第四讲 盾构TBM施工方法.ppt

第四讲第四讲 盾构盾构/TBM/TBM法隧道施工方法法隧道施工方法主要内容•与传统盾构法相关的主要参数及问题•与TBM法相关的主要参数及问题•Mixed Face 的相关参数及问题•其它问题0 前言　盾构 －Shield Driving( Open, EPB, Slurry) TBM – Tunnel Boring Machine (Shielded) 顶管－ Pipe Jacking当前的趋势：盾构和TBM越来越密切结合，特别是城市地下工程的大力发展，导致Mixed Face 和Mixshield 的出现已经成为不可避免！顶管工程的最大直径和最大尺寸问题也已经多次提到议事日程！1.1.盾构盾构 －－Shield Driving( Open, EPB, Slurry)2.1.1 就盾构而言,不论是敞开式, 土压平衡式还是泥水平衡式3.盾构, Shielding 是不可或缺的！Segment Lining 是必须的． 4. 5.1.2 敞开式盾构易于发展异型盾构，而土压平衡式和泥水平6.衡式盾构可以发展似圆异型盾构．7. 8.1.3 异型盾构能够发挥其特性，从而满足各种不同功能的要求9.1.4 异型盾构多发源于日本，我国上海已经成功应用．10.1.5 Smart Solution Project in Kuala Lumpur / Malaysia 是用11.圆形盾构解决隧道多功能问题的成功途径！12.1.6 EPB & Slurry TBM 是城市地下工程中广泛采用的方式，尤13.其是对于愈来愈复杂的城市地下环境而言．我国上海成功应用异型盾构的例子异型管片异型盾构隧道Smart Solution Project in Kuala Lumpur / MalaysiaLime stone strata are the key question to be solved上海复兴路双层隧道1.7 怎样选择合适的盾构机型？ 敞开式适合于稳定地层，无地下水的地质条件且对地表沉降的要求不高情况下（＜２cm)； 对于土压平衡或泥水平衡盾构，则需要考虑诸多因素的复合作用，尤其是对混合地层条件下盾构机选型问题，需要特别值得重视（新加坡DTSS T-05和T-06项目，经验教训值得参考和借鉴）　混合地层是指：土和砂砾石的混合，土岩混合或者岩石强度差别很大的隧道断面并伴有地下水存在的情况． Dr. Herrenknecht 提供的德国常用的土压与泥水平衡盾构选择应考虑的颗粒尺寸因素土体颗粒影响曲线(中文译文)盾构选型应考虑的三个重要土层参数：稠度指数Ic，渗透系数K和容重r土层的粘稠度指标土层的粘稠度指标IcIc 和渗透系数以及弃土土体容和渗透系数以及弃土土体容重等参数对盾构机选型的影响重等参数对盾构机选型的影响( (中文译文中文译文) )最适合于土压平衡盾构的流塑性土层1.8 盾构选型应考虑的主要土层参数 1.8.1 土体的颗粒大小分配结果; 1.8.2 土体的粘稠度指标Ic (包括土体的液限,塑限等); 1.8.3 渗透系数κ（实际中应考虑地下水的情况） 1.8.4 弃土容重γ1.9 参数探讨 土体的颗粒级配, 渗透系数κ和弃土容重γ是我们已有的岩土工程勘察报告中比较容易获得的数据, 且易于理解和使用; 土体的粘稠度指标Ic (包括土体的液限,塑限等)的基本概念如下: Ic = 1-IL IL = (W-WL) / (WL-WP) IP = WL-WP Ic – Consistency Index ／粘稠度指数 IL -- Liquidation Index／液性指数 IP – Plasticity Index ／塑性指数 ( IC ≥ 1)( 1 > IC ≥ 0.75)( 0.75 > IC ≥ 0.25)( 0.25 > IC ≥ 0)( IC < 0)IcIc – –粘稠度指数与和粘稠度指数与和I IL L -- -- 液性指数与土体状态之间的关液性指数与土体状态之间的关系系土体的含水量界限图2 . TBM – Tunnel Boring Machine2.1 岩石的基本构成：　　火成岩　－　Igneous Rocks　　沉积岩　－　Sedimentary Rocks　　变质岩　－　Metamorphic Rocks 岩石与矿物地层结构岩石与矿物地层结构三种岩石的相互转换示意图三种岩石的相互转换示意图火成岩沉积物沉积岩变质岩岩浆2.2 常见火成岩的分类常见火成岩的分类酸性的中性的碱性的超碱性的深成的半深成的火山的2.3 常见的沉积岩分类砾质的砂质的 钙质的粘土质的铁质的2.4 常见的变质岩分类角闪岩石英岩大理岩片麻岩板岩千枚岩片岩长英片麻岩2.5 岩体的不连续性节理(裂隙)化岩体岩土工程解译节理面原岩石2.6 岩石的基本力学特性指标Strength – Resistance to (bulk) failure under elementary stresses such as compression, tension or shear - Effect of confining pressure, temperature， strain rate, pore- liquid pressure, specmen size, etc. on strength properties.强度　－　单位应力（压缩，拉伸或剪切）作用下岩石抵抗破坏的能力　围压，温度，应变速率，空隙液体压力，试件尺寸等影响强度特性．Deformability – Resistance to change of shape or volume变形特性　－　岩石抵抗形状或体积改变的特性．Hardness – Resistance to a local (surface) failure by indentation or scratching 硬度－岩石抵抗由于压入或刮入而带来的局部（表面）破坏的特性Fracture toughness – Resistance to fracture propagation断裂粗糟度－岩石抵抗裂缝扩展的特性Coefficient of friction – Resistance to sliding of two bodies with planar surface in in contact摩擦系数　－　紧密接触的两岩石面间抵抗滑动的能力 Crushability and millability – Resistance to comminution (reduction of a substance to a power)“Extractability” – Resistance to fragmentation and disruption by different extraction processes such as rock cuttability, drillability, balstability of blast-rock and pumpability of cuttings under certain“idealized” or standard operating conditions.岩石抵抗破碎或扰动的能力：．．．．Abrasivity – Ability of rock to induce wear on mechanical tools and aparatus岩石抵抗机械工具或设备侵入的能力Boreability – The value of TBM penetration rate divided by force on single disc隧道的可开挖性－TBM的惯入度（mm)与单个滚刀上所受的平均力（吨）的比值2.7 岩体可开挖性的量化Rock mass cuttability and drillability is, in its simplest form, defined as a factorproportional to net cutting or net penetration rates;Or more precisely, definition for rock cuttability is rock resistance to tool indentation for an unit depth of cut, such as the critical normal force Fnin roller-disk cutting.2.8 岩石的磨损性能－刀具寿命　　Rock Abracivity – Tool service life螺旋输送机的磨损单刀磨损单平台磨损多平台磨损刮刀磨损情况双刀磨损情况岩石切削工具的磨损过程三种不同结构的岩体造成的冲击对刀具有重要影响材料磨损破坏的四种基本模式刀具磨损速率随材料硬度比的变化曲线刀具速度与磨损速率的关系曲线2.9 岩石的磨损指标－CAI (CERCHAR Abracivity Index)典型岩石的CAI值描述岩石磨损性能的其它参数与CAI值之间的关系CAI Versus UCS Curve一些岩石的相关参数统计资料2.10 TBM隧道中重要的岩石参数•UCS – Unconfined Compressive Strength: 单轴抗压强度•TS – Tensile Strength: 抗拉强度•CAI – CERCHAR Abracivity Index: CERCHAR磨损指数•Contents of abrasive minerals:磨损矿物的含量2.11 岩体分类•RMR-Rock mass rating system•RQD-Rock quality designation•Q-system-Rock mass quality3. 复合／混合地层(Mixed Face)的相关参数及问题3.1 复合地层的概念　－　参见鞠世健先生的有关讲义，　　但应注意以下问题：　　隧道横断面复合及其形式；　　隧道纵断面复合；　　土和沙，砾石的符合（北京地铁问题）；　　3.2 盾构／TBM的推进速度的估算与折算　　将在隧道的可掘性中讨论3.3 盾构/TBM的非正常震动与螺旋输送机的卡机问题　　有待于进一步研究典型的岩石混合／复合断面　Typical Mixed Face4 其它问题•　顶管问题－最大直径问题　　　　　　顶进长度问题　　　　　　岩石顶管问题　　　　　　中继站问题•　惯入度的经验值Rock UCS-PenetrationRock UCS Rock UCS Penetration Mpa Mpa mm/rpm ScopeMean valueMean Value<50508.550-110807.5110-1801454.45159-232195.53.5ca.2652652.8ca.3003002.2惯入度与滚刀受力之间的关系曲线不同岩石与１７寸滚刀寿命之间的关系TBM推进速度与节理间距之间的统计关系隧道直径，出渣量和运输量之间的关系曲线。