盾构隧道始发关键技术分析与.pptx

目录一、前言二、始发技术的重要性及关键技术三、盾构始发技术四、常见问题的预防和处理五、实例一、前言n城市地铁盾构施工具有快速、安全、对地面建筑物影响小等诸多优点，已经被越来越多的人们所认可。我国地铁隧道施工已开始使用盾构法。随着技术进步、认识提高、综合国力的增强，特别是随着该施工技术所显现的优势，盾构法越来越多地被国内地铁界所接受，上海、广州、南京、北京、深圳、天津、西安、成都、沈阳、杭州等城市都使用这种方法。上海地铁是国内最早采用盾构施工的，且大部分工程都是利用盾构完成的；南京地铁一号线有3个盾构标段4台盾构机在进行施工，施工总量约占全线的30。沈阳地铁一号线有8台盾构进行施工，二号线将有12台盾构进行施工，占整个区间隧道的70%。虽然盾构有许多成功的工程实例，但是使用这种方法也有较大的风险。如盾构在隧道内只能前进，不可后退，一旦盾构本身出现致命的故障，可能就会产生灾难性的后果。而且使用盾构在对洞口进行加固处理的始发时阶段出问题的概率很高，即使是非常有经验的承包商也常会发生类似事故。二、始发技术的重要性及关键技术 n由于在始发阶段存在以下几种特殊情况：（1）始发推进前需凿除车站的围护结构（主要是处理钢筋砼结构），凿除围护结构后的土体在一定的时间段内必须保持自稳，不能有水土流失；（2）始发阶段盾构机主体在始发导轨上不能进行调向；（3）始发阶段的姿态及地面沉降控制比正常推进阶段更困难；（4）始发期间一些设备如管片小车、管片吊机，包括出渣都不能正常使用。有时也会存在盾构机因为车站结构的原因而不能整机始发。n综上所述，盾构在初始阶段的施工难度很大。因此，盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个标志，必须要全力做好。同时还应确保盾构连续正常地从非土压平衡工况过渡到土压平衡工况，以达到控制地面沉降，保证工程质量等目的。三、盾构始发技术n在城市地铁施工中，盾构始发作为盾构施工的一个必经阶段。盾构机始发是指盾构机在施工竖井内或车站结构内，自盾构机主机开始定位，刀盘向前推进贯入围岩，沿设计线路向前掘进，直至盾构机完全进入区间隧道，洞口反力架与负环管片拆除为止。（地铁定额中规定盾构始发后40m为盾构始发段，盾构到达5倍盾构刀盘直径为到达段）。三、始发施工技术 n（一）始发阶段工作内容 始发技术包括洞口端头处理（在软土无自稳能力的地层中）、洞门砼凿除（主要针对钢筋砼围护结构）、盾构始发基座的设计加工、定位安装；始发用反力架的设计加工、就位；支撑系统、洞门环的安设、盾构组装、盾构始发方案、其他保证盾构推进用设备、人员、技术准备等，直到始发推进。在盾构机始发阶段，要完成盾构机设备的安装与调试；始发辅助设备的安装与定位，盾构机初始定位与掘进控制，盾构机导向系统的安装与调试以及区间隧道洞口的处理。n（二）始发顺序 洞口地层处理洞口始发准备盾构主机定位、固定反力架定位、固定负环钢管片的定位、安装主机、后配套连接盾构调试刀盘、刀具检查负环管片安装盾构推进下一循环拆除反力架、负环管片始发掘进总结正式掘进。三、始发施工技术 盾构机始发基座盾构机始发基座三、始发施工技术 盾构机始发反力支撑系统盾构机始发反力支撑系统三、始发施工技术n（三）始发洞口准备 1、始发洞口的地层处理 在盾构始发之前，一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层，并采取有针对性的处理措施。地层处理一般采取如“固结灌浆”、“冷冻法”、“插板法”等措施进行地层加固处理。选择加固措施的基本条件为加固后的地层要具备最少一周的侧向自稳能力，且不能有地下水的损失。常用的具体处理方法有搅拌桩、旋喷桩、注浆法，SMW工法、冷冻法等。选择哪一种方法要根据地层具体情况而定，并且严格控制整个过程。2、始发洞口维护结构的切除 根据经验，一般在始发前至少一个月开始洞口维护结构的切除。整个施工一般分两次进行，第一次先将围护结构主体凿除，只保留维护结构的钢筋保护层，在盾构始发前将保护层混凝土凿除。在凿除完最后一层混凝土之后，要及时检查始发洞口的净空尺寸，确保没有钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。三、始发施工技术 盾构始发土体加固 n加固土柱的径向范围和土体强度。常规的做法为径向为盾构外3.0米，强度在1MPa左右。从目前的施工的技术和设备能力，强度非常容易达到，且同时要满足强度和渗透性的要求，也是最低的投入。三、始发施工技术n取芯样，芯样的连续性，芯样的强度测试。取芯孔的观察等，建议取样孔的位置在桩与桩的搭接处。三、始发施工技术3、洞口密封 洞口密封是为盾构在始发时防止背衬注浆砂浆外泄所用，按种类分有压板式和折叶式两种，其中折叶式越来越被人们所认可。洞口密封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，做好始发洞门预埋件的埋设工作，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。在泥水盾构的使用过程又采用密封水箱的方式进行洞口密封加强。三、始发施工技术a、扇形压板式洞口密封、扇形压板式洞口密封三、始发施工技术b、折页式洞口密封、折页式洞口密封三、始发施工技术c、武汉过江隧洞泥水盾构洞口密封、武汉过江隧洞泥水盾构洞口密封三、始发施工技术d、成都地铁泥水盾构洞口密封、成都地铁泥水盾构洞口密封三、始发施工技术d、成都地铁泥水盾构洞口密封、成都地铁泥水盾构洞口密封4、洞口始发导轨的安装 在围护结构破除后，盾构始发台端部距离洞口围岩必然产生一定的空隙，为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构“低头”现象，需要在始发洞内安设洞口始发导轨，以防止盾构在始发时不产生前倾现象。在安设始发导轨时应注意，在导轨的末端预留足够的空间，以保证盾构在始发时，不致因安设始发导轨而影响刀盘旋转。三、始发施工技术n（四）反力架、始发台的安装1、反力架、负环管片位置的确定依据 反力架的位置确定主要依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定的。2、负环管片环数的确定 假定盾构长度Ltbm=7m，安装井长度Las=12m，过站竖井长Lcs=12m，洞口维护结构在完成第一次凿除后的里程Df=16498.2，设计第一环管片起始里程D1s=16499.3，管片环宽Ws1.5m，反力架与负环钢管片长Wr=1.5m。Dr为反力架端部里程，N为负环管片环数。a、在安装井内的始发时最少负环管片环数确定 N=7环 b、在中间车站内的始发时最少负环管片环数确定 N=5.4环，取整N=5环。三、始发施工技术3、反力架、负环钢管片位置的确定 在确定完始发最少负环管片环数后，即可直接定出反力架及负环管片的位置。反力架端部里程DrD1stNWs4、反力架、始发台的定位与安装 在盾构主机与后配套连接之前，开始进行反力架的安装。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，在安装反力架和始发台时，反力架左右偏差控制在10MM之内，高程偏差控制在5MM之内，上下偏差控制在10MM之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角2，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差2，水平趋势偏差3。三、始发施工技术n（五）盾构的始发1、始发台两侧的加固 由于始发台在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩。所以在盾构始发之前，必须对始发台两侧进行必要的加固。加固的方式见右图：三、始发施工技术2、负环管片安装2.1负环管片安装准备 一般情况下，负环管片在盾壳内的正常安装位置进行拼装。在安装负环管片之前，为保证负环管片不破坏盾尾尾刷、保证负环管片在拼装好以后能顺利向后推进，在盾壳内安设厚度不小于盾尾间隙的方木（或型钢），以使管片在盾壳内的位置得到保证。三、始发施工技术2.2负环管片后移 第一环负环管片拼装成圆后，用45组油缸完成管片的后移。管片在后移过程中，要严格控制每组推进油缸的行程，保证每组推进油缸的行程差小于10MM。在管片的后移过程中，要注意不要使管片从盾壳内的方木（或型钢）上滑落。2.3负环管片与负环钢管片的连接 负环管片的最终位置要以推进油缸的行程进行控制，在负环管片与负环钢管片之间的空隙用早强砂浆或钢板填满。2.4负环管片的拼装类型 在安装井内的负环管片的拼装类型一般采取通缝拼装，主要的优点是保证能及时、快速的拆除负环管片，在施工过程中要利用此井进行出渣、进管片。在中间竖井内一般采取错缝拼装，以提高管片拼装的成圆度和管片拼装施工的安全。三、始发施工技术3、盾构始发3.1空载推进 盾构在空载向前推进时，主要控制盾构的推进油缸行程和限制盾构每一环的推进量。要在盾构向前推进的同时，检查盾构是否与始发台、始发洞发生干涉或是否有其他异常事件或事故的发生，确保盾构安全的向前推进。3.2始发时盾构姿态的控制 盾构在始发台上向前推进时，一般通过控制推进油缸行程使盾构机基本沿始发台向前推进。在保证盾构正常推进的情况下，稍微降低总推力和刀盘扭矩。一般不进行姿态调整，如盾构出现较大的偏差时，可以通过适当的调整推进油缸行程进行合理的纠偏，纠偏趋势值原则上不大于2。3.3始发时盾构推进参数的控制 在始发掘进，严格控制盾构的各组油缸压力不大于70bar，盾构总推力小于600T，刀盘扭矩小于90bar。三、始发施工技术4、洞口注浆 在盾尾完全进入洞体后，调整洞口密封，进行洞口注浆。浆液不但要求顺利注入，而且要有早期强度。常用的注浆采用速凝型砂浆，砂浆凝结时间小于4小时，砂浆强度大于10Mpa。洞口注浆压力大于0.6bar，小于1.5bar。三、始发施工技术n（六）反力架、负环管片的拆除 反力架、负环管片的拆除时间根据洞口地段的围岩条件、背衬注浆的砂浆性能参数和盾构的始发掘进推力决定。（当然包括盾构机主机和后配套全部进入区间隧道、负环管片拆除工序工作的安排的时机结合来决定）一般情况下，要根据管片与围岩之间的摩擦力的大小来决定（管片与围岩之间存在着摩擦力、背衬注浆材料与管片的胶着力、注浆材料与管片之间的咬合力。胶着力因砂浆早期强度低，咬合力因管片背面比较光滑，二者都可以忽略不计），当盾构掘进推力小于管片与围岩之间的摩擦阻力后，即可根据工序情况和工作整体安排，开始进行反力架、负环管片拆除。管片与围岩之间的摩擦力计算公式为：F=Df0E0 式中：F为管片与围岩之间的摩擦力；D为管片的直径；f0砂浆与围岩之间的摩擦系数，一般取0.10.15；E0隧道中间位置的松弛土压力。我们的经验数据是掘进100m以上（同时前50环管片完成掘进7日以上），可以根据工序情况和工作整体安排，开始进行反力架、负环管片的拆除。三、始发施工技术n（七）始发总结 在始发阶段，对盾构的各种性能进行调试，同时也对掘进模式、掘进参数等进行尝试。在始发即将完成时，要对始发阶段的各种尝试和施工过程加以总结，以利于后续的施工决策。三、始发施工技术n（八）始发机具与材料始发过程所需用的主要机具与材料如下表：序号名称型号数量备注1空压机10m/min1台2风镐4把3电焊机2台4管片运输车1辆5砂浆运输车6m31辆6出渣矿车16m33辆7机车1辆8门吊40T1台9始发台1个10反力架1付11负环钢管片1环12洞门密封1套三、始发施工技术n（九）劳动组织根据施工工序合理安排劳动力。在始发过程中劳动力组织如下表：序号工种班次人数备注1主司机2班1人2管片司机“3人3注浆司机“1人4调车员“1人5机车司机“1人6门吊司机“1人7材料供应“2人8搅拌司机“2人9值班工程师“1人10工班长“1人三、始发施工技术n（十）质量标准及技术要求1、在安装反力架和始发台时，反力架左右偏差控制在10mm之内，高程偏差控制在5mm之内，上下偏差控制在10mm之内。2、始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角2，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差2，水平趋势偏差3。3、管片在后移过程中，要严格控制每组推进油缸的行程，保证每组推进油缸的行程差小于10mm。4、始发掘进50m时，必须进行始发控制测量复测。三、始发施工技术n（十一）安全保证措施1、始发台定位时，盾构中心坡度与隧道设计轴线坡度保持一致，考虑隧道后期沉降因素，盾构中线可比设计轴线抬高1020mm。2、在洞口开始注浆时，要在盾构两侧派人严密监测洞口密封是否有异常情况，是否需要封堵，或者采取其他加固措施。3、在管片的后移过程中，要注意不要使管片从盾壳内的方木（或型钢）上滑落。4、要在盾构在向前推进的同时，检查盾构是否与始发台、始发洞发生干涉或是否有其他异常事件或事故的发生，确保盾构安全的向前推进。5、在始发阶段由于推力较小，地层较软，要特别注意防止盾构低头。同时要防止盾构机旋转、上飘。6、盾构机始发时负环管片周围没有约束，必须在管片四周尽可能地加上各种支撑，保证盾构机向前推进时负环管片不会失稳。7、在盾构机始发之前，为防止盾构机在始发台掘进时发生旋转，需要在盾构机两侧盾壳焊接两排防扭装置，用来卡住始发台，防止盾构机发生旋转。8、要严格控制负环管片的拆除时间，确保隧道整体稳定。四、常见问题的预防和处理n（一）加固效果不好 端头土体加固的效果不好是在始发过程中经常遇到的问题。采取的主要措施是必须根据端头土体情况选择合理的加固方法，而且要加强过程控制，特别是要严格控制一些基本参数。对于加固区与始发井间形成的必然间隙要采取其它方式处理。n（二）开洞门时失稳 开洞门时失稳主要表现为土体坍塌和水土流失二种，其主要原因也是由端头加固效果不好所致。在小范围的情况下可采用边破除洞门砼，边利用喷素砼的方法对土体临空面进行封闭。如果土体坍塌失稳情况严重时，只有封闭洞门重新加固。n（三）始发后盾构机“叩头”始发推进后，在盾构机抵达掌子面及脱离加固区时容易出现盾构机“叩头”的现象，根据地质条件不同有些可能出现超限的情况。为此，通常采用抬高盾构机的始发姿态、合理安装始发导轨以及快速通过的方法尽量避免“叩头”或减少“叩头”的影响。四、常见问题的预防和处理n（四）密封效果不好 洞门密封的主要目的也是在始发掘进阶段减少土体流失。当洞门加固达到预期效果时，对于洞门环的强度要求相对较低，否则要在盾构推进前彻底检查和确定洞门环的状况。在始发过程中若洞门密封效果不好时可即时调整壁后注浆的配合比，使注浆后尽早封闭，也可采用在洞门密封外侧向洞门密封内部注快凝双液浆的办法解决。n（五）盾尾失圆 在很多情况下，始发阶段由于自重及其他原因，盾尾一般都会出现失圆的情况，有些可能达到10CM之多。可以采用盾构机自带的整圆器进行整圆，在必要的情况下，可采用错缝拼装以保证在管片拼至隧道内时管片自身的椭圆度控制在误差以内。n（六）支撑系统失稳 支撑系统在某些情况下由于盾构机推进中的瞬时推力或扭矩较大而产生失稳，这样将导致整个始发工作的失败。对于支撑系统的失稳只能从预防角度进行，同时在始发阶段对支撑系统加强监测。n（七）地面沉降较大 由于始发施工的特殊性，始发阶段的地面沉降值均较大，因此在始发阶段需尽早建立盾构机的适合工况并严密注意出土量及土压情况，同时加大监测频率，控制地面沉降值。五、实例简介五、实例简介n南京地铁南北线一期工程共有三个盾构标段，其中由中铁隧道集团施工的TA15标的始发掘进一次成功。TA15标主要包括二个区间：玄武门站许府巷站，许府巷站南京站站。区间线路总长4574M。该段工程地质第一区间主要是隧道底部，基本位于可硬塑粉质粘土上，隧道中部以下为可塑状粉质粘土，以上为流塑状粉质粘土；主要穿越的地层有2B4粉质粘土淤泥质粉质粘土和2C23粉土。其中2B4粉质粘土淤泥质粉质粘土高压缩性和高灵敏度，易产生土体流动、开挖面不稳定现象；2C23饱和粉土具中低压缩性、中高灵敏度，易产生涌水、涌砂、开挖面不稳定现象。地下水位在地面以下1.13.1M之间。在许府巷到南京站区间，隧道穿越中稍密实砂层为主，在到达南京站段，局部穿越粘土层。其中场地范围内分布的1C23粉土、1D34粉砂夹细砂、2C23粉土及2D23粉砂夹细砂均为液化地层，液化程度属轻微液化严重液化。隧道穿越的土层及隧道底板下的土层分布复杂，其中2B4淤泥质粉质粘土和3B34粉质粘土承载力低，具有高压缩性及高灵敏度，易产生土体流动、开挖面不稳；五、实例简介2C23粉土、2D23粉砂夹细砂及3D23粉细砂，含水量丰富，透水性强，渗透系数达5103CMS，极易产生涌砂、涌水、开挖面不稳现象。地下水位在0.22.0之间。在前期端头加固处理中，为确保加固质量，先后使用了深层搅拌桩、注浆及高压旋喷的方法，分别针对一般地段、地下有障碍物处、与车站连续墙相接处进行加固。然后人工用风镐对车站的连续墙进行了凿除，凿除至第二层钢筋为止。在洞口密封、始发导轨、反力架及始发台安放好以后，进行连续墙最后一层砼的剥除，最后一次性始发成功。六、结束语n 盾构机的始发成功主要由始发条件及始发施工技术中每一环节的处理决定。在前期的地质勘探、始发区域的建筑物及管线情况进行调查，特别是对端头土体的液限、塑限、渗透系数、含水量等各种物理力学指标进行全面的调查及评估是相当有必要的；同时应对始发技术施工中的每一个环节加强全面、细致的控制，以确保各种处理措施达到预期效果。因为始发技术与各个工程的始发条件息息相关，所以始发时每一个细节如采用什么端头加固方式、连续墙破除方式、始发台及反力架的定位等均需根据现场条件选择最合适的方法。