基于盾构工程特征的砂卵石 地层分类方法

针对砂卵石地层盾构长距离高效掘进困难的弊端,在总结盾构掘进常见工程问题的基础上,提出粒径大 小、细粒含量、水压高低以及磨蚀性能是制约盾构高效掘进的地层特征因素,分析各因素的特征指标、指标确定 方法及指标量化区间,并根据指标量化区间划分出砂卵石地层类别。基于不同的地层类别匹配合理的盾构方案, 通过组合指标下的砂卵石地层盾构实例,验证地层分类方法的适用性。研究结果表明：根据颗粒最大粒径 dmax 与 螺旋输送机最大输排能力 dp,可将砂卵石地层分为可输排及不可输排地层;根据细粒透镜层同区间总地层的占比 λ,可将砂卵石地层分为高黏性低渗透及低黏性高渗透地层;根据地下水位高度 hw及界限水位高度 h0,可将砂卵 石地层分为高水位及低水位地层;根据等效石英含量 Qe,可将砂卵石地层分为高磨蚀性及低磨蚀性地层。提出 的分类方法可为砂卵石地层盾构设计与施工提供理论指导和技术支持。     

砂卵石地层超长管棚技术应用与研究

成都地铁盾构始发及接收采用管棚加固措施,既有经验及工程实践表明,管棚支护对控制沉降及盾构始发/接收安全起到有效控制作用,为将管棚支护技术应用于下穿既有运营地铁线等高风险工程,有必要对成都砂卵石地层超长管棚应用进行系统研究,以成都在建地铁车站基坑内管棚试验为基础,对管棚直径、打设工艺、打设长度、打设精度及引起地层沉降进行研究分析。结果表明:在卵石粒径大(最大粒径60cm)、卵石含量高(60%~80%)的成都砂卵石地层,采用带冲击锤头的潜孔钻机,可实现管棚长距离施工,当施作长度小于35 m时能有效控制管棚偏移量,试验过程中最大偏移量为0.6m,且管棚采用跟管顶进法可有效控制管棚施工过程中引起的地层沉降。     

关于北京地铁复合地层盾构机选型的分析

北京地铁九号线6标盾构隧道穿越地层部分为第三纪强风化～中等风化粘土岩、砾岩及卵砾、圆砾层,局部为粉质粘土、细砂层。在隧道范围内存在随机分布有大粒径卵石和漂石,漂石最大粒径可达1.2 m×1.5 m,卵石强度较大。区间隧道大部分处于潜水层中,且需穿越310 m宽的玉渊潭东湖。由于在强风化砾岩、卵石地层都存在大量卵石漂石,导致掘进困难。采用何种盾构机施工均存在较大风险和难度。根据北京地区的各种情况对盾构机选型问题进行探讨。     

砂卵石地层撕裂刀布置对刮刀磨损的影响研究

研究目的:砂卵石地层空间分布不均、磨蚀性强,盾构在该类地层中开挖时经常出现掘进效率低、刀具磨损严重的情况,为实现砂卵石地层盾构安全高效掘进,开展撕裂刀布置对刮刀的磨损影响研究.本文以北京新机场线"磁一"区间工程为背景,根据区间砂卵石地层分布特征及刀具磨损的保护需要,对撕裂刀及刮刀进行分区、分层布置设计,提出三种组合布置...     

无水大粒径砂卵石盾构综合施工技术

结合北京地铁10号线二期某区间选用的加泥式土压平衡盾构施工情况,着重从盾构选型、刀具优化、渣土改良等方面,分析和研究了在无水大粒径砂卵石地层中的盾构综合施工技术。结果表明,选用加泥式土压平衡盾构对无水大粒径砂卵石地层具有一定的适应性,且无水大粒径砂卵石地层采用敞开式或半敞开式盾构具有可行性。     

基于流固耦合作用的富水砂卵石地层深基坑变形特性分析

深基坑事故大多是由于地下水控制失效造成。长沙地区砂卵石地层透水性好、富水性强、水源补给充沛,地下水的影响更为明显。研究在富水砂卵石地层中深基坑开挖和水位下降引起的地面沉降、基底渗透稳定等影响与变化规律,具有十分重要的现实意义。对长沙富水砂卵石地层地铁深基坑降水与开挖施工过程进行流固耦合数值模拟,计算结果表明,砂卵石地层中基坑开挖引起的地表沉降值与沉降影响范围更大;最大沉降位置更靠近围护结构,沉降曲线表现为较陡;地表沉降速度初期较快,后期较慢;最大渗流力主要分布在连续墙嵌固深度范围内偏下处。针对长沙富水砂卵石地层深基坑特点,提出注浆封底加固,与地连墙防渗帷幕形成封闭截水的风险控制措施与建议。     

基于谷仓效应的砂卵石隧道围岩荷载计算研究

研究目的:砂卵石围岩颗粒体系级配分布不均匀，颗粒间点对点接触，隧道施工过程中易引起围岩松散、失稳坍塌等突出问题。本文针对砂卵石围岩典型的颗粒物质特性，基于谷仓效应原理，采用颗粒物质离散元理论，探明砂卵石隧道围岩荷载计算方法，分析砂卵石土在不同细观组构下的细观力学行为，探究砂卵石颗粒级配对土体压力的影响特征，揭示隧道跨度对隧道围岩荷载的影响规律。研究结论:(1)提出了用于计算砂卵石土竖向压力的修正Janssen计算公式，并确定了公式中重要系数转向比；(2)揭示了砂卵石颗粒级配对土体竖向压力与侧压力的影响规律，得到了砂卵石土体底部压力和侧压力的计算公式；(3)通过不同跨度的隧道模型模拟试验，提出了竖向荷载修正系数，使用修正系数法的砂卵石围岩荷载计算值与模拟计算的结果相近，验证了该公式计算的准确性；(4)建立了基于Janssen模型的砂卵石围岩荷载计算方法，可为砂卵石地层隧道精细化设计提供理论基础。     

砂卵石地层洞桩法车站成桩技术与创新

在砂卵石地层中,地铁车站洞桩法施工成桩问题备受关注。以北京地铁16号线二里沟车站为工程依托,针对其大粒径砂卵石地层特性,对单层导洞法施工中存在的洞内大直径机械成桩问题进行了研究。在施工过程中注重技术创新,首先采用履带式行进系统对钻机进行改进,提高钻机稳定性,解决了钻机在大粒径卵石地层成孔过程中晃动大,桩身垂直精度低的问题;其次对钻头进行改进,采用液压钻高频振动冲击破碎漂石以减小卵石粒径;最后通过分级钻进和调整泥浆配比的方法,解决了钻进过程中卵石堵管、卡钻、扩孔过大等问题。经施工优化后成桩过程钻进工序时间减少了90.20%,整体成桩时间减少了89.16%,提高了施工效率。     

复合地层泥水平衡盾构刀具磨损情况分析

为研究撕裂刀刮刀组合下,盾构刀具在含砂卵石复合地层中的磨损规律,依托京张高铁清华园盾构隧道工程,结合盾构在复合地层掘进时的刀具磨损实际情况,分析刀具在砂卵石与粉质黏土夹杂的复合地层中的磨损特点。首先,对刀具开仓检查的实际情况进行统计,总结刮刀与撕裂刀的磨损特点;然后,对不同地层条件进行划分,并对撕裂刀磨损量随安装半径与切削轨迹长度的变化特点进行分析。研究发现,当地层中粉质黏土含量多于砂卵石时,先行刀磨损可分为3个阶段,最大容许切削轨迹长1 500 km;当地层中砂卵石土占多数时,先行刀磨损分为2个阶段,最大容许切削轨迹长度小于800 km。同时,对外侧撕裂刀频繁更换与非正常磨损现象作出分析,认为外侧撕裂刀的更换更易导致刀具发生应力集中现象,加重磨损。针对以上分析,对刀具更换与掘进参数控制提出了相应改善措施。     

砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究

盾构机在卵石含量高、粒径大的砂卵石地层中掘进时,由于土体塑流性差,土体在土舱内无法及时排出,时常出现盾构推力、刀盘扭矩异常增大,推进速度极其缓慢等现象;由于土舱内土体颗粒间力的传递是点对点,使支护压力不能有效施加到开挖面上,极易出现地表沉降超限、塌方等事故.为此,以北京地铁9号线盾构隧道工程为背景,进行砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究.试验结果表明:采用泡沫十膨润土作为土体改良剂对砂卵石地层土体进行改良是可行的;在土体改良过程中应根据出土量、土压力、盾构推力及刀盘扭矩等参数的控制情况,及时调整土体改良剂的注入时间、注入量等参数;在确保盾构出土量可控的前提下,采用满舱欠压掘进模式可以提高砂卵石地层盾构掘进的效率.     

超高压旋喷注浆法在卵石地层的应用试验研究

研究目的:为解决超深富水卵石地层的止水加固难题,在北京某在建工程基坑中的富水密实卵石地层中开展超高压旋喷注浆法加固现场试验,由地面垂直实施数组咬合或单一的超高压旋喷试验桩,在基坑开挖过程中对超高压旋喷试验桩的成桩直径、桩体强度、桩间咬合、咬合体强度及渗透系数进行现场测量和试验测定。研究结论:(1)超高压旋喷注浆法在超深富水密实卵石地层中能形成1.5 m以上直径的加固桩体,试验最大直径2.6 m;(2)超高压旋喷桩间能形成完整咬合体,旋喷桩及桩间咬合体平均强度达10 MPa以上,渗透系数达10-8cm/s级别,能实现卵石地层的加固或注浆止水;(3)超高压旋喷注浆技术在超深富水卵砾石地层中是适用的,技术可行,可以作为超深富水卵砾石地层加固和注浆止水的辅助工法加以推广应用。     

级配不良卵石深基坑地表及 支护变形规律研究

以洛阳市地铁1号线卵石深基坑为工程原型,采用颗粒离散元软件PFC^2D,建立级配不良卵石层深基坑支护结构数值分析模型,分析地表沉降和支护结构变形规律。研究结果表明:围护结构插入比对地表沉降的影响存在3个发展阶段,适用于级配不良中密卵石基坑的插入比范围为0.38～0.58。根据对变形规律的分析,得到内撑在控制围护结构侧向位移和地表变形中作用效果不同的结论。通过理论与实测数据对比,论证级配不良中密卵石地层基坑内支撑设计和插入比选择的可靠性。研究成果可为类似卵石地层中地铁深基坑施工提供参考。     

大粒径富水砂卵石地层泥水盾构刀盘脱困技术

泥水盾构穿过大粒径砂卵石地层时刀盘被卡住的情况很容易出现,不仅延误工期还会给工程增加预算。以兰州地铁1号线I期工程为依托,总结并分析已建地铁项目以及本项目实际施工中遇到的刀盘卡住情况及处理措施,形成一套对于大粒径砂卵石地层的刀盘脱困技术。相关技术经验可以为后续大粒径砂卵石隧道以及类似工程中刀盘脱困以及盾构安全快速掘进提供借鉴和指导。     

全套管钻机在砂卵石地层中成孔施工工艺初探

通过北京地铁9号线工程实例,详细分析工程所在位置处不同深度的地质情况下的成孔难易性,针对砂卵石地层对不同成孔设备的施工优缺点进行比较,说明选取全套管钻机的缘由。给出全套管钻机在砂卵石地层中的施工工艺、施工技术要点,并且针对砂卵石的不同分布情况给出遇到大漂石、孤石时的具体处理方法;通过全套管钻机在砂卵石地层中的成孔施工,总结出全套管钻机在砂卵石地层中的施工要点,最后分析了全套管钻机的应用范围及优缺点,预测了全套管钻机的应用前景。     

红砂岩-卵石复合地层刀盘卡停分析及对策

富水红砂岩与大粒径砂卵石复合地层其骨架效应显著,且大粒径漂石随机分布,极易导致盾构施工过程中出现刀盘卡停等故障。本文以兰州2号线公定区间盾构刀盘卡死故障为例,结合工程实际分别从水文地质条件、盾构机性能、刀盘布局等方面分析刀盘卡死原因,并针对性提出渣土改良、盾构机自身减负及消除围岩对刀盘握裹力等技术处理措施,成功解决了红砂岩与大粒径砂卵石复合地层中盾构机卡顿问题,避免了进仓或地面加固后处理工序,实现了工期及成本效益双丰收,对同类型工程具有重要参考价值。     

富水弱胶结大粒径砂卵石地层盾构施工技术

兰州地区富水弱胶结砂卵石地层中修建的第一条盾构法隧道工程,施工中遇到许多技术难题,如掘削面前方大粒径卵石难以有效破碎;掘削面平衡土压力难以建立与欠压掘进;渣土改良效果较差与螺旋机喷涌;地层超挖明显、隧道上方地层出现空腔以及地表沉降现象难以控制等。针对以上问题进行深入分析,发现弱胶结砂卵石地层中高强度大粒径卵石的存在与渣土改良效果难以保证是导致盾构掘进困难、地层超挖与沉陷的主要原因,从施工技术角度提出了相应的应对措施,如加大盾构机额定扭矩和总推力,确保在有足够动力的前提下,适当减少滚刀数量,同时增加贝壳刀与撕裂刀的数量。从施工技术角度提出相应措施,可为今后类似工程提供参考。     

PBA地铁车站施工过程引起的地层沉降分析

以北京地铁蓟门桥站为工程背景,针对PBA地铁车站穿越各类土层的情况,采用Midas Gts NX有限元分析软件建立实体模型,模拟施工过程的各阶段,研究过程中引起的地层沉降规律。各种地层下PBA工法施工过程中引起沉降的最主要步骤均为导洞开挖施工阶段,发生沉降最大的部位在下导洞拱顶处,而剩余各阶段的沉降值在不同地层条件下差异较小;各地层中施工在同步序条件下引起沉降值由大到小的顺序为填土、粉质粘土、粉土、粉细砂、卵石-圆砾和卵石,深孔注浆加固措施对地层沉降的控制效果排序与之相同。结合工程的具体情况,对拟建车站施工过程的沉降值进行预测,并对施工中的土体加固提出了具体要求。研究结果为车站施工方案的可行性提供了依据。     

砂卵石地层盾构推进对地表沉降影响数值分析

在成都地铁项目工程中,盾构穿越大面积砂卵石地层在我国尚属首例。利用有限元软件ANSYS建立三维数值模型,研究了盾构在不同埋深、等代层厚度、掘进压力等工况下的沉降规律,提出了相关参数控制性建议,可为类似地层盾构隧道的设计施工提供参考。     

砂卵石地层超前管棚和深孔注浆复合预支护效果研究

以北京地铁12号线区间下穿京张高铁盾构隧道为工程背景,数值模拟了砂卵石地层超前管棚和深孔注浆复合预支护工法的地层变形控制效果,探讨了预支护方法对下穿工程地层变形规律、地表沉降规律、盾构管片变形规律、塑性区分布以及管棚受力特征的影响。结果表明:下穿工程地铁施工引起上部高铁盾构管片最大变形区在双区间中心截面±15m范围内,这是布置超前支护以控制地层变形的关键区;深孔注浆加固条件下增设超前管棚,可减小拱顶围岩塑性区开展范围,改善注浆体受力状态,有效降低隧道中上部围岩变形;超前管棚和深孔注浆复合预支护可充分利用深孔注浆的拱效应,又可利用管棚的梁效应,发挥各自力学优势,联合承担上部围岩压力。     

石太客专路基冻胀融沉特性试验与冻害控制措施

为减少路基冻胀和融沉对石太客专的影响，对石太客专路基砂卵石地层冻胀融沉特性开展试验研究。试样取自石太客专路基，测定试样在不同干密度（1.91 g/cm3,2.05 g/cm3,2.15 g/cm3）条件下，饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的温度场、冻胀量和融沉量。试验结果表明，砂卵石土冻胀力、冻胀量和融沉量随干密度的增大而减小，冻胀融沉后的砂卵石试样不会回到初始状态；封闭系统中砂卵石试样冻结达到稳态的时间大于开放系统，干密度愈小，砂卵石试样冻结达到稳定的时间愈长。根据石太客专路基砂卵石地层冻胀和融沉特性，采取疏通排水、注盐、增加外保温层、路基注入高分子材料等预防措施，保障石太客专的安全运营。