马蹄形盾构设计与施工

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。
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
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
五、 关键技术与研究的问题
2、进一步研究的问题
1.大断面马蹄形盾构机技术集成与制造 2.大断面马蹄形盾构隧道管片设计 3.大断面马蹄形盾构施工技术 4.盾构机在线监测技术
五、科研创新
目前已经开始的科研内容为管片钢筋应力监测仪器的埋设，共计15环，已 经完成12环。
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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。
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。
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
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
（Fra Baidu bibliotek）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。
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。
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
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
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。
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
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
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
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
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。
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。