馬蹄形盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工及管片預(yù)制

1、馬蹄形盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工及管片預(yù)制主講人：申志軍（教高） 蒙西華中鐵路股份有限公司2016年12月內(nèi)容提綱一、問題的提出二、馬蹄形盾構(gòu)比選三、盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)與預(yù)制四、隧道施工五、關(guān)鍵技術(shù)和需研究的問題預(yù)留核心土法三臺階開挖法 一、問題的提出1.土質(zhì)山嶺隧道施工方法 一、問題的提出1.土質(zhì)山嶺隧道施工方法-超前加固 一、問題的提出1.土質(zhì)山嶺隧道施工方法-施工機(jī)械2、存在的風(fēng)險(xiǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)大施工質(zhì)量差施工進(jìn)度慢作業(yè)環(huán)境差機(jī)械化程度低隧道塌方軟巖大變形拱頂開裂大量施工粉塵洞壁開裂 一、問題的提出 一、問題的提出3、盾構(gòu)工法-分類 一、問題的提出3、盾構(gòu)工法-單圓盾構(gòu) 一、問題的提出雙圓盾構(gòu)三圓盾構(gòu)3、盾

2、構(gòu)工法-多圓盾構(gòu) 一、問題的提出3、盾構(gòu)工法-非圓盾構(gòu)相比于單圓盾構(gòu)隧道，異形盾構(gòu)隧道（多圓盾構(gòu)隧道和非圓盾構(gòu)隧道）具有斷面利用率高、工程造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。矩形盾構(gòu)馬蹄形盾構(gòu)橢圓形盾構(gòu) 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選1、依托工程-白城隧道 白城隧道位于陜西省靖邊縣內(nèi)，隧道全長3345m，為時(shí)速120km單洞雙線電氣化重載煤運(yùn)鐵路隧道，隧道最大埋深為81m。1、依托工程-白城隧道 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選白城隧道主要穿越地層以粉砂、細(xì)砂、砂質(zhì)新黃土為主，細(xì)顆粒含量足夠，天然含水量較低，弱透水。2、工程特點(diǎn) 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選（1）隧道進(jìn)出口淺埋段較長，淺埋段為松散的粉細(xì)沙地層，不能自穩(wěn)，容易發(fā)生流砂及坍塌

3、。（2）隧道穿越的第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)新黃土具濕陷性，隧道洞身部分地段位濕陷深度以內(nèi)，需進(jìn)行基底處理。 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選（3）白城隧道下穿包茂高速、天然氣管及供水管段，沉降控制要求高，盾構(gòu)穿越施工風(fēng)險(xiǎn)存在。 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選對比指標(biāo)礦山法盾構(gòu)法對比結(jié)果安全1、隧道進(jìn)出口淺埋段為松散的粉細(xì)沙地層，不能自穩(wěn)，容易發(fā)生流砂及坍塌。2、洞身砂質(zhì)新黃土，地層松散，掌子面不易穩(wěn)定，易坍塌。3.下穿包茂高速、天然氣管及供水管段地表沉降不易控制，易導(dǎo)致地表開裂，氣管水管開裂等不利影響。且地方交通廳對于穿越包茂高速要求地表設(shè)置橋梁跨越。盾構(gòu)施工具有保壓系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)，不會出現(xiàn)無支護(hù)狀態(tài)，下穿高速公路、

4、天然氣管及供水管可能造成管線及路面變形，出現(xiàn)管線或路面破裂概率很小。盾構(gòu)法更安全質(zhì)量1、隧道施工中可能產(chǎn)生超欠挖，二襯混凝土振搗不密實(shí)、拱頂填充不密實(shí)等質(zhì)量通病。2、防水板鋪設(shè)不規(guī)范及施工縫處理不到位，易造成隧道滲漏。1、盾構(gòu)施工采用專業(yè)的裝備和專業(yè)化隊(duì)伍，盾構(gòu)管片采用工廠預(yù)制法生產(chǎn)，作業(yè)更規(guī)范、監(jiān)管更容易，但管片拼裝過程可能局部出現(xiàn)錯(cuò)臺和破損現(xiàn)象。2、管片接縫采用成熟的防水橡膠，根據(jù)地鐵隧道對比管片砌塊式襯砌防滲效果明顯優(yōu)于復(fù)合襯砌。盾構(gòu)法質(zhì)量更高環(huán)保需要進(jìn)行土方開挖及噴射混凝土作業(yè)，內(nèi)燃機(jī)械洞內(nèi)作業(yè)，粉塵、廢氣大，施工環(huán)境差。采用電動機(jī)械密閉施工，基本無粉塵、廢氣產(chǎn)生。盾構(gòu)法環(huán)保更好工期能

5、滿足工期要求。能滿足工期要求。均等投資掌子面施工穩(wěn)定時(shí)，投資較低。投資較高，采用成本利潤法，總投資較礦山法約高出15%。盾構(gòu)法投資稍高 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選3、施工工法對比4、盾構(gòu)選型白城隧道主要穿越地層以粉砂、細(xì)砂、砂質(zhì)新黃土為主，細(xì)顆粒含量足夠，天然含水量較低，弱透水。隧道黃土地基承載力為180kPa，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)重量與盾體投影面積比值（40kPa）小于該數(shù)值，能夠保證主機(jī)掘進(jìn)過程中不會下沉。采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，易于獲得流塑性良好的渣土，建立土倉的平衡壓力，掘進(jìn)時(shí)能夠有效控制地表沉降。并且黃土地層土壓平衡盾構(gòu)施工已經(jīng)有成功經(jīng)驗(yàn)，投資要低于泥水平衡盾構(gòu)。綜上所述，本隧道工程應(yīng)采用土壓平

6、衡盾構(gòu)。 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選項(xiàng)目軌面以上有效凈空面積軌面以下有效凈空面積全部凈空面積無砟馬蹄形盾構(gòu)66.115.181.2圓形盾構(gòu)6919.388.3 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選采用馬蹄形斷面較圓形斷面內(nèi)輪廓可減少約7.1m，減少部位為圓形斷面仰拱底部混凝土仰拱填充，馬蹄形斷面可顯著減少傳統(tǒng)盾構(gòu)的仰拱底部混凝土圬工方，節(jié)省工程投資，推薦采用馬蹄形盾構(gòu)斷面形式。4、盾構(gòu)選型 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選4、盾構(gòu)選型世界首臺馬蹄形盾構(gòu)工廠組裝整機(jī)圖2016年7月17日， 馬蹄形盾構(gòu)在中鐵裝備國家TBM產(chǎn)業(yè)化基地成功下線。 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選盾構(gòu)外輪廓高10950mm、寬11900mm；最大推進(jìn)速度6

7、0mm/min；最大推力13948t；采用液壓驅(qū)動；開挖面設(shè)置刀盤9個(gè)；單個(gè)刀盤最大驅(qū)動扭矩3044kn/m；裝機(jī)總功率3726kw。 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選5、馬蹄形盾構(gòu)基本設(shè)計(jì)參數(shù)整機(jī)長度118m，整機(jī)重量1600t。采用雙螺旋輸送機(jī)出土，連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)渣，仰拱棧橋同步進(jìn)行仰供填充。馬蹄形盾構(gòu)體現(xiàn)的不僅僅是斷面、外觀上的變化，更反映工法、技術(shù)上的革新，它能夠最大程度增加空間利用率。開啟了黃土隧道開挖新模式。 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選6、馬蹄形盾構(gòu)設(shè)計(jì)概況世界首臺馬蹄形盾構(gòu)現(xiàn)場組裝圖 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選世界首臺馬蹄形盾構(gòu)現(xiàn)場組裝圖 二、馬蹄形盾構(gòu)方案比選世界首臺馬蹄形盾構(gòu)組裝完成內(nèi)部圖 二、

8、馬蹄形盾構(gòu)方案比選 三、隧道盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)與預(yù)制1.管片設(shè)計(jì)情況 白城隧道斷面為3種半徑4個(gè)圓形，管片設(shè)計(jì)為馬蹄形斷面，設(shè)計(jì)寬度1600mm，厚度500mm，整環(huán)管片分為7片+1片=8片，成環(huán)尺寸高度10590mm、寬度11540mm，管片設(shè)置奇偶環(huán)，無楔形量，采取錯(cuò)縫拼裝，單片管片最重10t，管片混凝土等級C50，抗?jié)B等級P10。1.管片設(shè)計(jì)情況 管片連接采用螺栓連接，環(huán)向44顆RD30螺栓，縱向16顆RD36螺栓，機(jī)械性能等級8.8級。 根據(jù)隧道埋深管片分為淺埋、中埋、深埋管片。 管片生產(chǎn)共使用模具4套，8環(huán)/天產(chǎn)量。管片采取固定生產(chǎn)方式，養(yǎng)護(hù)模式采取蒸汽養(yǎng)護(hù)及水池養(yǎng)護(hù)。白城隧道共計(jì)需要19

9、02環(huán)。 三、隧道盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)與預(yù)制1.管片設(shè)計(jì)情況斷面位置最大彎矩（kNm）最大彎矩處軸力（kN）配筋（每環(huán)）裂縫（mm）超淺埋管片內(nèi)側(cè)594.01998.4822+420+2180.16管片外側(cè)673.52617.614200.185淺埋管片內(nèi)側(cè)647.22816.0822+6200.13管片外側(cè)842.53504.0825+6220.182中埋管片內(nèi)側(cè)922.94094.4828+425+2220.164管片外側(cè)1133.05092.814280.189深埋管片內(nèi)側(cè)622.82628.8822+220+4180.147管片外側(cè)803.33289.6625+8220.190 三、隧道盾構(gòu)管

10、片設(shè)計(jì)與預(yù)制2.管片預(yù)制5月8日開始預(yù)制，受天氣及場地條件限制管片預(yù)制于11月13日停止本年生產(chǎn)，截至目前已經(jīng)生產(chǎn)管片966環(huán)，管片剩余936環(huán)?，F(xiàn)場貯備量滿足明年管片預(yù)制復(fù)工前掘進(jìn)使用量。 三、隧道盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)與預(yù)制 管片鋼筋籠制作 三、隧道盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)與預(yù)制 管片混凝土澆筑 三、隧道盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)與預(yù)制 管片水池養(yǎng)護(hù) 三、隧道盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)與預(yù)制 四、隧道施工1.盾構(gòu)掘進(jìn) 白城隧道馬蹄形盾構(gòu)于2016年7月17日在國家TBM產(chǎn)業(yè)化中心下線，2016年10月20日首環(huán)負(fù)環(huán)拼裝，2016年11月11日舉行始發(fā)儀式，目前已經(jīng)掘進(jìn)51環(huán)，合計(jì)81.6m。 本項(xiàng)目前100環(huán)定為始發(fā)段，始發(fā)段主要是設(shè)備、

11、人員磨合、掘進(jìn)參數(shù)及工序組織優(yōu)化階段，目前已經(jīng)初步掌握地層特點(diǎn)及適合地層的掘進(jìn)參數(shù)，單日最高進(jìn)度4環(huán)（6.4m），后期進(jìn)度基本能保證日均6環(huán)（9.6m）。馬蹄形盾構(gòu)首環(huán)成功拼裝 四、隧道施工掘進(jìn)參數(shù)控制 四、隧道施工馬蹄形盾構(gòu)掘進(jìn)出土情況 四、隧道施工隧道內(nèi)碴土運(yùn)輸連續(xù)皮帶機(jī) 四、隧道施工洞外碴土運(yùn)輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)棄土場連續(xù)皮帶機(jī) 四、隧道施工管片拼裝完成后成型隧道 四、隧道施工2.進(jìn)度計(jì)劃（1）2016年11月1日30日 ，月掘進(jìn)64米；（2）2016年12月2017年1月，月掘進(jìn)240米；（3）2017年2月2017年9月，月掘進(jìn)300米；（4）2017年10月，月掘進(jìn)160米；（5）2017年11月，接收準(zhǔn)備、隧道貫通。在盾構(gòu)掘進(jìn)期間可進(jìn)行仰拱可填充、電纜溝槽施工、部分附屬工程施工，沉降觀測期內(nèi)施工完成出口明洞。 四、隧道施工 五、 關(guān)鍵技術(shù)與研究的問題1、關(guān)鍵技術(shù)大斷面馬蹄形盾構(gòu)多刀盤聯(lián)合分步開挖技術(shù)多馬達(dá)平衡負(fù)載協(xié)同驅(qū)動技術(shù)大斷面馬蹄形盾構(gòu)管片拼裝技術(shù)黃土地層大斷面馬蹄形盾構(gòu)復(fù)合式渣土改良技術(shù)大斷面馬蹄形盾構(gòu)管片分塊與接頭設(shè)計(jì)技術(shù)大