砂卵石地层盾构长距离高效施工技术

砂卵石地层盾构

长距离高效施工技术

高洪吉石宗涛孙亮苗春刚杨志勇编著

中国铁道出版社有限公司

年北京

2022·

内容简介

本书依托中铁十四局集团有限公司承建的北京大兴国际机场线标段号风井号

072~3

风井区间盾构隧道工程对工程中涉及的关键问题进行了研究主要研究内容包括长距离砂

,。:

卵石地层土压平衡盾构刀具磨损研究长距离砂卵石地层盾构渣土改良技术研究盾构穿越风

、、

险源施工技术及辅助措施研究盾构管片上浮机理及控制技术研究盾构长距离掘进运输方式

、、

研究

。

图书在版编目CIP数据

()

砂卵石地层盾构长距离高效施工技术高洪吉等编

/

著北京中国铁道出版社有限公司

.—:,2022.8

ISBN978-7-113-28448-0

砂高卵石地层隧道施工

……

盾构法Ⅰ.①Ⅱ.①Ⅲ.①---

Ⅳ.①U455.43

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2021)203834

书名:砂卵石地层盾构长距离高效施工技术

作者:高洪吉石宗涛孙亮苗春刚杨志勇

策划:梁雪

责任编辑:梁雪编辑部电话:

(010)51873193

封面设计:郑春鹏

责任校对:焦桂荣

责任印制:樊启鹏

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

印刷:北京建宏印刷有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202281202281

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/1613.25315

书号:

ISBN978-7-113-28448-0

定价:元

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编委会

主编:高洪吉石宗涛孙亮

苗春刚杨志勇

副主编:周庆合朱统步孙正阳

赵树才孙伟

随着我国经济不断地发展,以北京为代表的大城市国际地位不

断提升,国际事务的参与程度越来越高。在此背景下,大城市的交

通枢纽基础工程纷纷开始建设。北京大兴国际机场定位为大型国

际枢纽机场,是国家发展一个新的动力源,是支撑雄安新区建设的

京津冀区域综合交通枢纽。北京大兴国际机场线作为北京大兴国

际机场的配套工程,在完善大兴机场的功能上发挥着重要的作用。

北京大兴国际机场线被誉为“北京市轨道交通建设新里程碑”,

该线采用世界最高等级、具有完全自主知识产权的全自动驾驶系

统,不仅可实现无人驾驶,还可实现列车自动唤醒、自检、运行、休眠

等全过程。北京大兴国际机场线是北京市轨道交通“十三五”规划

中的一条骨干线路,是落实北京城市总体规划、促进京津冀协同发

展的重要组成部分,也是北京大兴国际机场“五纵两横”配套交通工

程中的快速、直达、大运量的公共交通服务专线、快线,将对加速京

津冀地区经济融合、助力新引擎建设起到积极推进作用。

在大兴国际机场线修建过程中应用了明挖法、暗挖法、盾构法

等几乎全部的轨道交通建设工法,其中地下段的修建以盾构法为

主。本书所依托工程(号风井号风井区间)为全线最长的盾构

2~3

区间,单线长度达到,土压平衡盾构机在无水卵石地层中一

3825m

次性穿越以上在世界范围内都比较罕见,且大兴机场线采

3.8km

用的盾构相较于普通盾构直径更大,达到,大直径盾构刀盘直径

9m

更大,施工扭矩更大,刀具磨损也更严重,对施工技术及组织提出了

更高的要求。

Ⅰ

基于工程的特殊性,施工单位中铁十四局集团有限公司在工程

准备期对盾构施工的关键技术重难点进行了分析,施工过程中对重

点数据进行了收集整理,并进行总结分析,最终形成本书。本书对

大直径土压平衡盾构长距离穿越砂卵石地层的问题进行了细化研

究,主要内容包括:刀具磨损分析、渣土改良技术、穿越重大风险源

技术、管片上浮机理与控制技术、盾构长距离掘进物料运输方式等。

本书的研究内容覆盖了整个工程的重难点,同时也为研究人员提供

了可借鉴工程案例,有助于促进行业的发展。本书针对性强、数据

翔实、实用性好,可为类似工程的施工技术人员及科研人员提供参

考借鉴。

年月

202110

Ⅱ

北京地铁大兴机场线被誉为“北京市轨道交通建设新里程碑”,

其车辆最高时速可达每小时,是北京市轨道交通“十三五”

160km

规划中的一条骨干线路。北京地铁大兴机场线土建工程长度

41.2

,其中地下段长,地下段中盾构区间隧道长度,

km22.4km14.8km

共分为个标段,个区间。项目依托的标段为号风井号风

452~3

井区间,该区间是全线最长的盾构区间,且相较于普通盾构,大直径

盾构刀盘直径更大,扭矩更大,刀具磨损也更严重,换刀距离更难合

理确定。另外,刀具检修需要修建多个检修竖井,这些竖井会为城

市带来短暂的拥堵。因此进行大直径土压平衡盾构机长距离穿越

砂卵石地层的相关技术研究有着重要的社会与经济效益。

为保证工程顺利实施及总结提升土压平衡盾构施工技术水平,

在工程建设初期工程承建单位中铁十四局集团有限公司联合中国

矿业大学(北京)提出了北京地铁新机场线长距离砂卵石地层盾构

施工技术课题,并在工程建设过程中进行了数据收集、室内试验、现

场试验等科研工作,基于研究成果形成本书,主要内容包括:

()长距离砂卵石地层土压平衡盾构刀具磨损研究。依托室内

1

试验、理论分析等方法对土压平衡盾构在砂卵石地层中掘进的磨损

问题进行研究。分析刀具磨损的机理,并对地层的特点进行分析总

结影响地层磨蚀性的主要因素,最后提出复合地层刀具磨损量预测

公式及刀具设计优化的相关措施。

()长距离砂卵石地层盾构渣土改良技术研究。分析不同渣土

2

Ⅰ

改良材料在砂卵石地层中的渣土改良效果,选取合适的配合比进行

现场试验,确定最终应用到工程中的配合比。

()盾构穿越风险源施工技术及辅助措施研究。工程涉及多个

3

不同类型的风险工程:连续下穿高压塔、下穿既有线结构、浅覆土段

施工等。对施工过程中的盾构施工技术及辅助措施进行研究,保障

盾构穿越风险源时周围环境及盾构施工的安全。对风险源的变形

规律进行分析,为后期优化盾构施工技术提供依据。

()盾构管片上浮机理及控制技术研究。盾构在砂卵石地层掘

4

进过程中会发生管片上浮的情况,会导致管片错台,并影响后续线

路运营。因此对盾构管片的上浮机理进行研究,总结影响管片上浮

的因素,提出上浮控制措施,保证盾构隧道成型管片质量。

()盾构长距离掘进运输方式研究。目前盾构的运输方式还是

5

以土斗运输为主,但由于工程距离长的特点,仍采用土斗运输的方

式已经不能充分满足盾构掘进的需要。对盾构长距离掘进运输方

式进行研究,总结新型运输方式的优缺点,并对应用过程提出优化。

以上研究构成了本书的主要内容,研究成果可为类似长距离砂

卵石盾构隧道的施工提供借鉴。本书在编著过程中参考了许多文

献资料,再次对各位作者表示衷心的感谢!由于编者水平有限,书

中还存在诸多不足之处,敬请广大读者批评指正。

Ⅱ

1绪言……………………

1

研究背景……………

1.11

工程概况……………

1.22

研究内容及方法……………………

1.36

2长距离砂卵石地层土压平衡盾构刀具磨损分析……

7

引言……………

2.17

刀具磨损机理分析…………………

2.210

基于试验的砂卵石地层磨蚀性分析……

2.3LCPC19

刀具布置对刀具切深的影响………

2.431

复合地层盾构刀具磨损量预测模型分析…………

2.540

刀具磨损特征及优化设计…………

2.651

3长距离砂卵石地层盾构施工渣土改良技术…………

56

研究概况……………

3.156

砂卵石地层特性分析………………

3.259

改良剂试验…………

3.363

渣土改良室内试验…………………

3.471

渣土改良试验方案现场应用………

3.585

4盾构穿越风险源施工技术及辅助措施………………

94

盾构连续下穿高压塔………………

4.194

Ⅰ

高压塔变形规律…………………

4.2105

盾构连续下穿高压塔数值计算…………………

4.3109

盾构下穿形槽…………………

4.4U115

浅覆土段盾构施工技术…………

4.5126

装配式检修井在盾构检修中的应用……………

4.6139

5盾构管片上浮机理与控制技术………

147

研究概况…………

5.1147

管片上浮量理论计算模型分析…………………

5.2149

管片上浮数值模拟及上浮规律分析……………

5.3158

管片抗浮措施……………………

5.4175

6盾构长距离掘进运输方式……………

180

盾构渣土运输方式………………

6.1180

长距离隧道盾构掘进渣土运输方式对比………

6.2182

连续皮带机应用效率分析………

6.3184

连续皮带机布置方案……………

6.4194

连续皮带机布置方案优化………

6.5197

Ⅱ

1.1研究背景

随着中国的现代化和城市化发展以北京为代表的大城市国际地位不断提升国际事务的

,,

参与程度越来越高城市各种交通方式的水平已渐渐地不能承受发展的需要在此背景下大

,。,

城市的交通枢纽基础工程纷纷开始建设北京大兴国际机场定位为大型国际枢纽机场是国

。,

家发展一个新的动力源支撑雄安新区建设的京津冀区域综合交通枢纽北京大兴国际机场

,。

线以下简称北京新机场线作为北京大兴国际机场的配套工程在完善大兴机场的功能上

(“”),

发挥着重要的作用

。

北京新机场线被誉为北京市轨道交通建设新里程碑该线采用世界最高等级具有完全

“”,、

自主知识产权的全自动驾驶系统不仅可实现无人驾驶还可实现列车自动唤醒自检运行

,,、、、

休眠等全过程北京新机场线车辆最高时速可达从北京市丰台区的草桥到大兴区的

。160km,

新机场仅需列车品质充分对标航空座椅尺寸和间距超过复兴号高铁动车组二等座

19min。,

和一等座要求北京新机场线是北京市轨道交通十三五规划中的一条骨干线路是落实北

。“”,

京城市总体规划促进京津冀协同发展的重要组成部分也是北京新机场五纵两横配套交通

、,“”

工程中的快速直达大运量的公共交通服务专线快线将对加速京津冀地区经济融合助力

、、、,、

新引擎建设起到积极推进作用北京新机场线是北京市第一次采用模式建设运营的轨

。PPP

道交通项目采用城际铁路标准是目前国内设计速度最快单线断面直径最大

,,(160km/h)、

的城市轨道交通工程采用基于动车组平台研发的新型市域车组

(8.8m),CRH6、AC25kV

供电模式刚性接触网均属北京首例

、。

修建地铁隧道的主要方法有明挖法暗挖法盾构法等在北京新机场线建设过程中以上

、、,,

工法均得到了应用其中盾构法以其安全快速环保经济等优势被越来越多地应用于地铁建

,、、、

设北京新机场线土建工程长度其中地下段长地下段中盾构区间隧道长

。41.2km,22.4km,

度共分为个标段个区间见表本项目依托的标段为号风井号风

14.8km,4,5,1.1.1。2~3

井区间该区间是全线最长的盾构区间单线长度达到大直径土压平衡盾构机在无

,,3825m。

水卵石地层中一次性穿越以上在世界范围内都比较罕见且相较于普通盾构大直径

3.8km,,

盾构刀盘直径更大扭矩更大刀具磨损也更严重换刀距离更难合理确定另外刀具检修需

,,,。,

要修建多个检修竖井这些竖井会使城市短暂拥堵因此基于工程进行大直径盾构长距离砂

,。

卵石地层的相关技术研究有着重要的社会与经济效益

。

1

表1.1.1大兴新机场线一期盾构隧道区间

区间区间单线长度区间单线环数穿越地层

永兴河站磁各庄站粉质黏土粉砂

~2783m1739、

磁各庄站号风井粉细砂卵石

~12852m1783、

号风井号风井卵石

1~22108m1318

号风井号风井卵石

2~33825m2391

号风井草桥卵石

3~3189m1993

1.2工程概况

线路情况

1.

工程拟建场地位于北京市大兴区西红门镇二村三村四村和丰台区新宫村起自新机场

、、,

线南五环北侧西红门镇二村号区间风井向北下穿南西路大兴线地铁西红门镇后向西北

2,、、,

向最终到达丰台区海子公园内号区间风井沿线场地主要为道路耕地林地高压线沿线

3。、、、

区域既有地铁线民房厂房公园绿地等地势由南向北逐渐升高局部有堆土地形整体平

、、、、,,,

坦具体位置如图所示

,1.2.1。

图工程位置图

1.2.1

盾构区间起始里程为右终点里程为右左线全长

K35+675.000,K39+522.044,

右线全长为双线双洞区间线路埋深最大坡度最

3832.39m,3847.44m,,12~16m,5.9‰,

小曲线半径为区间共设座检修井和座联络通道联络通道采用矿山法施工盾

1300m。36,。

构区间隧道外径管片厚度采用台外径的土压平衡盾构机同时施

8.8m,450mm;29.15m

2

工区间线路图如图所示

,1.2.2。

图区间线路图

1.2.2

工程地质

2.

地质条件

(1)

区间位于工程地质单元区间地质断面从上至下依次为粉土填土杂填土粉土

Ⅱ。:①、①1、

粉质黏土粉细砂粉土粉质黏土粉细砂粉质黏土粉土粉细

②、②1、②3、③、③1、③3、④、④2、

砂中粗砂卵石圆砾中粗砂粉质黏土粉土细中砂卵石圆砾细中

④3、④4、⑤、⑤1、⑥、⑥2、⑥3、⑦、

砂粉质黏土粉土细中砂卵石层中粗砂层细中砂粉质黏土粉

⑦2、⑧、⑧2、⑧3、⑨、⑨1、⑨2、⑩、

土细中砂卵石层粉质黏土黏土

⑩2、⑩3、ÊIS、ÊIS4、ÊIS5。

卵石圆砾层为杂色密实湿颗粒直径在之间最大颗粒直径不低于

⑤,,,5~20mm,140mm,

其中直径大于的颗粒含量应高于中粗砂充填中粗砂层为褐黄色饱和密

20mm50%,;⑤1,,

实含云母氧化铁卵石圆砾层为杂色饱和密实最大颗粒直径不低于绝大部

,、;⑦,,,150mm,

分颗粒直径在之间亚圆形其中直径超过颗粒含量大约占总质量的

15~60mm,,20mm

中粗砂填充细中砂层为褐黄色密实饱和含个别砾石

60%,;⑦2,,,。

盾构主要穿越地层为隧道拱部为粉土边墙为卵石圆砾隧底为卵石圆砾卵石

:④2,⑤,⑦。

圆砾层分布长约占区段总长的

3847.44m,100%。

水文条件

(2)

区间所处位置为水文地质单元水层主要分布为上层滞水一层间水三和层间水四

Ⅱ,()、()()。

上层滞水一勘察未观测到

():。

层间水三测得水位埋深在左右含水层主要为卵石圆砾层

():22.88m,⑤。

层间水四测得水位埋深在之间含水层主要为卵石圆砾层和细中

():25.75~29.19m,⑦

砂层粉细砂层卵石圆砾层卵石层

⑦2、⑧3、⑨、ÊIS。

综上所述号区间风井号区间风井盾构区段隧道埋深范围内无地下水

,2~3(12~16m),

具体剖面如图所示

1.2.3。

3

图地质剖面图

1.2.3

盾构设备

3.

标段双线总长最大坡度为最小曲线半径为隧道区间采取装配

7694m,5.9‰,1300m。

式钢筋混凝土管片进行拼装管片外径内径一环有分块环宽

,8800mm,7900mm,8,

通用环双面楔形错缝拼装纵缝不设榫槽环缝设置榫槽采用斜直螺栓

1600mm,(38mm),,,,

连接环向根纵向根

(16,22)。

区间使用铁建重工生产的土压平衡盾构进行隧道的施工设备总重约装机额定

,1250t,

功率约为最大推力水平转弯半径为纵向爬坡能力

4500kW,500m,±50‰。

盾构机刀盘的设计原则为刀盘设计和刀具布置完全能适应工程地质条件并且

ZTE9100,

具有高效及减少刀具磨损的特点盾构刀盘类型为辐条式刀盘刀盘直径为刀盘

。,9150mm,

的开口率约为如图所示主要由轮缘辐条和布设在辐条上的刀具组成根辐

60%,1.2.4,、。6

臂支撑的厚壁法兰连接主驱动装置作为刀盘辐臂的基座以传递足够的扭矩和推力刀盘可以

,,

双向旋转为了保证刀盘的整体结构强度和刚度刀盘的中心部位采用整体铸钢铸造刀盘正面

。,,

堆焊耐磨网格刀盘上切刀为螺栓连接可以实现刀具更换刀盘上设有搅拌棒可以随着刀盘

,,。,

一起转动辅以土仓壁上的固定搅拌棒可起到搅拌渣土的功能对土仓中的废弃土体进行强制搅

,,

拌使注入在开挖面上或土仓中的添加材料泥水气泡与切削下来的土体在土仓中进行充分

,(、、)

的搅拌提高土体的塑性流动性使在滞留土仓中的废弃土体具有良好的流动性和止水性

,,。

工程重难点

4.

建设工期紧

(1)

北京新机场线拟于年月投入运营号风井号风井区间左右线盾构分别于

20199,2~3、

年月月进行始发根据北京新机场线工期要求其盾构工期节点分别为年

201711、12。,2018

月日年月日左右线盾构工期为个月综合考虑盾构区间长度工期较为紧张

930、2018831,、9,,。

盾构长距离穿越卵石地层

(2)

号风井号风井区间隧道主要穿越卵石地层夹粉质黏土粉砂盾构在全断面卵石地

2~3、,

层中掘进刀具磨损严重频繁检修换刀严重影响工期同时砂卵石地层对于盾构渣土改良

,,,。

的要求较高渣土改良效果不好会严重影响盾构施工效率

,。

盾构区间隧道长

(3)

号风井号风井区间单线隧道长是北京新机场线中最长的盾构区间段土

2~33825m,,

压平衡盾构机在卵石地层中连续掘进的区段在北京尚无先例盾构长距离的连续

3825m,。

快速掘进对施工组织及设备性能要求高

,。

4

图刀盘结构图

1.2.4

5

施工组织难度大

(4)

北京新机场线盾构区间隧道管片外径环宽是目前国内城市轨道交通单线

8.8m,1.6m,

断面最大盾构法区间土方工程量是普通盾构区间倍以上且工期紧要求盾构掘进速度快

,3,,,

这就导致场地使用运输及施工组织压力极大同时号风井号风井区间距离超长随着

、。,2~3,

隧道开挖长度的增加电瓶车的运输效率将大大影响盾构施工进度隧道穿越多个重要风险

,。

源隧道穿越风险源时保证自身与周围环境的安全是工程的重点

,,。

通过对北京新机场线号风井号风井区间隧道工程特点的分析可以得出号风井

2~3,2~

号风井区间盾构施工面临的核心问题是保证盾构在长距离高风险的砂卵石地层中安全快速

3

掘进确保盾构区间隧道按时贯通

,。

1.3研究内容及方法

通过对项目概况的分析确定研究内容主要分为以下五部分

,:

长距离砂卵石地层土压平衡盾构刀具磨损研究

(1)

依托室内试验理论分析等方法对土压平衡盾构在砂卵石地层中掘进的磨损问题进行研

、

究分析刀具磨损的机理并对地层的特点进行分析总结影响地层磨蚀性的主要因素最后提

。,,

出复合地层刀具磨损量预测公式及刀具设计优化的相关措施

。

长距离砂卵石地层盾构渣土改良技术研究

(2)

分析不同渣土改良材料在砂卵石地层中的渣土改良效果选择合适的配比进行现场试验

,,

确定最终应用到工程中的配比

。

盾构穿越风险源施工技术及辅助措施研究

(3)

工程中涉及多个不同类型的风险工程连续下穿高压塔下穿既有线结构浅覆土段施工

:、、

等对施工过程中的盾构施工技术及辅助措施进行研究保障盾构穿越风险源时周围环境及

。,

盾构施工的安全对风险源的变形规律进行分析为后期优化盾构施工技术提供依据

。,。

盾构管片上浮机理及控制技术研究

(4)

盾构在砂卵石地层掘进过程中会发生管片上浮的情况导致管片错台并影响后续线路运

,,

营因此对盾构管片的上浮机理进行研究总结影响管片上浮的因素提出上浮控制措施保

。,,,

证盾构隧道成型管片质量

。

盾构长距离掘进运输方式研究

(5)

目前盾构的运输方式还是以土斗运输为主但是由于工程距离长的特点仍采用土斗运输

,,

的方式已经不能充分满足盾构掘进的需要对盾构长距离掘进运输方式进行研究总结新型

。,

运输方式的优缺点并对应用过程提出优化研究结果可为类似长距离砂卵石盾构隧道的施工

,,

提供借鉴

。

6

我国地铁区间隧道建设过程中部分城市遇到了大面积卵石地层如北京成都兰州

,,、、、

沈阳等土压平衡盾构在卵石地层中掘进由于卵石强度高磨蚀性强刀具磨损严重需频繁开

。,、,,

舱检修刀具盾构掘进效率低下严重影响工期且工程造价急剧增加以北京地下轨道交通建

,,,。

设为例随着地铁建设的不断开展目前埋深的地下空间开发已趋于饱和为更好地实

,,10~20m,

现新建线路与既有线路的换乘新建线路地铁隧道的埋深会更深将进入富水的卵石地层例如

,,,:

北京地铁部分在建和新建线路埋深已经超过进入受承压水层影响的卵石层卵石粒径更

40m,⑨(

大磨蚀性更强这将给盾构施工带来极大的挑战区间是典型的全断面砂卵石地层为了保证地

、),。,

铁建设的顺利进行必须对全断面砂卵石地层长距离施工的一系列关键问题进行深入研究

,。

作为盾构全断面砂卵石地层长距离施工的一个关键点盾构施工刀具寿命的预测及刀具

,

检修换刀位置的合理设定对工程的顺利开展起到重要的作用合理地设置盾构检修位置通

。,

过定期的检修作业对损耗较为严重的刀具进行更换使盾构设备时刻处于良好的工作状态

,,,

是保证盾构施工顺利进行的关键另外设备选型刀盘刀具设计施工参数控制及渣土改良

。,、、

等各方面也是保证工程顺利开展的关键通过一系列技术手段降低施工过程中刀盘刀具的损耗

,