盾构隧道施工技术及工程质量安全控制.docx
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盾构隧道施工技术及工程质量安全控制
盾构隧道施工技术及工程质量安全控制
傅德明
1、盾构法隧道技术发展概述
1.1盾构法隧道基本概念及发展历史
1.2我国盾构法隧道技术的应用和现状
2、盾构掘进机类型及地层适应性
2.1盾构掘进机的构造及分类
2.2土压盾构及适应地层
2.3泥水盾构及适应地层
2.4复合盾构及适应地层
3、盾构隧道衬砌结构和管片制作技术
3.1盾构隧道衬砌分类和特点
3.2高精度混凝土管片制作和质量控制
4、盾构进出洞技术及安全
4.1盾构进出洞口的地基加固方法和质量控制
4.2大直径大深度盾构进出洞风险控制
5、盾构掘进施工技术及工程质量控制
5.1盾构开挖面稳定和工作参数优化
5.2盾构在复杂地层条件下的施工及技术措施
5.3盾构纠偏和姿态控制
5.4管片拼装和隧道工程质量控制
6、盾构穿越建筑物及保护技术
6.1盾构掘进施工对地层的影响及沉降控制
6.2盾构隧道施工监测技术
6.3盾构穿越建筑物及保护技术
6.4盾构下穿运营地铁隧道施工及监护
7、盾构隧道工程事故实例分析
8、盾构隧道工程技术新发展
上海申通地铁集团有限公司傅德明
2008-10
1、盾构法隧道技术发展概述
1.1盾构法隧道基本概念及发展历史
盾构是一个横断面外形与隧道横断面外形相同、尺寸稍大,内藏挖土、排土机具,自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械。
以盾构为核心的一整套完成的隧道施工方法称为盾构工法,概况如图1所示。
盾构法施工的优点:
场地作业少,隐蔽性好,因噪音、振动引起的环境影响小;隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深浅的影响,适宜于建造覆土深的隧道;穿越河底或海底时,隧道施工不影响航道,也完全不受气候的影响;穿越地面建筑群和地下管线密集区时,周围可不受施工影响;自动化程度高、劳动强度低、施工速度较快。
图1盾构工法概念图
盾构工法的设想19世纪初产生于英国,1818年Brunel观察了小虫腐蚀木船底板成洞的经过,从而得到启示在此基础上提出了盾构工法,取得了专利,并于1823年拟定了穿越伦敦泰晤士河道路隧道的计划。
工程于1825年动工,隧道长458m,隧道断面为11.4m×6.8m。
工程因地层发生了5次涌水事故,致使工程被迫中止。
Brunel总结了失败的教训对盾构做了7年的改进,后于1834年工程再次开工,又经过7年的经心施工,终于在1841年贯通隧道。
1869年建造横贯泰晤士河上的第二条隧道,首次采用圆形隧道,外径2.18m,长402m。
1887年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和气压组合工法获得成功。
19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国,并得以不同程度的发展。
20世纪60~80年代盾构隧道技术继续发展完善。
1960年英国伦敦开始使用滚筒式挖掘机;1964年日本埼玉隧道中最先使用泥水盾构;1969年日本在东京首次实施泥水加压盾构施工;1972年日本开发土压盾构成功;1975年日本推出泥土加压盾构;1978年日本开发高浓度泥水盾构;1981年日本开发气泡盾构;1982年日本开发ECL工法成功;1988年日本开发泥水式双圆盾构工法成功。
1990年~2003年,英法两国共同建造的英吉利海峡隧道(长48km)采用φ8.8m的土压盾构工法于1993年竣工;日本东京湾隧道(长9.2km)采用8台φ14.14m泥水盾构于1996年竣工;丹麦斯多贝尔特海峡隧道(长7.9km)采用φ8.5m土压盾构工法于1996年竣工;德国易北河第4条隧道采用复合盾构(φ14.2m)于2003年竣工;荷兰格累恩哈特隧道(φ14.87m、泥水式)于2004年竣工。
从断面形状方面讲出现了矩形、马蹄形、椭圆形、多圆形等多种异圆断面盾构;从功能上讲出现了球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途中更换刀具盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构;从盾构机的掘削方式上看出现了摇动、摆动掘削方式的盾构,打破了以往的传统的旋转掘削方式。
施工设备出现了管片供给、运送、组装自动化装置;盾构机掘进中的方向、姿态自动控制系统;施工信息化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统。
1.2我国隧道掘进机技术的发展历史和现状
50年代,东北阜新煤矿首次采用直径2.6m手掘式盾构施工巷道。
1957年,北京市政工程局采用2台直径2.0m和2.6m手掘式盾构进行城市下水道施工。
1963年,上海结合软土地层对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数,隧道接缝防水进行了系统的试验研究。
研制了1台直径4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验,隧道掘进长度68m。
1966年,上海打浦路越江道路隧道工程1322m主隧道采用由上海隧道工程设地院设计、江南造船厂制造的我国第一台直径10.2m超大型网格格挤压盾构掘进机施工,辅以气压稳定开挖面,在黄浦江底顺利掘进隧道。
1987年上海隧道工程公司研制成功了我国第一台φ4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机,用于市南站过江电缆隧道工程。
1990年,上海地铁1号线工程全线开工,18km区间隧道采用7台由法国FCB公司、上海隧道工程公司、上海隧道工程设计院、上海船厂联合制造的φ6.34m土压平衡盾构掘进机。
1996年,上海延安东路隧道南线工程1300m圆形主隧道采用从日本引进的φ11.22m泥水加压平衡盾构掘进机施工。
1996年,广州地铁1号线8.8km区间隧道由日本青木建设施工,采用2台φ6.14m泥水加压平衡盾构和1台φ6.14m土压平衡盾构。
2001年以来,广州地铁2号线、南京地铁1号线、深圳地铁1号线、北京地铁5号线、天津地铁1号线先后从德国、日本引进14台φ6.14m~6.34的土压盾构和复合型土压盾构,掘进地铁隧道50km。
盾构法隧道已经成为我国城市地铁隧道的主要施工方法。
2003年,上海地铁8号线首次采用双圆隧道新技术,从日本引进2台φ6520×W11120双圆型土压盾构,掘进黄兴路站——开鲁路站2.6km区间隧道。
2004年,天津地铁1号线采用2台德国海瑞克Ø6.20m土压平衡盾构掘进区间隧道。
2006年,沈阳地铁1号线砂砾地层采用盾构法掘进区间隧道。
成都地铁1号线砂卵地层采构法掘进区间隧道。
2007年,西安地铁2号线湿现性黄土地层采用盾构法掘进区间隧道。
2008年,武汉地铁2号线、杭州地铁1号线、苏州地铁1号线也采用盾构法掘进区间隧道。
今年,在全国12个城市地铁隧道工程中有200余台盾构掘进机施工约300公里区间隧道。
2005年,上海上中路隧道引进1台Φ14.89m超大直径泥水盾构掘进2条长1250m的4来4去双层道路隧道。
2006年9月,二来二去的武汉长江越江隧道工程2条长2338mΦ11.2m的圆形主隧道采用2台Фm11.5泥水加压盾构掘进施工。
2006年9月,三来三去的上海长江口越江隧道2条长7.9km的圆形主隧道采用2台Φ15.44m泥水加压盾构掘进施工,为目前世界上最大断面的盾构隧道。
2007年11月,三来三去的南京长江隧道2条长3.9km的圆形主隧道采用2台Φ14.9m泥水盾构掘进施工。
2、盾构掘进机类型及地层适应性
2.1盾构掘进机的构造及分类
按挖掘土体的方式,盾构可分手掘式盾构、半机械式盾构及机械式盾构三种。
① 手掘式盾构:
即掘削和出土均靠人工操作进行的方式。
② 半机械盾构:
即大部分掘削和出土作业由机械装置完成,但另一部分仍靠人工完成。
③ 机械式盾构:
即掘削和出土等作业均由机械装备完成。
按掘削面的挡土形式,盾构可分为开放式、部分开放式、封闭式三种。
① 开放式:
即掘削面敞开,并可直接看到掘削面的掘削方式。
② 部分开放式:
即掘削面不完全敞开,而是部分敞开的掘削方式。
③ 封闭式:
即掘削面封闭不能直接看到掘削面,而是靠各种装置间接地掌握掘削面的方式。
按加压稳定掘削面的形式,盾构可分为压气式、泥水加压式,削土加压式,加水式,加泥式,泥浆式六种。
按盾构切削断面形状,盾构可分为圆形、非圆形两大类。
圆形又可分为单圆形、半圆形、双圆搭接形、三圆搭接形。
非圆形又分为马蹄形、矩形(长方形、正方形、凹、凸矩形)、椭圆形(纵向椭圆形、横向椭圆形)。
2.2土压盾构及适应地层
土压平衡盾构依靠大刀盘旋转切削开挖面土体,土砂切削后进入刀盘后的密封土舱,并通过土舱下部的螺旋输送机把土砂送至盾构机后部,见图1所示。
通过调整刀盘转速、推进速度、螺旋机转速来调整切削土量和出土量并保持土舱压力,使之与开挖面水土压力保持平衡。
土压平衡原理图
土压平衡盾构适用于各种粘性地层、砂性地层、砂砾土层。
对于风化岩地层、软土与软岩的混合地层,可采用复合型的土压平衡盾构。
在砂性、砂砾、软岩地层采用土压盾构掘进施工,应在土舱、螺旋机内以及刀盘上注入润滑泥浆或泡沫,以改良土砂的塑流性能。
土压平衡盾构掘进机
复合型土压盾构
2.3泥水盾构及适应地层
在盾构内设一道密封隔舱板,在泥水舱内充以压力泥浆支护开挖面土层,平衡开挖面土层水、土压,形成不透水泥膜,泥土经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后,形成厚泥浆,用管道向地面处理场排送。
泥水加压盾构适用土层范围很广,从软弱粘土、砂土到砂砾层都可适用。
泥水加压式盾构适用于冲积形成砂砾、砂、粉砂、粘土层、弱固结的互层地基以及含水率高开挖面不稳定的地层;洪积形成的砂砾、砂、粉砂、粘土层以及含水很高固结松散易于发生涌水破坏的地层,是一种适用于多种土质条件的盾构型式。
但是对于难以维持开挖面稳定性的高透水性地基、砾石在基,有时也要考虑采用辅助施工方法。
3、盾构隧道衬砌结构和管片制作技术
3.1盾构隧道衬砌分类和特点
按衬砌材料分:
⑴.铸铁管片
⑵.钢管片
⑶.钢筋混凝土管片(RC管片)
⑷复合管片
按施工方法分:
⑴.拼装式管片
⑵.压注混凝土衬砌
⑶.二次衬砌
钢筋砼管片分类
1.箱型管片
2.平板型管片
管片宽度:
0.7M~2.0M
管片厚度:
0.04~0.06D
管片分块:
4~10块
3.2高精度混凝土管片制作和质量控制
管片生产常采用工厂化流水作业,管片生产需具备材料及产品堆场、钢筋笼生产车间、搅拌站(点)、试验室、管片浇捣车间、锅炉房(或蒸汽热网)、管片水中养护池、管片抗渗试验台架、管片精度测试台。
3.2.1钢筋笼生产
钢筋笼必须采用电焊焊接成形,主筋节点间采用E50型焊条或采用焊缝强度与钢筋相当的焊条,构造筋间或构造筋与主筋间可采用结E43型焊条。
焊点不得有损伤主筋的“吃肉”现象。
除节点外,任何钢筋的长度方向均不得采用焊接。
钢筋笼应按先成片(由焊接台生产)后成笼(由焊接台车生产)的生产顺序作流水作业。
钢笼网片圆弧方向的定位精度应控制在0.5mm以内;焊接台车的控制限位板应严格按钢模尺寸制作;钢筋笼的整体制作精度必须控制在2mm以内;整个生产过程中,钢筋笼不得粘有任何油渍。
3.2.2管片浇捣
管片浇捣宜采用插入式振捣器,若采用振动台或附着式振捣器生产时,因管片表面的气泡直径及气泡量难以满足要求。
因此,应采用插入式振捣器在钢模侧壁部进行复振。
生产管片的混凝土坍落度应控制在4cm以内(外掺减水剂)。
考虑到冬季施工收水慢等因素,需作真空吸水时,在标准真空度条件下的吸水时间宜控制在8min以内。
管片生产采用插入式振捣,且坍落度为3cm时的每立方米混凝振捣时间宜控制在7min左右。
辅以目测(条件下),确认已振捣密实。
不宜过振,当然也不能漏振。
3.2.3蒸汽养护
管片宜采用蒸汽养护方式生产。
蒸汽养护除需满足一般蒸养操作规程外,还应注意以下几点:
1管片振捣结束后,宜静养2~3h,然后实施蒸
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