地热利用型盾构法隧道施工探索——以清华园隧道能源管片设计、制作及安装为例

土建工程中的隧道结构兼作浅层地热换热构件时被称作能源隧道。盾构隧道中可先将热交换管安装在预制管片中形成能源管片，现场施工时将各管片连接形成回路，这种隧道称为能源盾构隧道。文章基于国外已有的2个能源盾构隧道管片施工和安装研究实例，结合京张铁路清华园隧道3环27个能源管片的设计、制作及安装工作，从管材的选用、管片的预制、管片的现场安装等方面对地热利用型盾构法隧道的施工方法进行总结梳理，根据施工中遇到的具体问题，从管片制作和现场施工的角度对能源管片规模化施工面临的问题提出可能的解决方法。     

地铁盾构隧道弯矩和变形控制值研究

为评估紧邻基坑施工对地铁盾构隧道结构安全和运营安全的影响,需确定盾构隧道结构的弯矩和变形控制值。以广州地铁一号线黄沙车站地铁上盖基坑工程为背景,首先,根据盾构管片尺寸、配筋和接头螺栓情况,计算盾构隧道管片的弯矩控制值,评估依托工程盾构隧道结构的应力水平;其次,通过等效轴向刚度模型理论和简易接缝张开量计算方法,分析盾构隧道纵向变形曲率与管片环缝接头张开量的关系;然后,结合地铁盾构隧道保护经验和管片环模型试验结果,提出盾构隧道变形的控制值;最后,通过依托工程地铁盾构隧道结构的三维变形实测数据分析,评估目前盾构隧道结构的安全现状,并对隧道变形的监测工作提出建议。研究成果可为今后类似工程地铁盾构隧道的安全保护提供指导。     

地铁盾构通用环管片楔形量计算方法研究

通用环管片通过有序旋转拼装形成地铁盾构隧道，而管片楔形量的变化将影响通用环管片线路拟合及施工纠偏的能力。为明确地铁盾构通用环管片楔形量的计算方法，对计算管片楔形量的类似通缝、紧邻交错、非对称间隔交错和对称间隔交错4种计算方法进行详细介绍与比较，然后结合天津市滨海新区轨道交通Z2线工程，系统分析几种楔形量计算方法的线路高程拟合情况和不同楔形量通用管片对整个典型区间的拟合情况，最后提出地铁盾构通用环管片楔形量的多层次控制设计流程。研究结果表明： 对称间隔交错计算方法更适用于初步计算通用环管片楔形量，并且将最小曲线半径折减50~100 m能够更快地确定初步设计的楔形量，同时有必要对管片进行设计排版来验证计算得到的管片楔形量是否满足控制要求，并且在验算时线路高程拟合偏差是一项重要的控制因素。     

地铁隧道常用管片特点与选型计算

盾构作为地铁隧道施工的主要设备与作为地铁隧道永久衬砌的管片应用均非常广泛,因此管片选型的好坏直接影响到地铁隧道的精度和质量。根据常用管片的特点,着重介绍现今应用比较普遍的等腰梯形转弯环管片的楔形量计算、管片排版计算及盾构管片选型依据,并计算出常用管片的最大转弯半径,对管片造型与组织管片生产具有一定的指导作用。     

地铁盾构管片外嵌式槽道应用技术研究

为解决盾构管片预埋槽道不可更换及全环预埋等问题,以兰州地铁2号线1期工程为例,通过理论研究和现场试验,对盾构管片外嵌式槽道技术进行研究,主要从其可行性和安全性等方面展开。研究指出： 外嵌式槽道技术不仅能满足机电设备安装的各项要求,且安装方法简单易行,在隧道内可更换和分段安装,比全环预埋槽道技术可节省成本约40%;外嵌式槽道技术不仅适合地铁或高铁盾构隧道,也适合暗挖隧道和城市综合管廊隧道,通用性强,推广意义大。     

盾构隧道双层车道结构与管片不同连接形式的受力分析

随着社会经济和城市化进程的加快,建筑结构工业化程度逐渐提高,预制装配技术在城市隧道建设领域逐渐发挥出重要作用。然而如何优化结构受力体系及节点构造、满足抗震及防水要求、提高预制装配水平仍然是城市隧道预制装配技术中的关键问题。结合上海诸光路通道新建工程,分析四种上层车道板与预制管片连接方式下的管片-内部结构体系受力特征,并结合接点构造措施,对比分析四种预制车道板与管片连接方式的优缺点,为盾构隧道双层车道结构选型提供技术支持。     

双线地铁隧道泥水及土压平衡盾构施工地层变形特征研究

为分析圆砾地层双线地铁隧道分别采用泥水和土压平衡盾构施工时的地层变形特征，以南宁地铁3号线东葛路站-滨湖路站区间盾构施工工程为背景，采用现场监测数据分析2种盾构施工时的地表横向沉降特征和监测点纵向沉降历程特征。利用FLAC3D软件对2种盾构工法进行简化模拟，验证模拟方法的可行性； 设计双线地铁隧道分别采用土压平衡盾构和泥水平衡盾构、全部采用泥水平衡盾构、全部采用土压平衡盾构3种工况的模拟方案，研究3种工况下的地层变形特征。研究结果表明： 1)双线地铁隧道采用2种类型盾构施工时，地层沉降曲线偏向土压平衡盾构施工的隧道一侧； 采用同种类型盾构施工时，地层距离隧道越近，沉降曲线呈“W”特征越明显； 2)双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时各地层沉降较大，地表横向沉降影响范围约50 m； 采用泥水平衡盾构施工时各地层沉降相对较小，地表横向沉降影响范围约30 m； 3)3种工况下，双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时引起的地表水平位移最大。     

地铁大直径盾构隧道管片结构设计计算研究

管片是盾构法隧道的重要组成构件,是控制隧道工程造价和隧道结构安全的重要因素。目前,内径6 m地铁盾构隧道管片在国内比较少见,本文简要介绍了该种管片的厚度、宽度、分块等结构参数、结构计算模型及计算方法,并以深圳地铁11号线某盾构区间为例,进行了数值模拟分析研究。结果表明:大直径盾构隧道管片的受力行为与常用的普通直径盾构隧道管片类似,结构配筋主要由裂缝控制,管片的某些特殊部位应加强配筋,已达到防止管片开裂的目的。     

地铁施工盾构空推过既有矿山法隧道施工组织设计——以广州地铁6号线二期工程为例

以广州地铁6号线二期工程盾构空推过既有暗挖法隧道工程为例,采用矿山法施工初期支护后由盾构空推安装预制管片作为永久二次衬砌;为了有效控制隧道轴线偏差超限、管片错台、渗漏、破损等质量缺陷,采取分阶段制定施工组织措施,通过优化施工工艺、人料机和环境等方面落实质量控制措施,使工程符合《盾构法隧道施工与验收规范》要求。得出以下结论： 1）初期支护和导向平台的前期施工质量和后期超欠挖处理,直接影响隧道轴线偏差; 2）回填料堆放的数量和位置决定空推进度和盾构推力的大小,隧道背后间隙的及时注浆填充,是质量保证的必要条件。通过分析计算此类工程中回填料堆放实测值的110%,同步注浆量达到80%,后期补充注浆以压力控制为主。     

黄土隧道马蹄形盾构工法选择及应用

目前铁路隧道施工以矿山法为主,但在黄土等软弱围岩隧道施工时风险大、进度慢;而盾构法已在地铁、水下隧道等软弱地层中得到了广泛应用。针对蒙华铁路砂质新黄土隧道:1)通过矿山法与盾构法比较确定采用盾构法施工。2)从开挖内轮廓、刀盘开挖特点、管片拼装方式、管片受力及配筋4个方面对马蹄形盾构隧道和圆形盾构隧道进行对比分析,得出马蹄形盾构隧道的断面利用率更高,马蹄形管片与圆形管片受力有所差别而马蹄形管片配筋量更低。3)介绍马蹄形盾构设备概况,并对马蹄形管片设计进行研究。4)例举马蹄形盾构掘进过程中遇到的防寒防冻、管片底部开裂和遇到含姜石的老黄土掘进困难等问题以及相应的处理措施。经过1年多的施工实践证明,在黄土隧道马蹄形盾构施工风险低,质量高,安全可靠。     

基于WOA-DELM的成都地铁建设阶段温室气体预测

为解决成都地铁设计和修建过程中碳排放计量问题，以成都地铁18号线6车站7区间为研究对象，采用机器学习算法对成都地铁建设阶段碳排放进行预测研究。基于生命周期评价（life cycle assessment, LCA）框架对地铁车站和盾构区间建筑材料生产阶段、建筑材料运输阶段和现场施工阶段温室气体排放量进行计算，建立基于鲸鱼优化算法（whale optimization algorithm, WOA)的深度极限学习机（deep extreme learning machine, DELM）地铁碳排放预测模型，并与基于风驱动优化（wind driven optimizer, WDO）、灰狼优化(grey wolf optimizer, GWO）、粒子群优化(particle swarm optimizer, PSO)、人工蜂群优化（artificial bee colony, ABC）、多元宇宙优化（multi-verse optimizer, MVO）、原子搜索优化（atom search optimizer，ASO）的深度极限学习机（DELM）和未优化的BP（back propagation neural network）、KELM(kernel extreme learning machine)、DELM算法预测结果进行对比分析。研究得到： 1)WOA-DELM算法预测结果相关一致性为0.757，略高于其他算法； 2）根据WOA-DELM算法对地铁碳排放主要输入指标进行敏感性分析，得到地铁车站碳排放预测的关键影响因素为车站长度和轨面埋深，对应指标碳排放相对变化率分别为30.1%和23.1%。     

浅谈地铁管片生产质量控制

地铁施工中盾构的大规模应用对地铁管片质量提出了高规格的要求.作为盾构施工中重要的水泥预制品,管片承担着隧洞结构安全和防水的重要功能,直接影响地铁使用的耐久性.该文结合深圳地铁2号线管片生产的实际经验,简要介绍了管片生产质量的控制要点.     

地铁圆弧形隧道等腰楔形环的拼装与设计——齐次变换方法

为提高地铁盾构隧道施工效率和管片拼装精度,提出用等腰楔形环拼装圆弧形盾构隧道的新的理论与算法。主要结论如下:1)从理论上证明当等腰楔形环依次向相反方向旋转相同角度θ时,隧道轴线在一个平面上,隧道半径R=L/(2sinα/2·cosθ/2),其中L是环宽,α是楔形角;2)提出一种采用容许旋转角拼装楔形环的算法,确定整个盾构隧道上每个衬砌管片环的位置和方位;3)根据楔形环的方位可以确定隧道上的第几环是左转弯环,第几环是右转弯环,使封顶块的位置在隧道上部,从而确定整个盾构线路所需左、右转弯环的数量。     

土压盾构在富水粉砂地层中浓泥渣土改良技术研究

为解决土压盾构在富水粉砂地层掘进过程中存在的刀盘转矩过大、开挖面稳定难以控制及排土困难等问题,提高该地层盾构施工的安全性及稳定性,以无锡地铁3号线富水粉砂地层盾构区间为依托,提出土压盾构浓泥渣土改良技术,并开展土压盾构浓泥渣土改良现场试验,研究掘进过程中开挖面前地层中孔隙水压力、盾构掘进参数及地层沉降的变化规律。结果表明： 1）向开挖面注入4 m3/环泥浆后,能够将渣土的坍落度由原来的7.5 cm提高至14.5 cm,降低盾构闭舱和喷涌风险,且能减小土压、推力及转矩的变化波动; 2）浓泥浆在开挖面形成泥膜效应,可以有效降低掘进过程引起的孔隙水压力,最大可减小20 kPa。掘进完成地层稳定后,与未添加浓泥渣土改良掘进的地层相比,地表沉降值减小26.7%。     

岩溶天坑垮塌对下穿鸡冠山隧道结构安全影响研究

为深入了解下穿隧道结构安全受岩溶天坑垮塌的影响，以鸡冠山隧道K72+220~+340段工程为背景，结合现场勘察成果及下伏溶腔位置大小推测岩溶天坑侧壁垮塌规模，通过PFC3D数值模拟预测岩溶天坑的垮塌堆积形态。基于模拟结果，选择典型剖面构建岩溶天坑侧壁垮塌前后的二维有限差分模型，分析岩溶天坑垮塌对下穿鸡冠山隧道衬砌结构安全的影响。结果表明： 1）天坑垮塌后将主要堆积于天坑下伏溶腔的顶部，垮塌体量约为16 000 m3，垮塌体的冲击力约为9.0×107 N； 2）岩溶天坑垮塌将造成溶腔顶部最大变形达16 mm，并导致左线左边墙及拱脚部位衬砌结构安全系数可能小于1.7，但整体平均安全系数仍大于控制标准，天坑垮塌对隧道安全影响有限。     

盾构隧址区无自由面基岩孤石爆破预处理技术炸药单耗确定研究

在盾构隧道施工过程中,如在隧道隧址区内遇有基岩孤石,盾构刀盘无法直接破碎处理,必须提前处理这些基岩孤石。以广东台山核电站引水隧洞基岩孤石爆破破碎处理为例,通过理论推导、现场试验,得到了用于该爆破设计的炸药单耗计算公式。研究结果显示:推导出的无自由面岩石爆破破碎炸药单耗经验计算公式,通过实际爆破工程进行印证,取得了成功。     

软硬不均地层盾构近接下穿施工掘进参数优化分析

盾构法修建城市地铁时,盾构掘进参数对于控制地表沉降、保证施工安全等具有重要影响。以深圳地铁7号线盾构隧道下穿既有2号线为工程背景,针对在软硬不均地层情况下盾构隧道下穿既有隧道及过街通道,运用ABAQUS建立三维计算模型,对盾构施工进行全过程模拟及掘进参数优化分析。研究结果表明:①土仓压力及注浆压力对过街通道沉降相对于地表影响较大,施工过程中应当注意对过街通道底部进行监测;②对于软硬不均地层盾构下穿既有隧道及过街通道采用0.30~0.40 MPa土仓压力以及采用0.25~0.30 MPa注浆压力施工较为合理     

小直径盾构施工中管片纵向应力监测研究

为了探索小直径盾构法隧道在施工过程中管片纵向应力的变化规律,对北京槐房再生水厂污水隧道管片纵向应力进行了现场监测:将第976环、第1 054环管片分别设为第1和第2监测断面,2监测断面各预埋5个纵向应力计,各监测断面从本监测断面管片安装后即开始监测,当盾构掘进至第1 129环时停止监测。研究表明:1)在管片离开盾尾50环后,其纵向应力波动值小于管片拼装期间应力值的5%。2)在盾构掘进期间,管片距离盾构越远,其纵向压应力值越小。3)在管片拼装期间,管片距离盾构越远,其纵向压应力经历了先增大后减小的过程。4)管片距离盾构108环后,该管片纵向压应力趋近于0.2~0.3 MPa。5)随着盾构推进,管片纵向应力经历了4个阶段的变化过程,即周期性剧烈波动阶段—动态稳定阶段—逐渐衰减阶段—趋于稳定阶段。