浅谈全断面富水砂卵石层盾构施工技术

全断面富水砂卵石地层基本结构松散、胶结程度差,当采用土压平衡盾构施工时,土舱内很难形成流塑性较好的土体,给盾构施工带来诸多困难.结合西安地铁二号线南延段盾构隧道工程,总结了在全断面富水砂卵石地层中盾构施工的关键技术,提出了采用膨润土在该地层中进行土体改良的技术措施.盾构在富水地层施工时防水是重点,盾尾间隙控制和油脂注入量控制是关键.     

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下： 1）目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究; 2）受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验; 3）离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。     

大直径泥水盾构施工对软土地层的沉降影响研究

依托江苏江阴澄江西路过江隧道工程,对大直径泥水盾构施工对软土地层的扰动影响进行研究。主要研究方法及结论如下： 1）对盾构掘进中地表纵向沉降规律进行探讨,在前人研究的基础上对引起土体扰动的4个阶段进行验证,得出软土地层施工中不同阶段对土体扰动程度的比例。2）使用ABAQUS有限元软件,建立三维有限元模型,在数值计算中考虑土体非线性变形。通过数值模拟可知,横、纵、竖向位移趋势符合工程实况,最大沉降量与实测数据比较接近;增大上部土层的E,c,φ值可以有效地减小软土地层的沉降量,降低盾构施工对土体的扰动影响。从而论证了通过对土体表层注浆加固可以达到减小沉降,降低土体扰动的目的。     

砂性地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构在砂性地层中施工时,土舱内的土体很难形成塑性流动状态,土舱压力平衡难以建立,易导致开挖面失稳崩塌、排土不顺畅、地表变形过大等影响盾构推进的问题。为确保盾构顺利推进,找出适应于该地层的改良剂及改良参数,对砂性地层土体改良进行研究。针对砂性地层采用添加泡沫剂和膨润土等方法进行改良,分析泡沫半衰期及发泡倍率随泡沫浓度变化的规律,膨润土泥浆黏度及相对密度随泥浆浓度变化规律,找出泡沫剂最优发泡浓度及膨润土最佳浓度,通过坍落度试验确定改良剂注入比,通过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。     

盾构隧道施工地表沉降数值分析研究

隧道施工引起的地层损失所导致的地表沉降变形预测和控制，是隧道工程领域重要的研究课题之一。以盾构隧道开挖引起地表沉降变形为研究对象，采用有限元数值分析软件模拟盾构隧道施工过程，分析盾构隧道引起的土体应力场、位移场变化，对比分析不同的地层损失、不同的土体本构模型、土体排水和不排水条件下隧道施工引起的地袁沉降变形规律，并进行了不同影响因素的敏感性分析。结果表明，地表沉降槽近似正态分布曲线，地表沉降的主要影响因素依次为隧道埋深、内摩擦角、压缩模量、粘聚力和泊松比；提出了盾构隧道施工引起的地表沉降计算模型，并采取有针对性的措施来减少地表沉降，减小对周围环境的不良影响。     

土压平衡盾构楔犁刀松动砂卵石地层力学行为研究

为研究砂卵石地层中土压平衡盾构刀土相互作用的力学行为，揭示楔犁刀的楔犁松动机制，首先，将刀盘前方砂卵石地层等效为连续介质，采用Terzaghi地基承载力模型与Mckyes-Ali模型求解楔犁刀楔犁松动作用下砂卵石地层的破坏强度； 然后，引入楔犁指数k表征楔犁刀反复松动地层、地层颗粒间咬合作用被逐渐破坏、地层强度逐渐降低的楔犁松动状态，分析复杂刀具配置条件下整盘刀具楔犁地层时的受力情况； 最后，通过计算得到单把楔犁刀楔犁地层所需的环向松动力及轴向顶进力，并提出砂卵石地层楔犁刀梯次松动地层与刮刀剥落渣土的受力计算方法，得到整盘刀具松动地层所需的扭矩及贯入推力，分析贯入推力和扭矩的影响因素。采用本文提出的计算分析方法计算土压平衡盾构楔犁刀与刮刀组合松动砂卵石地层时刀具的受力（推力和扭矩）与工程实测结果基本相符。研究结果表明： 楔犁刀分层、超前于刮刀布置可以有效降低松动地层所需的贯入推力和扭矩，达到降低盾构掘进所需总推力及总扭矩的目的。     

盾构慢速掘进（停机）沉降影响因素及控制措施探讨

分析和探究软土地层中盾构掘进施工对地面沉降的影响因素以及对沉降进行准确预测,能够为土压（泥水）平衡盾构在不同软土地层中的掘进参数优化和沉降控制提供理论依据。以盾构慢速掘进（停机）工程实例为研究对象,采用理论解析解和三维数值模拟2种方法,计算单纯由盾构施工引起的理论地面沉降量,并与南京宁和城际一期工程新梗街站-天保路站（2号盾构井）区间施工过程中盾构停机时的实际监测数据进行比对总结,从量值差异探究盾构施工引起地面沉降的主要影响因素。分析结果表明,盾构施工工艺参数、超孔隙水压力消散和地层损失是影响盾构施工中地面沉降的主控因素。通过优化施工参数,并采取经济可靠的超前地基处理措施,能较大程度地减小盾构掘进对地面沉降的影响。     

复合地层泥水盾构环流关键参数选择探析

为研究复合地层泥水盾构泥水环流参数选择的问题,结合狮子洋隧道盾构工程,采用泥浆临界沉淀流速计算方法计算软弱地层和软硬不均地层所需的泥浆送、排量,并运用费祥俊模型试验公式进行验算。由于复合地层地质条件的复杂性,泥水盾构环流参数的影响因素较多,结合以上计算结果分析不同地层特性对泥浆送、排量的影响。研究结果表明： 1）2种方法的泥浆送、排量计算结果相差不大,证明泥浆临界沉淀流速计算方法具有准确性和合理性; 2）在软硬不均地层进行泥水盾构施工时,应加大泥浆送、排量,以减少输送颗粒在排浆管内滑移、平动,同时减少舱内积碴和泥浆管的磨损。研究结果可为复合地层下的泥水盾构施工提供参考。     

软土地层双圆盾构掘进对周围土体扰动分析

双圆盾构具有断面形式特殊、开挖面积相对较大的特点,其推进将引起较大的地层扰动,而过大的土体扰动往往引发一系列环境病害。依托上海某双圆地铁隧道区间工程,构建三维弹塑性有限差分模型,计算分析双圆盾构掘进引起的地表位移场以及土体应力场分布,并将数值模型计算结果和现场监测数据进行对比验证。研究表明:双圆盾构施工引起的地表变形横向分布基本符合正态分布,影响区域主要集中在轴线两侧2倍盾构宽度范围内;切口到达时地表隆起,盾尾离开后,后方土体产生沉降,脱离20环左右地表纵向沉降逐渐趋于稳定;盾构掘进对下部土体的影响相对较小,盾构底部土压力增加最小,盾构中轴线上方土压力增量最大。研究成果可为今后此类施工提供理论依据和前期指导。     

多因素下大断面矩形顶管施工对地层竖向变形影响研究

为对大断面矩形顶管施工过程中引起的地表沉降进行准确预测和有效控制，依托苏州市城北路综合管廊矩形顶管项目，基于力学理论、实测数据与数值计算等分析方法对多因素下施工引起的地层竖向变形进行研究。基于弹性力学的 Mindlin解和随机介质理论，探究管周土体变形模式，推导顶管正面附加应力、侧面摩阻力、地层损失、注浆填充等引起的地层竖向变形计算公式，结合现场实测数据发现该计算方法基本符合地表变形规律；进一步利用Matlab数值分析各个因素对地层竖向变形的影响，探究大断面矩形顶管顶进时地层竖向变形的一般性规律。研究结果表明： 理论推导的地层竖向变形解析式基本符合现场实际规律，地层损失对地表土体沉降的影响程度最大，顶管机头与周围土体的摩阻力影响次之，注浆会对地表产生一定抬升效果。     

基于纵向沉降曲线的黄土地层盾构土舱压力分析

为分析黄土地层盾构土舱压力设置问题,根据西安地铁4 号线区间盾构隧道施工过程建立盾构施工数值模型,基于对模型不同位置处地表沉降量的监测,通过将不同监测点的地表沉降曲线转换到同一坐标下进行对比,分析土舱压力对掌子面前方未开挖地层的影响,进而提出盾构土舱压力合理取值方法。研究结果表明: 1)盾构掘进对掌子面前方地层的扰动具有累积性,地层的变形具有滞后性,即盾构对掌子面前方地层挤压或支护不足时对掌子面前方地层的扰动会不断累积,表现为各监测断面的沉降曲线量值和分布规律不一致; 2)当土舱压力与地层土压力相平衡时,各监测断面的监测曲线基本相似,针对设置工况,土舱压力为0. 1 MPa 时,地表沉降曲线落在同一狭长区域内,即表明该值为与该地层相匹配的土舱压力值。     

盾构机密封舱压力控制方法研究进展

盾构机密封舱压力控制对有效控制地表变形和保证隧道的安全施工以及节能非常重要。系统回顾盾构机密封舱压力优化设置方法和土层力学参数识别方法,重点讨论盾构机密封舱压力优化控制方法,研究盾构机密封舱土压力非线性控制模型建模和模型参数辨识问题。同时指出,可将螺旋输送机的旋转速度和盾构机的推进速度作为可控变量,采用优化算法提高盾构机土舱压力的自适应控制能力。     

佛莞城际铁路狮子洋隧道设计综述

在建的佛莞城际铁路狮子洋隧道是第2条下穿珠江口狮子洋海域的盾构隧道,具有大直径(13.1 m)、高水压(最大水压0.78MPa)、地质条件复杂(全断面土岩复合地层、穿越3处破碎带和2处水下断层)、独头掘进距离长(长4.9 km)、行车速度高(时速200 km/h)等显著特点。本文以该隧道工程为背景,采用工程类比、资料调研、经验总结等方法,通过对工程总体设计及关键技术的阐述,解决了基岩地层水下盾构隧道合理埋深选择、管片环向错台控制、高水压管片接缝防水、循环荷载下基底软弱地层沉降控制、内部结构同步施工等技术问题,提出了铁路盾构隧道管片双掺钢纤维及聚丙烯纤维以提高耐火性的方法,同时对复合地层(尤其是破碎地层)盾构选型、高水压条件下开舱技术进行了探讨。     

盾构施工工艺对铁路路基沉降影响的数值分析

以福州市轨道交通1号线下穿福州火车站铁路工程为依托,采用MIDAS/GTS有限元软件对双线盾构隧道进行分步施工模拟,揭示主要施工参数对路基沉降的影响规律。分析表明:路基预加固能有效减少下穿过程中路基的沉降量;土舱压力采用1.2~1.5倍土压力、注浆压力采用1.1~1.2倍土体自重应力对减少路基沉降效果较好;保证盾尾注浆率对减少路基沉降影响有显著效果。     

超大直径土压平衡盾构近距离下穿人行通道施工控制技术

该文采用数值模拟方法分析超大直径土压平衡盾构下穿人行通道施工时的土舱压力设定;提出主要通过控制注浆压力来控制穿越阶段的同步注浆施工;建议将穿越段分为不同的控制阶段,各区长度的确定则要综合考虑盾构穿越层土压力的大小、盾构机推进的影响范围、盾构机土舱压力的调整能力等。推进过程中结合其他措施将某隧道近距离下穿人行通道的不均匀变形控制在2mm左右。     

盾构到达突发涌水处理及水中到达方案分析

盾构到达时易出现涌水、涌砂、上覆土体坍塌等事故,是盾构施工的重大风险点之一。通过盾构到达突发涌水事故解决实例,介绍事故发生后采用钢筋混凝土接收洞室进行盾构水中到达的施工经验。钢筋混凝土接收洞室基于平衡到达理念,采用密闭的箱型混凝土结构与隧道洞门密闭连接,并在箱体内灌入填充物,以达到与土层压力平衡,模拟盾构在土体中的掘进状态,使盾构安全进入接收洞室内。     

盾构法施工超高水压换刀技术研究

为适应水底隧道盾构法技术的大深度化施工需求,通过研究带压换刀装置、超高水压条件下常压进入刀盘轮幅的常压换刀装置、超高水压作业设备的配置、超高水压进舱换刀开挖面透气控制标准与降低开挖面透气性的措施、超高水压作业程序、超高水压换刀压缩气体压力确定及超高水压作业模式的确定等,以解决超高水压条件下刀具检查与更换的技术难题。得出饱和气体盾构进舱换刀的作业原理与饱和气体潜水作业基本相同,具有实施的可能性。     

软土地层中盾构施工参数对地表沉降的影响研究

为了解决软土地层中盾构隧道施工参数对地表沉降的影响问题,通过对杭州某地铁区间盾构施工进行监测,分析软土地层地表沉降的一般规律,结合该区间盾构隧道施工,采用ABAQUS有限元软件分析了注浆压力、浆液弹性模量、土舱压力等因素对地表沉降的影响。研究表明:土舱压力对地表沉降影响最大,注浆压力次之,浆液弹性模量的影响最小。地表沉降由土体塌陷沉降和土体固结沉降2部分组成,在盾构试掘进阶段对施工参数进行调整和优化,能较好地控制地表沉降。     

衡盾泥在带压开舱时的闭气保压效果研究

为研究衡盾泥在带压开舱时的闭气保压效果,通过室内试验及理论计算的方法对衡盾泥的泥膜气密性进行分析。结果表明： 1）3 d龄期的衡盾泥泥膜中自由水所占比例约为10％; 2）在0.292 MPa压力下,改良黏土浆体泥水质量比为1∶2、塑化剂掺入质量比为1/20、成膜龄期为3 d的衡盾泥泥膜,仅1.7％的孔隙可能出现渗气; 3）衡盾泥泥膜渗气系数为10-8~10-7 cm3/s,换算到直径为6 m的隧道开挖断面上,泥膜的渗气量为2~3 m3/h,盾构开舱时配置的空压机完全满足补气条件。