩、中风化泥质粉砂岩、砾砂、角砾、块石、圆砾、碎石等交互复合地层，及用于成都、兰州、广州、深圳等中粗砂、松散卵石、密实卵石、上软下硬、岩层等地层。2.泥水平衡盾构机1）通过泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。2）开挖的渣土以泥浆形式输送到地面，经过分离再循环至开挖面。泥水平衡盾构机日系泥水盾构常采用直控式，德系泥水盾构常采用气垫式。日系德系主机尾盾中盾前盾拼装机抓取头防涌门管片拼装机托梁刀盘人舱盾尾刷螺旋机出土门螺旋输送机驱动部分推进油缸刀盘二、盾构机的基本构造及工作原理1.土压平衡盾构土压平衡盾构结构刀盘前盾尾盾中盾连接桥皮带机管片吊机轨道连接桥走道板皮带机从动滚筒管片吊机连接桥前盾中盾尾盾操作室注浆系统膨润土液压站油脂系统配电柜循环水系统变电站污水站电线储存架设备预留区水管卷筒1号台车2号台车3号台车4号台车5号台车6号台车连接桥主机盾尾密封人员舱螺旋输送机管片安装机InjectionLowpressuregradientExcavationchamber80%70%50%0%0%80%100%WithoutinjectionWithinjection50%70%Plugarea100%95%90%85%ScrewconveyorDischargeEarthPressureEarthpressuredistributiondiagramTunnellingEquipment土压平衡盾构渣土压力分布图利用盾构施加于开挖舱内渣土的压力平衡开挖面水土压力土压盾构工作原理盾构法基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件被称为盾构。盾构的另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。切削刀盘刀盘驱动马达排浆泵操作控制台推进千斤顶环片拼装机密封油脂装置气锁室压力夹舱密封隔舱板刀盘及切口环支撑环前端支撑环后端盾尾2.泥水盾构泥水平衡盾构机的主要结构泥水平衡盾构机的工作原理进泥管排泥管气压调节管开挖泥水舱气压调节舱泥水盾构与土压平衡盾构的选择武汉地区掘进地层主要为粘土、淤泥及少部分角砾，故选择复合式土压平衡盾构机。泥水盾构特点土压平衡盾机特点场地要求较高；施工费用相对多；场地要求较低；施工费用相对少；三、盾构机的选型面板式刀盘辐条式刀盘面板式：优点是开口率较小，软土口开口率一般在45%左右，复合地层开口率在30%左右，面板开口小，强度高，易于刀具布置，对正面土体支撑效果较好，土压波动小；缺点是传感器对正面土体的压力反映不够准确，渣土进入土仓相对困难。幅条式：优点是开口率大，渣土易进入土仓，不易形成泥饼，刀盘不易被堵，正面土压能较准确的反映；缺点是正面土压波动较大，容易引起地表沉降，刀盘比较薄弱，不易满足复合地层刀具的布置和刀盘本身刚度的要求。刀盘选型刀具选型滚刀齿刀刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况，进行针对性设计，不同的工程地质特点，采用不同的刀具配置方案，以获得良好的切削效果和掘进速度。切削刀仿行刀刮刀撕裂刀目前市场上螺旋机主要分两种：轴式螺旋机（通过力小，强度大）；和带式螺旋机（通过力大，强度小）；螺旋机选型带式螺旋机轴式螺旋机铰接系统选型主动铰接：为减小铰接油缸受力铰接尽靠前，一般在中部往前。被动铰接：盾尾通过铰接油缸挂在前部，无需专门操作。主动铰接被动铰接刀盘驱动系统选型刀盘驱动一般分为：变频电机驱动和液压马达驱动，如下表：驱动方式传动效率发热量隧道内工作环境重量短时冲击和过载承受能力复合地层中使用调速范围变频电机驱动高小好轻一般少宽液压马达驱动较低较大较差较重略好多较宽二、土压盾构机施工技术盾构机的始发二准备工作一盾构机的掘进三盾构机的接收五盾构机的过站四盾构施工场地布置图盾构施工场地布置：龙门吊设置渣土坑管片堆放场地及材料堆放场地一座高压配电房备用变压器一座砂浆拌合站一、准备工作1、场地布置2、端头加固端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段，主要取决于地质情况、地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。方法主要有旋喷桩法、注浆法、SMW法、搅拌桩法、冻结法、灌注桩法、连续墙法。旋喷桩法对于砂层改良效果好，也适用于淤泥、粉土、粘土层、但砂砾地基和粘着力的的粘土有时不能形成满意的改良桩，施工深度在40m以下时，效果较差。注浆法主要适用于深度较深的砂质地层、砂砾层，地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合，对于水量不大的地段进行加固止水。可进行单液和双液注浆，同时可进行跟踪注浆；浆液种类较多，经济性和可施工性好，材料和施工方法多种多样，需根据地下水、地质、施工环境等来确定，同时要考虑因灌浆而引起地基隆起等的处理对策。搅拌桩法通过搅拌桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变，主要适用于淤泥、粘土层和砂层，但在砂层加固效果差，须与旋喷桩等工法配合使用。优点：工程造价低。缺点：加固不连续，加固体强度偏低。SMW工法适用于砂层、淤泥、粘土层，加固宽度小，造价较低，是此类地层最安全可靠的加固方法之一。该方法成桩效果好，止水性好，对周围地层影响小。优点：加固质量高，桩体连续、强度高（粘土中0.5～1MPa，砂和卵石中0.5～3MPa），适用于各类软土地层。缺点：对于上软下硬地层不适应，造价偏高。冻结法适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层，该施工法的冻土强度和止水性高，通过测量地下温度，便可确认冻土形成状态；加强施工管理，便可得到高可靠性的施工法。而且，冻土墙还能确保长期处于稳定状态。连续墙法始发井的挡土墙作为双层结构的方法，对于土层相对较硬，但渗水量偏大的地层适用。需要注意的是：1、连续墙上部的充填；2、夹层的处理。造价较高，需要专门的成槽设备，一般适合与车站围护结构连续墙一起施工。灌注桩法（钻孔桩、人工挖孔桩）主要适用适用于淤泥、粘土、强风化地层，到达端头采用灌注桩，由于灌注桩为素桩，没有拉力，容易中间断裂。3、降水井施工为防止盾构始发和接收过程中洞门漏水、涌水，加固区施工完成后，对于地质条件较差地层需要在端头设置降水井进行减压降水，确保盾构始发接收前，端头加固区水位降至底板底以下1m。降水井在始发接收洞门凿除前15天正式启动，确保水位降到地板底以下1m关闭，防止地层失水过多对结构及管片造成影响，降水过程中加强降水水位的观测，同时加强对加固体20m范围内管片和地面沉降的监测。盾构始发所需准备工作如下：始发基座安装就位，并安装临时轨道盾构机吊装、组装完成并调试验收测量控制点及监测点布设完成并测取初始值始发反力架安装就位始发洞门防水帘布安装完毕并完成始发洞门破除安装始发基座盾构吊装组装调试安装反力架安装洞门密封凿除洞门拼装负环管片始发掘进，盾尾通过洞门压板加固，壁后注浆二、盾构机的始发盾构隧道盾构机始发时，需要一个稳定的导向基座，盾构机吊装至基座上，然后利用反力架提供反向推力，盾构机按照掘进动作，拼装临时负环管片，盾构机在盾构基座上摩擦前进，盾构机以设计姿态贯入洞门内的土体，完成盾构始发。盾构基座首先需要给盾构机提供稳定搁置平台，然后给盾构机提供精准的姿态导向，还要足够的刚度和较小的摩擦阻力，保证盾构机按照要求的姿态始发。盾构始发基座工作原理基座方案对比始发基座的任务是可在其上组装盾构机和支承组装好的盾构机，并且可使盾构机处于理想的预定进发位置(高度、方向)上，可确保盾构机的始发掘进稳定。所以要求基座的结构合理(可以确保组装作业的施工性)；构件刚度好、强度高、不易损坏；与盾构井底板固定要牢靠、晃动变位小。盾构始发基座一般有如下三种形式：钢结构平底整体基座钢筋混凝土基座组合式盾构基座基座设计制作（1）基座的结构布置形式：基座由若干榀桁架组成，桁架采用型钢及钢板焊接而成，通过轨道梁把桁架连系在一起。形成整体受力结构。盾体作用在轨道梁上，由轨道梁传递荷载到桁架上，再由桁架传递到始发井底地基。轨道梁和桁架采用螺栓、焊接形式连接。基座设计图（2）基座高度的确定：以我部江城大道站左线始发井为例，盾构线路中心线与始发井底板距离为4020mm，考虑基座底面与始发井底板的距离为200mm（便于垫设工字钢调节），盾构中心线与基座底面为4020-200=3820mm。基座高度确定（3）基座长度的确定：以我部江城大道站左线始发井为例，隧道洞门到结构支撑面共计13500mm，反力架厚度510mm，反力架至结构支撑面距离考虑1220mm，预留可调位置保证第一环管片进入盾构隧道洞门230mm，反力架与始发架之间留有270mm可调位置，基座的长度=11000mm。基座布置图盾构始发基座安装流程和要点始发基座安装工艺流程测量放线→工字钢铺设连接→基座下井→基座安装→位置粗调→复核测量→基座位置细调→测量再次复核→基座固定焊接→台车及盾体下井始发基座安装要点对始发基座固定前应按设计进行准确的定位，严格控制标高及中心轴线等；始发基座中心线要与隧道中心线水平重合；盾构机前端中心标高和隧道中心标高一致，尾端适当降低1～3cm，保证抬头始发；轨道布设站内轨道铺设盾构隧道内轨道铺设站内轨道始发基座台车下井组装连接桥吊装螺旋机吊装中盾吊装前盾吊装组装拼装机吊装连接尾盾下井定位螺旋机安装尾盾组装刀盘下井安装连接桥连接盾构机下井吊装流程图盾构机吊装组装盾构机吊装组装调试要点吊装作业开始前进行试吊装，并检查起重机的各项性能，待确认无误后，方可继续起吊；对于机械部件的组装，组装前需要弄清其结构及安装尺寸的关系、螺栓连接紧固的具体要求等机械安装的基本常识，对配合精度要求高的结合面必须进行清洗。拼装系统调试验收连接完毕的管线路双机抬吊油脂系统完成安装调试盾构机调试步骤通电消除报警加注液压油调试水、气系统调试油脂系统泵的试运行设备启动调试皮带机盾构机现场调试是盾构机始发的重要一个环节，在这里主要讨论现场调试的空载调试阶段，旨在检验设备技术和性能、盾构机各系统的运行是否满足盾构正常掘进的要求。盾构始发反力架安装反力架安装工艺流程清理反力架安装区→测量放线→预埋钢板清理→反力架部件吊装→定位微调→焊接固定。反力架安装要点反力架在水平左右方向使反力架中心和隧道中心重合，调整反力架与始发基座垂直，保证盾构机始发时盾尾面与反力架面平行。反力架安装之前复测反力架支腿处底板面高程，采取措施确保两支腿处底板面标高一致，确保反力架底面水平。反力架布置图反力架吊装图盾构始发洞门防水洞口密封防水帘布的施工分两步进行施工:第一步是在车站结构的施工工程中，做好始发洞门钢环的埋设工作，要特别注意的是在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连接在一起；第二步在盾构正式始发之前，应先清理完洞口的碴土，再完成洞口密封的安装;安装要点：左右两侧同时安装，一侧安装过快，会造成另一侧的安装困难。固定环板B盾构进洞时状态折叶压板固定螺栓折叶压板盾构帘布橡胶密封板固定环板B固定螺栓90°预埋钢环板A16M20内衬预埋钢环板A90°16M24内衬折叶压板管片拼装后的状态注浆浆液管片管片