马蹄形盾构隧道设计施工及管片预制

马蹄形盾构隧道设计、施工及管片预制主讲人：申志军（教高）

蒙西华中铁路股份有限公司2016年12月内容提纲一、问题的提出二、马蹄形盾构比选三、盾构管片设计与预制四、隧道施工五、关键技术和需研究的问题预留核心土法三台阶开挖法一、问题的提出1.土质山岭隧道施工方法一、问题的提出1.土质山岭隧道施工方法-超前加固一、问题的提出1.土质山岭隧道施工方法-施工机械2、存在的风险安全风险大施工质量差施工进度慢作业环境差机械化程度低隧道塌方软岩大变形拱顶开裂大量施工粉尘洞壁开裂一、问题的提出一、问题的提出3、盾构工法-分类一、问题的提出3、盾构工法-单圆盾构一、问题的提出双圆盾构三圆盾构3、盾构工法-多圆盾构一、问题的提出3、盾构工法-非圆盾构相比于单圆盾构隧道，异形盾构隧道（多圆盾构隧道和非圆盾构隧道）具有断面利用率高、工程造价低的优点。矩形盾构马蹄形盾构椭圆形盾构二、马蹄形盾盾构方案比选选1、依托工程-白城隧道白城隧道位于于陕西省靖边边县内，隧道道全长3345m，为时速120km单洞双线电气气化重载煤运运铁路隧道，，隧道最大埋埋深为81m。1、依托工程-白城隧道二、马蹄形盾盾构方案比选选白城隧道主要要穿越地层以以粉砂、细砂砂、砂质新黄黄土为主，细细颗粒含量足足够，天然含含水量较低，，弱透水。2、工程特点二、马蹄形盾盾构方案比选选（1）隧道进出口口浅埋段较长长，浅埋段为为松散的粉细细沙地层，不能自稳，容容易发生流砂砂及坍塌。（2）隧道穿越的的第四系上更更新统砂质新新黄土具湿陷陷性，隧道洞洞身部分地段段位湿陷深度度以内，需进进行基底处理理。二、马蹄形盾盾构方案比选选（3）白城隧道下穿包茂高速速、天然气管管及供水管段段，沉降控制要要求高，盾构构穿越施工风风险存在。二、马蹄形盾盾构方案比选选对比指标矿山法盾构法对比结果安全1、隧道进出口浅埋段为松散的粉细沙地层，不能自稳，容易发生流砂及坍塌。2、洞身砂质新黄土，地层松散，掌子面不易稳定，易坍塌。3.下穿包茂高速、天然气管及供水管段地表沉降不易控制，易导致地表开裂，气管水管开裂等不利影响。且地方交通厅对于穿越包茂高速要求地表设置桥梁跨越。盾构施工具有保压系统和注浆系统，不会出现无支护状态，下穿高速公路、天然气管及供水管可能造成管线及路面变形，出现管线或路面破裂概率很小。盾构法更安全质量1、隧道施工中可能产生超欠挖，二衬混凝土振捣不密实、拱顶填充不密实等质量通病。2、防水板铺设不规范及施工缝处理不到位，易造成隧道渗漏。1、盾构施工采用专业的装备和专业化队伍，盾构管片采用工厂预制法生产，作业更规范、监管更容易，但管片拼装过程可能局部出现错台和破损现象。2、管片接缝采用成熟的防水橡胶，根据地铁隧道对比管片砌块式衬砌防渗效果明显优于复合衬砌。盾构法质量更高环保需要进行土方开挖及喷射混凝土作业，内燃机械洞内作业，粉尘、废气大，施工环境差。采用电动机械密闭施工，基本无粉尘、废气产生。盾构法环保更好工期能满足工期要求。能满足工期要求。均等投资掌子面施工稳定时，投资较低。投资较高，采用成本利润法，总投资较矿山法约高出15%。盾构法投资稍高二、马蹄形盾盾构方案比选选3、施工工法对对比4、盾构选型白城隧道主要要穿越地层以以粉砂、细砂砂、砂质新黄黄土为主，细细颗粒含量足足够，天然含含水量较低，，弱透水。隧隧道黄土地基基承载力为180kPa，盾构机主主机重量与盾盾体投影面积积比值（40kPa）小小于该数值，，能够保证主主机掘进过程程中不会下沉沉。采用土压平衡衡盾构机掘进进时，易于获获得流塑性良良好的渣土，，建立土仓的的平衡压力，，掘进时能够够有效控制地地表沉降。并并且黄土地层层土压平衡盾盾构施工已经经有成功经验验，投资要低低于泥水平衡衡盾构。综上所述，本隧道工程应应采用土压平平衡盾构。二、马蹄形盾盾构方案比选选项目轨面以上有效净空面积轨面以下有效净空面积全部净空面积无砟马蹄形盾构66.115.181.2圆形盾构6919.388.3二、马蹄形盾盾构方案比选选采用马蹄形断断面较圆形断断面内轮廓可可减少约7.1m³，减减少部位为圆圆形断面仰拱拱底部混凝土土仰拱填充，，马蹄形断面面可显著减少传统盾构的仰仰拱底部混凝凝土圬工方，，节省工程投投资，推荐采用马蹄蹄形盾构断面面形式。4、盾构选型二、马蹄形盾盾构方案比选选4、盾构选型世界首台马蹄蹄形盾构工厂厂组装整机图图2016年7月17日，马蹄形盾构在在中铁装备国国家TBM产业化基地成成功下线。二、马蹄形盾盾构方案比选选盾构外轮廓高高10950mm、宽11900mm；最大推进速度度60mm/min；最大推力13948t；采用液压驱动动；开挖面设置刀刀盘9个；单个刀盘最大大驱动扭矩3044kn/m；装机总功率3726kw。二、马蹄形盾盾构方案比选选5、马蹄形盾构构基本设计参参数①整机长度118m，整机重量1600t。②采用双螺旋旋输送机出土土，连续皮带带机运渣，仰仰拱栈桥同步步进行仰供填填充。③马蹄形盾构构体现的不仅仅仅是断面、、外观上的变变化，更反映映工法、技术术上的革新，，它能够最大大程度增加空空间利用率。。开启了黄土隧隧道开挖新模模式。二、马蹄形盾盾构方案比选选6、马蹄形盾构构设计概况世界首台马蹄蹄形盾构现场场组装图二、马蹄形盾盾构方案比选选世界首台马蹄蹄形盾构现场场组装图二、马蹄形盾盾构方案比选选世界首台马蹄蹄形盾构组装装完成内部图图二、马蹄形盾盾构方案比选选三、隧道盾构构管片设计与与预制1.管片设计情况况白城隧道断面面为3种半径4个圆形，管片片设计为马蹄蹄形断面，设设计宽度1600mm，厚度500mm，整环管片分分为7片+1片=8片，成环尺寸寸高度10590mm、宽度11540mm，管片设置奇奇偶环，无楔楔形量，采取取错缝拼装，，单片管片最最重10t，管片混凝土土等级C50，抗渗等级P10。1.管片设计情况况管片连接采用用螺栓连接，，环向44颗RD30螺栓，纵向16颗RD36螺栓，机械性性能等级8.8级。根据隧道埋深深管片分为浅浅埋、中埋、、深埋管片。。管片生产共使使用模具4套，8环/天产量。管片片采取固定生生产方式，养养护模式采取取蒸汽养护及及水池养护。。白城隧道共共计需要1902环。三、隧道盾构构管片设计与与预制1.管片设计情况况断面位置最大弯矩（kN·m）最大弯矩处轴力（kN）配筋（每环）裂缝（mm）超浅埋管片内侧594.01998.48Φ22+4Φ20+2Φ180.16管片外侧673.52617.614Φ200.185浅埋管片内侧647.22816.08Φ22+6Φ200.13管片外侧842.53504.08Φ25+6Φ220.182中埋管片内侧922.94094.48Φ28+4Φ25+2Φ220.164管片外侧1133.05092.814Φ280.189深埋管片内侧622.82628.88Φ22+2Φ20+4Φ180.147管片外侧803.33289.66Φ25+8Φ220.190三、隧道盾构构管片设计与与预制2.管片预制5月8日开始预制，，受天气及场场地条件限制制管片预制于于11月13日停止本年生生产，截至目目前已经生产产管片966环，管片剩余余936环。现场贮备量满满足明年管片片预制复工前前掘进使用量量。三、隧道盾构构管片设计与与预制管片钢筋笼制制作三、隧道盾构构管片设计与与预制管片混凝土浇浇筑三、隧道盾构构管片设计与与预制管片水池养护护三、隧道盾构构管片设计与与预制四、隧道施工工1.盾构掘进白城隧道马蹄蹄形盾构于2016年7月17日在国家TBM产业化中心下下线，2016年10月20日首环负环拼拼装，2016年11月11日举行始发仪式式，目前已经经掘进51环，合计81.6m。本项目前100环定为始发段段，始发段主主要是设备、、人员磨合、、掘进参数及及工序组织优优化阶段，目目前已经初步步掌握地层特特点及适合地地层的掘进参参数，单日最最高进度4环（6.4m），后期进度度基本能保证证日均6环（9.6m）。马蹄形盾构首首环成功拼装装四、隧道施工工掘进参数控制制四、隧道施工工马蹄形盾构掘掘进出土情况况四、隧道施工工隧道内碴土运运输连续皮带带机四、隧道施工工洞外碴土运输输系统转载皮带机弃土场连续皮带机四、隧道施工工管片拼装完成成后成型隧道道四、隧道施工工2.进度计划（1）2016年11月1日～30日，月掘进进64米；（2）2016年12月～2017年1月，月掘进240米；（3）2017年2月～2017年9月，月掘进300米；（4）2017年10月，月掘进160米；（5）2017年11月，接收准备备、隧道贯通通。在盾构掘进期期间可进行仰仰拱可填充、、电缆沟槽施施工、部分附附属工程施工工，沉降观测测期内施工完完成出口明洞洞。四、隧道施工工五、关键技技术与研究的的问题1、关键技术①大断面马蹄形形盾构多刀盘盘联合分步开开挖技术②多马达平衡负负载协同驱动动技术③大断面马蹄形形盾构管片拼拼装技术④黄土地层大断断面马蹄形盾盾构复合式渣渣土改良技术术⑥大断面马蹄形形盾构管片分分块与接头设设计技术⑦大断面马蹄形形盾构防滚纠纠偏技术⑧