地铁盾构隧道施工技术简介

地铁盾构隧道施工技术简介中铁二十局集团公司科技部郭朋超2010年8月1、1盾构掘进机的特点1、2盾构技术的发展主要内容1、概述2、盾构机选型2.1盾构分类3、盾构施工组织2.2适用范围4、组装、调试；进出洞2.3选型特点2.4盾构机选型及定购依据2.5刀盘面板分类3.1场地与交通疏解3.2掘进速度与施工长度3.3盾构与车站施工干扰3.4盾构管片供应3.5盾构通过特殊地段3.6盾构铺轨基地4.1组装及调试流程4.2盾构进、出洞5、盾构掘进技术5.1泥水平衡盾构掘进5.2土压平衡盾构掘进6、盾构管片制作应用举例1.1盾构掘进机的特点1、概述盾构掘进机（简称盾构）是地面下暗挖施工隧道的专用工程机械，具有一个可以移动的钢结构外壳(盾壳)，内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，可以进行开挖、支护、衬砌等多种作业一体化施工，广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程建设。目前，在欧美等工业发达国家使用盾构机进行施工的城市隧道占90%以上。1.1盾构掘进机的特点1、概述现代盾构掘进机集液压、机电控制、测控、计算机、材料等各类技术于一体，属于技术密集型产品，其生产主要集中在日本、德国、英国、美国、加拿大等少数发达国家，其中又以德国、美国、日本技术最为先进。盾构施工法与矿山法相比具有的特点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要作业都在盾构保护下进行，工艺技术要求高、综合性强（土建、机械)。1.2盾构技术的发展1、概述盾构作为一种安全、快速的隧道掘进技术，经历了四个发展阶段：以布鲁诺尔（Brunel，1818)盾构为代表的初期盾构；以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构；以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；以异型化、多功能、综合化为各自特色的第四代盾构。1.2盾构技术的发展1、概述第一代盾构:Brunel盾构伦敦Blackwall盾构隧道1.2盾构技术的发展1、概述第二代盾构:网格式盾构插刀盾构1.2盾构技术的发展1、概述第二代盾构:网格式盾构可分为干出土与水力出土两种类型，结构简单、操作方便，便于排除正面障碍物。基本构造分为：盾构壳体、推进系统、拼装系统及出土系统、控制系统等。水力出土特点：网格：适合水力冲刷的网格和封板组成切口支承形式。泥水舱：盾构切口后部的隔墙板与网格间为泥水舱，该舱可供土体冲刷成泥水，舱底设置泥水排出管口。冲刷水枪：用于冲刷土体的旋转水枪。水力输送机具：舱内的泥水通过管路进行输送排放。1.2盾构技术的发展1、概述第三代盾构:土压平衡盾构泥水平衡盾构1.2盾构技术的发展1、概述第四代盾构:复合式盾构任意截面盾构2.1盾构分类2、盾构机选型全开敞式盾构：手掘式盾构、半机械式盾构、机械式盾构半开敞式盾构：挤压式盾构、网格盾构封闭式盾构：土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构盾构机的机型种类很多。根据地层条件和具体施工方法的不同，隧道盾构机可分为硬岩隧道掘进机(即TMB)、软岩隧道盾构机。而按开挖面的闭合程度，可分为开敞式、半开敞式和封闭式。2.1盾构分类2、盾构机选型开敞式又可细分为人工开挖盾构、半机械开挖盾构、机械开挖盾构；半开敞式有挤压盾构和网格盾构之分，而封闭式则可进一步分为泥水加压平衡盾构(含直接控制型、间接控制型两种)、土压平衡盾构(包括普通型、加泥型、加水型、泥浆型等种类)。还有将两种类型复合在一起的复合型，也包括泥水型、土压型、敞开型等多种，此外，还有适用于城市地下工程，如市政供排水、电缆管道建设的微型盾构。而目前作为主流技术的，主要有泥水加压平衡盾构机、土压平衡盾构机、复合型盾构机、TMB掘进机和微型盾构机五种。2.2盾构机的适用范围2、盾构机选型泥水加压平衡盾构机泥水加压平衡盾构由盾壳、开挖机构、推进机构、送排泥浆机构、拼装机构及附属装置组成。是目前各种盾构中最复杂、价格最贵的一种。适用范围较大，多用于含水率高的软弱土质中，是一种低沉降、较安全的施工机械，对稳定的地层优点尤为明显，其工作效率要高于土压平衡盾构机，但随着土砂百分比的增加，会出现泥水分离难度增大的不足。泥水平衡盾构机的主要生产厂商有：日本川崎重工、三菱重工、小松盾构以及德国的海瑞克公司等。2.2盾构机的适用范围2、盾构机选型土压平衡盾构机土压平衡盾构是在泥水加压盾构基础上开发的一种新型盾构。主要由盾壳、开挖机构、推进机构、排土机构、拼装机构及附属装置组成。土压平衡盾构通过对压管理，保持土压或土碴量的相对平衡与稳定来进行工作。广泛适用于对冲积粘土、洪积粘土砂质土、砂、砂砾、卵石等地质的施工，不需分离装置，占地面积少，施工时的覆土层可相对较浅。主要生产厂商有：日本川崎重工、德国海瑞克公司、加拿大罗浮特(lovat)公司等。2.2盾构机的适用范围2、盾构机选型组合式盾构机：组合式盾构机开挖面稳定，施工方法可视土质情况的变化而转换，因此适应范围较广，根据需要可以从土压平衡转换为泥水加压方式，土料输送可由螺旋输料器转为泥浆及管道输送。有一定知名度的产品有川崎重工推出的直径为10.2m组合式盾构机产品；德国的海瑞克出品的直径为14.2m的盾构机。全断面硬岩掘进机（TBM掘进机）：全断面硬岩掘进机是由盾构技术发展而来。通常适用于硬基地层。特点是稳定性良好、施工速度快、隧道成型好、对周围环境影响小。微型盾构机：行业内通常把直径小于3m的盾构称为微型盾构。主要用于市政供排水管道，电缆管道等的建造。2.3盾构选型的特点2、盾构机选型1、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，而是针对于某种特定地质条件的专用机械。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。2.3盾构选型的特点2、盾构机选型2、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。由此可见，盾构机的设计、制作从根本上决定了隧道施工的成功与否，是盾构隧道施工的关键环节。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。2.4盾构机选型及定购的依据2、盾构机选型土质条件、岩性开挖面稳定隧道埋深、地下水位设计隧道的断面环境条件、沿线场地衬砌类型工期；造价辅助工法设计路线、线形、坡度电气等其他设备条件•地上、地下建筑物•埋设物•水井、废井•旧建筑物、临时建筑•其它计划环境条件障碍物•噪声、振动•地基变形•地下水利用•施工垃圾处理•住房、文物等[调查项目]周围条件•土地利用状况•将来计划•道路种类、交通状况•施工用地状况•河川、湖沼等的状况地质条件•地层构成•地下水位（头）分布•缺氧气体、有害气体的有无•各层的工程性质（强度特性、变形特性、透水性）设计条件整理断面形状尺寸延长覆土线路工期盾构机选型流程图2、盾构机选型2.4盾构机选型及定购的依据盾构机选型流程图•地下水污染、地下水枯竭•振动、噪声•日照、景观•交通•障碍物处理•开挖土的处理•开挖土的搬运•施工用地[论证项目]开挖面稳定性•自立性•地层构成•支护方式地基条件•影响范围•水平、铅直变形•临近建筑物变形环境保护其他可能适用的方式选择土压平衡式泥土压式土压式泥水加压式手掘式半机械式机械式闭胸式敞胸式续上图2、盾构机选型2.4盾构机选型及定购的依据续上图方法的选择[比较论证]安全•开挖面稳定•地基变形•环境保护•操作环境经济•推进•衬砌•盾构•相关措施工期•推进•衬砌•相关措施综合评价施工措施的论证•长距离施工•急曲线施工•障碍物注：选择开挖方式时请参照解说表盾构形式与土质•开挖面的稳定•地基变形•出发到达部的保护•周围建筑物的保护2、盾构机选型2.4盾构机选型及定购的依据盾构机选型流程图2.4盾构机选型及定购的依据2、盾构机选型盾构选型与地层关系（1）少水地层、砂卵石地层宜选择开敞式网格盾构少水或无水地层，地层具有较好的自稳性，降水下沉量小（如沈阳、成都等地层），土体颗粒对刀盘刀具磨损很大，选择开敞式盾构网格盾构比较适宜。刀具磨损严重2.4盾构机选型及定购的依据2、盾构机选型盾构选型与地层关系（2）渗透系数与岩性、粒径面板式刀盘辐条式刀盘2、盾构机选型2.5刀盘面板分类刀盘形式比较项目面板式幅条式砂、土适应性（粒径＜15cm）由于开挖面土体受面板开口影响，进入密封舱内不顺畅，易粘结，易堵塞。仅有几根幅条，同时幅条后均设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，不易堵塞。砂卵石适应性（粒径＞15cm）适应性强，必要时可加滚刀。不能加滚刀，刀头形式及数量较少。刀盘扭矩刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力，造价高。刀盘扭矩阻力小，设备造价低隧道内刀头更换安全性由于有面板，在隧道内更换刀头时安全可靠。在隧道内更换刀头时安全性差，加固土体费用高。刀盘特性比较刀盘型式的选择2、盾构机选型2.5刀盘面板分类3.1盾构施工场地与交通疏解3、盾构施工组织一台盾构始发场地面积约2500~3000m2，两台盾构始发场地面积4000~5000m2，接收场地800~1000m2左右。看似合理的施工组织方案，有时因没有合适的施工场地而改变。盾构井一般是沿线路中线设置的，在城市中心区因交通疏解要求往往导致场地较小，过小时影响施工场地的合理布置如弃土场、注桨材料储存、管片堆场、施工人员的生产生活安排等，降低劳动生产率。因交通疏解、管线等条件限制盾构井设置在线路中线一侧时，盾构机始发周期延长，弃土、管片等洞内运输作业效率下降。3.2盾构掘进速度与施工长度3、盾构施工组织盾构掘进速度与工程地质条件、盾构机选型、掘进管理水平、地面建（构）筑物保护要求等因素密切相关。地铁区间隧道多采用（加泥）土压平衡盾构机，在目前的施工技术水平条件下，正常的平均掘进速度已达到每天7~9环，按1.2m或1.5m管片环宽计可达每天8~12m,综合考虑始发和到达掘进、通过建筑物保护段的沉降控制、地层性质与均质性、弃土与材料运输时间限制等因素的影响，施工组织的平均指标一般按6~8m控制，当地层适于盾构施工且均质性好，环境限制条件少，一次掘进距离长时，掘进指标可按8~10m。3.2盾构掘进速度与施工长度3、盾构施工组织以下情形采用实际指标或偏低的掘进指标：穿越江河段选用泥水平衡盾构机时；穿越硬岩段选用复合式盾构机时；连续穿过建（构）筑物保护区段；长距离曲线地段特别是小半径曲线地段；盾构施工多个短区间；盾构机有超前钻探或超前注浆作业；长距离砂层地段；盾构井不在线路正上方；与车站、铺轨施工工期重叠时间较长。3.2盾构掘进速度与施工长度3、盾构施工组织盾构隧道土建费用主要由盾构机、掘进、衬砌三部分组成。有效降低造价的手段之一是在满足工期的条件下尽量加大盾构机的掘进长度，降低盾构机摊销费用。考虑土建工期的限制，盾构施工经济长度一般控制在3~4km。3.2盾构掘进速度与施工长度3、盾构施工组织盾构机制造时间约需9个月，下井安装始发1个月。盾构隧道一般会先行招标以方便设备采购，与始发井的提供时间是匹配的，必要时要求始发井提前开工。3.3盾构与车站施工干扰3、盾构施工组织盾构井一般设置于线路正上方，不仅影响交通疏解方案，与车站施工场地有干扰，盾构机采用起吊方案时影响车站封顶时间，采用过站方案时正值车站施工期，站台需过站后施工。不论过站还是起吊，管片、材料和弃土运输均与车站施工有干扰，特别是盾构后配套需在车站站台层折返作业时。规模较大的车站包括换乘站要对盾构与车站施工干扰进行分析。施工招标时车站与区间合标即几站几区间一个标，规模过大时，也可区间与始发站或第一个过站站合标，是减少施工干扰、方便施工协调、有利人员安排的办法之一。3.4盾构管片供应3、盾构施工组织盾构隧道施工组织应综合考虑管片厂的位置和沿线交通运输条件，全线盾构机同时开始掘进，管片供应过于集中，意味着盾构机数量增加，需要增加模板套数或管片堆场面积，直接或间接增加盾构隧道工程造价，也会引起年度工程投资的不均衡。而盾构施工长度增加，盾构机台数