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第五届全国生态城市道路与地下道路规划设计、施工、新材料应用技术大会 2019-09-09
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《隧道掘进机施工技术》

时间:2010年08月03日来源:本站原创 作者:ice-edu 点击:
  

隧道掘进机技术
    本书共分l0章,全面系统地介绍了各类隧道掘进机的基本原理及特点、盾构分类及选型、盾构法隧道施工技术和要点。对土压平衡盾构施工技术、泥水盾构施工技术、硬岩隧道及盾构法隧道的运输技术进行了详细介绍,特别是结合具体工程实例,阐述了复合盾构在复杂地层中施工和大直径盾构在软土地区进行盾构法隧道施工的最新技术和进展。书中论述的隧道施工技术,基本代表了中国当今最新的盾构法隧道的施工水平。
     文中给出的实例均为隧道工程施工经验总结,条理清楚,数据齐全,针对具体工程实例给出了详细分析,对隧道工程设计、施工和管理都有较大的借鉴价值。
    本书可供城市地铁隧道、越江越海隧道、取排水隧道、硬岩隧道和公共事业等隧道设计与施工的工程技术人员、施工人员、科研人员及大专院校有关专业师生作技术参考。
 
    前言
    今天的全球,已有一半以上的人口居住在城市,人口超过100万的城市已达400个以上。现代城市发展的模式应该是可持续的,这意味着城市向市民提供便捷交通、清洁水源的同时,还必须尽可能地减少人类的生态足迹,地下隧道为城市可持续发展提供了一个很好的解决方法。建造隧道的方法不外乎两大类,一类是明挖技术,另一类是暗挖技术。明挖技术仅适合在地下浅层建造隧道的场合,但在城市中绝大多数情况下是不允许的;暗挖技术主要可分为矿山法和掘进机法,将矿山法用于软土层建造隧道是极为勉强的,而隧道掘进机既可以在软土中建造隧道,又可以在岩石甚至软土与岩石相间的地层中建造隧道,因此,用隧道掘进机建造隧道是极为普遍的。
    众所周知,世界上第一条人工开挖的盾构隧道是由法国人Marc Brunnel和他的儿子Isambard Kingdom Brunel一起在伦敦泰晤士河下建成的。l 869年,James Henry Greathhead采用圆形敞开式盾构,在泰晤士河下再建了1条外径为2.18m的行人隧道,该隧道衬砌为铸铁管片,隧道在不透水的黏土层中掘进,无地下水威胁,因此,进展相当顺利。l886年,Greathead在建造伦敦地铁时,首次使用了压缩空气盾构。压缩空气盾构的出现解决了含水地层的隧道修建问题。第一个机械化盾构的专利出现在1876年,由英国的John Dickin-son  Brunton和George Brunton合作申请。早期的盾构技术在英国发明并得到发展,虽然是偶然的事件,但又包含了必然的客观因素。19世纪和20世纪上半叶,英国是全球最强盛的工业化国家,而对隧道掘进来讲,伦敦的黏土可说是地球上最理想的土层,因此,由当时最发达的国家率先在较理想的土层中发展盾构技术是合乎技术发展的逻辑的。
    1965年,日本首先制造了泥水盾构(Slurry Shield),泥水盾构的基本原理是用液体(水或加膨润土的水)平衡开挖面的土体。与压缩空气盾构相比,泥水盾构不需要人员在压缩空气条件下工作,但泥水处理系统比较复杂。泥水盾构虽然也可用于黏土地层,但绝大多数情况是在含水砂层中使用。1974年,日本的Sato kogyo有限公司发明了土压平衡盾构(Earth Pressure Balanced Shield)。在此之前,虽然压缩空气盾构和泥水盾构已能克服含水层中的施工问题,但压缩空气对人体的危害和泥水对环境的不利影响,促使日本的隧道专家寻找一个更好的解决问题的办法,土压平衡盾构应运而生了。
    泥水盾构和土压平衡盾构同属削土密封式压力平衡盾构,可称之为现代盾构技术。日本能够在现代盾构技术的发展中独领风骚也有客观原因,首先,日本从20世纪60年代中期开始步入现代化国家行列,其科学水平已逐步接近欧美国家,这为日本发展现代盾构技术提供了强有力的技术支持;其次,日本是一个人口众多、土地贫乏的多岛国家,为了扩大生存空间,不得不开发地下空间,而一些大城市(如东京)的软弱地层条件又给日本隧道专家带来了很多困难,激励着日本隧道专家寻找理想的隧道建造技术,构成了日本隧道施工技术进步的动力。
    进入20世纪80年代后,盾构技术发展的主流大致从以下两个方面延伸:
    (1) 日本人注重的开发不同几何形状的盾构机技术;
    (2) 欧洲诸国(特别是德国)致力于研究能适合不同地层的多功能技术(Combined Shields)。
    日本致力于研究异形盾构机的客观背景是:近l0多年来,日本不仅科技水平在世界上处于领先地位,而且各大城市的地下空间利用率已经达到相当高的程度,如何在有限的地下空间中建造更多的隧道,已经摆到了日本地下工程工作者的议事日程上。此外,地面建筑物的高度拥挤又迫使日本人构想诸如竖井、隧道一体化的施工模式,从而使日本人研究出了各种类型的盾构。欧洲幅员辽阔,地层条件复杂多变,欧洲一体化发展,客观上为建造长隧道提出了必要性;在一个长隧道工程项目中,常常会遇到不同的地层条件,各种形式的盾构和各种各样的多功能盾构应运而生。
    现代隧道掘进机技术发展的另一个特征就是信息技术方面的新应用。德国VMT公司的SLS-T隧道掘进机导向系统,是计算机与激光技术在隧道掘进机施工中成功应用的一个典型实例。未来隧道掘进机技术的发展方向可能是地理信息系统(GIS)的应用。我们有理由作这样的遐想:在不远的将来,你要在地球上任何一个地方建造掘进机隧道工程,只需在电子地图上点出位置和深度,计算机就能告诉你该选用何种类型的盾构机和具体施工方法。
    由于隧道掘进机工程的施工过程具有周期循环特征,因此,特别适用于计算机模拟。计算机模拟具有节省费用、效率高等优点,目前,有的顾问公司已开始采用计算机模拟技术模拟以下内容:
    (1) 盾构机的掘进速率(SESS)。在模拟过程中可考虑隧道长度、工作井深度、运输车能力、运输车速度、出碴量和出碴方法以及土层条件(含土体颗粒膨胀率、掘进速率等)。
    (2) 隧道沿线的土体变化情况及隧道掘进速度。模拟隧道沿线土体变化是一项有挑战性的工作,由于地质调查报告通常只能给出隧道沿线间断的地层参数,模拟技术不仅需要将不连续的数据连续化,还要保证其与实际土层情况相符,这就是困难所在。显然,模拟技术只能给出各种土体变化和相应的各种掘进速度的可能性,因此,答案一定是不确定的。模拟软件对工程的模拟分析结果表明:由于试掘进期间是学习过程,各种模拟结果与实际掘进速度相差较大,但当进入正常掘进后,各种模拟结果与实际情况符合就好。
    (3) 隧道掘进参数。模拟隧道掘进参数通常是根据过去在相似地层中的经验,或根据专家的观点设定的初始模拟值,此后,模拟值可通过软件的学习性不断修正,使之与实际相符并预测下阶段的最佳参数值,对于土层情况较为均匀的地区,如我国的长三角部分地区,该软件能较有效地模拟,但对于像广州地区地层条件无序多变的场合,用计算机模拟将并不可靠。
新世纪隧道掘进机技术的研究热点可以用4个字来描述,即:“深”、“大”、“长”、“快”。
    “深”。随着地下空间的进一步开发,隧道越挖越深已是趋势。污水隧道已经建到50m以下的深度。瑞士的Alp Transit Project的山岭隧道埋深已经超过2300m,在那里,如何降低隧道内的温度已经成为隧道施工者的一个新的难题,降温措施所占的费用已经占了施工总费用的l0%以上。我国将建造的南水北调西线工程隧道的埋深也将达到1600m,届时也会有类似的问题。
    “大”。最大的盾构隧道直径已经达到14.90m,该盾构由NFM制造,用于荷兰的Groene Hart隧道。将来最大的盾构隧道可望达到20m,但需要解决管片衬砌的承载力和精度问题、开挖面稳定等问题。
    “长”。单线长度达47km的输水隧道已经在引黄入晋工程中建成。南水北调西线工程中的单线将达到100km以上。在长距离隧道中,必须注意地质的变化、刀头耐久性和换装技术、施工运输等问题。随着人们修建长隧道能力的不断提高,建造连接全球的地下通道将成为可能,隧道的作用也将不断地加大。
    “快”。快速建造隧道不仅意味着工程费用的大幅度下降,而且也将减少隧道施工与人类其他活动的相互影响,从而促使人们更多地选择隧道方法。上海的隧道工程实践表明,均匀、快速地掘进隧道可以明显地减少地层变形,快速掘进可使开挖面前方变形减少80%左右。连续掘进、高速开挖、自动运输、快速拼装是实现快速掘进的主要手段。
    岩石中的隧道掘进机技术已经达到113.21m/d的速度。为了能像岩石隧道那样连续掘进,国外的同行为此作了各种努力,其中有D2公司提出的能边掘进边拼装的特殊管片形式和管片销钉连接方法;Herrenknecht制造的φ9.79m连续掘进盾构已在荷兰获得成功应用。
    对出土和管片进行连续运输的施工组织设计是提高盾构隧道施工速度的又一种努力,新型的管片连续运输和快速拼装系统可以将每块管片的拼装时间减少43%。
    对管片的设计进行革新也是一个不容忽视的方面。管片设计的改进,不仅可以改善衬砌结构的受力和防水特性、降低工程造价,而且可以大幅度提高盾构隧道的推进速度。近年来,英国Mott MacDonald公司提出的通用管片(Universal Segment),具有不必通过另做楔子环即可形成三维曲线隧道的优点。
    隧道掘进机技术的现状可概括如下:
    (1) 设计概念和施工方法呈多样性;
    (2) 受其他学科进展的推动,特别是计算机技术的日新月异,隧道掘进机技术目前正处于快速发展阶段,而且对隧道掘进机技术的发展趋势难以预测;
    (3) 世纪之交的人类比以往任何时候更注意环境保护和可持续发展,隧道掘进机因此将获得比以往任何时候更多的应用。
    在隧道掘进机施工领域,虽然已有大量的工程实践和理论研究,并取得了引人瞩目的进步,但依然存在一些非常重要的、有待于业内人员进一步解决的难题,比如:
    (1) 开发能快速掘进复合地层的隧道掘进机;
    (2) 软土中相邻隧道的极限最小距离确定;
    (3) 开发软弱地层中更有效的同步注浆方法和安全更换盾尾技术;
    (4) 开发长距离隧道施工的快速和连续运输方法;
    (5) 了解泥水和土压平衡盾构开挖面稳定的动态平衡机理;
    (6) 盾构施工的实时信息反馈技术、远程遥控技术、数字化技术和智能仿真技术的工程应用:
    (7) 隧道掘进机越挖越深已是地下工程技术发展的必然趋势,要了解深埋隧道的掘进特点;
    (8) 掘进机隧道工程和采地热能技术的结合研究;
    等等。
    迄今为止,国内已出版的有关隧道掘进机技术方面的专著已有不少。l990年程骁、潘国庆编著的《盾构施工技术》,主要论述了各类盾构的施工(含辅助施工)方法、主要施工设备,描述了地层的变形特征,介绍了结构试验和现场测试的内容;l991年刘建航、侯学渊编写的《盾构法隧道》,主要介绍了衬砌结构的构造和设计方法;2004年周文波编写的《盾构法隧道施工技术及应用》,主要论述了盾构隧道施工的总体筹划、隧道施工测量,介绍了软件技术在盾构法隧道中的应用,阐述了盾构法隧道引起的地层沉降及防治和盾构法隧道施工的质量通病与防治;2004年张凤祥、朱合华、傅德明编写的《盾构隧道》主要以日本的盾构隧道技术为背景,介绍了盾构的基本构造和施工工法,论述了竖井的设计与施工,描述了掘进管理;2005年竺维彬、鞠世键编写的《复合地层中的盾构施工技术》,主要以广州地铁工程为背景,描述了复合地层中的盾构施工特点、难点和要点;2005年水利部科技推广中心编著的《全断面岩石掘进机》,详细介绍了全断面岩石掘进机设备、选型,论述了全断面岩石掘进机的施工组织管理与技术。我们编写本书的目的,除了想要系统地介绍隧道掘进机的具体施工工艺和方法外,还希望论述一些盾构隧道技术和管理的热点,如:施工运输优化、盾构选型的几种方法和风险管理等,以供同行参考。
    本书前言由白云编写,第1章隧道掘进机选型由白云、胡向东编写,第2章圆形土压平衡式盾构施工技术由丁志诚、黄德中编写,第3章泥水平衡式盾构施工技术由丁志诚、郑宜枫编写,第4章岩石隧道掘进机(TBM)掘进技术由刘计山编写,第5章复合式盾构掘进技术由白云编写,第6章隧道施工运输技术由白云、郑宜枫编写,第7章钢筋混凝土预制管片制作技术由丁志诚、郑宜枫编写,第8章异形盾构掘进技术由张冠军编写,第9章掘进机隧道工程的风险管理由范益群、汤竞编写,第l0章工程案例由刘千伟、郑宜枫编写。全书策划、统稿由白云、丁志诚完成。
 
目    录
    第1章  隧道掘进机选型…………………………………………………………………………1
    1.1 隧道掘进机类型和对地层适应性………………………………………………………1
    1.2 隧道掘进机选型…………………………………………………………………………9
    第2章  圆形土压平衡式盾构施工技术 ………………………………………………………35
    2.1 概述………………………………………………………………………………………35
    2.2 施工准备…………………………………………………………………………………37
    2.3 施工组织设计编制………………………………………………………………………39
    2.4 建立施工测量及监控量测系统…………………………………………………………40
    2.5 施工现场总体布置………………………………………………………………………42
    2.6 盾构机现场安装、调试及验收……………………………………………………………44
    2.7 主要施工工序及要点控制………………………………………………………………47
    2.8 盾构进出洞施工技术……………………………………………………………………57
    2.9 特殊段施工技术…………………………………………………………………………58
    第3章  泥水平衡式盾构施工技术 ……………………………………………………………68
    3.1 概述………………………………………………………………………………………68
    3.2 泥水平衡式盾构施工基本原理…………………………………………………………68
    3.3 泥水平衡式盾构开挖面稳定性…………………………………………………………73
    3.4 泥水平衡式盾构掘进施工关键技术……………………………………………………78
    3.5 隧道稳定性………………………………………………………………………………l00
    第4章  岩石隧道掘进机(TBM)掘进技术 ……………………………………………………103
    4.1 概述………………………………………………………………………………………103
    4.2 TBM施工前期准备………………………………………………………………………l08
    4.3 掘进技术…………………………………………………………………………………ll2
    4.4 围岩支护与管片衬砌技术………………………………………………………………ll3
    4.5 超前预报技术……………………………………………………………………………ll8
    4.6 特殊洞段施工关键技术…………………………………………………………………l22
    第5章  复合式盾构掘进技术…………………………………………………………………l32
    5.1 概述………………………………………………………………………………………l32
    5.2 复合式盾构掘进技术要点………………………………………………………………l34
    5.3 可转换模式复合式盾构施工技术要点…………………………………………………149
    第6章  隧道施工运输技术……………………………………………………………………l53
    6.1 概述………………………………………………………………………………………l53
    6.2 施工运输问题的最优化建模和解析……………………………………………………l62
    6.3 连续运输…………………………………………………………………………………l94
    6.4 道路式运输技术…………………………………………………………………………212
    第7章  钢筋混凝土预制管片制作技术………………………………………………………215
    7.1 预制管片分类……………………………………………………………………………215
    7.2 预制管片生产……………………………………………………………………………215
    第8章  异形盾构掘进技术……………………………………………………………………225
    8.1 概述……………………………………………………………………………………225
    8.2 矩形土压平衡盾构……………………………………………………………………226
    8.3 现浇衬砌矩形盾构施工技术…………………………………………………………230
    第9章  掘进机隧道工程的风险管理…………………………………………………………238
    9.1 概述……………………………………………………………………………………238
    9.2 掘进机隧道工程风险管理体系及安全保障…………………………………………246
    9.3 掘进机隧道施工的主要风险因素……………………………………………………251
    9.4 掘进机隧道工程的风险评价方法……………………………………………………252
    9.5 建设期间的动态风险管理……………………………………………………………253
   第10章  工程案例 ……………………………………………………………………………269
    10.1 上海长江隧道工程 …………………………………………………………………269
    10.2 上海轨道交通8号线双圆盾构区间隧道工程 ……………………………………305
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