马蹄形盾构设计与施工
黄土地层大断面马蹄形盾构隧道渣土改良技术
. A难l以l达R到i此g理ht想s状态R，es且e当r土ve舱d内.土体
流塑性差时，易发生堆积、压密，固结，导 致渣土难以排送，开挖面难以稳定，进而 影响盾构机的掘进效率、掘进成本，甚至 影响工程质量。因此，渣土改良对土压平 衡式盾构的施工至关重要[2]。
针对不同地层，学者们进行了大量 渣土改良的试验。张淑朝[3]、胡长明[4]、马 连丛[5]等学者针对砂卵石地层开展了室 内试验和现场试验，确定了适用于砂卵 石地层的土体改良剂及其合理的配比； 申兴柱[6]、钟小春[7]等通过室内试验，揭示 了不同改良剂对砾砂地层土体的改良效 果，以及改良剂不同浓度、掺量及不同组 合对渣土改良效果的影响规律，并提出 了针对性的配比方案；胡长明[8]、刘彤[9]等 针对砂性地层采用添加泡沫剂和膨润土 等方法进行改良，结合现场掘进试验分 析改良效果，研究出适用于砂性地层的 渣土改良方案。叶新宇[10]、肖超[11]等针对 南昌地区泥质粉砂岩，进行了渣土改良 试验，测试了改良后渣土的性能，并结合 现场实际情况对碴土改良的效果进行了 评价。杨志勇[12]等对北京地区 3种典型 地 层 ：粉 土 、粉 质 黏 土 、黏 土 地 层 ，粉 细
研究地铁马蹄形隧道钢弹簧浮置板施工工艺
研究地铁马蹄形隧道钢弹簧浮置板施工工艺一、盾构区间和马蹄形隧道施工差异马蹄形隧道和盾构区间施工中主要是马蹄行隧道在浇筑完基础后在基础上直接浇筑浮置板，地下小门吊走形轨在道床以上部位；马蹄形隧道因结构差异，洞内小门吊走形轨位置不能错开轨道道床，在现有的施工工艺中增加了两次混凝土浇筑和一次走形轨安拆工作，在原有基础上降效60%，严重影响轨道施工进度，为减少施工投入，提高施工工效在原有施工工艺上对其进行研究。
二、马蹄形隧道钢弹簧浮置板施工工艺1）基标测设复测完毕控制基标后进行施工基标加密，加密基标每5m设置一处，测量误差满足规范要求。
2）隧道结构尺寸偏差检查根据测设的施工基标点，检查铺设浮置板地段的实测轨道高度同设计轨道高度、线路设计中心线同实测轨道中心线的偏差是否满足浮置板轨道设计的需要。
对于设计线路中心线同实际线路中心线偏差大，浮置板轨道无法按设计要求施工的地段，由测量人员将测量数据反馈至设计单位，设计单位根据具体情况确定处理方案。
3）基底处理（1）基底钢筋绑扎。
浮置板基础钢筋在铺轨基地加工，人工倒运至施工作业面进行绑扎，绑扎前对隧道基底面的垃圾、泥浆、杂物等进行清理。
曲线地段以浮置板基础标高设置曲线超高，同断面上浮置板基础顶面始终与左右股轨顶面的横向连线平行。
由于浮置板基础中心与轨道中心存在偏心，基底钢筋网中心线向曲线外股偏离。
（2）支立中心水沟模板。
浮置板基础中心水沟模板采用具有可重复使用、不易变形的专用矩形封闭式钢模板，模板平顺安装并对进行加固处理防止松动。
曲线地段支立模板时，模板垂直于轨顶连线。
（3）基底混凝土浇筑。
根据测量高程控制基线，严格控制浮置板基础的高程及表面平整度，混凝土施工完毕后，对散落于隧道管壁的混凝土及时进行清理。
（4）基底检查、整修。
基础混凝土浇筑完毕后，对隔振器位置的高程、水平度进行检查，对于偏差尺寸不满足设计要求的地段进行整修。
4）水沟盖板及隔离层设置浮置板基础施工完毕后，设置水沟盖板及隔离层。
浅析马蹄形断面隧洞爆破开挖施工技术
浅析马蹄形断面隧洞爆破开挖施工技术文章通过对宁夏固原地区城乡饮水安全水源工程1#北山隧洞的爆破开挖施工，着重介绍了其风、水、电布置、出渣设备配置、爆破开挖控制等施工方法，有效的保证了隧洞掘进进度和施工期质量安全，同时节约施工成本，可供类似工程借鉴。
标签：马蹄形断面；排气通风；钻爆法；隧洞开挖1 工程概况宁夏固原地区城乡饮水安全水源工程1#（北山）隧洞位于泾源县城郊北山上，龙潭水库～中庄水库段的14+954～16+916，总长1962m。
隧洞采用马蹄形断面，底拱弦长1.80m，侧拱半径3.505m，圆心角21.77°；顶拱半径1.15m，圆心角180°；最大净高2.45m，最大净宽2.30m；设计水深1.48m，比降i=1/2750。
隧洞设计采用C25、F100、W10钢筋混凝土衬砌，顶拱衬砌厚30～35cm，侧拱衬砌厚35cm，底拱找平后的最大衬砌厚43.8cm。
隧洞初期支护形式根据围岩类别分为喷锚支护、拱架支护和管棚支护三种方式。
受实际地形地貌限制，隧洞不具备支洞施工条件，需从进出口两个工作面掘进，单个工作面掘进长度接近1000m。
工程地质条件：隧洞进口段围岩为第三系始新统砂质泥岩、砾岩，中后段主要为白垩系下统乃家河组、马东山组泥岩夹泥灰岩，为软岩，易软化、崩解和风化。
洞长1962m，Ⅴ类围岩长度1221m，约占总长的62.27%；Ⅳ+Ⅴ类围岩长度741m，约占总长的37.73%。
围岩条件总体较差，而且隧洞埋深较大。
2 施工布置2.1 施工道路布置施工道路可考虑以隧洞基础作为洞内出碴道路，洞外与场区内临时施工道路连接至弃渣场。
洞内每间隔200m设置一个错车道方便出渣车辆交错行进。
2.2 开挖施工设备选择手持式YT-27型气腿式凿岩机钻孔，WZG-80型履带式扒渣机配合2T自卸翻斗车装岩运输出渣。
2.3 施工供风隧洞用风分施工机械用风和空气对流用风。
施工机械用风主要是凿岩机和风钻用风。
马蹄形盾构机研制关键技术及工程应用
马蹄形盾构机研制关键技术及工程应用贾连辉;范磊;冯猛【摘要】为提高马蹄形隧道机械化施工水平,以蒙华铁路白城隧道项目为依托,研制马蹄形盾构机.其关键技术包括:提出低扰动多刀盘、多驱动协同开挖技术,推导小刀盘扭矩系数计算公式;研究马蹄形管片分块方式,设计1种多自由度变曲率管片拼装机,解决变曲率、大重量管片的拼装难题;研究双螺旋输送机联合出渣技术,基于Fluent仿真分析对开挖面进行流场仿真,通过压力监控及反馈实现双螺旋输送机土仓压力实时控制;设计梭式盾体结构,给出无铰接盾构机最小转弯半径计算方法,并提出相应的纠滚措施.研制的盾构机在施工过程中掘进性能良好,能满足安全、快速、环保施工的要求.针对出现的排渣不畅问题,提出利用高压水射流技术对渣土进行切割冲刷,在螺旋输送机上部设置2个推土器装置;而对出现的顶推力过大问题,则采取增大下部3个刀盘的直径等改造措施.改造后的马蹄形盾构机在蒙华铁路白城隧道的成功应用,使得马蹄形隧道使用盾构法施工成为现实.【期刊名称】《中国铁道科学》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】10页(P61-70)【关键词】马蹄形盾构机;多刀盘协同开挖技术;刀盘扭矩系数;管片拼装机;双螺旋输送机【作者】贾连辉;范磊;冯猛【作者单位】中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016;中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016;中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016【正文语种】中文【中图分类】U455.3目前，在隧道施工中，圆形隧道因其良好的受力结构形式，同时具有施工自动化程度高的优势，广泛应用于城市地铁隧道、引水隧道、地下管线等工程[1-2]。
但圆形隧道同时也存在一定的缺点，隧道修建完成后，需要对开挖出的圆截面巷道底部进行预制仰拱块铺设等处理，以满足车辆运营使用等要求，但此过程无疑是对开挖空间的浪费[3-4]。
近年来，矩形盾构隧道发展较为迅速，虽然在空间利用率方面表现更为突出，但其结构形式却限制了管片承受隧道深覆土压力的能力，对于开挖面大、覆土深的隧道，很难满足要求[5-6]。
暗挖马蹄形断面隧道结构计算专项说明书
暗挖隧道断面A构造计算书一、工程概况暗挖隧道断面A合用于里程：右CRK0+385.715～K0+876.000，左CRK0+385.715～K0+906.500。
施工采用暗挖台阶法，覆土高度从3.7m到10.8m。
选用覆土最深旳右线CRK0+488.000处断面进行构造内力计算。
计算程序采用Midas有限元软件(6.1.1版)，荷载组合按《建筑构造荷载规范》(GB50009-)执行，断面尺寸配筋计算及有关验算按《混凝土构造设计规范》（GB50010-）有关规定执行。
二、工程地质与水文地质状况构造所处地质属于第四系地质，土层基本上以填土、粉土、粉质粘土、砂土和圆砾卵石为主，具有一定旳粘土；构造所处土层为卵石圆砾（5），中粗砂（5--1），粉土（6--2），中粗砂（7--1），构造上重要覆土为填土、粉土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂。
根据提供旳地质资料，计算采用地质资料提供旳地层参数，其地质状况及参数选用见表1。
计算水位采用地质报告提供旳抗浮水位（标高30m）。
表1：土层参数表覆土加权容重()∑∑=-iiihhγγ=19.4kN/m3；断面所在土层加权容重()∑∑=-iiihhγγ1＝20.3kN/m3，断面土层加权侧压系数为()∑∑=iiihhKK1=0.33，水平与竖直基床系数按地质报告资料取平均值为55 MPa/m3。
三、构造尺寸旳拟定构造高6.28m，宽5.9m，初衬厚0.25m，二衬厚0.3m，具体构造断面尺寸如图1所示。
图1：暗挖隧道单线马蹄形断面图四、模型及荷载组合1.计算模型本次计算按照平面应变模型进行，采用构造－荷载模式。
根据地下构造旳埋深以及穿越土层旳地质特点，将构造覆土换算成上覆土荷载和侧土压力荷载，施加在构造上进行构造内力分析。
二衬构造计算时考虑水压力旳作用，采用水土分算及水土合算分别进行内力分析。
计算时假定初衬承当所有土荷载，不承当水荷载。
二衬承当70％旳土荷载及所有旳水荷载。
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盾构施工具有保压系统和注浆系统， 不会出现无支护状态，下穿高速公路、 盾构法更 天然气管及供水管可能造成管线及路 安全 面变形，出现管线或路面破裂概率很 小。
质量
1、盾构施工采用专业的装备和专业化 队伍，盾构管片采用工厂预制法生产， 1、隧道施工中可能产生超欠挖，二衬混凝土振捣不密实、拱 作业更规范、监管更容易，但管片拼 盾构法质 顶填充不密实等质量通病。 装过程可能局部出现错台和破损现象。 量更高 2、防水板铺设不规范及施工缝处理不到位，易造成隧道渗漏。 2、管片接缝采用成熟的防水橡胶，根 据地铁隧道对比管片砌块式衬砌防渗 效果明显优于复合衬砌。 需要进行土方开挖及喷射混凝土作业，内燃机械洞内作业，粉 采用电动机械密闭施工，基本无粉尘、 盾构法环 尘、废气大，施工环境差。 废气产生。 保更好 能满足工期要求。 能满足工期要求。 均等 掌子面施工稳定时，投资较低。 投资较高，采用成本利润法，总投资 盾 构 法 投 较矿山法约高出15%。 资稍高
二、马蹄形盾构方案比选
3、施工工法对比
对比 指标 矿山法 盾构法 对比结果
安全
1、隧道进出口浅埋段为松散的粉细沙地层，不能自稳，容易 发生流砂及坍塌。 2、洞身砂质新黄土，地层松散，掌子面不易稳定，易坍塌。 3.下穿包茂高速、天然气管及供水管段地表沉降不易控制，易 导致地表开裂，气管水管开裂等不利影响。且地方交通厅对于 穿越包茂高速要求地表设置桥梁跨越。
预留核心土法
三台阶开挖法
一、问题的提出
1.土质山岭隧道施工方法-超前加固
一、问题的提出
1.土质山岭隧道施工方法-施工机械
一、问题的提出
2、存在的风险
隧道塌方 软岩大变形
安全风险大 施工质量差 施工进度慢 作业环境差
机械化程度低
拱顶开裂
洞壁开裂
大量施工粉尘
一、问题的提出
3、盾构工法-分类
采用液压驱动； 开挖面设置刀盘9个； 单个刀盘最大驱动扭矩3044kn/m； 装机总功率3726kw。
二、马蹄形盾构方案比选
6、马蹄形盾构设计概况
①整机长度118m，整机重量1600t。 ②采用双螺旋输送机出土，连续皮带 机运渣，仰拱栈桥同步进行仰供填充。 ③马蹄形盾构体现的不仅仅是断面、 外观上的变化，更反映工法、技术上 的革新，它能够最大程度增加空间利 用率。 开启了黄土隧道开挖新模式。
中埋
深埋
三、隧道盾构管片设计与预制
2.管片预制
5月8日开始预制，受天气 及场地条件限制管片预制于11 月13日停止本年生产，截至目 前已经生产管片966环，管片 剩余936环。 现场贮备量满足明年管片 预制复工前掘进使用量。
三、隧道盾构管片设计与预制
管片钢筋笼制作
三、隧道盾构管片设计与预制
管片混凝土浇筑
二、马蹄形盾构方案比选
4、盾构选型
二、马蹄形盾构方案比选
2016年7月17日， 马蹄形盾构在中铁装备国 家TBM产业化基地成功下线。
世界首台马蹄形盾构工厂组装整机图
二、马蹄形盾构方案比选
5、马蹄形盾构基本设计参数
盾构外轮廓高10950mm、宽11900mm； 最大推进速度60mm/min；
最大推力13948t；
三、隧道盾构管片设计与预制
1.管片设计情况
断面 超浅埋 浅埋 位置 管片内侧 管片外侧 管片内侧 管片外侧 管片内侧 管片外侧 管片内侧 管片外侧 最大弯矩 （kN·m） 594.0 673.5 647.2 842.5 922.9 1133.0 622.8 803.3 最大弯矩处 轴力（kN） 1998.4 2617.6 2816.0 3504.0 4094.4 5092.8 2628.8 3289.6 配筋（每环） 8Φ22+4Φ20+2Φ18 14Φ20 8Φ22+6Φ20 8Φ25+6Φ22 8Φ28+4Φ25+2Φ22 14Φ28 8Φ22+2Φ20+4Φ18 6Φ25+8Φ22 裂缝（mm） 0.16 0.185 0.13 0.182 0.164 0.189 0.147 0.190
不同断面的盾构 单圆盾构
多圆盾构
非圆盾构
椭圆形盾构
矩形盾构 马蹄形盾构
一、问题的提出
3、盾构工法-单圆盾构
一、问题的提出
3、盾构工法-多圆盾构
双圆盾构
三圆盾构
一、问题的提出
3、盾构工法-非圆盾构
矩形盾构
马蹄形盾构
相比于单圆盾构隧道，异形盾构隧道（多 圆盾构隧道和非圆盾构隧道）具有断面利 用率高、工程造价低的优点。
环保 工期 投资
二、马蹄形盾构方案比选
4、盾构选型
白城隧道主要穿越地层以粉砂、细砂、砂质新黄土为主，细颗粒含量 足够，天然含水量较低，弱透水。隧道黄土地基承载力为180kPa，盾构机 主机重量与盾体投影面积比值（40kPa）小于该数值，能够保证主机掘进过 程中不会下沉。 采用土压平衡盾构机掘进时，易于获得流塑性良好的渣土，建立土仓 的平衡压力，掘进时能够有效控制地表沉降。并且黄土地层土压平衡盾构 施工已经有成功经验，投资要低于泥水平衡盾构。 综上所述，本隧道工程应采用土压平衡盾构。
四、隧道施工
2.进度计划
（1）2016年11月1日～30日 ，月掘进64米；
（2）2016年12月～2017年1月，月掘进240米； （3）2017年2月～2017年9月，月掘进300米； （4）2017年10月，月掘进160米； （5）2017年11月，接收准备、隧道贯通。 在盾构掘进期间可进行仰拱可填充、电缆沟槽
马蹄形盾构隧道设计与施工
主讲人：申志军（教高） 蒙西华中铁路股份有限公司 2016年12月
内容提纲
一、问题的提出 二、马蹄形盾构比选 三、盾构管片设计与预制
四、隧道施工 五、关键技术和需研究的问题
一、问题的提出
1.土质山岭隧道施工方法
初期支护 二次衬砌 核心土 二次衬砌 中台阶 下台阶 仰拱填充 仰拱填充 初期支护 ≤2D 上台阶 初期支护
二、马蹄形盾构方案比选
4、盾构选型
项目 马蹄形盾构 无砟 圆形盾构 轨面以上有效净空面积 66.1 69 轨面以下有效净空面积 15.1 19.3 全部净空面积 81.2 88.3
采用马蹄形断面较圆形断面内
轮廓可减少约7.1m³，减少部 位为圆形断面仰拱底部混凝土 仰拱填充，马蹄形断面可显著 减少传统盾构的仰拱底部混凝 土圬工方，节省工程投资，推 荐采用马蹄形盾构断面形式。
施工、部分附属工程施工，沉降观测期内施工
完成出口明洞。
五、 关键技术与研究的问题
1、关键技术
①大断面马蹄形盾构多刀盘联合分 步开挖技术 ②多马达平衡负载协同驱动技术 ③大断面马蹄形盾构管片拼装技术 ④黄土地层大断面马蹄形盾构复合 式渣土改良技术 ⑥大断面马蹄形盾构管片分块与接 头设计技术 ⑦大断面马蹄形盾构防滚纠偏技术 ⑧大断面马蹄形盾构机在线监测与 施工控制技术
三、隧道盾构管片设计与预制
管片水池养护
四、隧道施工
1.盾构掘进
白城隧道马蹄形盾构于2016年7月17日在国家TBM产业化中心下线， 2016年10月20日首环负环拼装，2016年11月11日举行始发仪式，目前已经 掘进51环，合计81.6m。 本项目前100环定为始发段，始发段主要是设备、人员磨合、掘进参 数及工序组织优化阶段，目前已经初步掌握地层特点及适合地层的掘进参
椭圆形盾构
二、马蹄形盾构方案比选
1、依托工程-白城隧道
白城隧道位于陕西省靖边县内，隧道全长3345m，为时速120km单洞双线 电气化重载煤运铁路隧道，隧道最大埋深为81m。
二、马蹄形盾构方案比选
1、依托工程-白城隧道
白城隧道主要穿越地 层以粉砂、细砂、砂质新 黄土为主，细颗粒含量足 够，天然含水量较低，弱 透水。
二、马蹄形盾构方案比选
2、工程特点
（1）隧道进出口浅埋段较长，浅埋段为松散的粉细沙地层，不能自稳，容 易发生流砂及坍塌。
二、马蹄形盾构方案比选
（2）隧道穿越的第四系上更新统砂质新黄土具湿陷性，隧道洞身部分地段位 湿陷深度以内，需进行基底处理。
二、马蹄形盾构方案比选
（3）白城隧道下穿包茂高速、天然气 管及供水管段，沉降控制要求高，盾构 穿越施工风险存在。
二、马蹄形盾构方案比选
世界首台马蹄形盾构现场组装图
二、马蹄形盾构方案比选
世界首台马蹄形盾构现场组装图
二、马蹄形盾构方案比选
世界首台马蹄形盾构组装完成内部图
三、隧道盾构管片设计与预制
1.管片设计情况
白城隧道断面为3种半径4个圆
形，管片设计为马蹄形断面，设计
宽度1600mm，厚度500mm，整环管 片分为7片+1片=8片，成环尺寸高
数，单日最高进度4环（6.4m），后期进度基本能保证日均6环（9.6m）。
四、隧道施工
马蹄形盾构首环成功拼装
四、隧道施工
掘进参数控制
四、隧道施工
马蹄形盾构掘进出土情况
四、隧道施工
隧道内碴土运输连续皮带机
四、隧道施工
弃土场
转载皮带机
连续皮带机
洞外碴土运输系统
四、隧道施工
管片拼装完成后成型隧道
度10590mm、宽度11540mm，管片设
置奇偶环，无楔形量，采取错缝拼 装，单片管片最重10t，管片混凝
土等级C50，抗渗等级P10。
三、隧道盾构管片设计与预制
1.管片设计情况
管片连接采用螺栓连接，环 向44颗RD30螺栓，纵向16颗RD36 螺栓，机械性能等级8.8级。 根据隧道埋深管片分为浅埋、 中埋、深埋管片。 管片生产共使用模具4套，8 环/天产量。管片采取固定生产方 式，养护模式采取蒸汽养护及水 池养护。白城隧道共计需要1902 环。