大直径盾构技术应用及风险控制(吴总讲座)PPT

1、大直径盾构技术应用及风险控制大直径盾构技术应用及风险控制目目 录录一、现状与前景一、现状与前景二、施组和管理二、施组和管理三、工法和选型三、工法和选型四、应用和技术四、应用和技术五、风险与控制五、风险与控制六、结束语六、结束语 一、现状与前景一、现状与前景 目前国内在建的大直径盾构法隧道已达世界总和范围：公路、铁路、水利、地目前国内在建的大直径盾构法隧道已达世界总和范围：公路、铁路、水利、地铁等领域。铁等领域。 已建成的有：已建成的有：北京直径线北京直径线天津直径线天津直径线 京津延长线京津延长线杭州青村路隧道杭州青村路隧道钱塘江公路隧道钱塘江公路隧道南水北调穿黄隧道南水北调穿黄隧道中广核台山

2、取水道中广核台山取水道武汉长江公路隧道武汉长江公路隧道扬州瘦西湖公路隧道扬州瘦西湖公路隧道上海沪崇苏长江隧道上海沪崇苏长江隧道广深港高铁狮子洋隧道广深港高铁狮子洋隧道南京纬七路长江公路隧道南京纬七路长江公路隧道上海地铁黄浦江越江隧道上海地铁黄浦江越江隧道+10+10条条南京地铁三号线、十号线长江隧道南京地铁三号线、十号线长江隧道 在建工程：在建工程： 武汉地铁长江隧道武汉地铁长江隧道 穗莞深珠海城际等穗莞深珠海城际等 南京纬三路长江隧道南京纬三路长江隧道 长株潭城际铁路隧道长株潭城际铁路隧道 广州地铁四号线延长线广州地铁四号线延长线 广深港深圳广深港深圳- -香港段高铁隧道香港段高铁隧道 武汉

3、长江公路地铁联营长江隧道武汉长江公路地铁联营长江隧道 待建项目：待建项目： 北京地铁北京地铁 北横隧道北横隧道 太原城际线太原城际线 上海上海A30A30公路隧道公路隧道 珠海拱门公路隧道珠海拱门公路隧道 深圳前海公路隧道深圳前海公路隧道 周家嘴路公路隧道周家嘴路公路隧道 安徽芜湖越江公路隧道安徽芜湖越江公路隧道 广东汕头海湾公路隧道广东汕头海湾公路隧道 京京- -张线、京沈线（高铁）张线、京沈线（高铁） 发展前景：发展前景： 按目前不完全统计，在进行工可及初级论证的预估在今后按目前不完全统计，在进行工可及初级论证的预估在今后5 5年内有近年内有近3030条左右的各功能条左右的各功能性的大直径

4、盾构法隧道要进入施工期。性的大直径盾构法隧道要进入施工期。二、施组和管理二、施组和管理 工程水文地质的准确和可性度。工程水文地质的准确和可性度。 管片衬砌结构体系的长期稳定性。管片衬砌结构体系的长期稳定性。 高水压隧道结构体的防水可靠和耐久性。高水压隧道结构体的防水可靠和耐久性。 长距离隧道通风和防灾体系。长距离隧道通风和防灾体系。 隧道工程结构体系的抗震性能。隧道工程结构体系的抗震性能。 复合地层的砂土液化失稳及掌子面的稳定性。（包括泥浆造型）复合地层的砂土液化失稳及掌子面的稳定性。（包括泥浆造型） 盾构机的造型的适应性和可靠性。盾构机的造型的适应性和可靠性。 盾构推进过程中高水压、强透水、

5、上软下硬等复合地层的施工风险。盾构推进过程中高水压、强透水、上软下硬等复合地层的施工风险。 长距离推进中的换刀的难度。长距离推进中的换刀的难度。 始发及接收井支护结构的安全性。始发及接收井支护结构的安全性。三、工法和选型三、工法和选型大直径盾构在国内主要以泥水加压盾构、土压平衡盾构为主体。工法的大直径盾构在国内主要以泥水加压盾构、土压平衡盾构为主体。工法的应用主要还是根据地质及水文为基础，在风险可控条件下采用合理的工法。应用主要还是根据地质及水文为基础，在风险可控条件下采用合理的工法。土压平衡盾构工法成本低于泥水盾构，但由于开挖直径大，在施工管理上风土压平衡盾构工法成本低于泥水盾构，但由于开挖

6、直径大，在施工管理上风险很大，目前在施工中复合地层选用土压盾构的实际成本高于泥水盾构，所险很大，目前在施工中复合地层选用土压盾构的实际成本高于泥水盾构，所以在盾构施工一定要以地质为基础，选用合适的盾构工法。以在盾构施工一定要以地质为基础，选用合适的盾构工法。盾构的选型，目前国内外设备制造厂家根据施工所产生的设备存在风险不断的在创新。归盾构的选型，目前国内外设备制造厂家根据施工所产生的设备存在风险不断的在创新。归纳下来已在市场应用的有以下几方面的新工法：纳下来已在市场应用的有以下几方面的新工法：1.1.双模盾构双模盾构 S+ES+E（泥水和土压切换模式）（泥水和土压切换模式） E+T E+T（土

7、压和硬岩机切换模式）（土压和硬岩机切换模式） 2.2.常压换刀（在高水压、强透水地质自稳差的地层换刀技术，从根本上保证了人员进舱常压换刀（在高水压、强透水地质自稳差的地层换刀技术，从根本上保证了人员进舱 的安全风险）的安全风险）3.3.饱和带压进舱作业法（在高水压进舱延长了工作时间和改善了环境，按普通带压进舱饱和带压进舱作业法（在高水压进舱延长了工作时间和改善了环境，按普通带压进舱 作业对比，工效提高作业对比，工效提高2020倍以上）倍以上）4.4.刀具检查可视化系统（该系统的开发成功，极大提高了前期准备工作的精准性）刀具检查可视化系统（该系统的开发成功，极大提高了前期准备工作的精准性）5.5

8、.双压模式（土压平衡模式下盾构机的拱顶追加了一套带介质体的压力保护装置，在上双压模式（土压平衡模式下盾构机的拱顶追加了一套带介质体的压力保护装置，在上 软下硬地层施工确保了超挖风险，控制地表沉降）软下硬地层施工确保了超挖风险，控制地表沉降）S+ES+E（泥水和土压切换模式）（泥水和土压切换模式）E+TE+T（土压和硬岩机切换模式）（土压和硬岩机切换模式）常压换刀常压换刀（在高水压、强透水地质自稳差的地层换刀技术，从根本上保证了人员进（在高水压、强透水地质自稳差的地层换刀技术，从根本上保证了人员进舱的安全风险）舱的安全风险）刀具检查可视化系统刀具检查可视化系统（该系统的开发成功，极大提高了前期准

9、备工作的精准性）（该系统的开发成功，极大提高了前期准备工作的精准性）四、应用和技术四、应用和技术 根据不同地质，盾构法施工应用范畴很广也是根据不同地质，盾构法施工应用范畴很广也是大直径盾构面临的大难题。应用技术难点主要表大直径盾构面临的大难题。应用技术难点主要表现在以下几方面：现在以下几方面：盾构选型：盾构选型：刀盘刀具。（刀盘结构强度，开口刀盘刀具。（刀盘结构强度，开口率、刀具选用布置）率、刀具选用布置）功能配置。（压力、扭矩、推力等功能配置。（压力、扭矩、推力等选用）选用）安保措施（超前加固，安全闸门，安保措施（超前加固，安全闸门，破碎功能，油脂类磨损检测等）破碎功能，油脂类磨损检测等）环

10、流系统（压力控制、流量不平衡环流系统（压力控制、流量不平衡等）等）信息系统（信息系统（PLCPLC功能、姿态自动检测功能、姿态自动检测等）等）地质条件地质条件刀盘结构强度安全系数刀盘结构强度安全系数刀具配置刀具配置最大扭矩值的安全系数最大扭矩值的安全系数上软下硬地层上软下硬地层安全系数安全系数1.5混装式刀具混装式刀具安全系数安全系数S1.5卵砾层卵砾层安全系数安全系数1.3保证有效最保证有效最大开挖直径大开挖直径安全系数安全系数S1.5断断碎裂碎裂带带安全系数安全系数1.3保证有效最保证有效最大开挖直径大开挖直径安全系数安全系数S1.3钙磷变质砂岩钙磷变质砂岩（简称孤石）（简称孤石）安全系数

11、安全系数2.0混装式刀具混装式刀具安全系数安全系数S2.0古河床漂石残古河床漂石残留冲洪积层留冲洪积层安全系数安全系数1.3混装式刀具混装式刀具安全系数安全系数S2.0超高强度各类超高强度各类风化岩风化岩安全系数安全系数2.0保证有效最保证有效最大开挖直径大开挖直径安全系数安全系数S2.0列出下表以供大家参考列出下表以供大家参考刀盘结构强度刀盘结构强度刀具承载力不够多角偏磨刀具承载力不够多角偏磨冲击性磨损端盖脱落冲击性磨损端盖脱落轴与刀体分离轴与刀体分离 下面显示几组照片供大家研究探讨下面显示几组照片供大家研究探讨掌子面强中风化层掌子面强中风化层刀具由于开挖直径大、刀具的快速及不规则磨损刀具由

12、于开挖直径大、刀具的快速及不规则磨损案二；说明：图示蓝色曲线为推进速度曲线，红色曲线为刀盘扭矩曲线，说明：图示蓝色曲线为推进速度曲线，红色曲线为刀盘扭矩曲线，黑色曲线框内为推进速度突降，扭矩居高不下的区间。黑色曲线框内为推进速度突降，扭矩居高不下的区间。从以上表中可以完全看出在推进过程中扭矩和速度明显发生了反异差，从以上表中可以完全看出在推进过程中扭矩和速度明显发生了反异差，简单的判定不是刀具出了问题就是地质发生突变。简单的判定不是刀具出了问题就是地质发生突变。推进参数的合理应用推进参数的合理应用管片与盾构的姿态控制管片与盾构的姿态控制壁后同步注浆及补充注浆的控制壁后同步注浆及补充注浆的控制

13、浆液的质量浆液的质量 压力和流量压力和流量 （P P出出=P=P切切+0.6Bar+0.6Bar）尾盾保护尾盾保护姿态控制姿态控制油脂质量油脂质量正确理解油脂舱、注浆、切口、三压力的相互关系应用正确理解油脂舱、注浆、切口、三压力的相互关系应用切口压力切口压力上限值的计算：上限值的计算： P P上上=P1+P2+P3=rwh+ko(r-rw) h+r(H-h)+20=P1+P2+P3=rwh+ko(r-rw) h+r(H-h)+20式中：式中：P P上上为切口水压的上限值（为切口水压的上限值（kpakpa） P1 P1、P2P2、P3P3分别指地下水压力、静止土压力、变动土压分别指地下水压力、静

14、止土压力、变动土压力（力（kpakpa） h h、H H分别指地下水位至隧道中心埋深和地面至隧道中心分别指地下水位至隧道中心埋深和地面至隧道中心埋深（埋深（m m） ko ko为静止土压力系数为静止土压力系数 r r、rwrw分别指土的容重和水的容重分别指土的容重和水的容重切口压力计算切口压力计算切口压力的计算及波动切口压力的计算及波动23切口压力计算切口压力计算切口压力切口压力下限值的计算：下限值的计算：P P下下=P=P1 1+P+P2 2+P+P3 3=r=rw wh+ka(r-rh+ka(r-rw w)h+r(H-h)-2CuKa+20)h+r(H-h)-2CuKa+20式中：式中：P

15、 P下下、P P2 2分别指接口水压力下限值、主动土压力分别指接口水压力下限值、主动土压力P P1 1、P P3 3分别指地下水压力、变动土压力分别指地下水压力、变动土压力KaKa为主动土压力系数为主动土压力系数CuCu土的粘聚力土的粘聚力送排泥流量的平衡及临界沉淀的控制送排泥流量的平衡及临界沉淀的控制送排泥流量的探讨送排泥流量的探讨1.1.掘削断面积掘削断面积 A AA=1/4DA=1/4D2 2 2.2.地层中的含砂率地层中的含砂率 K(%) K(%)K=(100/(100+K=(100/(100+2 2* *)* *1001003.3.掘削土砂量掘削土砂量 q m q m3 3/min/

16、minQ=AQ=A* *S/100S/1004.4.掘削土砂量中的干砂量掘削土砂量中的干砂量 G m G m3 3/min/minG=AG=A* *(S/100)(S/100)* *(K/100)(K/100)5.5.排泥流量排泥流量 Q Q2 2 m3/minm3/min6.6.送泥流量送泥流量 Q Q1 1 m3/minm3/minQ Q1 1= Q= Q2 2-q-q7.7.送泥浓度送泥浓度 C1 C1（%)%)C C1 1=(=(1 1-0 0)/()/(1 1-0 0) )* *1001008.8.排泥浓度排泥浓度 C2(%)C2(%)C C2 2=(C=(C1 1* *Q)+100

17、G)/QQ)+100G)/Q2 29.9.排泥比重排泥比重2 2=0 0+(C+(C2 2(2 2-0)/100 0=1-0)/100 0=110.10.管内流速管内流速送泥管流速送泥管流速 V V1 1(m/s)(m/s)V V1 1= = Q Q1 1/(/4/(/4* * d d1 12 2* *60)60)排泥管流速排泥管流速 V V2 2(m/s)(m/s)V V2 2= = Q Q2 2/ /（/4/4* * d d2 22 2* *6060）排泥管内临界沉淀流速排泥管内临界沉淀流速 V VL L(m/s)(m/s)V VL L= =F FL L* * 2g 2g* * d d2

18、2* *(2 2-1 1)/ )/ 1 1F FL L常用系数：常用系数：1.5(1.37)1.5(1.37)g g重力加速度：重力加速度：9.8m/s9.8m/s2 2带压进舱的泥膜质量及效果带压进舱的泥膜质量及效果地面处理设备的选用及管理地面处理设备的选用及管理根据地质祥勘及物理指标，选用合理的分离设备根据地质祥勘及物理指标，选用合理的分离设备场地的限制条件，平面布置需优化场地的限制条件，平面布置需优化制浆系统的应急响应制浆系统的应急响应管路布置要合理，工程设备要具有系统化管路布置要合理，工程设备要具有系统化2020倍以上发泡倍率验证法倍以上发泡倍率验证法首先由不同厂商提供各自泡沫产品使用

19、的具体参数 （浓度C、发泡率FER），然后要求在相同工况条件下进行对比试验。（条件包括同一台泡沫发生器，同一把泡沫枪，相同土压下）在泡沫发生器前端样品阀处接一根约1m的软管或橡皮管进行取样观察，取软管喷出的成品泡沫。（注意不要样品阀一开就取，待样品泡沫成型稳定再取，可以将样品阀打开让泡沫先打一会，再用容器去盛接。 另外更换泡沫品牌时，需要注意混合液箱内不要留有残余，以免两种品牌的混合液混合使用，造成实验结果不具说服力。更换品牌后，最好使用一段时间后再进行取样，将之前管路中的残留泡沫消耗殆尽） 同类泡沫产品在相同工况条件下，各自盛取软管喷出的相同体积的成品泡沫。（用容器装好，并静置12小时后观察

20、消泡情况，消泡严重的属于泡沫破裂不符要求，因此一定要扣除消泡体积，仅以最终剩余泡沫体积进行后续计算）分别对静置后的泡沫样品称重，去掉容器重量得出实际泡沫重量。（泡沫的实质是混合液，气体重量可以忽略不计，因此称重的泡沫重量实际就是混合液重量，然后换算单位至L）最后，称重消泡后泡沫的体积/混合液体积 得出的比例就为工况条件下该泡沫剂参数的实际发泡倍率。以此来鉴别各类泡沫剂是否能达发泡倍率的要求。另外，实际施工中也能以出渣情况参考。取一把渣土掰开，通过目测是否存在明显泡沫颗粒，或者通过在耳边手捏渣土是否听到渣土内有泡沫破裂声。这些也能表明泡沫是否渗透土体进行改良。如果渣土完全没有泡沫颗粒存在，则说明

21、，泡沫在掌子面效果不佳，或者在土仓内早已消泡殆尽，甚至遇水又被稀释成混合液，起不到应有效果。土压盾构的渣土改良剂的应用土压盾构的渣土改良剂的应用五、风险与控制五、风险与控制风险控制管理体系风险管理基本原则风险管理基本原则内容确定及风险计划制定内容确定及风险计划制定风险识别风险识别风险分析风险分析风险评估风险评估风险处置风险处置监控审查监控审查系统性工程风险管理过程系统性工程风险管理过程制定风险管理计划确定风险管理目标确定风险管理准则确定风险来源进行风险分类建风险登记表分析可能发生的后果确定可能性和严重程度分析风险控制措施评估风险概率和损失分析风险的重要性评价风险等级确定风险处理方法确定风险处理方案制定紧急预案 根据国内外大直径盾构施工所发生的各类风险事故，根据国内外大直径盾构施工所发生的各类风险事故，主要为以下几大风险源：主要为以下几大风险源：地质风险地质风险上软下硬复合地层上软下硬复合地层复杂的地质条件及复合地层施工难点与关键技术复杂的地质条件及复合地层施工难点与关键技术复杂的