施工篇

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1 盾构法隧道设计 & 施工关键技术 地下建筑与工程系 张庆贺教授

2 施工篇

3 内容提要 Charpter1 隧道施工工法的选择与盾 构机的分类 Charpter2 盾构施工工艺 Charpter3 盾构施工关键技术

4 隧道施工工法的选择及盾构机的分类 Charpter1 隧道施工工法的选择 Section1 常用隧道施工工法比较 Section2 盾构工法的发展 Section3 盾构机的分类

5 明挖法 浅埋暗挖法

6 盾构法 矿山法 顶管法

7 沉管法 岩石掘进机

8 Section1 隧道施工工法的对比 表 1 序号 1 施工方法 明挖法 环境场地要求 市郊施工场地开阔, 软岩和土体, 如北京和天津地铁 优点 缺点 进度快, 工作面破坏环境生大, 便于机械和态, 影响交大量劳动力投入通, 带来尘土和噪声污染 发展方向 1) ) 有效井点降水系统 ;2); ) 可靠的支撑系统 ;3); ) 大型土方机械, 混凝土搅拌及运输机械 2 矿山法 岩石和坚硬土体, 如青岛和重庆地铁 地面干扰小, 造进度慢, 劳动价低强度高, 风险大 1) ) 多臂钻孔台车, 自动装药引爆装置 ;2); ) 光面爆破, 喷锚支护, 监控数据反馈指导设计和施工方法 3 暗挖法 埋深较浅对土体进行冻结 注浆 深层搅拌桩加固地基, 棚管法加固, 浅埋车站, 如北京 哈尔滨等城市地铁 地面干扰小, 造机械化程度价低, 便于土法低, 劳动强度上马高, 环境恶劣, 风险大 1) ) 发展可靠的浅地层地基处理技术 ;2); ) 小型灵活的地下开挖机械 ;3); ) 可靠的临时支护措施和机具

9 Section1 隧道施工工法的对比 续表 1 序号 4 施工方法 盾构法和顶管法 环境场地要求城市软地层 深埋隧道, 如上海 广州 北京等城市地铁 优点 缺点 地面影响小, 机械设备复杂, 机械化程度价格昂贵, 施工高, 安全, 工工艺繁, 专业施人劳动强度工队伍低, 进度快 发展方向 1) ) 开发适用不同地质条件, 自动更换刀盘的气压 土压泥水平衡盾构和顶管, 超前探测排障技术 ;2); ) 钢纤维挤压混凝土衬砌 ;3); ) 三维仿真计算机管理系统, 管理信息化, 自动化 ;4); ) 自动导向, 中途对接异型盾构 5 6 沉管法 ( 连续沉井 ) 凿岩机法 (TBM TBM) 跨越江河湖海, 软地基, 如广州 宁波 上海过江隧道 坚硬岩石地质, 如广州地铁 造价省, 速度封锁江河水面, 大型涵管制作及驳运技术 ;2); ) 地下定位快, 隧道断面专门的驳运 下对接 防水技术大沉 对接的机具, 水下作业, 风险大速度快, 机械造价高, 使用掌 1) ) 开发国产高性能凿岩机 ;2); ) 改进高化程度高, 安握复杂, 刀具易强合金刀具 ;3); ) 完善后配套系统 ;4); 全, 地面无干磨损超前不良地质探测系统扰

10 盾构需求形势 十一五期间城市轨道交通 1200km,, 需新增盾构机 100 台 ; 上海 申通集团一次性向上海隧道股份公司定购 20 台自行研制的盾构 ; 新增大型越江 跨海隧道 30 余条, 需盾构 30 余 台 ; 新增水利水电工程 城市共同沟 物流等需盾构约 50 台 ; 总市场规模在 150 亿元

11 1825 年盾构机首次使用 Section2 盾构隧道的发展 1830 年使用气压的半机械式盾构 1840 年能够壁后注浆的机械式盾构 1865 年圆形挤压式盾构 1966 年泥水加压盾构 1974 年土压平衡盾构 EPB 1976 年铰接式盾构 1981 年压注混凝土衬砌工法 ECL 1986~1988 年 1993 年 复圆 多圆 球体盾构 断面盾构 MF 扩径盾构

12 国内盾构隧道走过的历程 盾构输水巷道阜新 Φ2.6m 路隧道上海打浦 1966 年 一号线上海地铁 1984 年 路南线隧道上海延安东 网格式式盾构 1994 年 土压平衡式盾构 杨浦线上海地铁 2003 年 泥水平衡式盾构 双圆盾构 1952 年 手掘式盾构

13 近年国内盾构发展 1995 广州地铁适合软硬岩交互地层的混 ( 复 ) 合型盾构 1997 秦岭隧道中铁 18 局 TBM Wirth AG (TB850/1000E TB850/1000E); 1999 黄河万家寨双护盾 (Robbins( 180 型 ); 2005 上海隧道股份 863 计划直径 6.34m 国产自主知识产权盾构 2005 上海上中路隧道 沪崇苏隧道直径 14.80m 15.43m 泥水盾构

14 Section3 盾构机的分类 1 按照平衡开挖面的方式 A 插板式 B 挤压网格式 C 土压平衡式 D 泥水平衡式 E 加泥式 F 加水式

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25 盾构机的分类之二 2 按照机械化程度 A 人工 B 机械化 C 全自动化 3 按照施工过程中的运输方式 A 皮带传送 B 泥浆泵 C 手工挖小车推

26 盾构机的分类之三 4 按照掌子面敞开程度 A 全敞口 B 半敞口 C 全封闭 ( 面板式 条幅式 开口率 ) 5 断面形式 A 单圆 B 双圆 C 三圆 D 矩形 E 球形

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28 全封闭盾构机

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33 Charpter2 盾构施工工艺

34 挖土运输系统土压平衡盾构

35 挖土运输系统泥水平衡盾构

36 Charpter3 盾构施工关键技术 Section1 盾构机的选型 订货 组装 Section8 地面沉降预测及调试 Section9 管片制作检验及耐久 Section2 盾构进出洞施工技术性控制 Section3 开挖面平衡技术 Section4 灾害地质障碍物探测和施工 Section10 地下 ( 水底 ) 施工的技术三维可视化及自动化 Section5 同步注浆 稳定工作面的新操作管理系统鲜泥浆的制作传送及配套施 Section11 管片脱出盾尾上浮工工艺 Section12 Section6 泥水中的渣土分离技术盾构穿越已建隧道施工 Section7 大直径长距离盾构隧道施工技术 Section13 联络通道施工技术浅覆土施工 Section14 浅覆土施工

37 Section1 盾构的选型 订货 安装及调 Section1 试盾构机选型及定购的依据 1. 土质条件 岩性 2. 开挖面稳定 3. 隧道埋深 地下水位 4. 设计隧道的断面 5. 环境条件 沿线场地 6. 衬砌类型 7. 工期 8. 造价 9. 辅助工法 10. 设计路线 线形 坡度 11. 电气等其他设备条件

38 [ 调查项目 ] 盾构机选型流程图 周围条件 土地利用状况 将来计划 道路种类 交通状况 施工用地状况 河川 湖沼等的状况 地层构成 地下水位 ( 头 ) 分布 缺氧气体 有害气体的有无 各层的工程性质 ( 强度特性 变形特性 透水性 ) 地质条件 计划 设计条件整理 断面形状尺寸 延长 覆土 线路 工期 环境条件障碍物 噪声 振动 地基变形 地下水利用 施工垃圾处理 住房 文物等 地上 地下建筑物 埋设物 水井 废井 旧建筑物 临时建筑 其它

39 盾构机选型流程图 续上图 [ 论证项目 ] 开挖面稳定性 地基条件 自立性 地层构成 支护方式 影响范围 水平 铅直变形 临近建筑物变形 土压平衡式 土压式 可能适用的方式选择 闭胸式 泥土压式 泥水加压式 手掘式 敞胸式 半机械式 机械式 环境保护其他 地下水污染 地下水枯竭 振动 噪声 日照 景观 交通 障碍物处理 开挖土的处理 开挖土的搬运 施工用地

40 [ 比较论证 ] 盾构机选型流程图 开挖面的稳定 地基变形 出发到达部的保护 周围建筑物的保护 施工措施的论证 长距离施工 急曲线施工 障碍物 续上图 注 : 选择开挖方式时请参照解说表盾构形式与土质 安全 经济 工期 开挖面稳定 地基变形 环境保护 操作环境 推进 衬砌 盾构 相关措施 推进 衬砌 相关措施 综合评价 方法的选择

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42 Section2 盾构进出洞施工技术

43 施工流程 工作井构筑施工 地基加固施工 临时墙 ( 挡土墙 ) 拆除 盾构进出洞施工流程及要点 洞口设置出洞台架设置组装盾构机临时管片拼装盾构机试运转 施工要点 存在有设想的地层条件和实际偏差的可能性 实施原位地质调查 钻孔角度的确认 利用测斜计等 硬化材料的吐出量 异常时停下来检查 提升速度是否妥当 确认确实的加固 制定充分的拆除方案和涌水对策 ( 需要采用根据钻孔取样来确认加固效果等十分致密的方案 ) 拆除挡土墙的时候不能产生大的震动 盾构机出洞或进洞掘削面加压 ( 或减压 ) 掘进 涌水保护方案 掘削面加压时, 监视洞口衬垫的状况 ( 有无翻开 断开 ) 同时监视加压管的动作情况 充分监视推力, 不能勉强推进, 设定合适的掘进速度 (1~5mm/min ) 由于泥水压力会在挡土墙或洞口衬垫上施加过大的力, 对泥水压力的管理将其控制在形成泥水循环所必须的最低限度 在通过高压旋喷工法加固的区间时, 加固后地基的碎片会阻塞管道, 因此要进行清洗的循环 进洞时到达隔墙内时, 必须确认有无漏水 涌水后才能进行解体

44 洞周土体加固 主要方法深层搅拌 旋喷桩 SMW 注浆 降水 冻结

45 M d 1 2 D = γ i H i 2 加固范围及强度计算 K M ( d 1 d 2 M d 2 + M ) = M + M r = γ 3 D 3 2 C π D M r = 2 2 M r = C θ D 2 β E r t = K σ max 加固区强度及厚度计算示意图 加固区高度计算示意图 加固区高度计算示意图 加固区强度及厚度计算示意图 加固区宽度计算示意图 R γ H γ ln R + = ln a + 2 C 2 C 粘性土 B = a + H ) cos β a ( 1 加固区宽度计算示意图 砂性土

46 有限元计算分析

47 冻结法进出洞加固 平面图 剖面图

48 封门 封门制作沉井 : 钢板桩 ; 蛭石 珍珠岩膨胀水泥混凝土 砖砌体 泡沫混凝土连续墙 : 墙中预留轻质低强混凝土塞 局部浇注 GFRP 玻璃纤维和树脂热融合的玻璃纤维筋 碳纤维筋代替普通混凝土封门的破除 : 手工 爆破

49 地基加固 出洞口 临时隔墙 反力墙 临时管片 盾构进出洞示意图 管片搬入 始推台架 临时隔墙 高压旋喷加固 注浆 支撑 TBM 进洞临时墙 ( 钢制 ) 加压式衬垫

50 盾构进出洞门止水密封装置 洞口铁件 推板 ( 活板 ) 空气排出管 混凝土 地层侧 推板 ( 活板 ) 洞口铁件 洞口衬垫 洞口衬垫 在始推出洞口的临时墙的内侧, 如图所示设置止水装置 ( 洞口衬垫 ) 该衬垫为混凝土结构, 在浇筑混凝土时, 设置衬垫的框架, 待混凝土硬化后, 在框架上安装橡胶材料, 固定好

51 盾构进洞前凿除封门 ( 地下墙 )

52 盾构进洞

53 盾构进洞

54 盾尾进洞

55 Section3 开挖面泥水平衡技术 稳定工作面的新鲜浆液 (cmc mds 正电胶 ) 的注入 泥浆注入与渣土排出 泥水平衡盾构开挖面平衡机理 : 开挖面形成渗透性差 具有一定表面张力的泥皮 一方面阻止泥浆进入地层, 另一方面舱内压力作用下支撑易失稳的硬岩层, 提高地层抗坍塌性 泥皮微观照片

56 泥水压力的设定 泥水压力采用下述的基本公式计算 P = γ w h 0 + k [ γ 1 ( H h 0 ) + γ s h 0 ] + p 上限 : 静止土压 + 孔隙水压 + 变动压下限 : 主动土压 + 孔隙水压 + 变动压 泥浆控制指标 : 比重粘性砂性成分含有量 管理项目 比 粘 重 性 砂分含有率 管理基准值 1.15~ ~35 秒 10~15 15% 测定用具 泥浆平衡器 漏斗粘度计

57 泥水体系生产工艺 CMS 泥水体系 工艺 排泥口泥水 沉淀池 泥水泵 储渣池 废浆池 CMS 泥水体系工艺 除砂器 泥水泵 清洁器 膨润土 纯碱 CMC 配浆罐 CMC 1# 配浆罐 2# 配浆罐 储浆槽调整槽 P1 泵 CMS 1# 储池 CMS 1# 储池 VMS 1# 储池 盾构机 抛泥外运

58 泥水体系生产工艺 PMS 泥水体系 工艺 排泥口泥水 PMS 泥水体系工艺 PMS 剪切泵 JHCT-1 1# 2# 振动筛除砂器离心机离心机储渣池 新浆储备池 1# 配浆罐 泥水泵 储浆槽调整槽 P1 泵 流量计 储浆池 盾构机 抛泥外运

59 优质泥浆浆液的研制 ( 上海复兴路隧道工程 PMS 浆液试验研究 ) 研究的目的研发的一种适合泥水盾构特点的新型泥水系统 CMS( 膨润土浆漏斗粘度计密度计液体系 ) PMS PMS(Polymer Polymer MMH Shield Slurry System) 主要研究内容 1) ) 室内对比实验 (1) 宏观试验 a. 比重 ; b. 漏斗粘度 ; 高剪切搅拌器旋转粘度计 c. 塑性粘度 ; d. 动切力 ; e. 初 ( 终 ) 失水量 ; (2) 微观试验失水仪 a. 泥膜微观照片 ; b. 粒度分析 2) 工程性试验扫描电子显微镜激光粒度分析仪

60 工程性试验区域

61 室内试验及工程性试验主要结论 1.(PMS PMS) 泥水体系有良好的剪切稀释特性, 有一定的结构强度, 携带和悬浮土渣能力优于原有泥水体系 ; 有利于减少废泥水排放, 保护环境 2.(PMS PMS) 泥水体系抑制地层粘土分散能力强, 有利于盾构粘土层时开挖面的稳定 ; 3.(PMS PMS) 泥水体系使用的泥水材料, 保持了泥水具有合理的粒度级配, 有利于形成高质量的泥膜 ; 4.(PMS PMS) 泥水体系中聚合物所形成的网架结构, 在盾构开挖砂土层时可稳定土层结构, 抑制砂土层分散流动 5.(PMS PMS) 泥水体系, 具有抗粘土污染能力, 在盾构粘性土层时泥水性能具有良好的稳定性 6.(PMS PMS) 泥水体系, 可控制低比重, 有利于改善盾构速度 7.(PMS PMS) 泥水体系采用复合材料, 与原有泥水材料使用对比, 材料使用量少

62 Section4 灾害地质 障碍物探测和施工技术 流砂地层及破碎带 软硬岩交互地层 ( 上下重叠 ) 障碍物处理 ( 桩 孤石 沉船 ) 粉质粘土 ( 结饼螺旋出土器排土口放炮 喷涌 ) ( 南京地铁三山街站 钓鱼台站区间 )

63 流砂地层 破碎带等不良地质施工技术 ( 泥水盾构 ) 快速调节泥水压力 及时调整泥浆配比和性能, 调节泥水压力, 有效地控制流砂 管涌及承压水开挖面土层探测及反馈电磁流量和射线密度计量测弃土体积, 判断土体情况和开挖面稳定状况

64 流砂地层 破碎带等不良地质施工技术 ( 土压盾构 ) 开挖面注入泡沫剂填充粘土增加覆土层控制同步注浆压力, 防止注浆上翻局部气压防止冒顶

65 盾构穿越砂性土研究实例 ( 上海 M4 线溧阳路 临平路区间隧道工程 ) 1. 工程选用土压平衡盾构, 主要穿越粉土 砂质粉土地层 盾构刀盘扭矩 掘进顶推力均大于正常工作范围, 地表沉降大 2. 课题研究用土样取自螺旋出土器口部 重塑后, 掺入肥皂水 泡沫剂 进行了常规指标试验 动静三轴试验 渗透性试验以及微观试验 3. 主要结论 3. 掺入肥皂水或泡沫剂等添加剂, 土体的物理力学性质均有所改善 主要体现在 : 孔隙率增加, 渗透系数减小, 土体保水性提高 ; 抗剪强度降低, 压缩模量提高, 塑流性好

66 流砂地层 破碎带等不良地质施工技术 ( 局部 ) 气压技术 气压舱

67 适用于硬岩的刀具 软硬岩交叠地质施工技术 在软硬岩交叠地层施工时, 除了对刀盘上的刮刀刮刀加强外, 还需配置用于破碎硬岩的先行刀先行刀和滚刀, 自动监测刀具磨损, 常压或局部气压下更换刀具

68 电磁波探测 探头 超前预报地下障碍物 障碍物显示 岸边探测地下障碍物通过电磁波波速法来辩识江中地下障碍物

69 超前预报地下障碍物 超前钻探 需要时还可通过超前钻头探查障碍物的物性 超前钻探技术

70 障碍物处理 刀盘上的夹碎装置破碎排除 地层改良, 从开挖面人工处理的方案 从盾壳外周预设带阀门孔实施地层改良 地层改良以便从开挖面处理障碍物

71 在隧道沿线进行详细的地质勘察 在选择处理方案时应当优先考虑在施工前进行不良地质的处理及障碍物的清除 ; 当无法进行预先处理时再考虑施工中的探测及处理方法

72 Section5 同步注浆与二次补浆 同步注浆 注浆管 壁后注浆管 盾尾 盾尾孔隙 二次注浆 注浆孔

73 注浆材料 单液 双液材料 : 配比及机理研究 拌浆及注浆工艺流程, 粘稠度 不同龄期强度试验 活性 / 惰性 注浆体积 : 盾尾间隙的 150~ % % 采用单液快硬浆液代替双液浆 单液浆先填充空隙 阻挡泥水后窜机理 单液可硬浆泵送工艺及设备

74 Section6 泥水中渣土分离技术 粉细颗粒涡流分离技术 采用迷宫式沉淀池辅助液体加速废弃泥浆 分离 提高废浆的回收利用率, 减量排放 无公 害排放 降低泥水分离施工成本

75 除砂器 上海复兴路隧道工程泥水处理系统 剪切泵 振动筛 离心机

76 国外泥水处理系统

77 Section7 大直径长距离隧道施工技术 主轴承寿命刀具更换技术高水压下的盾构密封定向装置通风换气设备测控原件, 自动控制体系耐久性土中盾构对接

78 刀盘驱动形式及主轴承耐久性

79 刀具更换技术之一

80 刀具更换技术之二

81 高水压下的密封技术 主轴承密封 盾尾密封

82 盾尾密封系统 盾尾密封系统 密封刷更换技术注牛油脂系统钢板刷钢丝刷 同步连续注浆管 注油脂管 固定装置止水刷止水性润滑油脂 管片 水 土压力 管片密封装置实 TBM 例隧道技术

83 定向装置

84 通风量计算通风机选择盾构通风实例 盾构施工通风 80kW*2 轴流风机 φ1.4m 螺旋式风管 ( 竖井内 ) 对象区间 所需通风量 (m( 3 /min) 风机的必要风压 (kpa( kpa) 风机所需的轴动力 (kw) 轴流风机 :3.7KWφ500 φ500 塑料风管 通风对象 通风方式 风机种类 所需通风量 (m 3 /min) 所需静压 (mmaq mmaq) 风机轴动力 (kw) 风管种类 设置台数 出洞基地 φ1.4m 塑料风管 ( 隧道内 ) 后续台车 盾构机 max:2,412m

85 盾构对接技术

86 盾构对接工法 贯入侧盾构 接收侧盾构

87 到达对接地点 拆除机内设备 冻结施工 确认冻结范围 一般盾构对接技术 实际业绩 : 东京湾横断道路直径 14.14m 8 工区水压 6kgf/cm2 横滨污泥工厂直径 9.70m 水压 3kgf/cm2 拆除隧道内设备 结合安装 衬砌结合施工

88 Section8 沉降控制技术

89 引起沉降的原因 密封压力不足, 前方土体松弛 ; 螺旋桨转速过快, 出土量过多 ; 盾构纠偏或曲线推进时, 造成过量超挖 ; 盾构外壳拖带一层泥皮和土体, 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 ; 盾构外壳直径与管片拼装后外径不同, 产生建筑间隙, 管片脱离盾尾, 土体失稳塌陷 ; 隧道衬砌变形 ; 推进造成的土体孔隙水压力变化和土体固结 ; 土体由于施工扰动造成的次固结沉降 ; 注浆填充材料固结收缩产生的沉降 ;

90 1) ) 横向沉降分布 : S ( x ) S max = = V x exp( 2 π i 2 i V V 2 π i 2. 5 i 变形规律 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 2 2 )

91 2) ) 横向沉降分布 : S ( y ) = 变形规律 ' V y y y y l 1 y y i f V l 2 y y Φ + Φ i Φ Φ 2 π i i i 2 π i i i y f =y f -L; y i =y i -L S (y) 为沿隧道纵轴线分布的沉降量 (m); y 为盾构推进起始点距离坐标原点 O 的距离 (m); y i 为盾构开挖面距离坐标原点 O 的距离 (m) ; L 盾构机的长度 (m) ; V l1 为盾构开挖面引起的地层损失 (m 3 /m); V l2 为施工因素引起的地层损失 (m 3 /m); i 为沉降槽宽度系数 ' f

92 道路 管线 房屋 ( 构筑物 ) 破坏 地面变形 盾构法施工环境保护风险控制的重要环节

93 地面变形控制监测系统

94 Section9 管片制作 检验及耐久性控制 高精度管片制作 管片防水 管片拼装

95 高精度高强度优质管片制作流程图 钢筋 : 质保书有效复试合格分类堆放标识清楚 钢筋半成品 : 断料尺寸 成型检查堆放标识清楚 水泥 砂 石子 外加剂 : 有质保书 复试合格证 混凝土配合比 : 每天根据天气情况微调配合比 预埋件 : 合格证齐全制作质量符合要求 钢筋骨架 : 钢筋规格 间距 焊接检查堆放标识清楚 混凝土搅拌控制 : 原材料计量 搅拌时间 混凝土质量 : 及时测坍落度 制作试块 控制管片起吊强度 钢模板 : 无残浆 隔离剂均匀, 尺寸检测合格 钢筋骨架入模 : 钢筋笼 预埋件位置 焊接检查 混凝土浇筑 : 分层布料 规范振捣 收水光洁 混凝土养护质量 : 控制蒸汽养护程序及温度

96 高精度高强度优质管片制作流程图 开模起吊强度 : 根据试块强度控制能否开模起吊 管片入堆场 : 防止翻身及起吊时损伤, 堆放整齐, 标识统一 管片的堆场修补 : 将在养护及吊运过程中损伤的管片及时修补 管片开模 起吊 : 开模规范, 起吊平稳, 防止损伤 管片水养 : 及时换水, 足天养护 混凝土强度评定 : 进行抗渗 抗压试验, 检漏试验, 并进行数理统计 管片现场验收 : 有合格证, 无破损, 起吊平稳, 堆放整齐 管片质量检查 : 外观质量检查评定 管片尺寸检测 管片的车间修补 : 配置修补剂 控制修补质量及色差 管片出厂 : 所有资料齐全加盖合格章签发出厂合格证 途中运输 : 控制每车运输量, 防止剧烈颠簸

97 耐久性控制 配比 保护层 养护 外加保护膜

98 成型钢筋分类堆放

99 钢筋笼焊接

100 成型钢筋笼堆放

101 模板清理 涂脱模剂

102 合笼后钢模尺寸检查

103 钢筋笼吊装入模

104 钢筋笼入模就位

105 混凝土浇注

106 管片浇注 振捣

107 表面压实

108 管片翻身架

109 管片成型车间水平运输

110 成品管片水平运输

111 管片入养护池养护

112 试块抗压检测

113 抗渗检测设备

114 片检漏试验

115 三环试拼装

116 三环试拼装及接缝测量

117 管片堆场堆放

118 管片的防水 防水材料

119 主要防水材料及膨胀机理 吸水性树脂的水膨胀机理 丁基橡胶止水材 Butyl Rubber 复合止水材 水膨胀 300% 以上 蜂窝橡胶 Gasket 水 天然橡胶 合成橡胶吸水性树脂 水膨胀 100~200% 体积变化率 =( 膨胀后体积 - 膨胀前体积 ) 膨胀前体积 100 水压 管片 管片 水膨胀后的吸水性树脂 吸水性尿烷的水膨胀机理 水分子 水压 管片 尿烷结合聚酯 水压 施工误差地震开缝

120 优质止水橡胶条

121 管片拼装系统

122 管片拼装系统 水平运输 吊运 就位 固定

123 管片的快速拼装技术之快速接头一 快速接头管片 凹槽 销头

124 管片的快速拼装技术之快速接头二 销槽 销头

125 管片的快速拼装技术之异形管片

126 衬砌的快速施工技术之 ECL ECL 工法

127 Section10 地下 ( 水底 ) 施工的三维可视化及自动化操作管理系统

128 数据结构图 智能模糊变形控制模块接口智能神经网络变形预测模块接口基管片环数据维护界面沉降数据维护界面施工监控与施工参数自动采集模块接口地表沉降 3D 动画显示模块接口盾构推进状态动态查询器 轴向单点 - 时间图 施工多媒体监控仿真技术

129 Section11 管片脱出盾尾后上浮 损坏引起管片外弧面开裂破碎 ; 螺栓抗拉屈服 ; 隧道竖曲线翘起 原因同步注浆硬化滞后, 浮力大于重力 对策合理选择同步注浆浆液控制盾构姿态底部释放, 顶部二次补浆

130 Section12 盾构穿越已建隧道施工 随着城市地下空间开发, 盾构隧道交叉穿越的工程越来越多, 以上海为例, 近年来已建及再建的盾构隧道相互穿越 10 余次 损害已建隧道变形开裂渗漏水 ; 两轨道高差影响运营 ; 长期不均匀沉降 原因土体施工扰动, 引起土体的加卸载, 次固结等 对策加强监测 ; 合理控制施工参数 ; 及时二次补

131 地铁二号线下穿一号线 地铁二号线一期工程人民公园站 河南中路站是区间隧道与地铁一号线人民广场站 新闸路站区间段在人民公园站附近交叉 地铁二号线人民公园站 河南中路站上下行线区间隧道盾构分别于 98 年 5 月和 7 月在地铁一号线运营隧道下方穿过, 一 二号线两条隧道相距为 1m 左右, 走向基本正交

132 R=15 路 R =20 R=1 0 R=20 R=20 R=40 R=10 地铁四号线下穿二号线 东方路站 ( 明珠二期 ) 东方路站 ( 二号线 ) 下行线 ( 二号线 ) 世纪大道 潍 福 穿越施工平面图 山 下行线 上行线 路 线路说明 y = 浦电路站

133 施工对策 慢慢的推, 分小段推 ; 慢慢的转, 均匀的转 ; 顶住正面, 调整压力 ; 封住盾尾, 合理注浆 2# 线运营隧道 盾构纠偏背部扰动控制盾尾竖向纠偏控制盾壳摩阻力控制切口竖向纠偏控制 拱顶补强注浆控制 总推力控制 正面土压力控制 盾尾同步注浆控制 基底反压注浆控制铰接控制切口水平纠偏控制盾尾水平纠偏控制推进速度控制

134 Section13 联络通道施工技术

135 武汉长江公路隧道及联络通道

136 上海市地铁 4 号线工程事故

137 作用避难 逃生 ; 汇集污水 难题主隧道失稳损坏 ; 开挖中坍方 ; 作业面小, 难以展开 工法比选 建设 主隧道与联络通道

138 联络通道的主要施工方法 井点降水法 明挖法 土体加固法 物理方法加固 冻结加固法注浆法 暗挖法 支撑分隔方法 化学方法加固插板法管棚法 深层搅拌法 高压旋喷法 竖井暗挖法 机械施工方法 顶管法盾构法

139 Section14 浅覆土施工

140 工程实例 ( 南京地铁南北线一期工程试验段过内秦淮河 ) 盾构穿越处内秦淮河河道宽 16.8m, 河底标高距隧道顶仅 0.97m, 不足隧道直径的 1/6,, 是典型的河底浅覆土隧道施工案例 7000 注浆加固区 左线 700 厚钢筋混凝土抗浮板 右线 1 内秦淮河 盾构左线 600 抗拔桩 抗拔桩 抗浮板 盾构右线 1

141 1. 浅覆土最小厚度的确定 4 p h > π D g 2 c K H 2 p w γ w D ' γ + γ K w 2 2. 技术难题 a. 易产生冒顶通透水流 ; b. 隧道上浮 ; c. 遇流沙易产生管涌 ; d. 盾构选型困难 3. 主要施工对策 a. 河底抛土, 加大隧道上覆土层厚度 b. 河底注浆加固 c. 加设抗浮板, 为盾构推进及阻止隧道上浮提供反力 p

142 设计篇

143 内容提要 Charpter1 构造设计及总则 Charpter2 荷载 Charpter3 圆环内力计算 Charpter4 断面设计 Charpter5 防水

144 Charpter1 构造设计及总则 净空限界要求, 含各类误差 线路设计要求 ( 平 纵坡, 埋深 ) 强度 刚度 耐久性 (100( 年 ) 防水 防腐蚀 电迷流 适合覆土的变化 内力调整 允许裂缝 ( 裂缝宽度 0.2mm 0.2mm) ) 抗浮安全系数 1.05 直径 ( 使用 ), 厚 (0.05( 0.05~0.06)D, 地铁 30~ 35cm 宽 1.0, ,1.5m 1.5m, 6 块 8 块 12 块

145 Charpter1 构造设计及总则 材料 : 铸铁 钢 钢筋砼 陶瓷 挤压钢纤维砼 复合式衬砌 ( 内衬 外注浆 ) 管片 : 箱形 块形 菱形 六变形 蜂巢形 连接螺栓 : 直 弯 销钉 凹凸榫槽 拼装排版设计 : 纵向通缝 错缝, 转弯半径 ( 平 竖曲线 ) 标准环 + 楔形纠偏块 ; 标准环 + 左转环 + 右转环 ;( 左 + 右 ) 环 + 左转环 + TBM 右转隧道技术

146 Charpter2 荷载 总则 : 取决于隧道处围岩介质的分类 : 地形 地质条件 埋深 工作条件 施工方法等 ; 围岩 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 类较为坚硬土体 岩体, 主要采用工程类比法 经验的解析公式方法 地层结构法为主 ; 围岩 Ⅴ Ⅵ 类 ( 硬粘土 粉土 饱和粘土 ) 浅埋, 荷载结构法

147 永久荷载 : ⑴ 自重 ; ⑵ 地层压力 ; ⑶ 上覆土层破坏棱体范围内建筑物及其它设施 ; ⑷ 砼的收缩及徐变 ; ⑸ 预加应力 ; ⑹ 设备重 ; ⑺ 地基下沉的影响力 ; ⑻ 静水压力 ; ⑼ 侧向地层和抗力, 地基反力 荷载计算简图 可变荷载 : ⑽ 地面车辆荷载及冲击力 ; ⑾ 地面车辆荷载引起的侧向土压力 ; ⑿ 地铁车辆轴重 及冲击力 ; ⒀ 人群及设施荷载 ; ⒁ 温度应力 ; ⒂ 施工荷载 偶然荷载 : ⒃ 地震荷载 ; ⒄ 洪水 ; ⒅ 爆炸冲击荷载 TBM 隧道技术

148 地层压力 (1) 深埋隧道围岩压力为松散荷载时的垂直均布压力 (JTGD70 JTGD ) q = γ h h = s 1 q- - 垂直均布压力 ; γ- 围岩重度 ; s- - 围岩级别 ; w- - 围岩宽度影响系数, w=1+i i (B 5); B- B - 隧道宽度 ; i-b 每增加 1m 对围岩压力的增减率 ;B=5m 的围岩垂直均布压力为准,B 小于 5m 时,i= ;B 大于 5m 时,i= ; h- - 隧道洞室土体土柱高 ; 德国取 2D,, 法国取 1D w

149 (2)) 深浅埋分界深 荷载等效高度判定 H =(2-2.5 p 2.5)h q Hp- - 深浅埋隧道分界深度 (m); h q - 荷载等效高度 (m); h q =q q / γ q- 按上述公式 (JTGD70 JTGD ) 算出的深埋隧道均布压力 (kn/m 2 ) γ- 围岩重度 ; 用矿山法施工,Ⅳ Ⅴ Ⅵ 类围岩取 Hp= 2.5h q, Ⅰ Ⅱ Ⅲ 类取 Hp= 2h q, 对于暗挖盾构法对土体扰动小于矿山法对于 Ⅳ Ⅴ Ⅵ 类围岩取 Hp= 2h q

150 (3) 荷载等效高度计算法 规范法 普氏 (M.M. Протдъяконов) 拱及泰沙基 (K.Terzaghi K.Terzaghi) 法 及泰沙基 h q =b b / f kp b- - 坍落拱跨度一半 (m) f kp kp - 普氏系数 ( 岩体的坚固系数 ) 普氏理论压力计算模式 泰沙基理论压力计算模式

151 (4)) 浅 深埋隧道上荷载近似计算 浅埋 H < h q q = γh 中埋 h q < H < 2.5h q 假定 β 角的斜线破裂面, 库仑土压力计算法深埋 H > 2.5h q q = γh q

152 施工荷载 1 千斤顶顶推力 2 纠偏偏心压力 3 螺栓紧固预加力 4 注浆引起的附加压力 5 管片脱出盾尾的上浮力

153 Charpter3 圆环内力计算 模型方法甚多, 可归纳为三类 : 弹性匀质自由变形圆环 接头刚度与自身刚度无变化, 地层作用荷载抗力,( 无限制变形的连杆 ), 结构力学方法 适合错缝拼装 修正惯用法 弹性自由变形圆环的基础上对接头刚度进行修正 弹性变刚度自由变形 ( 或约束变形 ) 多铰圆环 ; 接头不同刚度铰, 管片为钢架梁, 局部 ( 或全部 ) 圆环设支座连杆限制变形 ; 通缝拼装更合适 有限元数值分析 衬砌管片和土层划分成不同单元

154 Charpter4 断面设计 大偏心变压钢筋砼构件, 计算环向受力主钢筋, 轴心受拉构件, 选择受拉螺栓

155 Charpter5 防水 砼 C55,S8 自防水 ; 接缝处设两道或一道遇水膨胀橡胶 ( 三元乙丙 ) 条 ; 螺栓孔口设橡胶防水垫片, 德国 Epon 弹性密封垫, 保证 接缝张开 6mm 错位 20mm, 抗 2Mpa 水头压力, 保证接缝 张开 10mm 错位 20mm,0.9Mpa 0.9Mpa 水头压力, 使用 150 年, 残余应力 65% ; 外弧面涂刷防水涂料 ; 嵌缝封手孔

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