第三部分案例-砂卵石地層盾構(gòu)隧道關(guān)鍵施工技術(shù)孔恒

市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)一、工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

本課題圍繞北京市環(huán)境治理重點(diǎn)工程－－涼水河南岸污水干線工程而開(kāi)展。該段工程全長(zhǎng)為5.03km。1工程特點(diǎn)

1）隧道掘進(jìn)斷面內(nèi)地層為砂卵石（最大250mm,一般80mm—150mm），且其頂部上覆2～3m的細(xì)砂、粉細(xì)砂層,工作面安全性差。2）隧道埋深淺，一般6m左右，地層穩(wěn)定性控制困難。3）曲線段掘進(jìn)頻繁，有9段曲線，掘進(jìn)姿態(tài)及施工難度大。4）3次穿越干線鐵路，4次穿越城市主道路，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)性。5）地表現(xiàn)況環(huán)境復(fù)雜，需多次穿越地面建（構(gòu)）筑物和地下管線，地表沉降控制要求高。

2工程的技術(shù)難點(diǎn)1）工作面的穩(wěn)定性控制問(wèn)題；2）刀具磨損問(wèn)題；3）盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整問(wèn)題；4）土體塑流化改造問(wèn)題；5）建（構(gòu)）筑物的沉降控制與保護(hù)問(wèn)題。市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)Φ3.64m

盾構(gòu)機(jī)Φ3.33m

盾構(gòu)機(jī)市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)二、砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性控制原理1）力學(xué)特點(diǎn)與表現(xiàn)粘結(jié)力c=0，孔隙比大，含砂率小于20％，開(kāi)挖擾動(dòng)范圍大，易坍塌，沉降難以控制。砂卵石地層開(kāi)挖狀況市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)無(wú)水砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖面的失穩(wěn)模式

全斷面無(wú)水砂卵石地層

市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)無(wú)水砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖面的失穩(wěn)模式

部分?jǐn)嗝鏌o(wú)水砂卵石地層

市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定機(jī)理1）薄膜效應(yīng)。點(diǎn)到面；2）拱效應(yīng)。刀盤(pán)的水平推力以及土倉(cāng)內(nèi)的豎向抗力的作用；3）盾構(gòu)的推進(jìn)速度，利于應(yīng)力的及時(shí)轉(zhuǎn)嫁；4）粘結(jié)力和摩擦角增大。加泥、加泡沫對(duì)開(kāi)挖面土體的改善市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)

自主研究開(kāi)發(fā)了加泥、加泡沫工藝、設(shè)備和控制技術(shù)，并使刀具磨耗壽命提高1倍。研究開(kāi)發(fā)的加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)泡沫試驗(yàn)－－在刀盤(pán)的攪拌作用下迅速滲透到地層中，將砂層的砂礫顆粒包裹起來(lái)，降低了土體的密實(shí)度，改善了土體的塑流性。

單獨(dú)加泥與混合使用泥漿、泡沫效果比較

市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)序號(hào)參數(shù)單獨(dú)加泥混合使用備注1刀盤(pán)油壓(Mpa)≥118～102推力（t）≥800500～6503螺旋輸送機(jī)油壓(Mpa)≥95～74加泥量(L)350015005加泡沫量(L)025原液6地表沉降(mm)≥105～107刀盤(pán)磨損情況較重較輕開(kāi)挖后觀察8刀盤(pán)抱死發(fā)生頻率較多極少施工實(shí)施效果1）單純加泥漿，泥漿添加率45％，結(jié)果推進(jìn)3m后螺旋輸送機(jī)嚴(yán)重堵塞，無(wú)法繼續(xù)施工。2）采用泡沫泥漿復(fù)合添加技術(shù)，盾構(gòu)推進(jìn)順利，機(jī)械負(fù)荷穩(wěn)定，土壓最大值110kPa，一般20～40kPa，統(tǒng)計(jì)平均值33kPa，約為靜止土壓力計(jì)算值的60％；刀盤(pán)油壓一般6.3～11.7MPa，是額定扭矩油壓的41％，所發(fā)生的最大油壓也只相當(dāng)于額定扭矩油壓的65％左右；推進(jìn)速度最大為37mm/min，統(tǒng)計(jì)平均值25.8mm/min；泡沫泥漿復(fù)合添加率最大值49％，一般32％～40％，統(tǒng)計(jì)平均值35.6％。

3）盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，地面最大沉降量8mm，盾構(gòu)機(jī)前方最大隆起量6mm，地面建筑物和交通設(shè)施的安全得到了有效保證。市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)三盾構(gòu)穿越鐵路施工的控制技術(shù)盾構(gòu)數(shù)學(xué)解析模型盾構(gòu)數(shù)值模擬模型盾構(gòu)間隙參數(shù)確定模型數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)解析結(jié)論1)采用同步注漿和一般管片時(shí)地表沉降較大，可以控制在30mm以內(nèi)，一般在15mm～25mm變化；

2)采用同步注漿、二次注漿和一般管片時(shí)地表沉降可以控制在10mm～15mm；

3)當(dāng)采用同步注漿、二次注漿、三次補(bǔ)漿及加強(qiáng)型管片時(shí)，地表沉降可以控制在5mm。市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)

盾構(gòu)穿越鐵路主干線的關(guān)鍵技術(shù)（1）使用加強(qiáng)型管片。考慮到鐵路列車(chē)運(yùn)行是的沖擊荷載，在鐵路正下方的15環(huán)采用了新設(shè)計(jì)的加強(qiáng)型管片。（2）加強(qiáng)設(shè)備維修。在中繼井中進(jìn)行刀盤(pán)、注漿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、推進(jìn)千斤頂及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的檢修，確保穿越過(guò)程中設(shè)備無(wú)故障，進(jìn)行連續(xù)施工。（3）加強(qiáng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)同步注漿和二次、三次補(bǔ)漿的操作。（4）加強(qiáng)泥土塑流化改造。（5）調(diào)整了盾構(gòu)推進(jìn)軸線。（6）加強(qiáng)地面沉降及地層內(nèi)部變形的監(jiān)測(cè)與反饋。通過(guò)上述技術(shù)措施，穿越鐵路段，地表最終穩(wěn)定后的沉降僅＋3mm~-3mm，實(shí)現(xiàn)了鐵路部門(mén)要求的“不限速、不慢點(diǎn)”的正常運(yùn)營(yíng)。市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)四監(jiān)控量測(cè)與信息反饋技術(shù)多測(cè)點(diǎn)縱斷面沉降規(guī)律地表橫斷面沉降規(guī)律（3D—4D，拐點(diǎn)3.5m）單測(cè)點(diǎn)地表沉降變化規(guī)律（盾構(gòu)通過(guò)前及通過(guò)時(shí)占20％－40％；通過(guò)后占60％－80％）市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)一般地段過(guò)渡地段過(guò)鐵路地段深層土體豎向位移變化規(guī)律5個(gè)不同的時(shí)段地層變形情況各異，盾構(gòu)還未到達(dá)前，地層隆起且隨臨近隆起增加；掌子面開(kāi)挖后沉降增加；盾尾脫出后土體急劇下沉；隨同步注漿，二次注漿地層趨于穩(wěn)定。（①為盾構(gòu)的超前影響15m、②為盾構(gòu)通過(guò)前5m、③為盾構(gòu)掌子面通過(guò)時(shí)、④盾尾脫出后、⑤穩(wěn)定時(shí)市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)深層土體水平位移變化規(guī)律4個(gè)不同的時(shí)段地層變形規(guī)律明顯，隨著盾構(gòu)推進(jìn)地層水平位移的豎向槽不斷加深。盾構(gòu)還未到達(dá)前土體水平位移較??；掌子面開(kāi)挖后水平位移基本不變；盾尾脫出后水平位移增加；隨著同步注漿，二次注漿趨于穩(wěn)定。

市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)①為盾構(gòu)的超前影響15m、②為盾構(gòu)掌子面通過(guò)時(shí)、③盾尾脫出后、④穩(wěn)定時(shí)

結(jié)論與存在問(wèn)題1首次在中國(guó)成功完成了5km砂卵石地層的盾構(gòu)隧道，達(dá)到了15環(huán)/日，形成了一整套關(guān)鍵技術(shù)；2輻條式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)能較好地適應(yīng)砂卵石地層；3通過(guò)采用加泥、加泡沫技術(shù)，可有效地改善砂卵石的塑流性，降低刀具磨耗；4基于穩(wěn)定性模型，提出了砂卵石地層控制工作面穩(wěn)定的核心關(guān)鍵技術(shù)；市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)結(jié)論與存在問(wèn)題5實(shí)施監(jiān)控量測(cè)與信息反饋技術(shù)，靈活運(yùn)用同步注漿、二次和三次補(bǔ)漿工藝，達(dá)到了控制沉降的目的；6通過(guò)采取控制措施，保證了在列車(chē)“不慢點(diǎn)、不限速”以及鐵路不作特殊加固定條件下，安全順利地穿越了鐵路主干線，沉降僅＋3mm~-3mm。存在問(wèn)題：今后應(yīng)重點(diǎn)圍繞盾構(gòu)機(jī)與圍巖相互作用關(guān)系、加泥、加泡沫技術(shù)、有效解決大塊卵石以及降低盾構(gòu)磨耗等方面需要深入研究。市政集團(tuán)

forANSYS交通大學(xué)案例2－－地鐵盾構(gòu)最新成果1北京市政集團(tuán)引進(jìn)日本IHI直徑6.14m輻條式盾構(gòu)，在砂黏土互層中，創(chuàng)下單班一次掘進(jìn)15環(huán)；日進(jìn)尺29環(huán)的好成績(jī)；南水北調(diào)在黏性土和砂層地層，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)隧道月掘進(jìn)長(zhǎng)度（含初始掘進(jìn)）達(dá)10