盾构施工关键技术、质量控制及其发展

钟显奇广东省基础工程公司盾构施工关键技术、质量控制及其发展盾构施工的关键技术洞门处理技术水土压力平衡技术和土石方排放地面沉降控制管片背后注浆姿态控制刀盘布置技术和混合地层施工技术急转弯技术质量控制措施SEW----ShieldEarthRetainingWall

SystemShieldEarthRetainingWallSystem始发井

到达井地盤改良地盤改良SEW壁SEW壁側壁砂材料ｴﾝﾄﾗﾝｽ支保工用于盾构始发和到达的SEW工法洞门处理技术ＳＥＷ（ShieldEarthRetainingWall）従来工法SEW工法ShieldEarthRetainingWallSystem地盤改良シールド機地盤改良FFU壁ｴﾝﾄﾗﾝｽ地盤改良範囲FFU材料的使用本区间左线盾构机始发是采用SEW工法进行盾构始发，它的工作原理就是在盾构始发洞门范围内的围护结构上，预先埋设一种玻璃纤维材料（简称FFU），形状大小可结合围护结构的形式进行预制，利用在材料两端的钢结构分别与围护结构的钢筋进行连接，以保证材料与围护结构钢筋笼的整体性，在围护结构施工时可随钢筋笼一起放入槽段（孔）内，然后浇注混凝土。运用FFU材料加固后的左线始发洞门左线盾构始发在盾构始发时，盾构机可以直接通过围护结构，对FFU进行切削，免除了传统上洞门凿除的工序，另外由于该材料在预埋时，根据围护结构的受力情况，考虑到其强度问题以保证洞门的稳定性，因此在盾构始发前，也可取消对端头进行加固的工作。盾构机切削FFU材料时排出的渣样水土压力平衡技术土压平衡在泥土仓内将土体拌和成流塑的“熟土”，“熟土”从螺旋出土器中排出，通过在泥土仓内压入泥浆或压缩空气，即使土体容易排出，同时维持压力的平衡。但螺旋出土器容易喷涌。泥水平衡通过泥水循环，维持一定的压力，保持地层的稳定，同时将土渣输送到地面。不同的地层，压力设定的方法不一样。淤泥：静止土压力，砂层：水压力，均加2m水头。管片管片拼装机管片拼装机pinzhuang24个盾构推进千斤顶同步注浆管硬岩刀盘软岩刀盘盾构机构造图盾构形式：泥水加压平衡式盾构；盾构外径：Φ6260；盾构机身长度：8170mm；总推力：36000kN；最大扭矩：6327kN·m；刀盘转速：0.2～3.4rpm；最大推进速度：6.7cm/min；背填注浆形式：双液浆（水泥浆＋水玻璃）泥水平衡盾盾构机的原原理开挖面被加加以大于孔孔隙水压力力的泥浆压压力，使工工作面得以以稳定。泥水平衡盾盾构利用泥泥水平衡开开挖面压力力及输送掘掘削下来的的土体，是是一种先进进的盾构工工法。泥水水盾盾构构的的主主要要特特点点：：1、在在易易发发生生流流砂砂的的地地层层中中能能稳稳定定开开挖挖面面。。2、泥泥水水压压力力传传递递速速度度快快而而均均匀匀，，开开挖挖面面平平衡衡土土压压力力的的控控制制精精度度高高，，对对开开挖挖面面周周边边土土体体的的干干扰扰少少，，地地面面沉沉降降量量的的控控制制精精度度高高。。3、盾盾构构出出土土由由泥泥水水管管道道输输送送，，速速度度快快而而连连续续，，减减少少了了电电机机车车的的运运输输量量，，保保证证安安全全及及文文明明施施工工。。4、需需要要较较大大规规模模的的泥泥水水处处理理设设备备及及场场地地。。泥水循环流程程及泥水分离离处理泥水盾构通过过泥浆循环将将碴土携带到到地面，通过过泥浆处理场场将浆、碴分分离，碴土外外运，泥浆则则循环使用，，每台盾构机机泥浆循环量量约500m3/h。泥水处理设备备泥浆处理设备备在工作(2005.2.1)土渣分离系统统出渣情况(2005.2.1)泥浆池布置地面沉降控制制技术关键是压力控控制地面沉降控制制注浆效果示意意图壁后注浆层过江采用声纳纳法进行监测测采用了声纳法法对盾构过珠珠江时江底沉沉降进行监测测。声纳法监测点点布置示意图图江堤和过江段段沉降曲线Φ6260泥水平衡盾构构机侧面盾构机刀盘正正面刀盘布置技术术和混合地层层施工技术刀盘刀具配置置与选用主切削刀：贝贝壳刀→→→→滚刀（单刃刃及双刃滚刀刀）中心刀：鱼尾尾刀→→→中中心滚刀刮刀第一种断面：：古河道冲刷刷形成的典型型断面，接触触面含粗砂和和砾石，掘进进过程容易卡卡住刀盘。上软下硬地层层的两种断面面情况上软下硬地层层的特点上软下硬地层层施工而且该地层由由于明显的强强弱过渡，容容易对刀具产产生强烈的冲冲击而造成崩崩、裂的不利利影响。另外外，<8>中风化岩层地地层造成掘进进困难，若掘掘进缓慢，则则对上部的<3-2>砂层容易产生生因过分的扰扰动而塌方。。第二种断面有有如下情况：：底下的<8>中风化岩层地地层掘进困难难，中间的<6>、<7>地层容易产生生泥饼，上部部的<3-2>砂层容易塌方方，因此，泥泥浆性能指标标和掘进参数数必须严格控控制好，方能能确保掘进顺顺利。该地层不具备备自然条件下下开仓换刀的的条件。大中区间地质质复杂多变，，刀盘断面上上部为<3-2>砂层、下部为为<8>、<9>岩层，是典型型的上软下硬硬地层，该岩岩层完整性好好，且含砾石石，对刀具的的磨损很大，，刀盘也容易易结泥饼给盾盾构的掘进带带来了极大的的困难。区间间左线在444环开仓换完刀刀后（外周9把滚刀，其余余为贝壳刀）），掘进到510环开仓后检查查刀具发现17贝壳刀磨损严严重。2）上软下硬地地层对刀具的的磨损大1）上软下硬地地层中沉降控控制难度大上软下硬地层层施工的难点点开挖面轨迹线线非常清晰，，岩层完整性性很好，岩石石成分主要为为泥岩、砂质质泥岩，局部部存在砾岩岩岩石强度约10～30Mpa，部分地层的的泥岩中含有有很多砾石，，砾石强度高高达80～100Mpa。贝壳刀极其容容易磨损，配配置滚刀时，，控制也很关关键，否则也也容易出现偏偏磨。断层破碎带岩岩样3）容易形成泥泥饼盾构在高粘性性土或泥质岩岩等地层中掘掘进时可能会会在刀盘尤其其是中心区部部位及土仓隔隔板前刀盘支支撑之间产生生泥饼，当产产生泥饼后，，泥饼会裹住住滚刀使用滚滚刀偏磨，从从而导致掘进进速度急剧下下降，刀盘扭扭矩也会上升升，使盾构掘掘进困难，大大大降低开挖挖效率。掘进过程必须须做好对刀具具的保护措施施，一旦刀具具磨损，盾构构掘进将变得得异常困难，，甚至无法继继续掘进。3.4.1选用合理的刀刀具实践证明，以以滚刀为主配配置主切削刀刀具。本项目目在采用滚刀刀掘进后，平平均每天掘进进进度为5～6环，且刀具磨磨损在正常范范围内，滚刀刀也未出现偏偏磨。配置贝壳刀的的刀盘配置滚刀的刀刀盘上软下硬地层层施工的主要技术措措施出洞刀具图防泥饼及滚刀刀偏磨技术措措施⑴在有泥饼形成成条件的地层层，中央操控控人员要严格格监测盾构机机的各种参数数，合理的控控制掘进速度度，及时用低低比重优质泥泥浆置换土仓仓内粘土，防防止粘土在土土仓内堆积，，保证刀盘开开口处通畅。。⑵在掘进过程中中每掘30cm清洗一次土仓仓，防止土仓仓内结成泥饼饼。可大大降降低泥饼的形形成或化解初初步形成的泥泥饼。⑶对泥浆处理设设备的出土温温度进行跟踪踪监测，对土土仓隔板的温温度也进行人人工随时探测测。以便及时时发现异常苗苗头。实施效果广茂铁路的沉沉降控制地面沉降监测测点除了沿隧隧道轴线方向向按要求布置置剖面监测点点和横剖面的的监测点外，，在隧道与铁铁路的交点处处另外增设监监测点，并沿沿着与铁路垂垂直的方向布布设横剖面的的监测点，同同时，在铁路路与隧道的交交点处两侧的的路基上，相相隔6m距离布两个点点，以监测路路基的沉降。。上软下硬地层层施工的沉降控制情况况盾构过广茂铁铁路地面沉降降曲线图地表的时间沉沉降曲线大~中区间段穿过过广茂铁路后后，左、右线线均马上进入入急曲线段，，左线的急曲曲线段半径为为260m，右线的急曲曲线段半径为为290m，在急曲线段段内，左、右右线的线路纵纵向坡度均约约为3‰的下坡和23‰的上坡。小半径急转弯弯盾构隧道施施工技术难题1：盾构机如何何在急转弯段段解决盾构推推力问题？正常情况下的的纠偏和＞R500m的转弯，通常常是采用千斤斤顶的偏选来来使盾构机转转弯或纠偏的的，但对于急急转弯段来说说，千斤顶的的过分偏选，，将造成两个个问题：①每每个千斤顶能能提供的推力力约120t，若选用的千千斤顶太少，，无法提供盾盾构掘进所需需的推力；②②管片受力过过于集中，会会对管片产生生破坏。急转弯段施工工的难点本工程最小转转弯半径为260m，急转弯段的的地层既有近近乎全断面岩岩层也有全断断面的软弱土土层（砂层和和淤泥层）。。实现盾构机机转弯，有如如下难题：难题2：在岩层中掘掘进，如何保保证开挖直径径，保证盾构构机在岩层中中能顺利转弯弯而不被岩层层卡住？盾构机在岩层层中转弯，需需要的超挖量量是多少如何何保证开挖直直径，这些，，在掘进前必必须计算清楚楚，并制定好好相关措施，，使盾构机在在岩层中能顺顺利沿计划曲曲线转弯。如如若盾构机在在岩层中被卡卡住，将使盾盾构机的推力力变得很大，，甚至无法掘掘进。难题3：在软弱地层层中掘进，因因盾构机的阻阻力和推力均均较小，如何何使盾构机在在掘进过程中中提供足够的的侧向力，使使盾构机能在在软土层中顺顺利转弯？盾构机是一个个刚体，在软软土地层中掘掘进时，容易易出现整体平平移现象，这这使得盾构机机在软弱土层层中掘进时，，同样须预先先制定好相关关措施，使盾盾构机能顺利利沿计划曲线线转弯。如若若盾构机在软软弱土层中无无法转弯，将将使盾构机远远离计划曲线线，施工失败败。难题4：如何使管片片受力尽量均均匀，以保护护管片？问题5：如何控制在在侧向力的作作用下，不要要产生过大的的偏移？隧道整体易因因侧向分力向向弧线外侧偏偏移急曲线隧道每每掘进一环，，管片端面与与该处轴线的的法线方向在在平面上将产产生一定的角角度，在千斤斤顶的推力下下产生一个侧侧向分力。管管片出盾尾后后，受到侧向向分力的影响响，隧道易向向圆弧外侧偏偏移从而可能能导致管片超超限。问题6：如何控制盾盾构掘进的线线形？如何控控制盾构机姿姿态？出现偏偏差怎么办？？在急曲线段，，由于盾构机机本身为直线线形刚体，不不能与曲线完完全拟合。曲曲线半径越小小、盾构机身身越长，则拟拟合难度越大大。在急曲线线段盾构机掘掘进形成的线线形为一段段段连续的折线线，为了使得得折线与急曲曲线接近吻合合，掘进施工工时需连续纠纠偏。特别在在缓和曲线段段，每环甚至至每米施工参参数都有所不不同，盾构机机姿态控制难难度更大。问题7：广州盾构施施工通用的环环宽1.5m管片能否满足足转弯要求？？问题8：管片如何选选型？要注意意哪些问题？？如何使盾构机机转弯？盾构的急转弯弯主要靠铰接接装置和千斤斤顶的选用来来实现盾构机的铰接接装置对于本工程最最小转弯半径径为260m，若不开启铰铰接是无法满满足转弯的。。盾构机启用用铰接进行曲曲线掘进，铰铰接的开启量量于曲线半径径有关，最理理想的开启量量是：盾构机机在打开铰接接后，其前后后体均沿计划划曲线行走。。根据这一原原则，可计算算本工程所采采用盾构机，，在打开铰接接后，其能转转弯的最小转转弯半径为163.95m，满足该转弯弯的刀盘开挖挖的理论超挖挖量为19.65mm。铰接开启量应应该是多少？？刀盘开挖的的超挖又是多多少？急曲线段铰接接与左右行程程差使用参数数值参数缓和曲线段圆曲线段缓和曲线段R＝500m260m＜R≤500mR=260m260m＜R≤500mR＝500m铰接角度0.481°0.481°～0.925°0.925°0.925°～0.481°0.481°伸出量4.81cm4.81～9.25cm9.25cm9.25～4.81cm4.81cm左线环数433433～456457～728729～743744左右行程差14.4mm14.4~27.69mm27.69mm14.4~27.69mm14.4mm1)、使用铰接和彷行刀刀盾构机掘进进进入缓圆曲线线后开启盾构构铰接装置，，配合开启仿仿形刀进行超超挖，并依据据设计曲线半半径及盾构直直径计算铰接接角度，开启启盾构铰接装装置，使得盾盾构机前体与与后体的张角角与曲线吻合合，预先推出出弧形趋势，，为管片提供供良好的拼装装空间。随着着盾构进入缓缓和曲线，逐逐步减小水平平张角。急转弯段施工工主要技术措措施2)、盾构掘进时预预偏为了控制隧道道轴线最终偏偏差控制在规规范要求的范范围内，盾构构掘进时，考考虑给隧道预预留一定的偏偏移量。将盾盾构沿曲线的的割线方向掘掘进，管片拼拼装时轴线位位于弧线的内内侧，以使管管片出盾尾后后受侧向分力力向弧线外侧侧偏移时留有有预偏量，预预偏量控制在在40mm～60mm左右。3)、注意管片选型为满足急转弯弯施工要求，，在缓和曲线线段内，开始始使用环宽为为1.2m管片，其管片片结构形状均均为通用形式式，楔形量皆皆为41mm的双边楔形管管片。根据每每环掘进完后后盾构的行程程差来安排F块的安安装位位置，，以此此来保保证管管片姿姿态跟跟着盾盾构姿姿态走走。4)、控制掘掘进速速度与与推力力在常规规隧道道施工工时，，为了了保证证进度度，盾盾构机机掘进进速度度往往往达到到20～30mm/min左右，，同时时产生生的推推力也也较大大。因因此，，必须须适当当地降降低掘掘进速速度，，掘进进速度度控制制在10～15mm/min左右，，降低低千斤斤顶总总推力力，同同时也也意味味着降降低侧侧向分分力，，有利利于减减少隧隧道向向弧线线外侧侧的偏偏移量量。5)、加强强注浆质质量与与管理理在急曲曲线段段，注注浆采采用双双液浆浆，因因双液液浆为为瞬凝凝性浆浆液，，具有有较高高的早早期强强度、、良好好的流流动性性和填填充的的均匀匀性，，可以以在较较短的的时间间内将将建筑筑空隙隙填充充并达达到一一定的的强度度，与与原状状土共共同作作用，，有效效减小小管片片受侧侧向压压力影影响在在建筑筑空隙隙范围围内向向弧线线外侧侧的偏偏移量量。在在注浆浆时，，特别别注意意加强强对管管片外外弧侧侧的注注浆，，通过过注浆浆防止止或减减少管管片向向外弧弧侧的的偏移移，并并为盾盾构机机转弯弯提供供足够够的侧侧向力力。急转弯弯段管管片与与计划划轴线线的偏偏差情情况实施结结果急转弯弯段管管片偏偏移情情况急转弯弯隧道道施工工后情情况结论：：采用以以铰接接为主主，通通过适适当的的铰接接开启启量，，用千千斤顶顶的选选用辅辅助调调整，，是实实现盾盾构机机在小小曲率率半径径曲线线中顺顺利掘掘进的的最好好方法法，加加强管管片外外弧侧侧注浆浆，防防止管管片侧侧移，，为盾盾构机机转弯弯提供供足够够的侧侧向力力，是是盾构构机实实现转转弯的的保证证。盾构吊装装把LSD-200液压提升升机安装装在钢结结构吊装装架上，，用64条Φ18mm×30m的高强钢钢索的两两端分别别联接到到LSD-200液压提升升机和320t的盾构机机上，调调整好吊吊装重心心和用1t手拉葫芦芦把64条高强钢钢索的均均匀受力力后，用用上锚锁锁锁紧高高强钢索索，起动动LSD-200液压提升升机缓慢慢吊起，，每吊起起500mm后用下锚锚锁锁紧紧高强钢钢索，把把上锚锁锁松开并并回退500mm,重新锁好好高强钢钢索，松松开下锚锚锁，继继续提升升盾构机机，反复复进行。。当高出出地面1100mm时，钢结结构吊装装架进行行平移，，平移到到位后，，固定放放置在预预先准备备好的运运输车上上，如右右图所示示。上锚下锚吊装架盾构机油泵站油管盾构运输输盾构机运运输时，，运输车车行驶速速度控制制在5km/h以内。平平路采用用1台拖头在在前牵引引，通过过较大坡坡度（>3％）纵坡坡时采用用2台拖头前前拉后推推。驶入入盾构场场地时，，将后面面拖头解解下，由由一个拖拖头拖入入场地内内并进行行转弯，，驶入停停放位置置后，将将液压全全挂车的的高度降降低存放放，等待待吊入盾盾构井。。盾构运输输通过厦厦滘村牌牌坊R260m急转弯段SEW工法始发上软下硬地层55‰大坡度段过广茂铁路约260m宽珠江河岸陡坡坡全断面硬硬岩工程实例例隧道基本本情况每个区间间长度约约1000m覆土厚度度：5～25m隧道直径径：φ6000平曲线情情况：大～中区区间线路路线型以以曲线为为主，有有2个曲线段段，占该该区间总总长的58％，曲线最最小转弯弯半径为为左线R260m、右线R290m。最大下坡坡为55‰，最大上上坡为21.785‰‰管片情况况：环宽宽1.5m和1.2m，管片楔楔形量分分别为38mm和41mm地质情况况【大坦沙沙南～中中山八站站区间】】隧道洞洞身地层层统计比比例图【中山八八站～西西场站区区间】隧隧道洞身身地层统统计比例例图

广东省基础工程公司【大坦沙南～西场站盾构区间】大坦沙南南－中山山八站地地质纵断断面图55‰下坡段、、全断面面软土,江底覆覆土约5米隧道洞身身主要穿穿越<3-2>砂层隧道洞身身主要穿穿越上软软下硬层层广茂铁路路宽约160米珠珠江中山八站站－西场场站地质质纵断面面图隧道洞身身主要穿穿越<7><8><9>风化岩层层260米宽的珠珠江盾构过江江312米宽的珠珠江三枝枝香水道道（2005.3.30）505米宽的南南珠江（（2005.3.30）泥水盾构构越江基基本情况况盾构隧道道由西往往东下穿穿宽度约约260m的珠江。。江中线线以西约约100m范围内，，江底隧隧道线间间距13m，，坡度55‰，覆土厚厚度最小小仅有5m，小于1倍的盾构构直径。。在过江隧隧道的南南侧，有有一条Φ800过江自来来水管，，水管离离隧道最最近的地地方正好好在珠江江西岸的的江堤处处，距隧隧道约10m，因此盾盾构施工工通过该该江堤段段时，存存在一定定的风险险。Φ800过江自来水管盾构隧道隧道与水管间距最近处过江段地地质情况况：隧道道过江段段的洞身身地层主主要为<2-1A>淤泥、<2-2>淤泥质砂砂层和<3-2>中粗砂层层。隧道道底部存存在少量量的<3-3>卵石层、、<7>、<8>红层岩的的强、中中风化。。隧道的的覆土层层为<2-1A>淤泥层及及<2-2>淤泥质砂砂层。地地表水与与砂层及及岩体裂裂隙水水水力联系系密切，，富水性性强。左线右线珠江西岸岸江堤基基础为抛抛填石，，该基础础底部与与盾构隧隧道间的的净距仅仅为4m；而在过过江水管管与江堤堤相交处处，其基基础为钢钢筋混凝凝土预制制沉箱基基础，基基础底部部有桩伸伸至持力力层。在在盾构施施工时，，应有效效控制河河堤和自自来水管管的沉降降，特别别要绝对对防止抛抛填石基基础的块块石进入入土仓。。江堤情况况安全过江江的原则则与过江江风险1）安全过过江原则则：连续续掘进，，快速通通过！2）过江风风险分析析①切口压力力：因隧隧道顶部部覆土层层以淤泥泥、淤泥泥质砂层层和中细细砂层为为主，稳稳定性和和抗击穿穿能力差差。切口口压力太太小会坍坍塌，太太大会击击穿覆土土层。必必须设定定合适的的切口压压力后，，还要保保证压力力稳定。。一旦切切口压力力波动，，对覆土土层扰动动是双向向反复作作用，更更容易造造成失稳稳坍塌，，坍塌后后回填困困难，土土仓堵塞塞，切口口压力失失去控制制，盾构构难以继继续掘进进。②盾尾密封封：如若若盾尾漏漏浆严重重，一方方面导致致切口水水压下降降，刀盘盘前方土土体失稳稳；另一一方面，，隧道内内大量淤淤积泥浆浆，若抽抽排不及及时，将将造成盾盾构机被被淹没。。③③沉沉降监测测：掘进进过程中中沉降监监测是信信息法施施工最重重要的基基础，是是保证施施工安全全的必要要措施。。而河床床的沉降降监测比比陆地复复杂的多多，一方方面是工工作环境境，另一一方面是是河床的的动态特特征。过江风险分析过江堤段段技术措措施盾构机过过江堤段段施工措措施1从地面情情况分析析，江堤堤的地面面高度由由高至低低分别是是：混凝凝土路面面→江堤堤斜坡段段→珠江江江堤，，因此，，从覆土土厚度的的变化情情况来看看是一个个渐变的的过程，，同时也也为过江江堤段提提供了一一个较好好的过渡渡段。2泥浆采用用高浓泥泥浆，泥泥浆的粘粘度应在在25s以上，泥泥浆比重重控制在在1.15～1.20的范围内内，同时时控制好好切口水水压的波波动性，，必要时时可采用用逆推掘掘进。3盾构机采采用快速速通过为为原则，，掘进速速度一般般控制在在3.5cm/min，如条件件允许可可增至4cm/min。4派测量人人员随时时监测珠珠江潮位位的变化化，并把把测得数数据及时时反馈到到中控室室以指导导施工。。中控室室人员应应根据数数据，在在过江堤堤段时，，每环掘掘进需重重新设置置切口水水压，以以保证江江堤的安安全和掌掌子面的的稳定。。5盾构机过过江堤段段时管片片环数应应为71环～77环，根据据江堤的的覆土厚厚度和珠珠江水位位的变化化，拟定定这几环环开始掘掘进时的的切口水水压设定定值详见见下表，，并根据据下一环环的切口口水压设设定值，，在推进进过程中中逐步均均匀调整整切口水水压；其其中第77环的切口口水压须须根据潮潮水位情情况进行行调整。。环数717274757677切口水压170160160155150140（高潮）130（低潮）过江的措措施：在江堤河床床底的地地段，在在河床面面浇注一一层混凝凝土，并并采用沙沙包堆积积在上方方，以防防止盾构构机过江江堤时切切口水压压过大击击穿江底底。盾构在浅浅覆土层层施工时时，以快快速通过过为原则则，同时时必须动动态设定定切口压压力并