深水区复杂地层中大直径超长桩旋挖钻施工关键技术

旋挖钻因其功率大、机动性强、施工效率高、智能型高等诸多优点在桩基施工中得到了越来越广泛的应用。襄阳汉江五桥左、右航道桥主墩桩多处于深水区,桥位所在区域工程地质条件较为复杂,河床覆盖细砂层、卵石土层,部分墩位桩底见硬质的泥岩层,钻孔平台设计与旋挖钻成孔难度均较大。本文以襄阳汉江五桥左、右航道桥主墩桩基施工为实例,重点介绍大功率旋挖钻在深水区复杂地层中大直径超长桩中的应用,为类似工程提供经验借鉴。     

砂砾地层盾构隧道受力光弹试验

为满足城市地下管廊、城际快速地下交通网的建设需求，中国隧道工程的应用率与日俱增。砂砾地层因黏聚力较低，与其他地质条件地层相比工程特性明显。在分析类似地质情况下的盾构隧道受力时，连续性介质假设已不能满足实际需求，应从非连续介质角度分析隧道及其周围岩石介质的受力分布。通过光弹试验观测砂砾地层中隧道-围岩系统内的力链强弱及其分布形式，并应用数字图像处理方法提取力链信息。在光弹颗粒中设置圆形管道以模拟盾构隧道，并通过改变内置管道的直径大小，改变上部及侧部载荷大小，以及在管道底部进行光弹颗粒释放，来分析砂砾地层中隧道直径、埋深变化及隧道底部的地层破坏、流动对隧道-围岩系统中力链分布的影响。利用颗粒元软件PFC对试验过程进行数值模拟，对比分析模拟结果与试验结果以验证试验的可靠性。结果表明：力链是砂砾地层与隧道之间载荷传递的主要方式，围岩与隧道间的接触力分布具有非对称性；隧道的椭圆化程度及其周围砂砾岩层中的力链密度，均随着隧道直径和埋深的增加而增大；当砂砾地层破坏、流动时，隧道-围岩系统内的力链也被破坏并重新分布，地层内维持系统稳定的“环状”强力链退化成为“拱形”强力链，系统自稳性产生破坏，此时应采取措施强化系统的稳定性。     

砂卵石地层台阶法施工隧道围岩-支护结构应力应变特性三维离散元分析

为了解砂卵石地层隧道围岩和支护结构的应力应变特性，以青海循隆高速公伯峡隧道为依托，借助PFC3D离散元软件对公伯峡隧道穿越砂卵石地层进行三维模拟，重点研究以密排短管棚预支护为根本前提，以三台阶预留核心土为施工方法的砂卵石地层围岩和支护结构的应力应变特性，并与现场实测进行对比分析。研究结果表明： 隧道台阶开挖时，围岩应力集中范围逐渐从拱顶过渡到拱腰，直到拱脚，对应的塑性区范围不断扩大，且密排短管棚对塑性区的发展有一定的“遮拦效应”； 围岩横纵向变形规律一致，主要是向隧道临空面产生收敛变形，且密排短管棚形成的梁拱效应限制了掌子面前方位移发展； 2种方法得到的初期支护变形规律一致，均呈阶段性变化，拱顶下沉累计值大于周边收敛累计值，且两者的最终变形量均满足规范限值要求。     

隧道涌水段不良地质探测及围岩变形规律研究

在富水地层中开挖隧道出现涌水事故后,若继续盲目施工易引发隧道坍塌,此时应停止开挖,探明涌水段周围地质条件与岩体变形。以大奎隧道右线出口处涌水事故为背景,从地质雷达和变形监测2方面进行研究分析。地质雷达探测结果显示隧道底板左下方2.5 m处存在承压水层,且隧道衬砌背后存在巨大暗道。变形监测表明多个里程断面岩体变形超过50 mm,高于规范要求的安全界限。基于探测结果,提出了混凝土回填、超前注浆止水及架立钢支撑支护的处理方案,涌水段围岩变形最终得到了控制。     

砂卵石地层气垫式泥水盾构的优化

为解决气垫式泥水盾构在砂卵石地层中存在卵石堆积泥水仓和气垫仓底部、造成碎石机频繁损坏和泥浆管路堵塞等问题,通过对底部堆积、堵塞管路、破碎机频繁损坏的原因进行分析,认为造成堆积和堵塞的原因主要是泥浆在气垫仓和泥水仓流速偏低,不能及时带走碴土,从而造成碎石机频繁损坏和仓底底部堵塞。通过对这些问题的研究讨论,提出通过增加底部、刀盘冲刷以及主机段泥浆循环的方案来解决底部堆积、堵塞管路的问题,同时改变碎石机的结构来解决其寿命短的问题。     

基于应力释放的盾构隧道开挖地表沉降分析

以沈阳地铁1号线隧道为例,利用有限元方法研究盾构施工引起的横向地表沉降问题。引入地层损失和地应力释放的概念,分别在不同地层损失率、不同地应力释放率条件下,建立有限元模型进行计算。根据实际施工时监测到的地表沉降值与有限元模拟的地表沉降值进行比较,发现地表沉降值与地层损失率和地应力释放率成正比,〖ＪＰ＋１〗并通过最大地表沉降值的对比确定了该路段施工引起的地层损失率为1.747%,引起的地应力释放率为74.071%。利用同样的方法,确定了10座城市隧道开挖过程中引起的地层损失率区间为0.5%~2%、地应力释放率区间为60%~80%,并将地层损失率为1.747%和地应力释放率为74.071%时的衬砌混凝土管片处的最大弯矩与无地层损失、无地应力释放率模型管片处的最大弯矩值进行对比,可以发现最大弯矩值有明显的减小,分别减小了76.16%和71.82%。且2种方法得到的弯矩值非常接近,可以认为地层损失率模型和地应力释放率模型是等效的。     

全断面卵石地层泥水盾构环流系统针对性优化设计及应用

为解决泥水盾构在全断面卵石地层掘进时环流系统的堵塞滞排问题,结合洛阳地铁2号线博物馆站—九都西路站盾构区间泥水盾构全断面卵石地层中施工穿越洛河工程,提出一种并联式采石箱设计方案。先后进行普通并联式采石箱、串联采石箱、新型格栅滚筒式采石箱及直通管道自落式旁通采石方案等应用研究,并开展工业性试验,逐步总结方案并优化完善。结果表明： 1）直通管道自落式旁通采石方案,可以较好地解决泥水盾构在卵石含量高、卵石粒径大的地层中掘进时的管路滞排问题,大大提高掘进效率; 2）新型格栅滚筒式采石箱若能解决滚筒卡顿的问题,也能较好地处理类似工况; 3）对于新制造盾构,建议采用优化的新型格栅滚筒式采石箱方案,理论上该方案应更加高效。     

软土地层大断面管幕箱涵顶进竖向姿态的理论与实测分析

针对千斤顶产生的偏心顶推力作用下箱涵发生的“抬头”现象,采用局部弹性地基模型,首先, 从理论上推导得到箱涵顶进竖向姿态变化的解析解; 然后,结合现场实测分析,探究偏心顶力作用下大断面管幕箱涵的“抬头”机制及变化规律。研究表明： 1) 千斤顶顶推力与顶进阻力合力的作用线不重合而产生的使管节上抬的力矩是首节箱涵“抬头”的核心诱因; 2) 缓解首节箱涵“抬头”问题的主要施工措施有减小掘进机顶推力或正面土压力、增加上排管幕刚度、对箱涵上表面进行局部减摩、对箱涵下部进行冲洗卸土等,其中,减小掘进机顶推力或正面土压力效果最为明显。     

合肥地区复合地层盾构掘进参数控制研究

为保证合肥地铁盾构隧道的施工安全,基于合肥地层情况,通过PLAXIS 3D 岩土有限元软件模拟穿越软土、硬岩及复合地层3 种不同地层条件的盾构掘进过程,研究开挖面支护力N、盾构钢壳锥度引起的收缩率C 和壁后注浆压力p 对地表沉降和围岩变形响应的影响规律。研究结果表明: 1)支护力N 和注浆压力p 对地表沉降的影响受地层和埋深的限制较大,收缩率C 则相对较小;2)从地表沉降上看,盾构掘进参数(N、C、p)对软土层的影响最大,复合地层次之; 3)p 对管片上浮和管片内力的影响显著,不宜设置过高,软土层对p 最为敏感,硬岩和软硬复合地层次之。最后,将这些影响规律应用于合肥地铁4 号线某区间的盾构掘进参数控制中,结合现场数据分析,结果表明盾构掘进姿态正确,地表沉降稳定,掘进参数合理可靠。     

砂卵石地层泥水平衡盾构泥浆性能试验研究

以兰州地铁1号线迎门滩-马滩区间下穿黄河段盾构隧道工程为依托,对泥水平衡盾构施工过程中泥浆的比重、黏度以及失水量等施工参数进行了对比分析。通过添加各种掺料进行泥水平衡盾构泥浆配制试验,研究不同掺料对泥浆性能和经济指标的影响规律,并分析不同配比泥浆的环均成本和相应掘进进度。