國內(nèi)異形盾構機分析課件

1、國內(nèi)異形盾構機分析國內(nèi)異形盾構機分析目錄目錄 異形盾構機異形盾構機鄭州中州大道矩形頂管技術2矩形隧道應用設想4矩形盾構技術3 33 1矩形隧道技術背景3 1矩形隧道技術背景3 1矩形隧道技術背景 1818年，英國的布魯諾從蛀蟲鉆孔得到啟示，提出盾構掘進隧道設想。 18251843年，布魯諾在倫敦泰吾士河下用盾構法修建 4 5 8 m 長 的 矩 形 隧 道 （11.4m6.8m）。用于泰晤士河底隧道的Sir Marc Isambard Brunel盾構3 1矩形隧道技術背景 目前盾構法隧道設計大多為圓形，但圓形盾構隧道存在斷面空間利用率低的弱點。在擁有相等有效空間的情況下，矩形斷面能節(jié)約35%

2、以上的地下空間，且可以大大減小隧道的埋深。矩形隧道和圓形隧道有效空間及覆土要求對比圖比圓形斷面節(jié)約了45的地下空間比雙圓隧道節(jié)約了35的地下空間 3 1矩形隧道技術背景l(fā)1995年率先研制了2.5m2.5m可變網(wǎng)格式矩形頂管機。l1999年研制了3.8m3.8m組合大刀盤土壓平衡式矩形頂管機，完成9條隧道，總長322米。l2004年研制了6m4m偏心多軸雙刀盤土壓平衡式矩形頂管機，完成20條隧道，總長759.1米。l2004年研制了20m6.2m矩形盾構掘進機，隧道襯砌采用現(xiàn)澆砼結構，2006年完成328m地下通道。l2006年完成了6m4m矩形拼裝管片結構的設計與整環(huán)試驗，管片鋼模與雙列式管

3、片拼裝機的設計。v國內(nèi)矩形隧道發(fā)展情況 國內(nèi)矩形隧道的發(fā)展主要是矩形頂管，20余年來先后有寧波、上海、南京、武漢、鄭州等多個城市成功應用。3 1矩形隧道技術背景l(fā)2008年研制了4.2m6.9m當時國內(nèi)最大的多刀盤矩形頂管機，完成近30條隧道工程，總里程超過1500m。l2012年研制了4.2m6.9m大刀盤+偏心多軸組合式矩形頂管機，完成7條通道，共119m。l2012年研制了4.2m6.9m大刀盤+行星輪組合式矩形頂管機，完成2條通道，共112m。l2013年研制7.5m10.4m大刀盤+偏心多軸組合式矩形頂管機，正施工鄭州下穿中州大道行車通道工程，目前已同通車。v國內(nèi)矩形隧道發(fā)展情況3

4、1矩形隧道技術背景隧道內(nèi)徑3m3m（3.8m3.8m）3m5m（4m6m）3.3m6m(4.2m6.9m)工程案例軌交4號線塘橋站通道寧波開明街藥行街軌交10號線伊犁路3#口設備起始年份 1999年 2003年2010年v國內(nèi)矩形隧道發(fā)展情況3 1矩形隧道技術背景隧道內(nèi)徑3.3m6m（4.2m6.9m行星號）6.1m9m（7.5m10.4m）工程案例鄭州軌交1號線民航路站通道鄭州下穿中州大道隧道設備起始年份2013年2013年v國內(nèi)矩形隧道發(fā)展情況3 1矩形隧道技術背景v日本矩形隧道發(fā)展情況4.29m3.09m矩形盾構2.67m3.17m矩形盾構8m3m的矩形盾構1.06m1.06m矩形掘進機

5、2.85m6.245mMMB工法矩形盾構4.38m3.09mDPLE矩形盾構v不同刀盤截面的矩形頂管機的運行模式不同刀盤截面的矩形頂管機的運行模式 4.2m6.9m 大刀盤+行星輪驅動組合式矩形頂管機，是同時驅動1個大刀盤和4個行星輪刀盤同步運轉，對矩形全斷面進行切削。 7.510.4m 大刀盤+偏心多軸刀盤式土壓平衡矩形隧道掘進機，是同時驅動1 個大刀盤和四個偏心多軸刀盤作同步運轉，對矩形全斷面進行切削。3 1矩形隧道技術背景矩形盾構工作原理： 采用土壓平衡模式施工時，碴土通過刀盤開口進入土艙，土艙里充滿了碴土、天然水和高濃度泥漿或泡沫等添加劑的混合物，該混合物具有良好的塑流性。在開挖過程中

6、，通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機的轉速以平衡進土（碴土+水+高濃度泥漿）與排土量，使土艙內(nèi)的土體（混合物）保持在設定的土壓力值上。土艙里的土壓值在開挖過程中始終受到控制并保持。在開挖過程中，螺旋輸送機的轉速隨著土壓力傳感器的指示會作相應的調(diào)整。應用：目前主要應用于地鐵過渡段、地鐵車站。刀盤系統(tǒng)驅動系統(tǒng)鉸接系統(tǒng)推進系統(tǒng)拼裝系統(tǒng)螺旋機出土系統(tǒng)v矩形盾構工作原理及應用3 1矩形隧道技術背景v矩形頂管工作原理及應用吊車集土坑土方外運矩形頂管工作原理：以土壓平衡為工作原理，通過刀盤對正面土體進行切削，螺旋機轉速及頂進速度控制出土量，使土倉內(nèi)土壓力值與正面土壓力平衡，從而達到開挖切削面的土體穩(wěn)定。預制管節(jié)作為頂進傳力

7、和開挖空間支護構成通道。管節(jié)與地層之間用潤滑劑進行減摩，減小掘進阻力。應用：主要應用于城市下立交道路、大斷面公路隧道主線及其匝道（凈空5m9m左右）、過街人行通道和地下管線共同溝（凈空3m5m左右）、小區(qū)地下車庫通道、地鐵存車線、折返線、大跨度地下通道等項目。3 1矩形隧道技術背景v矩形盾構與矩形頂管的適應性矩形盾構和矩形頂管在軟土地基中施工隧道基本適用，如有特殊地質和工況條件也可做針對性的機械設計。矩形盾構相對于矩形頂管應用范圍更廣、適應性更強，周邊環(huán)境影響更小，而矩形頂管更適用于短距離、淺覆土、單坡直線段或直線段施工。 各種規(guī)格矩形頂管綜合單價匯總序號矩形頂管機外徑尺寸管片內(nèi)徑每延米報價（

8、萬元）14m4.8m3.2m4m1124m6m3m5m1334.2m6.9m3.3m6m1444.3m7.5m3.3m6.5m1559.5m4.88m8.44m3.78m2469.9m8.7m8.85m7.65m38710.4m7.5m9m6.1m37 注：本報價包含頂管機頭及附屬設備進出場、管節(jié)制作運輸、頂管頂進、管節(jié)件嵌縫、頂進施工監(jiān)測、土方外運、100米內(nèi)接水接電等費用。不包含始發(fā)井及接收井的施工、頂管進出洞及后靠的加固、施工期間道路和地下、地上公用管線的遷改及第三方監(jiān)測。 矩形盾構綜合單價匯總序號矩形盾構機外徑尺寸管片外徑每延米報價（萬元）111.83m7.27m11.5m6.937m

9、1822鄭州中州大道矩形頂管技術22.1 工程概況鄭州中州大道矩形頂管技術2商務西三街 始發(fā)井 緯四路接收井中州大道中州大道商鼎路接收井 沈莊北路 始發(fā)井 中州大道是鄭州市中心城區(qū)快速路系統(tǒng)的縱軸線，交通流量大，十字路口造成了擁堵問題。為此，鄭州市決定建設下穿中州大道隧道工程。 工程為兩條內(nèi)徑6.1m9m的雙車道和兩條內(nèi)徑3.3m6m的人非通道。鄭州中州大道矩形頂管技術22.1 工程概況v 商務西三街緯四路矩形頂管段長110m。v覆土深度5.1m5.4m。v單坡向下掘進，坡度0.3%。v主要穿越土層為層粉土、層粉土及層粉質粘土。v 地下水位埋深約為3.6-8.5m。110m商務西三街緯四路商務

10、始發(fā)井緯四接收井坡度0.3%鄭州中州大道矩形頂管技術22.1 工程概況v 沈莊北路商鼎路矩形頂管段長212m。v覆土深度5.1m9.33m。v單坡向下掘進，坡度1.87%。v主要穿越土層為層粉土、層粉土、層粉土、層粉質粘土及-1層粉質粘土。v 地下水位埋深約為5.3-6.5m。212m商鼎路商鼎路沈莊北路沈莊北路沈莊始發(fā)井 商鼎接收井 坡度坡度-1.87 -1-1鄭州中州大道矩形頂管技術22.1 工程概況間距2m間距1m間距2m間距3.5m間距2.5m施工圍擋11m綠化帶機動車道綠化帶非機動車道商務始發(fā)井緯四接收井軍纜圍擋名稱距頂管垂直凈距（m）距始發(fā)井水平凈距（m）軍纜22雨水DN10001

11、18雨水500247天然氣3.595施工圍擋93m雨水1000雨水500天然氣200圍擋v 商務西三街緯四路矩形頂管段鄭州中州大道矩形頂管技術22.1 工程概況v 商務西三街緯四路矩形頂管段間距3.1m間距4.2m間距2.6m間距0.8m間距1.2m間距1.6m間距5.8m間距6.1m間距1.68m沈莊始發(fā)井商鼎接收井施工圍擋30m施工圍擋188m沈莊始發(fā)井商鼎接收井機動車道綠化帶綠化帶名稱距頂管垂直凈距（m）距始發(fā)井水平凈距（m）地道1.68170雨水DN5006.1135給水4005.8120雨水DN6004.284雨水DN8001.622雨水DN10001.22污水DN5000.82天然

12、氣DN4262.61天然氣DN2003.11鄭州中州大道矩形頂管技術2型號尺寸（長高寬）米重量（噸）混凝土強度抗?jié)B等級數(shù)量（節(jié)）大管節(jié)1.57.510.473C50P10432小管節(jié)1.54.26.942C50P10432小管節(jié)0.7m0.45m0.6m大管節(jié)2.1 工程概況v 矩形管節(jié)管節(jié)示意圖 鄭州中州大道矩形頂管技術22.2 工程地質水文層號土層名稱含水量W（%）質量密度(g/cm3)孔隙比e0液限WL（%）塑性指數(shù)Ip 液性指數(shù)IlCq（KPa）q（度）（2）粉土22.21.940.66823.70.587.212.527.4（3）粉土22.62.010.65425.00.747.91

13、427.6（4）粉土25.41.990.70429.90.6111.624.320.5（5）粉質粘土23.92.00.66524.50.97.514.428.3 層號巖性土層描述（2）粉土褐黃、黃褐色，稍濕，松散-稍密，土質較均勻,見少量的黑色氧化物,夾有少量的小鈣質結核，局部砂感較強，干強度低，搖振反應中等，無光澤反應，韌性低。（3）粉土褐黃、灰黃色，稍濕-濕,稍密-中密，含有鐵錳質氧化物、少量云母碎片、蝸殼碎片，偶見鈣質結核，局部夾有粉質黏土薄層，局部有腥臭味，干強度低，搖振反應迅速，無光澤反應，韌性低。（4）粉土灰黃、褐灰色，中密，局部稍密，含有鐵錳質氧化物，土質不均勻，含有粉黏條帶，局

14、部砂感較強，見有少量的黑色氧化物,具有腥臭味，局部夾薄層粉質黏土，干強度低，搖振反應中等，無光澤反應，韌性低。（5）粉質粘土灰黑、褐灰色，軟塑-可塑，土質較均勻,含有黑色鐵錳質氧化物，夾有少量的有機質、蝸殼碎片，偶見鈣核，稍具臭味，局部夾薄層粉土，刀切面稍有光澤，韌性低，干強度低。經(jīng)過現(xiàn)場實測，地下水位穩(wěn)定在7m左右。2.3 技術難點l集成化設計l系統(tǒng)控制l異形斷面問題l土體流動性問題l鋼模設計l大尺寸、大重量管節(jié)翻身吊運l頂力配備l減摩問題l背土問題l泥漿流失問題l泥漿置換問題v頂管機：集控一體化設計；v頂管施工：改良、減摩、密封一體化控制。鄭州中州大道矩形頂管技術2工程采用兩種尺寸矩形頂管

15、機，均為土壓平衡式的全斷面切削設備。序號內(nèi)容10.4mX7.5m矩形頂管機參數(shù)6.9mX4.2m矩形頂管機參數(shù)1適應土層粘土、砂土、粉質粘土粘土、砂土、粉質粘土2頂進機及外形7530mm10430mm6732mm4228mm6928mm4650mm3刀盤形式1個大刀盤+4個偏心刀盤；全斷面切削1個大刀盤+4個型星刀盤；全斷面切削4總推力額定：60000KN；最大：65000KN額定：30000KN；最大：32000KN5大刀盤扭矩額定：5620KNm；最大：6743KNm額定：1600KNm；最大：2000KNm6小刀盤扭矩330KNm4180KNm47螺旋機出土量260立方米/小時242立方

16、米/小時28頂進速度04cm/min05cm/min2.4 頂管機鄭州中州大道矩形頂管技術2v 7.5mX10.4m矩形頂管機l圓刀盤加偏心刀盤組合的超大斷面土壓平衡矩形頂管機。2.4 頂管機鄭州中州大道矩形頂管技術2頂管機示意圖 v 4.2mX6.9m矩形頂管機l行星式驅動小刀盤：自轉+公轉2.4 頂管機鄭州中州大道矩形頂管技術2行星式驅動刀盤 4.2mX6.9m矩形頂管機2.5 土體切削鄭州中州大道矩形頂管技術2v 頂管設備 刀盤：全斷面切削。大刀盤扭矩：5620kNm轉速：00.63rpm偏心多軸小刀盤扭矩：330kNm轉速：02.2rpm2.5 土體切削鄭州中州大道矩形頂管技術2v頂管

17、設備 土體改良系統(tǒng)：多層次、多模式、多種類。l注入點：大刀盤、胸板；l注入設備：泡沫泵、泥漿泵、水泵l控制方式：循環(huán)注漿 改良區(qū)域示意圖 大刀盤改良部位2.5 土體切削鄭州中州大道矩形頂管技術2l水：顯著提高土體塑流性；l膨潤土泥漿：提高塑流性、提高防滲性；l泡沫劑：提高塑流性、均勻性、降低內(nèi)摩擦角。 項目摻量（體積比）初始流動度4h后流動度水5%12cm12cm膨潤土泥漿5%11cm11cm泡沫劑40%13cm12cm加水效果 加膨潤土泥漿效果 加泡沫效果v改良技術 原狀土 2.5 土體切削鄭州中州大道矩形頂管技術2l采用刀盤、土倉多部位組合式土體改良技術。加水坍落度檢測為2cm改良劑坍落度

18、檢測為4cmv改良技術 2.6 頂進技術鄭州中州大道矩形頂管技術2l每根油缸頂力為240t；l油缸26根；l總頂進力為6240t。v 頂管設備-主頂系統(tǒng)主頂系統(tǒng)照片主頂系統(tǒng)設計2.6 頂進技術鄭州中州大道矩形頂管技術2 殼體設計為錐形，切削最大斷面7.55m10.45m，單邊超挖量達2.5cm。主機長度為6.73m，鉸接位置至刀盤約為5m。v 頂管設備-殼體主機示意圖v 頂管設備-減摩泥漿注入系統(tǒng)l前殼體：15點（集控）l后殼體：8點（集控）l5節(jié)管節(jié)：50點（集控）l泥漿泵個數(shù)：2臺l控制方式：循環(huán)注漿2.6 頂進技術鄭州中州大道矩形頂管技術2施工現(xiàn)場照片管控界面v 防背土措施l措施u全斷面

19、切削u錐形殼體u新型減摩泥漿技術2.7 沉降控制技術鄭州中州大道矩形頂管技術2l背土原因u切口擠壓土體u土體沉降與殼體粘結u注漿漿液在背土固化新型泥漿 錐形殼體 全斷面切削 結構壓注孔鋼板刷鋼絲刷襪套 動態(tài)油脂壓注，起到洞圈保壓功能。v 新型洞圈止水裝置2.7 沉降控制技術鄭州中州大道矩形頂管技術2新型洞圈止水裝置示意圖及照片 2.8 隧道質量鄭州中州大道矩形頂管技術2v 隧道軸線：貫通軸線偏差控制在40-60mm以內(nèi)。mm隧道軸線偏差曲線圖 鄭州中州大道矩形頂管技術2頂管吊裝照片 貫通隧道照片 管節(jié)生產(chǎn)照片 隧道頂進照片 類矩形盾構技術3 3類矩形盾構技術3 33.1 類矩形盾構機v拼裝機

20、可沿矩形環(huán)狀帶行走的拼裝機，適應矩形特殊管片形式。矩形盾構拼裝機設計總示意圖 矩形盾構拼裝機局部示意圖 類矩形盾構技術3 33.1 類矩形管片v類矩形頂管結合拼裝機，形成類矩形盾構。螺旋機大刀盤驅動偏心刀盤驅動偏心刀盤大刀盤盾尾拼裝機軌道拼裝機后殼體鉸接前殼體矩形盾構設計總示意圖 類矩形盾構技術3 33.2 類矩形管片v高性能鋼筋混凝土管片設計受力分析與圓隧道的結構受力相比沒有明顯的拱效應大斷面矩形隧道跨度大、覆土淺呈現(xiàn)彎矩大、軸力小的受力特點矩形隧道結構通常厚度大、配筋量高管片結構設計分縫位置接頭形式拼裝方法通用性形成一套技術成果轉角處應力集中高性能砼類矩形盾構技術3 33.2 類矩形管片v

21、管片結構試驗l 管片接頭試驗l 管片整環(huán)試驗類矩形盾構技術3 33.3 類矩形隧道示范工程寧波3號線線路圖類矩形盾構段示范工程 類矩形盾構法隧道工程在寧波市軌道交通3號線一期出入段線實施。 示范工程范圍為3號線一期工程出入段線矩形盾構段、盾構段與高塘站接口、盾構接收井與明挖段接口設計。 寧波3號線南起鄞州陳婆渡，北至鎮(zhèn)海駱駝街道，線路全長約25.83km，陳婆渡站南側設接車輛段的出入段線。類矩形盾構技術3 33.3 類矩形隧道示范工程l 示范工程：高塘站部分車站、矩形盾構段、盾構接收井、U型槽段。l 陳婆渡站：地下兩層島式車站，車站寬度19.226.476m，長78.5m。l 矩形盾構段：長3

22、90.2m，頂埋深3.4m10.46m，最大縱坡35，最小平面半徑400m。l 盾構接收井：長17m，寬15m，采用明挖法施工。l U型槽段：長約367m，采用明挖法施工。陳婆渡部分車站（陳婆渡部分車站（78.5m78.5m）盾構接收井（盾構接收井（17m17m）矩形盾構段（矩形盾構段（390.2390.2m m）U U型槽段（型槽段（367m367m）R R400400m m類矩形盾構技術3 33.3 類矩形隧道示范工程l 矩形盾構段： 3層淤泥、1層黏土、2a層淤泥、2b層淤泥質粉質黏土、3層淤泥質粉質黏土、2層粉質黏土、1層淤泥質粉質黏土。l 盾構接收井及U型槽段：1層雜填土、2層黏土、

23、3層淤泥、1層黏土、2a層淤泥、2b層淤泥質粉質黏土、3層淤泥質粉質黏土、2層粉質黏土。l 地下水可分為三類：1）地表水：外塘河，河寬15m30m；2）孔隙潛水；3）承壓水：第I-1層孔隙承壓水賦存于5a層粉砂或6層礫砂；第I-2層孔隙承壓水賦存于層砂土。1層淤泥質粉質黏土2層黏土2層粉質黏土3層淤泥粉質黏土2b淤泥質黏土2a淤泥3淤泥2黏土類矩形盾構隧道位置類矩形盾構技術3 33.3 類矩形隧道示范工程高陽路農(nóng)田外塘河鄞州榮盛紙木包裝廠高塘橋粉末冶金廠正宇電機廠鄞州立佳塑料五金廠寧姜公路陳婆渡站場區(qū)農(nóng)田U型槽段場區(qū)農(nóng)田高陽路寧姜公路寧姜公路外塘河外塘河高陽路陳婆渡站盾構推進方向盾構井N NU

24、型槽段待拆遷廠房圖例：工程內(nèi)車站段矩形盾構段U型槽段盾構井周邊房屋工程外車站段待拆遷類矩形盾構技術3 33.3 類矩形隧道示范工程p 襯砌管片設計與實驗l 砼管片厚度為450mm，外包尺寸為115006937mm ；l 襯砌環(huán)全環(huán)共分為11塊，外形為4段圓弧相切形成的類矩形；l 環(huán)間采用錯縫拼裝，通過采用A、B型襯砌環(huán)交錯拼裝形成錯縫。類矩形盾構技術3 33.3 類矩形隧道示范工程p 襯砌管片設計與實驗l 不同于圓形管片，類矩形管片無法采用中心對拉加載方式進行整環(huán)試驗，為此加工了專用試驗臺，完成3組整環(huán)實驗。12mX8m異形管片整環(huán)試驗臺類矩形盾構技術3 33.3 類矩形隧道示范工程p 11.

25、83X7.27土壓平衡類矩形盾構。2X+I組合刀盤殼體主動鉸環(huán)臂式自動軌跡控制拼裝機可重構分區(qū)推進系統(tǒng)類矩形盾構技術3 33.3 類矩形隧道示范工程p 工程進展 2015年11月30日，中國首臺類矩形盾構機“陽明號”順利始發(fā)。類矩形盾構技術3 33.3 類矩形隧道示范工程p 工程進展 2016年1月22日，中國首臺類矩形盾構機“陽明號”順利推進84米，完成70環(huán)管片拼裝。隧道整體質量和沉降控制均取得良好效果。矩形隧道應用設想4矩形隧道應用設想4 矩形隧道技術可廣泛應用于城市下立交道路、大斷面公路隧道主線及其匝道（凈空5m9m左右）、過街人行通道和地下管線共同溝（凈空3m5m左右）、小區(qū)地下車庫通道等項目，還可以適應地鐵渡線段、存車段、車站和大跨度地下通道的需求。地下空間聯(lián)通地下道路匝道地鐵渡線段、存車段v 地鐵渡線段 矩形隧道應用設想4 地鐵渡線段采用明挖施工，可能面臨管線和交通等問題。 矩形頂管結合地面出入式盾構法隧