泥水平衡盾构施工

1、地铁区间隧道施工地铁区间隧道施工 泥水平衡盾构泥水平衡盾构 龚 珑 2015年11月15日 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 主要内容主要内容 一、泥水盾构 二、盾构施工 三、现场巡视 四、问题探讨 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 盾构盾构 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 1 1、盾构起源、盾构起源 1818年，法国工程师麦克年，法国工程师麦克布鲁诺尔布鲁诺尔（M. I. Brunel） 从蛀虫钻孔得到启示，最早提出盾构掘进隧道的设想。从蛀虫钻孔得到启示，最早提出盾构掘进隧道的设想。 武汉地铁安全预警系统与咨询服

2、务 华中科技大学工程管理研究所 优点：优点： 在松软含水地层、地面构筑物不允许拆迁，施工条件困难地段，在松软含水地层、地面构筑物不允许拆迁，施工条件困难地段， 采用盾构法施工隧道能显示其优越性：机械化程度高、振动小、采用盾构法施工隧道能显示其优越性：机械化程度高、振动小、 噪声低、施工速度快、安全可靠，对沿线居民、地下和地面构筑噪声低、施工速度快、安全可靠，对沿线居民、地下和地面构筑 物及建筑物影响小等。物及建筑物影响小等。 缺点：缺点： （1）盾构机初期投入费用高，设备摊销费用大，对投标企业资）盾构机初期投入费用高，设备摊销费用大，对投标企业资 金实力要求高；金实力要求高； （2）盾构机定购

3、、制造及运输周期较长，同时盾构法施工与车）盾构机定购、制造及运输周期较长，同时盾构法施工与车 站接口协调较多，对工程筹划要求较高。站接口协调较多，对工程筹划要求较高。 2 2、盾构法、盾构法 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 3 3、泥水平衡盾构、泥水平衡盾构 （1）工作原理）工作原理 在盾构开挖仓内注入压力泥水，通过泥水加压和外部压在盾构开挖仓内注入压力泥水，通过泥水加压和外部压 力平衡，在开挖面形成泥膜，产生泥水平衡，使开挖面土体力平衡，在开挖面形成泥膜，产生泥水平衡，使开挖面土体 稳定。盾构推进时刀盘切削土体表面的泥膜，与泥水混合搅稳定。盾构推进时刀盘切削土体表

4、面的泥膜，与泥水混合搅 拌后形成高密度泥浆，经泥浆泵送至地面，泥浆在地面经过拌后形成高密度泥浆，经泥浆泵送至地面，泥浆在地面经过 分离，再次进入盾构的密封舱，不断地循环排渣。分离，再次进入盾构的密封舱，不断地循环排渣。 泥膜形成：当泥水压力大于地下水压力时，泥水渗入泥膜形成：当泥水压力大于地下水压力时，泥水渗入 土壤，在土壤间隙形成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并集聚土壤，在土壤间隙形成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并集聚 于开挖面，泥膜就此形成。随着时间的推移，泥膜的厚度不于开挖面，泥膜就此形成。随着时间的推移，泥膜的厚度不 断增加，渗透抵抗力逐渐增强。当泥膜抵抗力远大于正面土断增加，渗透抵抗力逐渐

5、增强。当泥膜抵抗力远大于正面土 压时，产生泥水平衡效果。压时，产生泥水平衡效果。 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 （2）结构功能）结构功能 结构划分结构划分：刀盘、盾体、人舱、渣土破碎系统、：刀盘、盾体、人舱、渣土破碎系统、 泥水循环系统、管片安装机、管片小车、后配套泥水循环系统、管片安装机、管片小车、后配套 拖车等。拖车等。 功能划分功能划分：盾构掘进机、掘进管理、泥水处理、：盾构掘进机、掘进管理、泥水处理、 泥水输送和同步注浆等泥水输送和同步注浆等5大系统组成。大系统组成。 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 武汉地铁安全预警系统与咨询服

6、务 华中科技大学工程管理研究所 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 盾构施工盾构施工 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 1 1、端头加固、端头加固 常见的土体加固技术主要有常见的土体加固技术主要有高压旋喷法高压旋喷法、深层搅拌桩、深层搅拌桩、 SMWSMW工法、冻结法等。工法、冻结法等。 深层搅拌桩深层搅拌桩：利用深层搅拌机械，用水泥作为固化剂与地：利用深层搅拌机械，用水泥作为固化剂与地 基土进行原位的强制粉碎拌合，待固化后形成不同形状的基土进行原位的强制粉碎拌合，待固化后形成不同形状的 桩、墙体或块体等。桩、墙体或块体等。 武汉地铁安全预警系

7、统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 SMW工法工法：通过深层搅拌机器搅拌，让水泥类悬浊液在：通过深层搅拌机器搅拌，让水泥类悬浊液在 原地层中与土体反复均匀混合，并根据一定的间隔插入原地层中与土体反复均匀混合，并根据一定的间隔插入H 型钢或钢板桩等作为加强基材，待水泥固结后，形成的复型钢或钢板桩等作为加强基材，待水泥固结后，形成的复 合的连续挡土墙。合的连续挡土墙。 冷冻法冷冻法：将不稳定的含水地层采用冻结的方法，使之形成：将不稳定的含水地层采用冻结的方法，使之形成 冻土层，提高其强度和自立性，同时形成完整的防水屏蔽。冻土层，提高其强度和自立性，同时形成完整的防水屏蔽。 武汉地铁安全预警系

8、统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 （1 1）工艺原理）工艺原理 利用工程钻机钻孔到设计深度，将一定压力的水泥利用工程钻机钻孔到设计深度，将一定压力的水泥 浆液和空气，通过其端部侧面的特殊喷嘴同时喷射，并浆液和空气，通过其端部侧面的特殊喷嘴同时喷射，并 强制与喷射出来的浆液混合，胶结硬化。喷射同时，旋强制与喷射出来的浆液混合，胶结硬化。喷射同时，旋 转并以一定速度提升注浆管，能在土体中形成明显的拌转并以一定速度提升注浆管，能在土体中形成明显的拌 和加固体。和加固体。 高压旋喷法高压旋喷法 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 （2 2）工艺流程）工艺流程 武汉地铁安

9、全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 内容内容 编号编号 检查检查 项目项目 标准标准 检查检查 方法方法 备注备注 1加固土体强度加固土体强度1MPa 在每条隧道开挖线外侧施工在每条隧道开挖线外侧施工2 个钻孔取芯检查。个钻孔取芯检查。 （钻孔深度至开挖线底部）（钻孔深度至开挖线底部） 取岩土芯进行取岩土芯进行 抗压强度试验抗压强度试验 2加固体渗透性加固体渗透性 1立方立方/d 不得漏泥砂不得漏泥砂 在洞门范围上下左右及中心各在洞门范围上下左右及中心各 施工钻孔施工钻孔1个，检查其渗水量。个，检查其渗水量。 钻孔要打穿地钻孔要打穿地 下连续墙下连续墙 3加固体匀质性加固体匀质性

10、加固体均匀加固体均匀利用钻孔取芯利用钻孔取芯进行检查进行检查现场判定现场判定 （3 3）地层加固效果检查）地层加固效果检查 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 水文地质水文地质 开挖面位于开挖面位于粉质粘土加砂、粉细砂粉质粘土加砂、粉细砂，地下水丰富、，地下水丰富、 水位高且具有水位高且具有承压承压特征。特征。 端头加固及降水端头加固及降水 盾构始发端头采用盾构始发端头采用高压旋喷桩高压旋喷桩加固，始发前降水至加固，始发前降水至 开挖面以下开挖面以下1m1m。 （4 4）王宗区间）王宗区间 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 端头平面加固区域端头

11、平面加固区域12.2m12.2m（横向）（横向）12m12m（纵向），（纵向）， 立面加固深度立面加固深度12.2m12.2m，加固区为隧道轮廓上下左右各，加固区为隧道轮廓上下左右各3m3m， 前方前方12m12m，三重管旋喷桩采用，三重管旋喷桩采用800500mm800500mm。 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 3 3、盾构机安装与调试、盾构机安装与调试 （1 1）盾构始发基座）盾构始发基座 基座结构：基座由两根工字钢通过钢板焊接在一起，组成箱式结基座结构：基座由两根工字钢通过钢板焊接在一起，组成箱式结 构钢梁。在钢梁上设置钢轨作为盾构导向轨道。基座就位后通过横

12、向构钢梁。在钢梁上设置钢轨作为盾构导向轨道。基座就位后通过横向 和斜向进行加固，两边使用横梁与始发洞口的预埋件进行焊接加固。和斜向进行加固，两边使用横梁与始发洞口的预埋件进行焊接加固。 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 （2 2）盾构机组装与调试）盾构机组装与调试 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 盾构机空载盾构机空载 调试调试 主要调试内容：液压系统，润滑系统，冷却系统，配电系统，主要调试内容：液压系统，润滑系统，冷却系统，配电系统， 注浆系统以及各种仪表的校正。注浆系统以及各种仪

13、表的校正。 电气部分运行调试：电气部分运行调试： 检查送电检查送电检查电机检查电机分系统参数设置与试运行分系统参数设置与试运行整机试运行整机试运行 整机再次调试。整机再次调试。 液压部分运行调试：液压部分运行调试： 推进系统推进系统管片安装机管片安装机管片吊机和拖拉小车管片吊机和拖拉小车泥浆系统泥浆系统注注 浆系统。浆系统。 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 （3 3）反力架及支撑系统安装）反力架及支撑系统安装 反力架采用组合钢结构件，盾构始发时反力支撑反力架采用组合钢结构件，盾构始发时反力支撑 约需提供约需提供20002000吨吨的反力。的反力。 武汉地铁安全预警系

14、统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 4 4、洞门密封、洞门破除、洞门密封、洞门破除 （1 1）洞门密封）洞门密封 洞门洞门密封装置由一道橡胶密封与两道钢丝刷组成密封装置由一道橡胶密封与两道钢丝刷组成 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 （1 1）洞门破除）洞门破除 洞门结构形式洞门结构形式： 地下连续墙施工洞口封门、钻孔灌注桩施工洞口封门、地下连续墙施工洞口封门、钻孔灌注桩施工洞口封门、 SMW工法施工洞口封门、特殊封门工法施工洞口封门、特殊封门 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 人工凿除人工凿除，凿除工作分两步：，凿除工作分两步： p

15、第一步：以手持风镐方式第一步：以手持风镐方式从上至下分层凿除从上至下分层凿除洞门范洞门范 围内的围护结构外部混凝土和钢筋，保留最内层钢筋围内的围护结构外部混凝土和钢筋，保留最内层钢筋 ，对端头土体进行保护；，对端头土体进行保护； p 第二步：盾构准备推进，割除围护结构内层钢筋，第二步：盾构准备推进，割除围护结构内层钢筋， 刀盘抵拢掌子面刀盘抵拢掌子面。 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 5 5、负环安装、负环安装 第一环负环管片拼装前，在盾尾管片拼装区第一环负环管片拼装前，在盾尾管片拼装区170170度范围内均度范围内均 匀安设匀安设6 6根长根长2m2m、厚、厚80

16、mm80mm的定位垫块（盾尾内侧与管片外弧面的的定位垫块（盾尾内侧与管片外弧面的 间隙为间隙为85mm85mm），在盾构内拼装好整环后利用盾构推进千斤顶将管），在盾构内拼装好整环后利用盾构推进千斤顶将管 片缓慢推出，当管片推出片缓慢推出，当管片推出1700mm1700mm后开始拼装第二环管片（切不可后开始拼装第二环管片（切不可 将第一环管片全部推出垫块范围再拼装第二环，避免管片下沉）将第一环管片全部推出垫块范围再拼装第二环，避免管片下沉） 。负环管片按照错缝的方式进行拼装。负环管片按照错缝的方式进行拼装。 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 武汉地铁安全预警系统与咨询服

17、务 华中科技大学工程管理研究所 5 5、盾构掘进、盾构掘进 （1 1）掘进参数）掘进参数 掘进参数设定值备注 泥水仓中心 压力 1.21.5bar 考虑地层土体侧压系数0.4，系数取1.1 1.3。 进浆比重1.10始发端处于粉质粘土和粉细砂层 进浆粘度19始发端处于粘性土层 掘进速度02cm/min最快掘进速度为6cm；避免泥饼产生 进排泥浆流 量差 与掘进速度相 匹配 避免大的超挖 埋深、姿态、本环掘进量、同步注浆量、推力、扭矩埋深、姿态、本环掘进量、同步注浆量、推力、扭矩 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究

18、所 p 材料：铸铁管片、材料：铸铁管片、钢管片钢管片、预制钢筋混凝土管片预制钢筋混凝土管片 p 管片厚度一般为隧道外径的管片厚度一般为隧道外径的0.50.60.50.6倍，采用倍，采用300mm300mm 或或350mm350mm，管片的宽度，管片的宽度80080015001500mmmm。 p 环类型：标准环左、右楔型环环类型：标准环左、右楔型环 p 环分块：标准块环分块：标准块+ +邻接块邻接块+ +封顶块，封顶块，6 6块块 p 拼装工艺：拼装工艺：错缝拼装，先环后纵，先下后上，封顶成环错缝拼装，先环后纵，先下后上，封顶成环 （2 2）管片拼装）管片拼装 武汉地铁安全预警系统与咨询服务

19、华中科技大学工程管理研究所 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 （3 3）同步注浆及二次注浆）同步注浆及二次注浆 p 同步注浆同步注浆：在盾构掘进过程中，在盾构掘进过程中，向向脱出盾尾的管片背后同步注脱出盾尾的管片背后同步注 入足量的浆液材料充填入足量的浆液材料充填盾尾环形建筑空隙盾尾环形建筑空隙，采用采用盾尾内置的注盾尾内置的注 浆管浆管进行同步注浆。进行同步注浆。 p 二次注浆二次注浆：一般在管片与围岩间的空隙充填密实性差或管片衬：一般在管片与围岩间的空隙充填密实性差或管片衬 砌出现渗漏的情况下，通过管片注

20、浆孔向管片背后二次注浆。砌出现渗漏的情况下，通过管片注浆孔向管片背后二次注浆。 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 6 6、盾构接收、盾构接收 （1 1）端头加固及降水）端头加固及降水 （3 3）洞门密封、洞门破除）洞门密封、洞门破除 （4 4）盾构机拆除）盾构机拆除 （2 2）盾构接收架安装）盾构接收架安装 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大学工程管理研究所 7 7、盾构空推、盾构空推 （1 1）导台施作）导台施作 （2 2）盾构空推）盾构空推 （3 3）管片背衬回填）管片背衬回填 武汉地铁安全预警系统与咨询服务 华中科技大