西安科技大学
毕业设计(论文)
开题报告
题
目： 钟楼站～永宁门站盾构区间设计 建筑与土木工程学院 土木工程 0805 班 _ 康文博 郑选荣 2012 年 3 月 院、系(部)：
专业及班级：
姓
名： 指导教 师：
日 期： 西安科技大学毕业设计(论文)开题报告
题 目 钟楼站～永宁门站盾构区间设计 选题类型 设计型 一、选题依据： 1. 城市地铁隧道施工国内外研究现状： 近年来随着国民经济的发展，交通及市政工程建设得到了迅速的发展。目前在欧美等发达国家使用盾构机进行施工的城市隧道已占 90%以上。我国目前是世界上使用盾构数量最多、发展最快、未来需求最大的市场，已是世界上的隧道第一大国。当公路,铁路，城市地铁以及重要的市政管线遇到江河，海峡等障碍或遇地面交通密集交叉，建筑物密集林立的情况时，往往必须修筑城市地下隧道。这类隧道在地表以下埋置较深，多采用暗挖法施工， 当隧道长度大于 1000m 时，采用盾构法施工的工程屡见不鲜。盾构是一种钢制活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底，海底，以及城市中心区修筑隧道的一种机械。盾构法施工技术经百余年的发展，改进，完善，技术已日趋成熟。现代盾构已不再局限与圆形断面，各类矩形，椭圆形，双圆形以和三圆形等。已成功的应用于各类地下工程的建设和施工中，世界盾构的数量逐年在上升，施工方法也逐步多样化。盾构法施工隧道的优点表现在施工作业可在盾构设备的掩护下，安全地进行地下开挖与衬砌支护工作； 施工时振动和噪音小，对周围环境及附近居民几乎没有干扰；施工时不影响地表交通和航海通海；不受气候条件的影响；施工机械化程度高，施工管理容易。在土质差，水位高， 埋深大的隧道施工中，有较高的技术经济优越性。该施工技术目前存在的主要问题是当覆土较浅时，开挖面稳定甚为困难；曲率半径较小的曲线段施工比较困难；在饱和含水层中， 防水技术要求高；此外目前还不能完全防止盾构施工地区的地表沉降，只能采取严密措施把沉陷控制在最小限度。我国经过几十年来特别是改革开放以来的快速持续建设,我国在隧道及地下工程领域已得到了很大的发展,至今已建成各类隧道超过7000 座,隧道总长度超过4000km,隧道数量和总延长位居世界首位,并且目前仍以每年新建 200-300km 隧道的速度在增加。 2. 盾构法施工生产需求现状： 21 世纪是我国隧道及地下工程大发展的世纪,据有关专家预测,到 2020 年,我国将要完成近 6000km 的地下隧道建设,平均每年约 300km。到 2011 年,国内各种地下工程建设约需岩石掘进机、盾构机约 180 台(不包括微型机),年均需求量约为 30 台。截至目前,使用的盾构总数约有 200 多台次。城市地铁快速发展,对盾构需求最多。我国城市地铁正处在高速发展期,地铁和轨道交通规划总长度已超过 3000km。目前已建成和在建的数量仅占规划数量的10%左右,未来城市地铁建设仍将快速发展。越江隧道建设方兴未艾,对大直径和超大直径盾构的需求将有快速增长。至今有 10 个城市已建或在建 20 多座盾构法越江隧道。计划中的越江盾构隧道更多。城市各种地下管线隧道有待发展,对盾构的潜在需求大。有关专家预测, 我国城市的给水、排水、电缆、电讯、热力、输气等隧道工程的长度将超过 1000km,其对小型盾构、微型盾构或掘进机的需求量也相当大。 3．选题目的和意义： 西安地铁二号线永宁门到钟楼站区间隧道采用盾构法施工具有不影响交通,在软弱地层亦有较强的适应性,地表沉降易于控制,施工噪音小等优点, 而且还可避免道路两侧管线受干扰。通过对李家村到和平门区间隧道盾构法施工组织的设计的目的是为制定合理的施工进度计划，针对主要工序制定先进的施工方法和工程质量目标、安全目标、环境保护目标， 并保证质量管理体系的有效运行，以求实现优质、安全、环保、高效、低耗，取得最大的经营效果，全面地完成施工任务。
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通过毕业设计，提高综合运用基础理论、基本技能、基本知识分析和解决实际问题的能力，提倡独立思考、独立获取知识及创造性思维的开发。依据毕业设计课题任务，进行资料收集、调查研究、方案论证，掌握有关工程设计程序、方法和技术规范。提高理论分析， 绘图技能，言语表达，撰写报告以及独立解决问题等能力，提高外文翻译和计算机运用能力。4.主要参考文献：
（1） 西安地铁 2 号线钟楼站到永宁门区间隧道岩土工程勘察报告，2011 （2） 地下铁道设计规范（GB50157-2003）
（3） 《地下铁道工程施工及验收规范》 （GB50299-1999）(2003 修改版).北京：中国计
划出版社，2003 （4） （5） （6） （7） （8）
贺永年，刘志强主编，隧道工程，徐州：中国矿业大学出版社，2002 刘建航 盾构法隧道，北京：中国铁道出版社，1991 王毅才主编，隧道工程（上），北京：人民交通出版社，1987 王毅才主编，隧道工程（下），北京：人民交通出版社，1993
陈馈, 洪开荣, 吴学松主编，盾构施工技术，人民交通出版社 2009
（9） 张振宇， 盾构法施工技术在我国的应用与发展，武汉工程职业技术学院学报，
2005 年 4 期
（10） 齐宝库主编，工程项目管理，大连理工大学出版社，2009.5
（11） 李忠富，建筑施工组织与管理，北京：中国建筑工业出版社，1992 （12） 李全书主编，土木工程施工，上海，同济大学出版社，2004.8
（13） 《西安市城市快速轨道交通二号线一期工程(尤家庄~长延堡段)施工图设计第十二
册 钟楼～永宁门站 第一分册 区间隧道（一）》。
（14） Charles Jaeger.Rock Mechanics and Engineering.the University Cambridge at the University press,1972
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Mechanics.George Allen&Vnwin,1983 (16) User's Manual of FLAC.ITASCA Consulting Group,Inc.1987 (17) Coetzee M J.FLAC BASICS Condulting Group Inc.1993
二、主要研究(设计)内容、研究（设计）思路及工作方法或工作流程：
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以西安地铁二号线钟楼站到永宁门站区间隧道建设项目为对象，主要研究内容有： 隧道施工方案选择及论证：
本标段投标起点为钟楼终点为永宁门。施工方法对结构型式的确定和地铁土建工程造价有决定性影响。施工方法的选定，一方面受沿线工程地质和水文地质条件、环境条件 （地面建筑物和地下构筑物的现状、道路宽度、交通状况）等多种因素的制约，同时也会对工程的难易程度，工期，造价，运营效果等产生直接的影响。由于本标段区间在西安中心城区主干道下通过，且重要建筑物很多，根据本段区间的线路条件、周边环境和地质条件， 可比选的施工方法有矿山法、盾构法和明挖法。
1 矿山法
地铁区间隧道采用矿山法施工，是近年来为适应城市浅埋隧道的需要而发展起来的一种施工方法，也称浅埋暗挖法。目前在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。浅埋暗挖法施工工艺简单、灵活，并可根据施工监控量测的信息反馈来验证或修改设计参数和调整施工工艺，以达到安全与经济的目的。
矿山法除在施工竖井或洞口位置需占有一定的施工场地外，对地面交通、管线等干扰较少；对不同的地质情况及周边环境采用不同的工程措施及施工方法，针对性强；对软硬不均地层，可以采用不同的开挖方式进行处理，处理方便容易；对地质条件较好的地段， 工程造价省。矿山法具有适用于各种地质条件及各种断面形式的高度灵活性，与盾构法相比较不需采用大型机械和设备，可直接在隧道开挖工作面切割钢筋混凝土基础桩等特点， 且在较短的区间隧道使用也较经济。目前，该工法在我国地铁区间、车站隧道建设中已广泛采用。
矿山法也有自身的弱点：在施工中容易引起地下水流失，从而引起地面沉降，在重要管线和房屋周边需采取切实可行的保护措施；在施工中处理不当，容易引起地面坍塌，从而造成对周边环境的影响和引发施工事故。跨度大时，需分多步进行开挖施工，工序之间干扰大，施工组织麻烦，施工中存在一定的风险。
采用矿山法施工时，一般均采用马蹄形断面。隧道衬砌由初期支护、二次衬砌和夹层防水层构成复合式衬砌。初期支护由喷射混凝土及格栅钢架构成，二次衬砌采用防水钢筋混凝土。
2 盾构法
盾构法是暗挖隧道施工中一种先进的工法。盾构法施工不仅施工进度快，而且无噪音， 无振动公害，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。由于管片采用高精度厂制预制构件，机械化拼装，因而质量易于控制。地铁工程建设经验表明，由于采用高精度管片及复合防水封垫，单层钢筋混凝土管片组成的隧道衬砌可取得良好的防水效果，不需要修筑内衬结构。盾构施工的区间隧道工程质量优良、对城市环境影响小。
盾构技术的发展越来越成熟，特别是当工程地质条件差、周围环境复杂难以采用矿山法和明挖法施工时，盾构法是较好的选择。
根据以往地铁工程中的盾构区间隧道施工情况看，盾构法施工隧道也有一定的弱点。盾构机在匀质地层中施工是非常顺利的，但是地层软硬不均，尤其是在软地层中夹有坚硬的岩层、岩体、球状风化体时，给盾构机的掘进带来较大的困难，造成盾构机偏转、刀具甚至刀盘严重磨耗，不仅影响掘进速度，甚至造成施工停顿的情况发生。同时盾构施工需要较大的施工场地和机械设备。
3 明挖法
明挖法是施工中一种非常成熟的工法。明挖法施工施工进度快，投资少（在埋深小于 10 米的情况下）、质量易于控制。缺点是有噪音，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等有影响。 4
当隧道埋深较浅，且地面有足够的施工场地的地段，一般采用明挖法施工。明挖法施工的区间隧道，需因地制宜选择基坑围护措施。
4 工法比选
由于盾构隧道对控制地表沉降优势较明显，综合分析以上因素，结合整体工程筹划考虑，采用此法建造隧道，其埋设深度可以很深而不受地面建筑物和交通的限制。根据西安地铁二号线,钟楼站到永宁门区间隧道的实际情况，区间轨顶埋深约 14～23m。近年来由于盾构法在施工技术上的不断改进，机械化程度越来越强，对地层的适应性也越来越好。城市市区建筑公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别在市中心， 若隧道埋深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。而盾构法施工城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。此外，在建造水下公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往以其经济合理而得到采用。
（一）盾构隧道区间工程概况： 1 工程概况
钟楼站～永宁门站区间概况
钟楼站～永宁门站区间起止里程为：YDK13+259.588～YDK14+496.365，右线全长： 1236.777m，ZDK13+262.488～ZDK14+496.357，左线全长：1235.263m，盾构从永宁门站先后始发，连续下穿南城墙护城河、南城墙、南大街 2 号、3 号楼房后，沿南大街向北掘进， 至 DK13+500~DK13+300 段盾构旁穿钟楼。盾构工程：1. 盾构机旁穿”钟楼”国家级重点文物保护单位。盾构通过钟楼时应采取连续、稳步通过的方式，根据前一阶段的施工情况， 确定合理的施工掘进参数，严格控制出土数量，特别注意控制同步注浆和二次注浆的压力以及注浆量，同时应密切观测地下水位，确保盾尾密封效果。
2. 盾构机下穿”南城墙”国家级重点文物保护单位。
（1） 确定盾构通过前后 30m 的地表范围内为位移敏感区域，在盾构通过该敏感区域时加强各种技术措施。
（2） 在该敏感区域范围内，调整盾构工作顺序，合适控制开挖舱内土压力，使土压维持在 1.8～2.0bar，确保出土量使得开挖舱内始终被土体充满以维持开挖面的稳定。
（3） 在敏感区域内，密切监视土压、螺旋输送机等参数，结合地面监测情况，对盾构施工进行优化。
（4） 及时进行管片壁后同步注浆。同步注浆控制盾尾空隙的 150％～200％（3.4～ 4.5m），二次补浆为同步注浆的 20％～25％（0.7～1.13m）。浆液要满足在低注浆压力下的良好流动性以确保充满管片壁后土体空隙，同时浆液的凝固时间要短以满足尽快提高其强度的要求等。及时做二次补浆和环箍注浆，控制地层沉降的趋势。
3. 盾构机穿越”护城河”浅覆土地段。
（1） 设置土压力值 。 （2） 盾构速度和总推力。 （3） 减少纠偏次数及纠偏量 。 （4） 控制注浆压力。 （5） 防止渗漏。
隧道小半径连续曲线多，盾构通过钟楼时应采取连续、稳步通过的方式，根据前一阶段的施工情况，确定合理的施工掘进参数，严格控制出土数量，特别注意控制同步注浆和二次注浆的压力以及注浆量，同时应密切观测地下水位，确保盾尾密封效果。
4.盾构隧道沿线民用建(构)筑物的保护：（1）建筑物及其边沿以外沿东西方向 20m 隧道长度范围内为地表位移敏感区域，在盾构通过该敏感区域时加强各种技术措施。
（2） 敏感区域范围内，调整盾构土压力，控制出土量，使得开挖舱内始终被土体充满； 5
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（3） 构掘进过程中，合理使用膨润土和发泡剂在出土量中的含量（约 20%～40％），以
改善土舱内土的和易性，加强对刀盘保护，提高掘进效率，同时可以避免发泡剂管路堵塞。 （4） 若地质情况复杂或不容易确定时，密切监视土压、螺旋输送机转速等参数，结合地面监测情况，分析开挖面的稳定性，发现问题及时采取有效对策。
（5） 盾构状态的适时调整也是重要技术措施之一。从盾构进入该敏感区域之前的 15m 开始，进行盾构的全面检修和维护，逐步调整盾构的工作状态及其参数，适当降低盾构的推进速度（6~7m/d），减少盾构中间停顿时间，使得盾构能够以最佳的工作状态安全通过该敏感区域；
（6） 加强管片壁后同步注浆。
5. 区间穿越 F4 地裂缝。
（1） 在盾构掘进施工过程中，保证盾构开挖面的稳定。通过优化掘进各种掘进参数： 土舱压力、注浆方式、浆液性能、盾构坡度、盾构姿态和管片拼装偏差，在管片接缝处增加垫片厚度，增强隧道适应变形能力。本工程在错缝管片的环面中加贴 2～3mm 丁晴软木橡胶衬垫，硬度为 SH700，抗拉强度≥1.5MPa。熟练掌握盾构的操作，根据地面变形曲线进行实测反馈，以验证选择施工的合理性，并且不断地进行施工参数的优化调整。
（2） 加强管片壁后同步注浆。
（3） 加强过地裂缝期间的地面及隧道内监测工作，贯彻信息化动态施工，加强地表沉
降及隧道内变形监测，监测数据经过分析后反馈于盾构掘进施工，及时根据分析后的结果优化和调整盾构施工参数，确保盾构安全平稳掘进。
6. 小半径连续曲线的隧道施工。
（1）选用带有铰接装置的盾构，预先推出弧线态势。（2）采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，有利于纠偏。
7. 钟楼～永宁门站区间空洞区的加固处理。
（1） 根据常规做法，在盾构施工之前，对这些空洞、土质疏松区域进行地表注浆加固，浆液采用水泥浆，由于地面不具备注浆的条件，只能采取洞内注浆的措施。 （2） 将区间存在地下空洞、古墓等部位标注在施工图纸上，下发至每个技术、施工、测量人员。
（3） 盾构穿越空洞区域时，可适当降低土压力，尽量减小盾构施工对土体的扰动。 （4） 加强补浆措施，对于有空洞的地层，在隧道内进行多次补浆，注浆方向为空洞位
置方向。
（5） 加强空洞部位的监控量测，及时反馈至项目部技术负责人处。 （6） 制定应急预案，设立应急小组。
2 勘察场地的地形、地貌、水文及气象概况
勘察场地地形地貌
西安市位于关中平原的中部渭河南岸，地形平缓开阔。西安市城市快速轨道交通二号线初勘Ⅲ标段永宁门至钟楼区间勘察场地自西安市永宁门北起，沿南大街向北到钟楼南。本区间途径西安市中心地带，为西安市最繁华市区，人流车流众多。
本区间地形大致南低北高，地面高程由永宁门附近的 402m，逐渐抬高到钟楼附近的406m，高差约 4m。勘察场地地貌单元属黄土梁洼。
河流水文
本区间无地表水。气象概况
西安属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，春季干旱，夏季炎热，秋季潮湿多雨，冬季寒冷干燥。山区与平原气候差异显著，年平均气温由南向北递减。 6
(二)盾构断面设计： 2.1 盾构断面选型依据
在选择盾构时，不仅要考虑到地质情况、盾构的外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。选择盾构的种类要求掌握不同盾构的特征还要逐个研究以下项目：
(1) 开挖面有无障碍物；
(2) 气压施工时开挖面能否自立稳定；
(3) 用气压其它辅助施工法后开挖面能否稳定；
(4) 挤压推进、切削土加压推进时，开挖面能否自立稳定； (5) 开挖面在加水压、泥压、泥水压作用下，能否自立稳定； (6) 经济性。
若满足以上条件，则认为盾构工作面是稳定的。但是，以上条件也不是绝对的，在实际工程中常有不符合判别式的情况，需要工程技术人员根据经验进一步地判断。
2.2 盾构断面形式
考虑到西安地铁二号线钟楼到和平门区间隧道的实际情况盾构断面形式选择圆形截面，直径为 6m。
（三）盾构隧道通风照明及防水和防腐设计 3.1 盾构隧道通风设计 3.2 盾构隧道照明设计 3.3 盾构隧道防水设计 3.4 盾构隧道防腐设计 （四）盾构隧道结构设计 4.1 结构尺寸 4.2 结构计算模型 4.3 内力计算及分析 (五)隧道施工组织设计设计思路：
1） 线路方案设计应充分考虑城市规划、本线的功能定位、地铁车站站位、地下管线及高层建筑物基础等周边环境条件、城市规划引起周边环境的改变对隧道结构的影响及施工工艺要求。
2） 合理选择施工方法和结构形式。根据沿线的工程地质和水文地质条件、线间距、隧道埋深、周围环境条件、既有建筑物、地下管线和道路交通状况，通过对技术、经济、使用功能等因素的综合比较，合理选择施工方法和结构形式。
3） 合理调整线路平面。根据沿线的地形、地貌、地质条件、地面及地下构筑物、地面交
通等因素合理调整线路平面，以减少房屋拆迁、桩基托换工程及施工对城市交通的干扰。
4） 施工期间，应严格制定恰当的通过相邻建筑物安全保证技术措施，控制地表沉降， 以保护周围环境。
5） 为满足消防疏散要求，区间隧道内间隔不大于 600m 设置一个疏散通道。
6） 制定合理可行的本标段工程筹划。根据线路条件及沿线可能提供的施工场地情况， 确定盾构始发井及施工场地的位置。根据全线工程筹划、车站及区间隧道施工进度、施工场地的布置等条件，对盾构机过站作出合理的工期安排。
7） 做好隧道病害防治的设计。针对本标段所涉及的地裂缝的活动特点和变形扩展机理、地裂缝对隧道的影响以及可能引起的工程灾害。
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工作流程： 工程概况
盾构区间工程概况
勘察工作方法 勘 察 场 地 的 地形、地貌、水文、气象概况
收集资料， 阅读勘察报告， 完成开题报告 盾构断面设计 盾构断面选型依据 盾构断面形式 盾构隧道通风设计 盾构隧道通风照明及防水和防腐设计 盾构隧道照明设计 盾构隧道防水设计
盾构隧道防腐设计
结构尺寸
盾构隧道结构设计
结构计算模型 内力计算及分析
隧道施工组织设计
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三、毕业设计(论文)工作进度安排 第1～4周 第5～7周 第8～9周 第 10 周 第11～14周 第15～16周 第 17 周 第 18 周 毕业实习、收集资料、完成开题报告并完成开题报告答辩盾构隧道内力计算 盾构隧道衬砌结构设计计算中期答辩 盾构隧道施工组织设计 整理计算书，绘制图表等 提交毕业设计成果，预答辩进行答辩 指导教师意见 指导教师签字: 年 月 日 综合训练 是否隶属 程度 科研项目 院 系 部毕业设计 （ 论 文）领导小组审核意见 难度 份量 教学院长(主任) （公 章） 年 月 日
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