隧道掘进机施工技术讲座

白云博士、注册工程师（英国）同济大学教授/博导国际隧道协会执行委员英国土木工程师协会资深会员中国土木工程学会常务理事上海土木工程学会副理事长联系方法：[e-mail]联系方法：13701647907白云简历曾经到达过的国家（33）：亚洲－新加坡、印度、马来西亚、泰国、巴基斯坦、越南、阿曼、日本、韩国、不丹、泥泊尔、柬埔寨、阿联酋、也门;非洲－南非;美洲－美国、阿根廷、智利;欧洲－德国、荷兰、英国、法国、瑞典、奥地利、西班牙、意大利、俄罗斯、希腊、土耳其、匈牙利、瑞士、丹麦;•大洋洲－澳大利亚。白云简历•工作地域和领域：曾参加过新加坡、印度、马来西亚、泰国、巴基斯坦、阿根廷、德国、荷兰、越南、阿曼、安哥拉、美国等国的工程施工、工程设计、工程咨询、科研和招投标项目。工作领域涉及沉管隧道设计和施工技术、盾构隧道设计和施工技术、非开挖施工技术、房屋建筑施工、道路施工、新奥法施工技术、深基坑设计和施工技术、软土地基处理设计和施工技术、桥梁施工技术、城市地下空间开发研究、风险管理研究、现场监控技术、室内结构试验研究，等等。•主要经历：1982—2001年在上海隧道股份工作，历任助理工程师、工程师、技术科长、主任工程师、总经理助理、海外事业部主任、总工程师、董事。2001—2009年在上海城建集团工作，任总工程师。2009.9-至今在同济大学工作，任教授。白云简历曾经与以下国家的人有过一段时期的交往（58）：亚洲－新加坡、印度、马来西亚、泰国、巴基斯坦、越南、日本、韩国、不丹、泥泊尔、柬埔寨、阿联酋、也门、缅甸、孟加拉国、菲律宾、印尼、伊朗、伊拉克、巴勒斯坦;非洲－南非、津巴布韦、安哥拉、中非、坦桑尼亚、多哥、纳米比亚、毛里求斯、喀麦隆、乌干达、埃及、赞比亚;美洲－美国、阿根廷、智利、加拿大、墨西哥;欧洲－德国、荷兰、英国、法国、瑞典、奥地利、西班牙、意大利、俄罗斯、希腊、土耳其、匈牙利、瑞士、南斯拉夫、丹麦、比利时、爱尔兰、冰岛、罗马尼亚;大洋洲－澳大利亚、新西兰。隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术1、隧道掘进机方法的基本概念隧道掘进机方法是修筑隧道的一类施工方法。这类方法的特点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等作业都在隧道掘进机壳体保护下进行，并需随时排除地下水和控制地面沉降，因而是工艺技术要求高、综合性强的施工方法。2、隧道掘进机的分类隧道掘进机可分为：岩石隧道掘进机和盾构两大类；岩石隧道掘进机可分为：全断面切削方式和部分断面切削方式;盾构可分为：网格式、土压平衡式、泥水平衡式、复合式…隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术岩石隧道掘进机的两种开挖形式：隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术隧道掘进机三大核心技术:自动控制技术(PLC)液压技术密封技术:主轴承密封,铰接密封,盾尾密封隧道掘进机两大核心部件:儀盘:包括各种儀具(滚儀,刮儀,超挖儀)管片拼装机3、隧道掘进机的工作原理隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术3、隧道掘进机的工作原理推进千斤顶：盾尾周圈布置，一般行程比管片宽度长10cm～20cm。管片拼装机：举重臂和真圆保持器隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术3、隧道掘进机的工作原理泥水平衡盾构原理示意隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术泥水系统示意图隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术土压平衡盾构机原理示意土压平衡盾构机原理示意土压平衡盾构机组成主体结构：盾体(前盾、中盾、尾盾)、儀盘、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、儀盘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SlurryEPBSandKörnungslinie400,006GrainDiameterdinmmMassenanteilederKörnerdin%derGesamtmenge00,0011030200,0020,020,060,2SiltSchlämmkornClayFein-7060508090100Mittel-600,62,06,060,020,0100908070Gravel50403020100SiebkornGrob-Fein-Mittel-Grob-Fein-Mittel-Grob-GrainSizeDistributionGrainSizeDistribution地层土体颗粒级配分布地层土体颗粒级配分布Foam泥水平衡盾构泥水平衡盾构((优点优点))对地层的扰动小、沉降小适于高地下水压,江底、河底、海底隧道施工适于大直径化适于高速化施工适用土质范围宽掘进中盾构机体的摆动小隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术泥水平衡盾构泥水平衡盾构((缺点缺点))成本高排土效率低地表施工占地面积大并影响交通、市容不适于在硬粘土层中掘进不适于在松散卵石层中掘进隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术土压平衡盾构土压平衡盾构((优点优点))成本低出土效率高适用地层范围宽目前土压盾构工法几乎对所有土层均可适用。隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术土压平衡盾构土压平衡盾构((缺点缺点))掘削扭矩相对泥水平衡盾构较大地层沉降相对泥水平衡盾构较大隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术根据统计，地铁隧道工程使用的盾构机型均以土压平衡盾构机型（含复合式）为主。尽管应用的地域或范围较广泛，地质条件相差较大，但据调查，该类机型均能较好地适应和顺利地完成地铁隧道的施工。泥水平衡盾构和土压平衡盾构对比表土压平衡盾构泥水平衡盾构简要说明评价简要说明评价稳定开挖面保持切削土舱压力支持开挖面土体稳定良有压泥水使开挖面地层保持稳定优地质条件适应性在砂性土等透水性地层中要有特殊的措施良适应性较强优抵抗水压靠土舱压力及泥土的不透水性能抵抗水压良靠泥水在开挖面形成的泥膜和泥水压力抵抗水压优控制地表沉降保持土舱压力、控制推进速度、维持切削量与出土量相等良控制泥浆质量、压力及推进速度、保持进、排泥量的动态平衡优碴土处理直接外运简单进行泥水分离处理复杂施工场地占用施工场地较小良要有较大的泥水处理场地差设备费用稍低稍高工程成本减少了泥水处理设备，只需配置添加剂注入设备即可，设备及运行费用低低增加了泥水制作、输送及泥水分离设备，设备及运转费用高高比较项目隧道掘进机儀盘的形式隧道掘进机儀盘的形式¾面板式¾辐条式¾以及介于2者之间的幅板式儀盘。隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术隧道掘进机儀盘的形式隧道掘进机儀盘的形式——面板式面板式面板式儀盘一般为焊接箱形结构，其上设置儀座、儀具、开口、添加剂注入口及与主轴承连接部件。切儀布置在面板上开口的两侧，滚儀布置面板是儀座。儀盘开口率较小，在30%左右，属闭胸式。目前，中国使用的盾构大部分为面板式儀盘结构，如上海地铁施工用的是法国FCB盾构，北京、广州、深圳及南京等地用的是海瑞克盾构。隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术隧道掘进机儀盘的形式隧道掘进机儀盘的形式——面板式面板式隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术隧道掘进机儀盘的形式隧道掘进机儀盘的形式——条辐式条辐式辐条式儀盘主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的儀具组成。儀具布置在辐条的两侧，一般较难布置滚儀。儀盘开口率很大，约在60%￣95%之间，属开敞式。以往，辐条式儀盘应用较少。最近，在日本地铁工程中辐条式儀盘应用开始增多。中国盾构工法也开始应用辐条式儀盘，如北京地铁4号线使用的石川岛播磨Ф6.14m盾构（开口率95%）、小松Ф6.3m盾构（开口率62%）、上海地铁M6、M8使用的石川岛播磨Ф6.52m双圆盾构（开口率85%）。隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术隧道掘进机儀盘的形式隧道掘进机儀盘的形式——条辐式条辐式重型儀盘及儀具设计隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术在沈阳、北京、成都、广州等的砾砂地层：每200－300米就要换一次儀具。刀盘刀具实际配置图—威尔特刀盘刀具实际配置图—日本小松条幅式与面板式儀盘的性能比较盾构儀盘驱动方式特性比较盾构机儀盘的扭矩系数盾构机儀盘扭矩系数(α)是盾构机设计时一个重要参数，其值选用是否得当直接关系到盾构机能否正常掘进。众所周知，影响盾构机儀盘扭矩的因素较多，在此不赘述。根据日本《隧道标准规范(盾构篇)及解释》中有关盾构机设备部分的内容，盾构机儀盘装配扭矩M可用以下简化式计算：盾构机儀盘的扭矩系数对于土压平衡盾构机，日本经过大量工程实践已给出的经验值，取值范围在8～23之间。根据我国不同地区的地质条件，以及采用盾构法施工近的实际经验，笔者认为砂土地层，特别是在砂卵石地层中盾构机儀盘旋转切削围岩(砂卵石)时，盾构机儀盘扭矩较大，施工中常出现儀盘扭矩瞬间过大的现象。有必要结合当地的地质条件的特点，对日本提出的值进行调整。一般情况下,可以将盾构机儀盘最大扭矩系数值提高到25以上，这样不仅更适应不同地区砂卵石地层的隧道施工，也可间接提高了盾构机的使用寿命，技术经济更为合理。隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术4、与隧道掘进机紧密相关的地层参数隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术•土层N值:1－5,非常软弱，可用小开口率面板式盾构；•土层N值:5－20,软弱，盾构开挖面需加压平衡；•土层N值:20－50,硬土，无地下水时，盾构可敞开；•土层N值:50－100,土层很硬；隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术•岩石RQD:0-25%,最劣岩石，有岩石挤出现象；•岩石RQD:25-50%,劣等岩石，要钢支撑；•岩石RQD:50-75%,一般岩石，要间隔钢支撑；•岩石RQD:75-90%,良好岩石，无需支撑；•岩石RQD:90-100%,优质岩石；岩石RQD(修正岩芯回收百分比):岩石坚硬程度(按饱和单轴抗压强度f划分)：隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术f（MPa）〉6060-3030-1515-55坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩高初始应力区岩体开挖时主要现象：应力情况主要现象f/垂直洞轴线方向的最大初始应力极高应力区1.硬质岩:岩爆发生、成形性差2.软质岩:岩芯饼化、位移极为显著4高应力区1.硬质岩:岩体剥离、成洞性差2.软质岩:位移显著4-7岩体单位体积内的节理数目J与K对照表隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术J33-1010-2020-3535K〉0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.150.15岩体完整程度(按岩体与岩石声波纵波速度之比的平方K划分)K〉0.750.75-0.350.35-0.150.15完整程度完整较破碎破碎极破碎隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术围岩自稳能力岩体级别自稳能力Ⅰ洞径20m,可长期稳定Ⅱ洞径10-20m,可基本稳定洞径10m,可长期稳定Ⅲ洞径5-10m,可稳定数月洞径5m,可基本稳定Ⅳ洞径5m,可稳定数日Ⅴ无自稳能力另见公式5、隧道掘进机应用范围、优缺点和施工工序隧道掘进机施工技术系列讲座之一---隧道掘进机施工技术隧道掘进机适用于各类软土和岩石地层的隧道掘进，应用于：城市地下隧道工程；水底公路隧道；地铁区间隧道；排水污水隧道；引水隧道；公用管线隧道。隧道掘进机方法施工的优点：1、场地作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小；2、隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深浅的影响，适宜于建造覆土深的隧道；3、穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候的影响；4、穿越地面建筑群和地下管线密集区时，周围可不受施工影响；5、自动化程度高、劳动强度低、施工速度较快。隧道掘进机施工技术系列讲