盾构隧道工程中砂卵石地层勘察技术分析

对富水卵石地层的勘察与评价直接影响砂卵石地层中盾构隧道施工的成败。常规的勘察和评价技术方法很难满足富水砂卵石地层盾构隧道施工的技术要求。为了解决富水砂卵石地层盾构隧道施工中遇到的因超挖引起地面沉降、隧道冒顶坍塌、大粒径和高强度漂卵石颗粒的卡塞和剧烈磨损盾构刀盘等问题,文章以兰州市轨道交通盾构隧道富水卵石层勘察评价为例,分析了该地层卵石粒径组成、漂石含量、卵石颗粒饱和单轴抗压强度和卵石颗粒石英含量等参数对盾构选型、施工及设计的影响,归纳了盾构隧道工程所需砂卵石地层参数的勘察技术和方法,提出了盾构隧道施工中漂石颗粒建议分组。对于穿越砂卵石地层的盾构隧道,在勘察过程中,应在盾构隧道沿线进行砂卵石层原位全颗粒分析试验,并针对不同深度内的卵石和漂石含量、尺寸、出现概率进行统计分析。     

第四届中国盾构工程技术学术研讨会暨复合地层盾构施工技术国际论坛会在广州举行北大核心CSCD

2018年11月28日至29日,第四届中国盾构工程技术学术研讨会暨复合地层盾构施工技术国际论坛会在广州举行,本届会议以“创新、安全、智能”为主题。会议由北京盾构工程协会、广州地铁集团有限公司、中国建设基础设施有限公司、中铁工程装备集团有限公司、中铁十六局集团有限公司联合主办。中国工程院院士钱七虎、周福霖、谢先启,盾构隧道资深专家王振信、鞠世健以及来自全国各地的近600名专家学者齐聚广州,就水下盾构隧道、超大直径盾构的设计与风险管控,复合地层盾构技术,盾构技术应用创新,盾构信息化,盾构智造等方面进行了交流。这次会议与论坛展示我国了复合地层盾构技术、水下隧道与大直径盾构技术的最新成果。     

武汉地铁越江盾构隧道纵向不均匀变形及力学特性研究

地铁盾构隧道,尤其是大型跨江海的水下地铁盾构隧道,局部埋深通常要大于普通地铁盾构隧道,而且要承受较高的水压力作用;盾构隧道作为特长线性结构,其纵向刚度较小,对于外部荷载的变化较为敏感,由此产生的不均匀变形是隧道工程中不可忽视的问题。文章针对武汉地铁越长江盾构隧道工程,通过三维数值计算探讨了埋深变化、水压变化、地层变化及穿越刚性结构物等因素对越江盾构隧道纵向不均匀变形及受力状态的影响。     

超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望

随着“一带一路”、国家海洋战略、区域经济一体化战略布局发展,大批轨道交通、公路、铁路等大型基础设施工程面临着越江跨海的挑战。从南京长江隧道、上海长江隧道、武汉长江隧道的发端,通过引进、消化、实践、再创新盾构技术,促使我国水下盾构隧道技术进入快速发展阶段,一大批已建和在建超级水下盾构隧道工程极大推动了我国乃至世界水下盾构隧道技术的创新、发展和进步,在水下隧道盾构装备、设计、施工、运维等方面突破了一系列技术瓶颈。文章系统阐述了盾构技术三大要素及其内涵,即土水稳定、盾构设备及控制、结构安全与防水,分析了国内外超大直径水下盾构隧道技术现状与发展趋势,总结了近年来超大直径水下盾构隧道技术方面取得的重要创新成果,提出了大直径、长距离、高水压、复杂地质条件下水下盾构隧道工程的技术挑战、对策及工程应用前景。     

砂卵石地层盾构隧道施工对周边环境的影响分析

文章以下穿黄河某盾构隧道区间为研究背景,结合现场实际施工情况及现场监控量测数据,深入分析了砂卵石地层条件下的泥水盾构隧道施工对周边环境的影响问题,并提出了相应的安全控制措施。研究结果表明:在砂卵石地层条件下,左线盾构隧道施工对右线隧道上方堤岸的地层沉降有较大影响;通过对盾构掘进参数进行合理优化,适当提高泥浆浆液参数和同步注浆参数指标,严格控制盾构掘进姿态与泥水压力波动范围,可有效避免对堤岸及邻近建筑物结构安全性的影响。     

邻近既有深基坑的盾构法隧道施工地层变位分析

文章针对盾构隧道邻近深基坑推进的工况,进行室内缩尺模型试验,并建立了对应工况下的盾构隧道-土体-基坑围护结构三部分共同作用的三维有限元计算模型。通过对比同一工况下的室内模型试验和数值计算结果,验证了三维数值分析的可行性和可靠性;得到了邻近既有深基坑的盾构法隧道施工引起周边地表沉降的分布特点及其变化规律;分析了盾构隧道开挖引起的横断面不同深度处地层位移的特点;分析了隧道上方的地表沉降分布受邻近既有基坑的影响及沉降值随盾构隧道推进进度的变化规律,得到了盾构隧道对基坑围护结构的位移影响情况;并提出了盾构隧道施工过程中对周边地表沉降、地层变位及基坑围护结构位移与变形进行实时监测的建议。     

水下盾构隧道合理覆盖层厚度的探讨

隧道覆盖层厚度是决定水下隧道长度的主要因素,目前对于合理覆盖层厚度的确定世界各国还没有一个统一的准则。水下盾构隧道合理覆盖层厚度需要综合考虑经济、安全两方面因素,通过工程类比、抗浮稳定性计算以及数值分析方法综合确定其合理覆盖层厚度。     

泥炭(质)土地层盾构隧道结构力学行为研究

文章以昆明泥炭(质)土地层地铁盾构区间工程为依托,对隧道结构周边不同地层分布及组合工况其影响盾构隧道管片衬砌结构的内力分布规律进行了研究;在此基础上,选用最不利荷载工况,采用改变地层抗力系数的方法模拟泥炭(质)土地层扰动,对泥炭(质)土不同扰动程度下盾构隧道管片衬砌结构力学行为进行了深入研究,得出了盾构隧道结构内力随泥炭(质)土扰动程度的变化规律。研究成果可直接指导昆明泥炭(质)土地层地铁区间盾构法隧道的设计,同时为软土地层盾构隧道的设计提供指导。     

软土地层盾构隧道长期沉降离心试验研究

目前建设于软土地区的盾构隧道在长期服役过程中出现了较大的沉降及差异沉降,影响了管片的结构性能及运营安全。为研究软土地层中盾构隧道长期沉降规律,文章以佛山市轨道交通3号线为工程背景,通过离心模型试验研究盾构隧道在不同厚度的软土地层中长期沉降的发展规律以及隧道周边地基土加固对长期沉降的影响。结果表明:隧道下卧土层性质越差且厚度越大,隧道的长期沉降量越大,长期沉降发展时间越长;同时,隧道埋深较大也会使长期沉降量增大;隧道长期沉降和地表变形都会随地基土加固深度的增加而减小,但减小幅度会逐渐降低,加固深度为3 m,6 m和穿透软弱层时,隧道最终沉降量分别减少了16.7%,30.2%和41.3%,隧道正上方地表变形分别减小了25.4%,44.9%和66.3%。     

盾构施工引起的地层分层位移测试技术研究

文章基于对盾构施工引起的地层分层位移的研究分析,提出了一种适用于城市地铁均匀土层盾构施工的高精度地层分层位移的测试技术,并在北京地铁14号线盾构隧道工程中得到了应用和验证。首先,该技术利用锚固平台、静力水准仪和单点位移计组成的地层分层位移综合测试系统,实现高精度、高频率、低扰动的测量;其次,根据盾构掘进空间位置变化过程,在开挖地层均匀、掘进过程稳定的基础上,以刀盘中心为零点,建立盾构掘进动态坐标系,论证了不同深度测点地层位移转换的可行性;最后,使用多元回归分析方法对因盾构施工过程中各参数不稳定产生的差异进行排除,实现了同一竖向钻孔不同深度地层分层位移的精确监测,可有效指导盾构施工引起的沉降控制及复杂地层和环境条件下穿越工程的设计、施工及风险管控。     

不均匀地层地铁隧道拱顶荷载计算方法研究

对于断面内地层起伏的盾构隧道,其地层参数差异较大且地层分界线起伏变化,而计算参数的选取将影响荷载的计算精度。文章在经典太沙基松弛土压力公式的基础上,对起伏地层盾构隧道拱顶荷载的计算方法进行研究,分别推导了隧道断面内水平地层和倾斜地层拱顶荷载计算的修正方法。对于水平地层分界线情况,通过分析断面内上部地层所占比例,给出了滑移面宽度取值方法;对于倾斜地层分界线情况,在水平地层分界线情况的基础上,分别对隧道左右侧滑移面宽度进行分析并给了出取值方法。通过对某直径为6 m的起伏地层盾构隧道的侧向土压力进行现场测试,并与经典理论公式进行对比,其结果表明:修正公式计算结果与实测值吻合较好,验证了修正公式的适用性。文章提出的计算方法可为城市盾构隧道工程提供参考。     

超大直径盾构穿越长江上软下硬地层刀具配置和优化研究与应用

随着国内公路、铁路、城市轨道交通的发展,超大直径盾构在水下隧道工程的应用越来越广泛,水下隧道盾构刀盘刀具的合理选型配置一直是施工的难点。文章以南京纬三路过江通道项目为例,介绍了盾构刀具前期设计理念,分析了刀具在高石英含量、上软下硬地层中非正常磨损的机理,通过对滚刀和主切削刀具型式的优化延长了刀具寿命,减少了水下带压换刀的次数,提高了刀具的适应性、耐久性,可为以后类似工程提供经验借鉴。     

道路隧道盾构施工对既有地铁隧道的影响分析

以北京市展西路道路工程下穿地铁四号线为工程背景,研究了道路隧道盾构施工对既有地铁隧道的影响。建立了三维有限元模型,通过模拟盾构开挖过程,分析了既有隧道在未进行地层加固情况下的反应,确定了既有隧道的危险部位。研究表明,隧道施工对既有隧道的影响较大,需对地层进行加固以减小对隧道的影响;分析了不同的地层加固方案,并对隧道施工中可能出现的问题及解决方法提出了建议。     

海相复合地层超大直径泥水加压平衡盾构施工关键技术

研究海相复合地层下超大直径盾构法隧道施工关键技术,成果可直接应用于珠海等地大直径盾构法隧道的建设,也可为国内其他类似地层的跨江海隧道起到示范作用。针对大直径泥水加压平衡盾构机穿越复合地层施工,介绍了先探测、预处理基岩,后盾构机穿越的整体思路,分析了超大直径隧道复合地层的准确探测和处理技术;结合地层超前预报、盾构刀盘及刀具、土仓防堵塞冲刷系统、排浆管路捕石器、泥水循环系统等针对性设计和施工方法,实现了泥水加压平衡盾构装备在复合地层中掘进的适应性,整体改善了盾构装备的施工效率。     

复合地层盾构侧穿邻近桩基隔离桩防护效果分析

文章以南昌地铁四号线某盾构区间隧道侧下穿邻近既有建筑物桩基为研究对象,采用Plaxis 3D数值模拟方法研究了上软下硬复合地层中隔离桩的变形防护效果,并对未设隔离桩及14种不同工况隔离桩进行三维数值对比分析。结果表明：隔离桩与盾构隧道水平距离越近,与邻近建筑桩基水平距离越远,其对邻近桩基变形的防护效果越为明显;隔离桩底部最优设置深度为隧道底部以下1/4隧道直径与3/4隧道直径之间;隔离桩底部深度确定时,其顶部插入地面以下7 m深度范围均能起到较好的防护效果。     

盾构隧道施工地层变形三维解及影响因素分析

文章以某区间隧道富水砂层条件下盾构施工过程为研究对象,重点考虑了盾构正面附加推力、刀盘与土体之间的摩擦力、盾壳与土体之间的摩擦力、地层损失及盾尾同步注浆压力五方面因素的影响,建立了盾构推进力学模型。基于Mindlin解,建立了考虑同步注浆压力及刀盘摩擦力影响的地层变形三维解析解,并结合现场监测数据和数值分析结果对其进行了验证。分析结果表明:盾构施工引起的横向地表变形曲线呈"V"形,纵向地表变形历时曲线呈"S"形;刀盘与土体之间的摩擦力引起的地层变形曲线左右两侧呈反对称分布;盾尾同步注浆压力引起地层隆起变形,设置合理的注浆压力并及时注浆能有效控制施工变形。该方法得到的结果更为合理,可用于预测盾构施工阶段的地层变形。     

地铁盾构掘进引起的软弱地层沉降分析

昆明地铁首次在含有泥炭质土软弱地层中采用盾构法施工,难度极大。文章依托昆明地铁首期工程实践,考虑含有泥炭质土软弱地层条件下先行隧道施工对后行隧道施工的影响,建立修正的Peck公式对地表沉降进行计算,在此基础上采用数值方法进一步分析该软弱地层条件下地铁盾构掘进引起地层沉降变形规律,并与地层沉降预测经验公式对比。研究表明:本文方法与数值模拟结果以及现场监测数据吻合较好,可以较好地分析含泥炭质土软弱地层中盾构掘进引起的地层变形规律;先施工隧道的外侧地表沉降变化率较大,后施工的隧道外侧地表沉降变化率较小,但横向沉降范围较大;最大沉降量位于两隧道轴线的中线和先施工隧道的轴线之间,主要由先施工的隧道引起。最后,结合盾构施工监测数据,提出了含泥炭质土软弱地层条件下地铁盾构施工地层变形控制技术措施。     

盾构法施工水下隧道控制管片上浮施工技术

文章以广州轨道交通某盾构法施工的过江隧道为背景,详细阐述了盾构法施工水下段管片上浮的问题。从地质、盾构掘进、同步注浆、二次补充注浆等几方面分析原因,总结出一套控制复杂地层水下隧道管片上浮的施工技术措施。实践证明,这些技术措施是行之有效的,并成功解决了管片上浮在盾构法施工中普遍存在的技术难题。     

地铁隧道施工过古城墙的地表变形及控制措施

西安地铁二号线区间隧道施工对城墙等国家级文物的影响是隧道安全施工中需要解决的关键问题之一。文章针对该地铁工程介绍了上行线隧道盾构下穿护城河及城墙时的地表变形控制措施和施工变形监测方案,并对监测结果进行分析。分析结果表明,隧道盾构施工中,造成地表沉降是多种因素共同作用的结果;盾构施工过程中,注浆必须同步、足量且补浆及时;随着盾构的推进,需要不断调整土压力以适应地层的变化。隧道已经安全通过城墙,表明所采用的地表沉降控制措施和监测方案是合理可行的。     

复杂地质条件下盾构刀盘地质适应性分析

为了研究复杂地质条件下盾构刀盘的地质适应性,解决福州地铁盾构施工中遇到的问题,基于福州地铁4号线某区间工程实例,分析了该隧道工程的地质特性及区间内各类型地层与盾构刀盘的地质适应性,并对各地层中常出现的地质问题及应对措施进行探讨,提出区间内盾构刀盘进行地质适应性设计。经实践证明,该区间针对地质与盾构刀盘的适应性设计是合理可行的,可为类似工程提供参考。