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城市轨道交通工程盾构施工技术与安全风险管理2014年8月盾构机发展概要纲要一、盾构隧道设计概况二、盾构掘进施工技术三、盾构机选型四、盾构始发、到达施工及风险控制五、地质条件复杂地段施工及风险控制六、盾构邻近重要环境设施及风险控制七、盾构开舱作业及风险控制一、盾构隧道设计概况1、北京地铁五号线盾构隧道设计概述隧道平面设计：线路贯穿北京市中心，连接昌平、朝阳、东城、崇文、丰台五个城区，盾构法施工的区间隧道长度为5.6km，基本上沿和平里西街、雍和宫大街、东四北（南）大街、东单北大街敷设，下穿雍和宫大街西侧民房、护城河以及污水、上水、电力、热力、电信等地下管线。盾构隧道采用两条单线圆形隧道，左、右线线间距14.8m～20.75m。隧道曲线段最小曲线半径为400m，最大半径为2000m。一、盾构隧道设计概况1、北京地铁五号线盾构隧道设计概述隧道纵断面设计：隧道纵向基本为“人”字坡和单坡，坡度0.3%～1.7%，隧道结构顶面覆土厚度9.2～14.7m。盾构隧道沿线主要穿越砂质粉土②、粉质黏土②1、粉细砂③、砾砂③1、圆砾④、卵石③2等地层。序号钢筋混凝土管片设计1建筑限界5200mm2管片净空5200+100×2=5400mm3管片厚度300mm4管片外径6000mm5管片环宽度1.2m6管片分块方式环向6分块：3×标准块（A型）、2×邻接块（B型）、1×封顶块（纵向插入式C型）7管片拼装方式错缝拼装8管片类型标准环、楔形环（左、右转环）9楔形管片楔形量（R=300m曲线）Δ=48mm，β=0.46°10管片连接方式环向12个、纵向16个弯螺栓连接纲要一、盾构隧道设计概况二、盾构掘进施工技术三、盾构机选型四、盾构始发、到达施工及风险控制五、地质条件复杂地段施工及风险控制六、盾构邻近重要环境设施及风险控制七、盾构开舱作业及风险控制二、盾构掘进施工技术1、盾构施工流程土压平衡盾构施工流程泥水平衡盾构施工流程二、盾构掘进施工技术2、土压平衡盾构施工参数理论计算参考以往工程经验初步确定参数初始掘进(试验)监控量测施工参数(调整)隧道埋深、地质条件、周边环境等变化动态调整监控量测(调整)二、盾构掘进施工技术2、土压平衡盾构施工参数土舱压力排土量盾构推力刀盘扭矩掘进速度注浆速度注浆量塑流化改良注浆压力刀盘转速螺旋机转速螺旋机扭矩盾尾密封油脂刀盘开口率刀具磨损盾构姿态刀盘扭矩→盾构推力→掘进速度二、盾构掘进施工技术2、土压平衡盾构施工参数管片环宽：1200mm掘进速度：10mm/min掘进时间：120min掘进速度：20mm/min掘进时间：60min掘进速度：40mm/min掘进时间：30min掘进速度：80mm/min掘进时间：15min同步注浆可能成为制约因素盾构掘进施工宜通过合理优化施工组织方面的手段提高施工进度，应控制适宜的掘进速度，使掘进速度与同步注浆速度相匹配。纲要一、盾构隧道设计概况二、盾构掘进施工技术三、盾构机选型四、盾构始发、到达施工及风险控制五、地质条件复杂地段施工及风险控制六、盾构邻近重要环境设施及风险控制七、盾构开舱作业及风险控制三、盾构机选型1、盾构机分类与选型城市轨道交通工程中常用的盾构机类型如下：机械式盾构密闭式盾构敞开式盾构土压平衡盾构泥水平衡盾构复合盾构三、盾构机选型2、刀盘选型面板式刀盘三、盾构机选型2、刀盘选型辐条式刀盘三、盾构机选型3、广州地铁3号线盾构工程实例广州地铁3号线沥滘站～大石站区间盾构机位于南珠江主航道下方发生刀盘解体事故，该处隧道埋深约13m，水深8～9.5m。盾构通过的地层为7强风化泥质粉砂岩、8中风化泥质粉砂岩，局部为6全风化层。8层最高抗压强度不超过30MPa。2005年5月31日，刀盘扭矩突然攀升并造成机器连锁，反复正反转动刀盘未果，过程中听到土舱内有异响，排泥中发现一把完整的齿刀连同刀座，并发现有大量类似被刨下的铁屑。开舱检查后发现刀盘4号与6号辐条之间除牛腿外其余部分几乎全部缺失，土舱内堆积了大量的刀盘构件残骸。三、盾构机选型3、广州地铁3号线盾构工程实例刀盘修复：①安装5号破断辐条；②安装5号辐条连接肋板；③对刀盘进行整体加固，形成包括刀盘边缘环形圆箍。三、盾构机选型4、土压平衡盾构机选型的基本思路工程地质条件地质水文条件盾构隧道设计参数周边环境及变形控制要求确定盾构机类型刀盘设计螺旋机设计刀盘驱动系统螺旋机驱动系统盾体设计注浆系统后配套设备及驱动系统等塑流化改良系统人闸舱及保压系统等电气化控制集成测量导向系统纲要一、盾构隧道设计概况二、盾构掘进施工技术三、盾构机选型四、盾构始发、到达施工及风险控制五、地质条件复杂地段施工及风险控制六、盾构邻近重要环境设施及风险控制七、盾构开舱作业及风险控制四、盾构始发、到达施工及风险控制1、盾构始发、到达施工风险盾构始发、到达施工最常见的风险主要有端头土体加固效果未达到要求，造成洞门围护结构破除时土体失稳，或盾构机盾体外部缝隙渗漏，严重时引起地表塌陷。为防止洞门土体失稳、渗漏，在破除洞门、盾构始发前，应对洞门土体加固、止水效果进行检验，发现土体强度或止水效果不足时应进行补充加固。破除洞门时，可采取喷射素混凝土对土体临空面进行封闭。破除过程中发现土体出现坍塌迹象应及时封闭洞门重新加固。盾构始发前应按设计要求安装洞门密封装置。四、盾构始发、到达施工及风险控制2、广州地铁APM线盾构始发工程实例广州地铁珠江新城旅客自动输送系统土建3标右线凿除洞门时曾有较大涌水，割除洞门外排钢筋时，洞门中下部外排钢筋保护层混凝土发生较大水平变形（向基坑内侧鼓出），较大水流带粉细砂从混凝土与围岩间隙涌出，但未得到彻底处理。盾构始发掘进至-1环，洞门密封下部出现较大涌水涌砂渗漏，在短短20min内，涌水量达300多m3，夹带涌砂量达160m3，涌水涌砂迅速淹没始发井区域，并漫至车站底板上。四、盾构始发、到达施工及风险控制2、广州地铁APM线盾构始发工程实例盾构始发端头加固方案为C15素混凝土地下连续墙（嵌入中风化岩1m）+水泥搅拌桩（四边形咬合），根据现场地质情况，地下连续墙终孔标高位于始发洞门中部偏上位置，水泥搅拌桩桩体进入强风化岩100mm。四、盾构始发、到达施工及风险控制2、广州地铁APM线盾构始发工程实例序号事故原因分析1地下连续墙入岩深度不足，墙底存在一定厚度的沉渣，提供了地下水渗漏可能的通道。2水泥搅拌桩采用的四边形咬合方式，理论咬合宽度仅100mm，加上成桩施工的质量偏差，搅拌桩下部咬合宽度可能更小，为地下水渗漏提供了通道。3始发端下伏地层为8层，并无强风化层，搅拌桩无法进入8层成桩，桩底与岩面存在渗流通道。4地下连续墙与水泥搅拌桩接合不密，且未采取交接咬合措施，存在渗流通道。5凿除洞门前未施打水平探孔探查端头加固体的加固与止水效果。事故处理：采用钢筋混凝土箱体包裹负环管片和盾构机以处理恢复掘进时洞门涌水涌砂问题。盾构机完全进洞后，采用聚氨酯堵塞0环与洞门之间的间隙以封堵负环管片接缝处的渗漏。纲要一、盾构隧道设计概况二、盾构掘进施工技术三、盾构机选型四、盾构始发、到达施工及风险控制五、地质条件复杂地段施工及风险控制六、盾构邻近重要环境设施及风险控制七、盾构开舱作业及风险控制五、地质条件复杂地段施工及风险控制1-1、砂卵石地层掘进(1)无水砂卵石地层特点：一种典型的力学不稳定地层，结构松散、无胶结、呈大小不等的颗粒状，一旦被开挖，极易破坏原来的相对稳定或平衡状态，使掌子面失去约束而不稳定。刀盘旋转切削时，对地层的扰动传递到开挖部位的周围，继而再扩大扰动范围，形成较大的松动区，严重时会引起上覆地层的坍陷。序号施工风险1刀盘转动扭矩大，盾构推力大。2建立土压平衡较困难。3刀具、刀盘、螺旋输送机磨损严重。4螺旋输送机出渣较困难。5盾构姿态控制较困难。五、地质条件复杂地段施工及风险控制1-1、砂卵石地层掘进(2)富水砂卵石地层序号地质特征1卵石含量高（达55%～86%），大漂石含量高（一般含量10%～15%，局部富集层达20%～30%），基坑开挖曾揭示的漂石最大粒径达670mm。2卵石单轴抗压强度高，一般在65.5～184MPa，最大值达206MPa。3地下水量极其丰富，渗透系数k=13.53～27.4m/d，地下水位埋深2～5m。4砂卵石层内摩擦角大，和易性和流动性差。五、地质条件复杂地段施工及风险控制1-1、砂卵石地层掘进富水砂卵石地层对盾构施工的不利影响：序号对盾构施工的不利影响1对盾构刀盘、刀具、螺旋输送机磨损非常严重，盾构遇到大漂石时，掘进和处理比较困难。2卵石围岩中分布的粉细砂夹层在地下水作用下容易产生流砂现象。3经扰动后刀盘上方卵石层会变得松散，长期扰动下松散的卵石进入土舱形成上方空洞，进而引起地面塌陷。五、地质条件复杂地段施工及风险控制1-2、北京地铁9号线盾构工程实例北京地铁9号线丰台科技园站~科怡路站区间盾构主要穿越卵石⑤、⑦层，采用土压平衡盾构机，总功率1758kW，额定扭矩5980kN·m，总推力34210kN。盾构机配置开口率为42%的辐条式刀盘，ф800mm无轴螺旋输送机。刀具配置为：1把中心鱼尾刀、56把齿刀、16把刮刀、76把先行刀（先行刀主要用于疏松砂卵石层）。五、地质条件复杂地段施工及风险控制1-2、北京地铁9号线盾构工程实例盾构掘进过程中，刀具发生较严重的磨损。刀具、刀盘及螺旋输送机磨损状况呈现以下规律：序号刀具与螺旋输送机磨损状况1大部分先行刀磨损严重，从刀盘中心向外磨损程度逐渐增大。2齿刀松动，磨损程度同样为从刀盘中心向外逐渐增大。3周边刮刀外侧磨损严重，开挖洞径变小。4螺旋输送机入土口部位中隔板磨损较大。五、地质条件复杂地段施工及风险控制1-2、北京地铁9号线盾构工程实例盾构穿越无水砂卵石地层施工风险控制要点主要为：一方面加强掘进期间渣土塑流化改良控制，以建立较稳定的土压平衡状态，保持掌子面稳定，减小地表沉降，利于盾构姿态控制，降低对刀具、螺旋输送机的磨损；另一方面在刀具磨损达到一定程度时应及时更换刀具，确保盾构机具备良好的开挖能力。五、地质条件复杂地段施工及风险控制1-2、北京地铁9号线盾构工程实例序号风险控制措施1塑流化改良向刀盘、土舱中加注泡沫（浓度3~5%）与膨润土（浓度30~40%）混合浆液，使砂卵石中的砂颗粒附着于卵石的表面，产生泥化效果，同时起润滑作用；向螺旋输送机加注膨润土浆液，提高卵石的输送效率。2刀具更换沿隧道中心线每隔300~400m选取适宜的位置，采用人工挖孔方式在地表施作ф1200~1500mm工作井，深度以接近到达刀盘中部为宜。工作井在盾构到达前施作完成，盾构到达工作井后进行刀具更换，对先行刀在刀盘前方进行补焊处理。刀具更换完毕，对工作井回填土至刀盘上方不小于2m后，恢复盾构掘进。五、地质条件复杂地段施工及风险控制1-3、成都地铁1号线盾构工程实例成都地铁1号线火车南站～桐梓林站、桐梓林站～倪家桥站、倪家桥站～省体育馆站区间长度分别为943.5m、888.5m、496.2m，单线总掘进长度2328.2m。区间下穿火车南站民房、股道群、机场高速立交桥、二环路人南立交桥等建筑物，地下管线密集。隧道主要穿越3-7卵石土层，部分地段穿越4-4卵石土层，卵石含量高达55～80%，卵石成分主要为中等风化的岩浆岩与变质岩，单轴抗压强度65.5~184MPa。卵石粒径以30～70mm为主，局部80～120mm，地层中粒径大于200mm的漂石含量占0～22.3%（重量比）且局部密集成群。地下孔隙水主要赋存于砂卵石土层中，含水层总厚度18.2～23.8m，为强透水层，渗透系数12.53~27.4m/d，枯水期地下水位埋深3~5m，丰水期2~4m。五、地质条件复杂地段施工及风险控制1-3、成都地铁1号线盾构工程实例盾构主要部件选型参数描述刀盘结构形式刀盘直径6250mm，开挖直径6280mm，面板式结构，中心支撑方式。刀盘转速0～4.5rpm，可双向旋转。刀盘驱动液压驱动，由九个液压马达通过九个减速箱来驱动刀盘，额定扭矩6000kN·m，脱困扭矩7150kN·m。刀盘开口