复合地层小半径曲线盾构隧道施工工法.docx

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1、复合地层小半径曲线盾构隧道施工工法2023年7月11日目录1前言111工法形成112关键技术成熟性与可靠性213鉴定结果214获奖情况22工法特点31 .1解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构推进时侧向分力问题32 .2解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构选型问题33 .3解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构机地层适应性问题34 .4解决小半径曲线管片拟合排版以降低错台问题43适用范围44工艺原理55施工工艺流程及操作要点55.1施工工艺流程55.2操作要点66材料与设备256.1主要材料256.2主要设备267质量控制271.1 执行质量标准271.2 质量保证措施288安全措施328. 1

2、盾构机拆卸及吊装329. 2盾构掘进3210. 3施工机械3211. 4地面及地下构筑物339环保措施3311.1 噪声扰民控制措施3411.2 污染控制措施3512. 3大气污染控制措施3613. 固体废弃物管理措施3614. 5防洒漏措施3710效益分析3711应用实例37复合地层小半径曲线盾构隧道施工工法1前言11工法形成随着我国经济的发展，城市化进程进一步加快，轨道交通建设将成为我国城市发展的重点之一。但是，由于我国地质结构复杂、地下市政管线密布、地面建筑繁杂等问题，限制了地下轨道交通的建设，尤其是在轨道交通线路的选择上，由于受规划及建（构）筑物的制约，这使得轨道交通的线形越来越复杂，

3、从而导致城际隧道小半径曲线段的施工在不断增加。小半径曲线隧道线形虽不属良好，但在应用上将会越来越多。直线电机车辆运行可以达到最小60IT1的转弯半径，车辆在小半径曲线地段安全运行并不困难，但在地下修建一条精确的小半径曲线隧道却是有着很多未知因素，如本项目在珠江三角地区，盾构主要穿越上软下硬的复合地层，盾构掘进断面或纵断面上地层变异性大，且存在大量不良地质，如断层、断裂，花岗岩球状风化体、海底、极端上软下硬等，如此地层条件使盾构掘进时，常发生突水、不良地层条件下换刀、工作面遭遇孤石、盾构机被卡在岩层中等重大风险事故，而小半径曲线盾构施工中在弯曲段存在超挖及超挖引起地基沉降、盾构机推进时管片偏压、

4、仿形刀开挖处开挖面变形、盾构轴线偏差较大以及纠偏大引起线路超限等问题存在。因此，复合地层中小半径曲线隧道的盾构法施工比常规盾构法施工存在更多风险与困难，尤其是盾构机选型及其对地层的适应性是否良好，在复合地层小半径曲线隧道盾构法施工中至关重要。盾构法施工大断面小半径隧道是一个非常复杂的问题，目前还主要作为平面问题进行研究，进行三维计算的文献还较少。针对大断面小半径隧道，其曲线半径小，受力状态与直线隧道差异较大，其设计方法和具体的设计参数较直线隧道有较大的不同,必须对其进行深入分析。目前虽已有一些建成的小半径曲线盾构施工隧道，但对大断面小半径曲线隧道的施工控制技术尚没有文献进行系统总结，单个工程的

5、成功经验无法得到推广应用。因此，有必要对大断面小半径曲线隧道施工技术进行研究，为国内正在和将要实施的大断面小半径曲线隧道盾构法施工提供借鉴。研究盾构法小半径曲线的隧道施工，尤其是大断面隧道，对于轨道交通线路设计具有很大参考价值，对以后类似的大断面小半径曲线隧道盾构法施工具有重要的借鉴作用。复合地层小半径曲线盾构隧道施工工法，依托于新建珠海市区至珠海机场城际轨道交通项目，由中交四航局第六工程有限公司、中交第四航务工程局有限公司进行研究开发。项目总合同额58.76亿元，包括桥梁2座、隧道12985双延米（其中盾构15868m）、站房7座、轨道35Km、四电、装修、机电安装等。1.2关键技术成熟性与

6、可靠性该工法关键技术己在“新建珠海市区至珠海机场城际轨道交通”（1）1号工作井湾仔北站区间、（2）湾仔北站区间湾仔站区间、（3）3号工作井金融岛站区间、（4）金融岛站横琴站区间盾构隧道4个工程中得到成功应用。整个施工过程未发生安全质量事故，2019年4月顺利通过盾构隧道单位工程验收，2019年10月通过静态验收，2019年12月通过动态验收、安全评估具备开通运营条件，受疫情影响于2023年8月18日正式开通运营。本工法的成功应用，有效解决了在小半径曲线盾构施工质量差、大断面盾构无法适应50Om以下小半径的难题，具有较好的社会、经济效益和推广应用前景，得到了当地政府和业主的一致好评。13鉴定结果

7、复合地层小半径曲线盾构隧道施工工法，于2023年8月21日，通过了中国公路建设行业协会组织的会议评价，取得结论意见：该工法关键技术总体上达到了国内先进水平。14获奖情况本工法研究过程中获得发明专利2项，实用新型专利1项；本工法依托项目珠机城际获得珠海市优质结构奖1项、广东省优质结构奖1项、广东省优秀建筑装饰工程奖1项、广东省建设工程优质奖1项、第十二届广东省土木工程詹天佑故乡杯奖1项。2工法特点2.1解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构推进时侧向分力问题小半径隧道每掘进一环，管片端面与线路轴线法线方向在平面上将产生一定角度，在千斤顶的推力下产生一个侧向分力，隧道整体因侧向分力向弧线外侧偏移。考

8、虑到该分力对盾构推进及后续隧道的影响，尤其是对管片偏压和线型轴线控制的重大影响，必须充分研究不同地质情况下小半径隧道掘进时的侧向分力规律，以期为盾构机的选型和适应性配置提供可靠依据。研究小半径曲线大断面隧道盾构推进时，全断面软土、全断面硬岩、软硬不均等不同开挖面地质工况时的侧向分力规律，可为复合地层小半径曲线大断面隧道盾构选型和适应性分析提供借鉴和参考。2.2解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构选型问题小半径曲线隧道施工，对盾构机最重要的技术指标之一是盾构机的灵敏度，而要提高盾构机的灵敏度，最有效的措施是在盾构机的中部配置合理的中折装置，如增加较接装置，缩短盾构机头的直线段长度，还可以配置有效

9、的仿形刀。配置合理的中折装置可减少弯曲段超挖量、使盾构机更容易转弯、减轻盾构机推进时的管片偏压；采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，有利于纠偏，仿形刀的使用效果将直接影响盾构机较接装置的作用，超挖量过大将严重扰动土体，过小不能充分发挥校接装置的作用，以至于达不到所要求设计轴线的半径。仿形刀的使用主要考虑两个方面的因素,一是仿形刀的超挖范围；另一个是超挖量。而超挖必须根据隧道的设计轴线，仿形刀的超挖易造成地层的稳定性降低，应防止仿形刀开挖出的开挖面变形，并控制超挖引起的地基沉降，确保盾构机转弯、旋转所需的超挖量。因此，在珠江三角洲这种复杂地质情况下采用盾构法进行小半径大断面隧道掘进时，如何科学合理

10、地配置中折装置、确定盾构机头的直线段长度，如何配置仿形刀并控制超挖量等都是很重要的问题。2.3解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构机地层适应性问题本工程对盾构机在复合地层中的地质适应性提出了很高的要求，例如应对上软下硬地层、全断面花岗岩等情况，刀盘、刀具的合理配置和非正常磨损；小半径曲线大断面隧道盾构法施工中，在软硬不同的地质条件下如何优化盾构机的掘进参数以实现有效地纠偏及线型控制；此外，由于小半径掘进过程中，受超挖和较大侧向力影响，若在注浆材料未凝固条件下，大推力推进，将造成管片偏移，轻者破损，重者会造成隧道超限。因此，注浆材料选择、推进时间与凝固时间的匹配、由于注浆材料的变化而产生的注浆设

11、备的改变等问题需深入研究，才能确保在小半径超挖情况下管片和隧道的稳定。本文拟针对以上问题，对复合地层小半径曲线大断面隧道盾构机施工的地层适应性进行综合研究，提出不同地层及半径曲线段盾构机适应性标准。2.4解决小半径曲线管片拟合排版以降低错台问题通过对通用管片的拟合排版进行分析，依照管片对隧道轴线的拟合偏差最小为最优的原则，从起始环开始，按照求拟合目标点的算法和流程图，应用最小二乘法的原理和方法设计出通用管片最佳拼装姿态选择的算法流程，实现了通用管片的最佳设计排版。通过对盾构下穿建筑物沉降规律的理论分析，以及盾构施工对建筑级地表沉降影响规律的监测与分析，提出小半径曲线盾构施工地面建筑沉降控制措施

12、。3适用范围小半径盾构施工适用于各类软土地层，目前在煤矿、地铁等盾构隧道掘进施工等方面会有广泛的应用。小半径盾构施工适用范围如下：(1)所有小半径曲线盾构隧道。(2)软土地层、复合地层。(3)极端软土地层需提前进行地基加固处理，常规采用旋喷桩或搅拌站加固盾构断面中轴线以下范围。(4)地面附属物和管线应提前迁改或保护。4工艺原理小半径曲线隧道盾构推进时，通过研究成果提前解决盾构机长度和开挖直径与最小掘进半径的相互影响、解决钱接行程差和最大较接行程限值设定、解决仿形刀的超挖范围及超挖量、解决小半径盾构掘进参数选取等。进行小半径盾构掘进施工，硬件上采取合理配置的刀具、采取适当的盾构机长度，软件上采取

13、较接行程差和最大钱接行程限值设定、掘进参数选取，进行盾构机通过小半径曲线隧道的掘进施工。通用管片能够较好地控制隧道的掘进轴线和管片的成环质量。对通用管片的拟合排版进行分析，依照管片对隧道轴线的拟合偏差最小为最优的原则，从起始环开始，按照求拟合目标点的算法和流程图，应用最小二乘法的原理和方法设计出通用管片最佳拼装姿态选择的算法流程，实现了通用管片的最佳设计排版。5施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程盾构区间总体施工流程图5.1-1。图5.1-1盾构区间施工流程图5.2 操作要点5.2.1 管片的拟合排版通过对通用管片的拟合排版，依照管片对隧道轴线的拟合偏差最小为最优的原贝U,从起始环开始，

14、按照求拟合目标点的算法和流程图，应用最小二乘法的原理和方法设计出通用管片最佳拼装姿态选择的算法流程，实现了通用管片的最佳设计排版。5.2.2土体加固盾构工程的始发与到达施工，在盾构隧道施工中处于非常重要的位置。防止在盾构出洞始发完全进入地层之前与防止盾构进洞到达完全脱出地层后其端头井塌方，水、砂涌现，需要考虑地层条件、水文条件、隧道埋深及周边环境等因素对盾构进出洞端头进行相应加固处理。(1)加固区设置降水井，在破除洞门前35天实施降水。(2)采取搅拌桩或旋喷桩进行地基加固，靠近车站端头的旋喷桩应与车站围护结构搭接20cm。5.2.3始发托架安装始发托架采用钢结构形式，主要承受盾构机的重力及推进

15、时的摩擦力，当盾构机在组装时还需要对盾体进行前后移动，结构设计考虑盾构前后移动的便捷和结构受力的可靠。由于盾构机重达871吨，始发托架必须具有足够的强度、刚度和稳定性。施工盾构井底板时，按照测量放样的基线在盾构井设置预埋件。在盾构安装过程中托架采用“井”字形水平支撑进行加固，安装位置按照测量放样的基线，吊入井下就位焊接，并设置支撑加固，准确定位后将始发托架与底板预埋钢板焊接连接；始发托架底部要垫平稳，避免扭曲；盾构机盾体组装时，在始发托架的轨道上涂抹润滑油以减小盾构机始发推进时的阻力。托架安装流程如下：第一步：测量放线后，利用吊车将托架分块吊下井，并在井下用高强度螺栓连接组装。第二步：根据测量提供的实际始发中线，对安装的托架的位置进行复测、调整,保证始发托架中心线与实际始发中心线一致。第三步：托架调整完毕后，托架支座与盾构始发井底板预埋钢板焊接，焊缝必须饱满，没有漏焊、裂纹等。第四步：井字形水平支撑进行加固。在托架与侧墙中间设置水平型钢支撑加固托架。第五步：对螺栓连接和焊缝进行强度、连接质量检查。围护结构衬内图5.22-1始发托架示意图隧道始发段盾构机始发，当刀盘接近洞门时，始发托架与洞门钢环之间的空隙必须延伸焊接临时导轨，保证盾构机顺利进入洞门。考虑到盾构机在始发掘进过程中，