泥水平衡盾构施工技术概论(章龙管)课件.ppt(83页)
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1、1泥水平衡盾构施工技术2主主 要要 内内 容容一、泥水平衡盾构工作原理一、泥水平衡盾构工作原理二、泥水平衡盾构的类型二、泥水平衡盾构的类型三、泥水平衡盾构施工管理系统三、泥水平衡盾构施工管理系统四、泥水平衡盾构施工关键技术四、泥水平衡盾构施工关键技术五、工程实例五、工程实例34常用隧道施工方法明挖法矿山法掘进机(Tunnel Boring Machine)常用隧道施工方法TBM硬岩掘进机盾构5盾构机类型n就其稳定掌子面介质的不同,分为土压平衡盾构、泥水平衡盾构。泥水平衡盾构土压平衡盾构6土压平衡盾构简介土压平衡盾构的基本原理利用盾构施加于开挖舱内渣土的压力平衡开挖面水土压力 刀盘切削下来的渣土
2、通刀盘切削下来的渣土通过刀盘上的开口进入土过刀盘上的开口进入土仓,渣土在土仓内经过仓,渣土在土仓内经过搅拌和渣土改良成为流搅拌和渣土改良成为流塑状,盾构推进油缸的塑状,盾构推进油缸的推力通过承压隔板传递推力通过承压隔板传递给土仓内的渣土,继而给土仓内的渣土,继而传递给开挖面,以平衡传递给开挖面,以平衡开挖面处的地下水压和开挖面处的地下水压和土压,从而保持开挖面土压,从而保持开挖面的稳定。螺旋输送机从的稳定。螺旋输送机从承压隔板的开孔伸入土承压隔板的开孔伸入土仓进行排土仓进行排土.7泥水平衡盾构的结构及基本原理典型泥水平衡盾构的基本结构 泥水仓气垫仓刀盘主驱动冲刷管排浆管吸口破碎机位置管片拼装机
3、主机排浆泵8泥水平衡盾构的基本原理利用泥浆在由泥浆形成的泥膜面上的压力平衡开挖面水土压力 泥膜气垫仓泥水仓冲刷管排浆管泥水盾构采用膨润土悬浮液(俗称泥浆)作为支护材料。将泥浆送入泥水室,在开挖面上形成不透水的泥膜,通过该泥膜平衡作用于开挖面的水土压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面,通过泥浆处理设备进行分离,分离后的泥水进行重新调浆,再输送到开挖面。泥水盾构适用的地质范围较大,从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。泥水平衡盾构的结构及基本原理9泥水平衡盾构的基本原理开挖面上的泥膜 泥水平衡盾构的结构及基本原理10泥水平衡盾构的基本原理-开挖面上的泥膜 泥水平衡盾构的结构及基本原理11泥水盾构泥浆环
4、流输送系统 SEPARATION DRYING PREPARATION BENTONITIC MUD TANK PUMP P1 PUMP P3 PUMP P2 BACK UP 地面泥水分离站进浆泵进浆管路隧道中继泵主机排浆泵排浆管路泥浆管延伸装置泥水平衡盾构的结构及基本原理12盾构选型依据 13 1、 工程地质因素:地层颗粒级配是盾构选型的依据一 左边白颜色区域为卵石砾石粗砂区,为泥水平衡盾构机适用的颗粒级配范围。右边蓝颜色区域为细砂淤泥粘土区,为土压平衡盾构机适用的颗粒级配范围。 细颗粒含量多则碴土能形成不透水的流塑体,能够充满土仓的每个部位,以便建立压力并传递到切削面支撑土体,压力平衡可以
5、实现。 粗颗粒含量高的碴土不能形成具备这种功能的碴土,因而不能实现土压平衡,只能借助于泥水平衡盾构大比重的泥浆悬浮液,形成泥膜并传递压力。 从掘进的角度,泥水平衡盾构机也适用于细颗粒土层,但细颗粒浆液的泥水分离难度大,投入大,场地要求高。 因此,图中的区域划分考虑了综合因素。盾构选型依据142、水文地质因素:地层渗透性是盾构选型的依据之二地层渗透性与盾构选型图既说明了地层颗粒与渗透率的一般关系细颗粒含量多的地层渗透率小,粗颗粒含量多的地层渗透率大,又反映了渗透率与盾构选型的关系:颗粒粗渗透率大水量充足,碴土为流体状,螺旋机不能形成土塞,土仓建立不了压力。 因此,图中土压平衡盾构机对应的指标是粗
6、砂以下、渗透率10-4m/s以下。泥水平衡盾构机对应的指标是细砂以上、渗透率10-7m/s以上。盾构选型依据15a. 在易发生流沙的地层中能稳定开挖面,可在正常大气压下施工作业;在易发生流沙的地层中能稳定开挖面,可在正常大气压下施工作业;b. 泥水传递速度快而且均匀,开挖面平衡土压力泥水传递速度快而且均匀,开挖面平衡土压力 的控制精度高,对开挖的控制精度高,对开挖面周边土体的干扰少,地面沉降量控制精度高;面周边土体的干扰少,地面沉降量控制精度高;c.盾构出土,减少了运输车辆,进度快;刀盘、刀具磨损小,适合长距离盾构出土,减少了运输车辆,进度快;刀盘、刀具磨损小,适合长距离施工;施工;d.刀盘所
7、受扭矩小,更适合大直径隧道施工;刀盘所受扭矩小,更适合大直径隧道施工;e.适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的互层等地层。特别适用于地层含水量大、上方有水体的越江隧道和海底隧互层等地层。特别适用于地层含水量大、上方有水体的越江隧道和海底隧道。道。 随着施工技术的不断进步,泥水平衡式盾构适用的范围也在不断扩大。随着施工技术的不断进步,泥水平衡式盾构适用的范围也在不断扩大。泥水平衡式盾构特点泥水平衡式盾构特点1617泥水盾构有两种体系。即日本体系和德国体系日本体系为直接控制型,德国体系为间接控制型18直接控制型
8、泥水盾构 日本和英国一般采用直接控制型直接控制型泥水盾构直接控制型直接控制型泥水系统流程如下:送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆送入盾构的泥水仓,与开挖泥土进行混合,形成稠泥浆,然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站,经分离后排除土碴,而稀泥浆流向泥浆池,再对泥浆密度和浓度进行调整后,重新送入盾构的泥水仓循环使用。泥水仓中泥浆压力,可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。由于送泥泵安在地面,控制距离长而产生延迟效应不便于控制泥浆压力,因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。19间接控制型泥水盾构 德国采用间接控制型泥水盾构,其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板,
9、在半隔板前充以压力泥浆,在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气,形成空气缓冲层,气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上,由于接触面上气、液具有相同压力,因此只要调节空气压力,就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。刀盘刀盘送泥管送泥管排浆管排浆管泥水泥水压缩空气压缩空气气垫室气垫室泥膜泥膜20两种体系的比较 间接控制型泥水盾构与直接控制型泥水盾构相比,泥水压力的波动小,对开挖面土层支护更为稳定,对地表变形控制也更为有利。切口水压波动示意图21两种体系的比较缓冲气压室示意图2223 1 1、盾构掘进系统、盾构掘进系统 包括泥水盾构掘进机(即主机、刀盘)和使其运转的动力设备、装载动力设备以
10、及与掘进机同时前进的后配套拖车。刀盘主机拖车双刃滚刀双刃滚刀 切刀切刀刮刀刮刀24 破碎型式颚式驱动方式液压驱动最大破碎粒径600mm频率最大5次碎石机碎石机25 2、泥水加压和循环系统 包括进排泥泵、保压系统、进排浆管路及相关设备。26泥水系统的作用泥水系统的作用 一是及时向开挖面的泥水仓提供掘进施工需求的一是及时向开挖面的泥水仓提供掘进施工需求的泥浆,用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技泥浆,用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面的要求;挖面的要求; 二是及时把切削下来的土砂形成的混合泥浆输送到二
11、是及时把切削下来的土砂形成的混合泥浆输送到地面进行分离和处理,再将回收的泥浆调整利用。地面进行分离和处理,再将回收的泥浆调整利用。 泥水系统与盾构的选型、掘进速度、地质条件等紧泥水系统与盾构的选型、掘进速度、地质条件等紧密联系在一起的,不同的地质条件应采用不同的泥密联系在一起的,不同的地质条件应采用不同的泥水系统模式。水系统模式。27支护泥水作用支护泥水在泥水盾构掘进中起着重要作用:支护泥水在泥水盾构掘进中起着重要作用: 在开挖面土体表面形成泥膜,泥膜厚度随渗透时在开挖面土体表面形成泥膜,泥膜厚度随渗透时间增加而增加,从而有效提高渗透抵抗力。间增加而增加,从而有效提高渗透抵抗力。 支承、稳定开
12、挖面土体。支承、稳定开挖面土体。 盾构借助泥水压力与正面土压产生泥水平衡效果,盾构借助泥水压力与正面土压产生泥水平衡效果,有效支承正面土体。有效支承正面土体。 对刀盘和刀头等切削设备有冷却和润滑作用。对刀盘和刀头等切削设备有冷却和润滑作用。28泥水配比设计主要由膨润土、CMS、纯碱和水组成 膨润土的作用提高泥水粘度、比重、悬浮性、触变性 CMS(缩甲基淀粉)的作用降低失水率、增加粘度 纯碱(碳酸钠)调节PH值、分散泥水颗粒 29泥水的技术指标 泥水比重 为使开挖面稳定,须将开挖面的变形控制在最低限度以内,希望泥水比重要相当高。但比重高的泥水使得送泥泵处于超负荷状态,并将导致泥水处理的困难;而比
13、重低的泥水虽具有减低泵的负荷等优点,但却产生了逸泥量的增加、推迟泥膜的形成。 一般的泥水比重在1.051.3范围内较适宜。 泥水的粘度 可通过将泥水从漏斗容器流出的时间来判定泥水的粘性,表示出外观的粘性(在清水中500cc漏斗粘性是19秒)。通常是采用2540秒/500cc左右值的泥水。30泥膜形成机理 类型1:几乎不让泥水渗透,仅形成泥膜。 类型2:地层土的间隙较大,仅让泥水渗透过去,没有形成泥膜。 类型3:是上述两种类型的中间状态,边让泥水渗透,边形成泥膜。31 控制膨润土掺入比 控制CMS掺入比 控制纯碱掺入比 新浆+回收浆 新浆+回收浆+CMS 新浆+回收浆+HEF 回收浆+CMS 回
14、收浆+HEF 回收浆+膨润土+碱32 3 3、泥水分离处理系统、泥水分离处理系统 主要对泥水中携带出来的砂土进行分离。主要对泥水中携带出来的砂土进行分离。采用振动筛和旋流器进行分离。采用振动筛和旋流器进行分离。33 4 4、管片安装和盾尾壁后注浆系统、管片安装和盾尾壁后注浆系统 主要作用是为开挖后的空间提供支撑和及时充填盾构主要作用是为开挖后的空间提供支撑和及时充填盾构机外壳前移后留下的空间。包括管片安装机、吊机、注浆泵机外壳前移后留下的空间。包括管片安装机、吊机、注浆泵和相应管路。和相应管路。n管片安装机结构示意图管片安装机结构示意图同步注浆示意图同步注浆示意图3435盾构到达盾构始发36(
15、一)(一) 盾构始发、到达盾构始发、到达 一般来说,盾构始发和到达技术的关键在于洞口地基加固范围、效一般来说,盾构始发和到达技术的关键在于洞口地基加固范围、效果和洞圈止水密封的效果。果和洞圈止水密封的效果。 包括高压旋喷桩、搅拌桩、冷冻、钢板桩、降水等工法,根据不同的地质情况选用各种工法组合。 地基加固的长度要综合考虑破除洞门后的土体稳定能力和洞门密封防水效果,加固长度最好大于盾构主机长度。37高压旋喷施工高压旋喷施工38盾构组装盾构组装39洞门密封洞门密封40盾构始发盾构始发41洞内管线洞内管线布置布置排泥管400送泥管备用管路循环水管排污管人行走道运输轨线高压电缆风管照明线路成型隧洞42(
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