典型砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)

1、北京西部地區(qū)典型砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù) 北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司Beijing No.4 Municipal Construction Engineering Co.,Ltd.匯 報(bào) 提 綱一、北京西部地區(qū)典型砂卵石地層特點(diǎn) 二、北京地鐵9號(hào)線03標(biāo)基本情況介紹三、北京西部典型砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù) 四、工程施工進(jìn)度 五、總結(jié)一、北京西部地區(qū)典型砂卵石地層特點(diǎn) 1、卵石粒徑大，500mm1200mm居多；2、卵石含量高達(dá)5080，細(xì)顆粒少；3、卵石強(qiáng)度高，大于100Mpa;4、地鐵穿越范圍內(nèi)全斷面無(wú)水；5、地層破壞性為突發(fā)性，屬脆性破壞。 該地層與國(guó)內(nèi)其他在建地鐵城市相比地質(zhì)情況復(fù)雜，

2、施工難度高。在該種地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，國(guó)內(nèi)尚屬首次，國(guó)外也不多見(jiàn)，為世界性難題。二、北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)基本情況介紹豐臺(tái)北路豐管路游泳場(chǎng)北路 工程概況1.1盾構(gòu)掘進(jìn)方向北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)位于豐臺(tái)區(qū)東大街，由“兩站一區(qū)間”組成，豐臺(tái)東大街站、豐臺(tái)北路站和豐臺(tái)東大街站豐臺(tái)北路站區(qū)間，均為地下結(jié)構(gòu)，其中豐臺(tái)東大街站是目前北京地鐵在建最長(zhǎng)的車(chē)站；區(qū)間呈南北走向，單線隧道長(zhǎng)1083m, 左線長(zhǎng)1053m，洞徑6m，采用盾構(gòu)法施工。由于地處九號(hào)線南段的中間關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一，03標(biāo)也是全線最難點(diǎn)，區(qū)間隧道是否按期安全優(yōu)質(zhì)貫通是九號(hào)線南段年底順利運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。 參建單位1.2建設(shè)單位：北京市軌道交通建設(shè)管理有限公

3、司監(jiān)理單位：中咨工程建設(shè)監(jiān)理公司設(shè)計(jì)單位：北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院施工單位：北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司埋深（m）投標(biāo)時(shí)初勘報(bào)告施工階段補(bǔ)勘巖性名稱(chēng)最大粒徑(mm)一般粒徑(mm)粒徑大于的顆粒占總質(zhì)量的百分比巖性名稱(chēng)最大粒徑(mm)一般粒徑(mm)粒徑大于的顆粒占總質(zhì)量的百分比9.0-10.0卵石12020-7070%卵石10.0-11.0卵石24020-8065%卵石45070-12070%11.0-12.0卵石32030-7065%卵石12.0-13.2卵石25030-6065%卵石53090-19080%13.2-14.0卵石16040-6070%卵

4、石520110-21085%14.0-15.0卵石31040-11070%漂石920180-28085%15.0-16.3卵石33050-12080%卵石610140-26080%16.3-17.5卵石400100-14085%卵石470130-25085%投標(biāo)時(shí)初勘報(bào)告與施工前補(bǔ)堪報(bào)告 -（北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司） 工程地質(zhì)與水文條件1.3 工程地質(zhì)與水文條件1.3這種地質(zhì)構(gòu)造是西南郊地區(qū)獨(dú)有的特殊地質(zhì)構(gòu)造，具有大粒徑漂石、卵石含量高、硬度大、間斷級(jí)配、全斷面無(wú)水等特點(diǎn)。 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)1.4 一、03標(biāo)工期非常緊：工程初期拆遷進(jìn)度緩慢，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。從車(chē)站開(kāi)挖到具備試運(yùn)行要

5、在不到一年時(shí)間完成，同時(shí)在盾構(gòu)施工階段還將經(jīng)歷兩會(huì)、中高考的對(duì)施工的影響；其中區(qū)間隧道更是要在無(wú)水大粒徑漂礫石地層中4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)洞通，并且盾構(gòu)始發(fā)和接收到場(chǎng)地狹小，車(chē)站施工與盾構(gòu)施工過(guò)程始終處于交叉作業(yè)狀態(tài)，對(duì)我們的盾構(gòu)施工組織提出了很高的要求。 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)1.4 二、03標(biāo)地處鬧市區(qū)，施工場(chǎng)區(qū)狹小，對(duì)如何有效協(xié)調(diào)車(chē)站與區(qū)間施工組織提出非常高的要求。北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司場(chǎng)地狹小 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)1.4 三、施工周邊環(huán)境復(fù)雜，靠近居民區(qū)和商戶，同時(shí)區(qū)間雙線隧道位于道路下方，地面交通流量大，沿途地下管線交織密集，并存在大量嚴(yán)重松散地層。周邊環(huán)境復(fù)雜 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)1.4 四、盾

6、構(gòu)接收的同時(shí)近距離側(cè)穿立交橋橋樁，并下穿D2200污水管線，控制橋樁變形和污水管豎向位移為難點(diǎn)，整個(gè)區(qū)間施工環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)非常高。北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司11.8m4.62m3.63m臨近穿越立交橋萬(wàn)豐橋隧洞隧洞 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)1.4 五、區(qū)間隧道施工最大的難度是在地質(zhì)條件上。全線均為無(wú)水大粒徑漂礫石地層，漂石粒徑大、卵石含量高、硬度大、間斷級(jí)配。地勘揭示地層中卵礫石的含量高達(dá)80%，最大粒徑超過(guò)900mm，平均抗壓強(qiáng)度80Mpa以上，而且在隧道斷面下部存在礫石膠結(jié)致密地層，在此地層下尚無(wú)盾構(gòu)施工比較成功先例，被中外專(zhuān)家評(píng)價(jià)為具有高難度、高科技、高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的世界性難題。三、北京西部典型砂

7、卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù) 盾構(gòu)設(shè)備選型3.1 1.設(shè)備規(guī)格：6.14m 加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī) 2.建設(shè)單位：北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 3.盾構(gòu)制造方：北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司 4.施工使用方：北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司 5.應(yīng)用項(xiàng)目：北京地鐵九號(hào)線03標(biāo) 投入兩臺(tái)加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)機(jī)完成區(qū)間雙線掘進(jìn)施工。盾構(gòu)機(jī)參數(shù)外徑6.4m殼體總長(zhǎng)8805mm全長(zhǎng)13455mm總推進(jìn)力40000kN單位面積推力:1350kN/m2推進(jìn)千斤頂 2500 kN 16根鉸接千斤頂 2500 kN 12根盾構(gòu)最大掘進(jìn)速度92 mm/min 刀盤(pán)參數(shù)驅(qū)動(dòng)方式電動(dòng)變頻驅(qū)動(dòng) 扭 矩 (45 Hz 時(shí)

8、) 6282kN-m (扭矩系數(shù)=22.6)扭 矩 (120%時(shí))7538 kN-m主軸承型式三排三列滾柱軸承轉(zhuǎn)速01.6 rpm總功率660 kW刀盤(pán)支撐方式中間支撐 盾構(gòu)設(shè)備選型3.1目前，世界上還沒(méi)有盾構(gòu)機(jī)能夠完全滿足這種無(wú)水大粒徑漂石地質(zhì)條件的快速掘進(jìn)施工。市政集團(tuán)四公司為了攻克這一世界性難題，憑借敏銳的市場(chǎng)洞察力，依靠多年積累的雄厚研發(fā)和制造能力、豐富的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)、精干高效的人才儲(chǔ)備，決定在吸收消化原有IHI盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)之上研制兩臺(tái)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機(jī)。公司充分剖析北京西南地區(qū)獨(dú)特的無(wú)水大粒徑漂礫石地層構(gòu)造，在原IHI盾構(gòu)機(jī)的基礎(chǔ)上，融入 “以疏為主、以隔為輔”的設(shè)計(jì)思

9、路，轉(zhuǎn)化了四公司承擔(dān)的市政路橋控股集團(tuán)科研項(xiàng)目“盾構(gòu)系列化模塊化研究”的部分成果，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)、螺旋輸送機(jī)等進(jìn)行了優(yōu)化，研發(fā)了自主的自動(dòng)控制系統(tǒng)，制造了兩臺(tái)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機(jī)，該盾構(gòu)設(shè)備具有大開(kāi)口率、高扭矩、高推速、強(qiáng)輸送能力等顯著特點(diǎn)。 盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)3.2市政四公司通過(guò)北京地鐵10號(hào)線、大興線、沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線以及北京南水北調(diào)團(tuán)九線等工程中，集聚了盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)、人才儲(chǔ)備、技術(shù)實(shí)力，有著對(duì)在砂卵石地質(zhì)條件盾構(gòu)施工的深刻理解。通過(guò)對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)制造業(yè)的業(yè)態(tài)、發(fā)展方向、國(guó)內(nèi)提供配套設(shè)備的實(shí)際能力調(diào)研。本著有效地利用國(guó)內(nèi)、外兩種資源實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)多層次論證，針對(duì)該

10、項(xiàng)目，公司成立了以公司總經(jīng)理助理為代表的盾構(gòu)科技研發(fā)攻關(guān)小組。 盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)3.2 盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)3.2經(jīng)過(guò)6個(gè)月艱苦奮戰(zhàn)，2011年1月底，2臺(tái)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機(jī)在北京市政集團(tuán)四公司盾構(gòu)基地正式下線，投入施工。 設(shè)備特點(diǎn)3.3 采用大直徑螺旋輸送機(jī)帶式螺旋，輸出最大粒徑由原先 增大到 ，可大幅提高大粒徑卵石的通過(guò)能力，是目前中國(guó)6m級(jí)在用地鐵盾構(gòu)最大的無(wú)軸螺旋 。原IHI盾構(gòu)機(jī)螺旋新盾構(gòu)機(jī)螺旋460mmL750mm 650mmL1100mm 設(shè)備特點(diǎn)3.3 進(jìn)一步優(yōu)化刀盤(pán)、刀具布置 原刀盤(pán)采用圓形輻條式,不能滿足大粒徑漂礫石地層施工。原IHI盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán) 設(shè)備特點(diǎn)3.3刀盤(pán)開(kāi)口率為54

11、%，采用新型刀具布置新盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán) 設(shè)備特點(diǎn)3.3新盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)特點(diǎn)1、增大刀盤(pán)開(kāi)口率。2、增強(qiáng)刀具的抗撞擊性。（1）通過(guò)加寬合金以保證刀具的有效切削，加強(qiáng)刀具兩側(cè)合金的防撞擊能力；（2）在刀具兩側(cè)加增防撞擋塊，用于減小大直徑礫石的沖擊防止合金破碎。3、優(yōu)化刀具的布置。（1）在刀圈上的先行刀分3層布置，以保護(hù)刀圈及減輕內(nèi)圈刀具壓力。（2）布置刀具時(shí)，覆蓋整個(gè)開(kāi)挖斷面，對(duì)稱(chēng)性布置刀具，保證刀盤(pán)受力均衡，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；切刀正反方向布置，刀具整體采用牙型交錯(cuò)排列。4、加強(qiáng)刀具的耐磨性。對(duì)刀座進(jìn)行耐磨焊條堆焊，以提高其耐磨性；5、增加魚(yú)尾刀保護(hù)刀。對(duì)魚(yú)尾刀中心加泥口進(jìn)行保護(hù)。 設(shè)備特點(diǎn)3.3盾構(gòu)機(jī)推力由原來(lái)的

12、37500kN增大到40000kN，在全鎬推進(jìn)時(shí)，速度能達(dá)到92mm/min ，在全千斤頂頂伸下理論最大日掘進(jìn)速度為48環(huán)，日進(jìn)尺57.6m。 控制系統(tǒng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，特別是自動(dòng)糾偏系統(tǒng)可有效降低對(duì)操作手操作水平的要求，使操作手從繁復(fù)地操作中解放出來(lái)，使其有更多精力處理施工中的其他問(wèn)題，解決制約盾構(gòu)施工效率及成型隧道質(zhì)量的瓶頸，以提高施工效率，確保工程質(zhì)量。 增大推力及推速，大幅提高工效 具有自主產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng) 塑流化改造技術(shù)3.4 在無(wú)水砂卵石中，塑流化改造的效果直接影響到刀盤(pán)扭矩的大小和土壓力的平衡。在掘進(jìn)初期，為使土體具有良好的流動(dòng)性，于是向開(kāi)挖面注入大量泥漿，結(jié)果在施工中發(fā)現(xiàn)泥漿量過(guò)

13、大使螺旋排出的土過(guò)稀，甚至出現(xiàn)噴涌，土壓力波動(dòng)較大。同時(shí)，土壓倉(cāng)內(nèi)大粒徑砂卵石會(huì)在重力作用下沉至底部，使土體攪拌不均勻，增大了刀盤(pán)扭矩和刀具的磨損。經(jīng)過(guò)分析后，減小泥漿注入量，增大泡沫注入量，同時(shí)提高稀釋液的粘度和泡沫的發(fā)泡率，結(jié)果刀盤(pán)扭矩大大降低，能夠建立穩(wěn)定的土壓力。 通過(guò)分析得出：在砂卵石地層中，泡沫能夠大大改善土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能，泡沫注入量加大以后刀盤(pán)扭矩明顯減小，推進(jìn)速度大幅提高，刀盤(pán)刀具的磨損程度降低，提高了設(shè)備的使用壽命。 雙液注漿技術(shù)3.5 因無(wú)水砂卵石顆粒之間空隙大，漿液在土體之間的流動(dòng)性好，擴(kuò)散較快，因此要求漿液凝固時(shí)間較短，故宜選用雙液注漿（水泥，粉煤灰漿液+水玻璃

14、）。同時(shí)漿液擴(kuò)散面積大，管片外圈與土體之間填充率較低，因此需要加大注漿量，提高填充率數(shù)值。通過(guò)分析地面沉降等相關(guān)數(shù)值，本標(biāo)段同步注漿填充率取110%120%，同步注漿壓力范圍設(shè)定為0.50.7MPa。二次補(bǔ)注漿量控制在500600L，為防止成型管片變形，二次補(bǔ)注漿的壓力范圍設(shè)定為0.40.5 MPa?？紤]到地面沉降控制、成型管片變形等因素，同步注漿以總量控制為主，二次補(bǔ)注漿以壓力控制為主。四、工程施工進(jìn)度 盾構(gòu)機(jī)下井組裝4.1短短6個(gè)月的時(shí)間2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)制造成功，正式下線投入北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)施工，在無(wú)水大粒徑漂礫石地層施工中充分體現(xiàn)了設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)的實(shí)力. 盾構(gòu)機(jī)下井組裝4.1201

15、1年2月26日，右線盾構(gòu)機(jī)吊裝下井，開(kāi)始組裝調(diào)試。3月16日正式始發(fā)。3月31日掘進(jìn)至55環(huán)完成初始掘進(jìn)。2011年1月16日，左線盾構(gòu)機(jī)吊裝下井，開(kāi)始組裝調(diào)試。2月16日正式始發(fā)。3月4日掘進(jìn)至49環(huán)完成初始掘進(jìn)。 施工過(guò)程4.2從2011年2月16日左線盾構(gòu)機(jī)正式始發(fā)至6月20日盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)抵樁，歷時(shí)124天。從2011年3月16日右線盾構(gòu)機(jī)正式始發(fā)至6月29日盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)抵樁，歷時(shí)103天。實(shí)際施工時(shí)地層難度超乎想象，地層穩(wěn)定性極差，土壓力平衡建立非常困難，對(duì)盾構(gòu)設(shè)備刀具磨損嚴(yán)重，對(duì)塑流化改造技術(shù)、管理和效果控制提出非常高的要求。 施工過(guò)程刀盤(pán)檢修4.2施工過(guò)程中創(chuàng)造了單班掘進(jìn)20環(huán)、單日掘

16、進(jìn)35環(huán)、單周掘進(jìn)176環(huán)、不換刀最長(zhǎng)掘進(jìn)480m、地面微沉降、橋梁2mm沉降的輝煌記錄，得到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家們的高度評(píng)價(jià)，是對(duì)四公司長(zhǎng)期以來(lái)致力于地下工程研究和探索的大力肯定，開(kāi)創(chuàng)了盾構(gòu)在無(wú)水大粒徑漂礫石等復(fù)雜地層下掘進(jìn)的新領(lǐng)域，書(shū)寫(xiě)了地鐵盾構(gòu)建設(shè)歷史的新篇章。 取得成績(jī)4.3隨著右線最后一環(huán)管片的拼裝完成，盾構(gòu)機(jī)精準(zhǔn)破洞而出，北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)盾構(gòu)區(qū)間雙線2136m精準(zhǔn)貫通。從第一臺(tái)盾構(gòu)開(kāi)始掘進(jìn)到雙線貫通，僅用4個(gè)月時(shí)間，單線掘進(jìn)3個(gè)月，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足要求，為九號(hào)線年底通車(chē)創(chuàng)造了先決條件。 圓滿完成4.4 圓滿完成4.4 左線區(qū)間從2011年6月21日開(kāi)始進(jìn)行洞門(mén)鑿除工作。7月7日盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始

17、解體，至7月14日全部解體吊裝完成，歷時(shí)8天。 右線區(qū)間從2011年6月29日開(kāi)始進(jìn)行洞門(mén)鑿除工作。7月20日盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始解體，至7月29日全部解體吊裝完成，歷時(shí)10天。五、總結(jié)砂卵石層分類(lèi)及其對(duì)刀具的影響最大粒徑300mm含砂率30%特別注重磨損沖擊，磨損砂卵石層分類(lèi)：1. 無(wú)水砂卵石，含水砂卵石（含水量不影響刀具布置，影響土倉(cāng)添加材料）；2. 砂卵石粒徑大小，300mm界限（影響刀具布置）3. 砂含量百分比分類(lèi)，30%（影響刀具布置）砂卵石層對(duì)刀具的影響： 1、北京地鐵9號(hào)線03標(biāo)段盾構(gòu)隧道的順利貫通標(biāo)志著被稱(chēng)為世界性難題的無(wú)水大粒徑漂礫石地層盾構(gòu)施工難題成功攻克，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)乃至國(guó)外該地層盾構(gòu)施工的空白。為以后相似地層的盾構(gòu)施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 2、將國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)、制造技