盾构法隧道施工的技术原理及风险分析讲义

1、同济大学 廖少明教授1土压平衡盾构法施工技术原理与风险控制概要同济大学土木工程学院地下建筑与工程系廖少明 教授/博导同济大学 廖少明教授2地下结构是通过特定建造过程形成而处于扰动后的复杂应力状态下的岩土环境之中。 -廖少明同济大学 廖少明教授3盾构施工技术基本原理盾尾注浆地层损失盾尾环形间隙正面水土压地层土压LDd盾壳摩擦力同济大学 廖少明教授4盾构机一 盾构机的分类手掘式半机械式闭胸式机械式气压平衡式泥土加压平衡式泥水加压平衡式复合式同济大学 廖少明教授5二 盾构机的选型影响因素：1）与土层的关系2）对环境的要求3）进度、经济要求4）施工技术水平要求同济大学 廖少明教授6三 盾构机主要组成部

2、分1.2.3.4.5.6.7.8.9.盾壳及支承机构挖土运输系统推进系统管片拼装系统注浆系统盾尾密封系统操作系统电气系统导向系统同济大学 廖少明教授7盾壳切口环支撑环盾尾瓶车渣泥土压平衡盾构土料运输电瓶车排离同济大学 廖少明教授8（破碎机）大刀盘挖土运输系统皮（电土压平衡盾构泵出管螺旋出土器新鲜泥浆供应矿带机机 车 ）土压平衡盾构皮带机浆 螺旋出浆 分土器泥 土装置泥水平衡盾构同济大学 廖少明教授9推进系统油压千斤顶油压千斤顶回缩同济大学 廖少明教授10注浆系统搅拌机泥浆泵注浆管注浆系统同济大学 廖少明教授11盾尾密封系统钢丝刷注牛油脂系统同济大学 廖少明教授12四 盾构施工原理同济大学 廖少

3、明教授13五 盾构施工参数同济大学 廖少明教授14五 盾构施工参数合理的支护压力（1）临界压力欠压推进：主动超压推进：被动（2）深埋隧道土拱效应（3）考虑地层损失（颗粒流动性）泰沙基土拱理论隧覆土 H 2D普氏压力拱同济大学 廖少明教授151 盾构推力外壁与周围土体的摩阻力:F1=DLc开挖面正面阻力:F2=1/4D2who+Ko(H-h0)+ h0管片与盾尾间的摩擦力：F3=ns2Ws同济大学 廖少明教授162 刀盘扭矩Tc=D3Tc刀盘扭矩（KN.m）D盾构外径（m）系数，可根据地质条件，开挖距离等因素决定，一般取值8-25。除按上述经验公式计算外，确定刀盘的扭矩时，还应考虑支撑形式的影响

4、，按上式验收复核同济大学 廖少明教授173 推进速度与同步注浆控制DscrewdrodDscrew同济大学 廖少明教授184 螺旋机参数配置(1)带式螺旋与轴式螺旋(2)单螺旋与多螺旋：大直径盾构、高压力维持（大于4bar）或困难/复合地层下，单螺旋不适应，应采用多螺旋出土系统或间断排土方式(3)螺旋长度(10m-12m)(4)螺旋机直径（地铁750-900）(5)螺旋叶片间距 (700-800)(6)螺旋机前端闸门(7)可伸缩螺杆同济大学 廖少明教授195 刀盘选型及布置刀盘形式辐条式刀盘辐条面板式（含复合刀盘）面板式刀盘开口率60%70%25%45%10%20%适用地层砂卵石地层无水黏土地

5、层复合地层普通黏土富水淤泥地层粉细砂地层备注当卵石最大粒径超过螺旋输送机排渣能力时谨慎使用应用范围最广泛，土压平衡盾构和泥水平衡盾构均采用通常仅用于泥水盾构同济大学 廖少明教授20卵石层(N40)砂砾卵石(10N40)冲击粘土(0N10)6 刀具选型及布置 刀具选择的一般原则 硬岩采用盘形滚刀（80-200MPa）；软岩采用齿刀；软土或破碎软岩可采用切刀、刮刀、贝壳刀等(20MPa以下)。洪积土(砂质土)(10N25)日本土质磨损系数mm/km泥水式土压式淤泥粘土-20.510-21.210砂质土-20.910-22.310砂砾小砾-21.110-22.610中砾-21.510-23.910大

6、砾-21.910-25.210p同济大学 廖少明教授21 刀具磨损量(mm) -刀具贯入度L 掘进距离(km)Km 同轨迹布置m把刀时刀具综合磨损系数(10-2mm/km)D 刀具切削外径n 刀盘转速V 推进速度(mm/min)如按砂卵石地层取磨损系数K=0.05mm/km，平均推进速度3cm/min;则磨损量为： =33mm。6 刀具选型及布置土压平衡盾构刀具磨损经验公式：Lkm n DV Vnp 同济大学 廖少明教授五 盾构施工风险及其控制1 关键部件故障2 盾构进出洞3 开挖面超挖及地面塌陷4 同步注浆5 盾构小半径掘进6 沿线相邻工程活动7 突遇不良地质断面2223刀盘驱动及卡死故障马

7、达驱动类型：油马达：功率高，散热大，故障多，须水冷措施，维修困难，要求高（现场实时保驾）电马达：功率小，故障少，需多个马达，变频节能，其中之一损坏，影响掘进刀盘及其组合浮动刀盘大直径盾构内外同心大齿轮切削速度差；搅拌均匀；防扭转；同济大学 廖少明教授同济大学 廖少明教授24主轴密封2013年底 世界最大盾构-西雅图Bertha 17m盾构，因主轴密封问题导致瘫痪同济大学 廖少明教授25（1）土舱内添加剂：泡沫等高分子材料，沙盐、乙醇（2）电渗法（3） 螺旋机前端闸门（4）可伸缩螺杆螺旋机堵塞故障螺旋机堵塞后，拆卸或开启检查孔导致螺旋机失压致喷涌26来源:Coen van der Vliet ,

8、 Frans Bijlaard , Gerard Kooijman , Marius Naaktgeboren，WTC2009,CDROM同济大学 廖少明教授盾构尾部失壳体失稳变形荷兰westschelde隧道:停工3-4个月 国内某隧道:已停顿几年,至今仍未解决(8cm)同济大学 廖少明教授27洞周加固土体厚度计算：t为深层搅拌加固后土体的弯曲拉伸强度（kPa）；K为安全系数取1. 5 ；E为朗金土压力计算水土侧压力和；r=D/2，D为盾构开挖土体的直径。计算简图1.2Er 2tt k盾构进出洞地基加固强度与稳定性680750800?600同济大学 廖少明教授28洞口止水帘布板螺母GB56-

9、86-M20固定板销套翻板帘布橡胶板圆环板垫圈GB95-85-20-100HV螺母GB41-86-M20双头螺柱GB899-86 M2011040盾构出洞同济大学 廖少明教授29盾构出洞-后盾反力系统及发射架安装中板底板内衬墙钢支撑预埋件钢支撑反力架钢环地连墙负环-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1发射架同济大学 廖少明教授30盾构出洞-后盾反力系统及发射架反力架中板负环钢环钢支撑后盾及反力系统示意图发射架发射架示意图同济大学 廖少明教授31盾构进洞后，须再作三环距离推进。其中，拼装一环整环，另二环只装拱底块，使盾构机滑行至接收架上，盾尾钢丝

10、刷离端头井内衬墙8001000mm后停置。封堵板安装完毕后，按设计要求，在洞门3环内作特殊注浆加固。盾构机进洞时为防止衬砌环缝松驰、张开、漏水等情况发生，要求操作人员在拼装衬砌时，必须确保纵向螺栓枚枚拧紧，要有专人复拧。为保证进洞安全，在进洞处加装洞口止水帘布板。盾构进洞同济大学 廖少明教授32推进方向洞门密封装置加固区管片加固区与挡土墙间的间隙或变形裂隙；进出洞时洞门密封装置（铰链板和袜套）等的薄弱处；加固体缺陷和搭接处有缝隙处；加固区外边缘盾尾脱开时的盾尾缝隙处。盾构主机加固区盾构进出洞时渗水路径示意图盾构进出洞防渗流与突涌要求车站围护结构车站内衬同济大学 廖少明教授33出洞时纵向加固长度

11、构造要求进洞时纵向加固长度构造要求满足盾构进出洞工艺的土体加固要求推进方向盾构主机帘布橡胶止水板车站内衬B1加固土体加固土体管片车站围护结构H1H2B2推进方向盾构主机长度盾构主机帘布橡胶止水板车站内衬B1加固土体车站围护结构加固土体安全止水距离H1H2B2同济大学 廖少明教授34深层搅拌桩和SMW 加固土体示意图盾构进出洞地基加固方法常规地基加固方法有注浆法、高压旋喷桩、水泥土搅拌桩、SMW工法桩、冻结法、降水法等，每种方法各有其优缺点及地层适应性。同济大学 廖少明教授35注浆加固示意图冻结法加固出洞土体示意图盾构进出洞地基加固方法冷冻法加固同济大学 廖少明教授36某地铁进洞事故同济大学 廖

12、少明教授37某地铁出洞事故同济大学 廖少明教授38地层损失及出土控制软粘土地层：压力控制砂土地层：压力控制+土量控制砂卵石地层：土量控制曲线掘进控制：纠偏及注浆控制同步注浆控制：注浆压力与注浆量39同济大学 廖少明教授2014/12/1839同济大学 廖少明教授开挖面水土损失与地表坍塌同济大学 廖少明教授402014/12/1840北京地铁事故10号线5次坍塌2007年3月10号线2标段苏州街车站出入口工程发生重大坍方事故 , 6名工人被埋北京丰台地铁工地塌陷吞噬路面货车2011年04月26日昨夜11时30分，北京市丰台区石榴庄路突然发生路面塌陷，一辆正在行驶中的运渣土货车被陷入其中，司机受轻

13、伤。塌陷地点的下方是正在施工的地铁10号线2期工程，这辆货车越陷越深，沉入洞底。42二号联络通道在施工在施工中突然涌水发生塌方，造成双桥路旁边花圃内的地面100平方米塌方，深约5米，事故过程没有人员伤亡同济大学 廖少明教授广州地铁5号线双桥路坍塌上百平方米2008年09月07日白云区金沙洲凤岐里村前的沙凤一路突然出现5米深大坑2008年1月18日压力（MPa）同济大学 廖少明教授43同步注浆风险及其控制0 .2 3 10 .1 60 .1 30 .09管片单 位 （ M Pa）浆 液 压 力0 .1 8 812 m盾 尾0.180.160.140.120.10.080.060.04024681

14、012距离（m）0.140.160.18770.220.2310.160.18770.22单位： MPa同济大学 廖少明教授44盾构小曲率半径掘进施工图片来源：同济大学廖少明教授课题组盾构超挖后隧D=6200(盾构机直径）洞直径半径 R隧道轴线小段V 2LDB同济大学 廖少明教授45盾构小曲率半径掘进施工盾构机管片回填注浆材料超挖部位注浆材料注浆袋2nRBn管线环宽B超挖量VLi每长度纠偏量QL=（盾构机长）同济大学 廖少明教授46堆载区I堆载高度4米堆载区II堆载高度2米12米20米5-3层粉质粘土30m12m区间隧道沿线工程活动的威胁相邻工程活动-不对称堆载47水平1:10005-1-7-

15、13-19间距 mQ21G83.741.50(2.24)2.50(1.24)3.10(0.64)4.20(-0.46)5.50(-1.76)8.50(-4.76)25.80(-22.06)C13.83K13.81)1.60(2.21)2.50(1.31)3.30(0.51)4.80(-0.99)5.90(-2.09)9.00(-5.19)13.50(-9.69)17.50(-13.69)2 . 6 0 ( 1 . 2 3 ) 1-862843 . 5 0 ( 0 . 3 3 ) 2-862854.30(-0.47)3-862866.50(-2.67)4-862875-8628810.10(-6

16、.27)6-862897-862908-862919-8629210-8629311-8629418-8630126.30(-22.47)Q21C93.6211212透镜体层 1-2盾构掘进深度及位置示意1123 1-1639 环 1a局 部垂直1:30012-86295656 环深度约1.5米2 5 . 0 0 ( - 2 1 . 1 9 211a层灰色粘质粉土局部透镜体，与其2层直接沟通相连，地下水呈微承压状47同济大学 廖少明教授突遇不良地质段:轴线偏离，盾构下沉?48杭州某上浮区间隧道地址断面48同济大学 廖少明教授同济大学 廖少明教授49六 地面沉降控制1、引起沉降的原因2、变形预测

17、方法3、穿越沉降监控方法同济大学 廖少明教授501、引起沉降的原因开挖面支护压力不足；螺旋出土量过多；盾构正面障碍物盾构纠偏或曲线推进时，造成过量超挖；盾构外壳拖带泥皮和土体，造成土体损失；管片衬砌接缝不严密，水和泥浆渗入造成土体损失；盾尾间隙同步注浆滞后或不足，；隧道衬砌变形；超孔隙水消散导致土体固结；土体扰动后的次固结沉降；注浆填充材料固结收缩产生的沉降；地面超载（填土或建筑物）同济大学 廖少明教授51地层变形的阶段性2i同济大学 廖少明教授522、变形预测方法1）横向沉降分布：S(x)为沉降量（m）；x为距离隧道中心线的距离（m）；i为沉降槽宽度系数。)x 22exp(V2.5iS(x)

18、 S max V2iV2i Vl2 y yi 2i y y f 同济大学 廖少明教授53yf=yf-L； yi=yi-LS(y)为沿隧道纵轴线分布的沉降量（m）y为推进起始点距离坐标原点O的距离（m）；yi为开挖面距离坐标原点O的距离（m） ；L 盾构机的长度（m） ；Vl1为开挖面引起的地层损失（m3/m）；Vl2为施工因素引起的地层损失（m3/m）i为沉降槽宽度系数。 i i y yi y yfi iS(y )Vl12i2、变形预测方法2）纵向沉降分布：同济大学 廖少明教授54既有隧道的减载和扩散效应既有构筑物的遮拦效应地下三面结构的封闭效应3 地下建构筑物屏蔽效应同济大学 廖少明教授55

19、穿越前穿越中穿越后安全指标及措施施工控制指标施工参数初选前期预测分析试验段模拟监测反馈优化参数隧道掘进风险管控环境安全监控二次注浆加固结构加固盾构隧道穿越施工控制方法穿越前的安全性评估同济大学 廖少明教授56Shield Driving DirectionBuildingShallowfoundationShieldShieldShieldShieldField Experiment4 穿越地面房屋沉降监控方法（1）57HeaveShield Driving DirectionSettlement=2-3Heave when? 0heave3mm同济大学 廖少明教授ShieldShieldShieldBuildingShallowfoundationField Experiment13 SettleShield4 穿越地面房屋沉降监控方法（2）同济大学 廖少明教授58警示语！同济大学 廖少明教授59墨菲定律如果有两种或两种以上的选择，而其中一种将导致灾难，则必定有人会作出这种选择。一、任何事都没有表面看起来那么简单；二、所有的事都会比你预计的时间长；三、会出错的事总会出错；四，如果你担心