地铁盾构隧道（精选十篇）
地铁盾构隧道 篇1
1 工程地质概况
根据地勘资料可知:既有铁路隧道穿越土层以(3)1层粘土和(3)2层粉质粘土,局部略夹薄层粉土为主;既有铁路隧道与新建盾构隧道之间土层以(3)3层粉土夹粉质粘土为主,为弱透水层;新建盾构隧道以(3)3层粉土夹粉质粘土和(6)1层粉质粘土为主,(3)3粉土夹粉质粘土为弱透水层,(6)1层粉质粘土为微透水层。
2 计算模型尺寸及参数
2.1 计算模型尺寸
基于Ansys数值软件建立3维模型模拟盾构穿越既有铁路隧道(见图1),对其变位和受力进行分析。模型尺寸:横向×纵向×深度=60 m×60 m×51.5 m,隧道内径6 m,外径6.7 m,管片厚0.35 m,灌浆层厚0.15 m,管片宽度1.2 m,弹性模量34.5 GPa;盾构外径7 m,上下两隧道正交通过,下隧道覆土厚18 m,上隧道覆土厚度7.5 m,既有隧道和在建隧道净距3.5 m。
2.2 计算模型参数
本文中所有地层参数均采用Ansys软件中提供的D-P模型,地层的基本参数如表1所示:
3 数值模拟研究
3.1 推力影响分析
盾构机开挖面距既有隧道水平距离12 m,灌浆压力为0.30 MPa,掌子面推力分别为0.30MPa,0.35 MPa,0.40 MPa,对已有隧道的变形影响见图2。可以看出,在建隧道盾构施工会引起前方既有隧道的沉隆变形和纵向与水平位移,并随着推力的增大变形明显增大。
3.2 注浆压力影响分析
掌子面推力采用0.30 MPa,探讨灌浆压力分别为0.15 MPa,0.25 MPa,0.30 MPa,对已有隧道的变形影响见图3、图4。
计算结果表明,在建隧道的注浆压力对已建隧道的沉隆变形影响非常大,注浆压力越大,在建隧道隆起变形越大。施工时应加强现场监测,根据已建隧道及周边变形,通过调整注浆压力大小来控制既有隧道的挠度变形。
从计算结果看,在建隧道的注浆压力对已建隧道的纵向水平变形的影响比较小,引起已建隧道的纵向水平偏移的主要因素是掌子面推力。
3.3 工况影响分析
对盾构到达既有隧道前、到达时、通过后对既有隧道变形的影响进行比较,所采用灌浆压力0.30MPa,掌子面推力为0.30 MPa。结果见图5、图6。
可以看出,盾构到达前会造成前方隧道的隆起,随着盾构的前移又逐渐下沉。
结果显示,盾构施工会引起既有隧道向盾构前进方向偏移,并且在盾构到达时其变位达到最大值,这主要受盾构机前行推力的影响,实际施工时当盾构机接近既有隧道时应适当减小推力、减缓推进速度,同时加强对既有隧道、地表变形和受力状态的监控检测,确保施工顺利进行。
3.4 隧道间距影响分析
地质条件情况同上,两隧道正交,既有隧道与新建隧道的间距分别为2 m,3.5 m,5 m和6.5 m,两隧道空间位置图见图7。
比较工况:开挖面在既有隧道正下方,灌浆压力0.30 MPa,掌子面推力为0.30 MPa。
图8至图11为既有隧道竖向位移云图,图12为不同间距时既有隧道最大竖向位移比较图。在图中可以看出随着隧道间距的不断增大,既有隧道的最大竖向变形值不断减小,隧道间距与既有隧道竖向变形之间的关系可以用式(1)表示:
式中:s为既有隧道最大竖向变形值,d为两正交隧道间距。
图13为不同间距时既有隧道的弯矩分布图。实线所示为既有隧道下无新建隧道时的弯矩分布形式。从图中可知,新建隧道的修建使得既有隧道的弯矩有较大程度的增加,随着间距的不断增大,弯矩的增加量也逐渐减小,当间距达到6.5 m时,最大弯矩的增加量仅为20%(50 k N·m增加60 k N·m)左右,而当间距为2 m时,弯矩增加近3倍(50 k N·m增加148 k N·m)。
以上计算结果表明,当两隧道正交分布时,一定要设置合理的间距,否则会造成既有隧道因变形或内力超过其初始设计值而发生工程安全事故,如遇城市地下空间狭小等问题,不能设置安全间距时,则应考虑适当加固两隧道间的土体,增加其刚度,减少隧道间的应力传递。
4 结论
(1)隧道施工中会造成既有隧道向盾构前进方向偏移,在建隧道与既有隧道间距越小,引起的纵向变形越大。在横向,随着距离的增加,既有管道的竖向变位迅速减小,至在建隧道轴线30 m以外,不同间距的隧道施工引起的变形逐渐趋于一致。
(2)新建隧道和既有隧道间距与既有隧道的竖向变形之间存在线性关系;当间距为6.5 m时,既有隧道弯矩增加20%,而间距为2 m时弯矩增加3倍。
(3)注浆压力越大,既有隧道上方地面的隆起可能就越大。
摘要：以无锡地铁某盾构隧道区间穿越既有铁路隧道为工程实例,基于Ansys数值软件建立3维力学模型,从盾构隧道施工过程中的盾构推力、注浆压力、施工工况、相邻隧道间距4个方面对盾构隧道施工引起的既有铁路隧道的结构变形和受力规律进行了数值模拟,并分析了既有隧道变形的机理和影响因素。
关键词：地铁,盾构隧道,既有隧道,数值模拟,结构变形
参考文献
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上海地铁盾构隧道纵向变形分析 篇2
【摘 要】隧道若发生纵向变形将严重影响到隧道结构的安全。分析探讨了纵向变形的发生、变化情况以及隧道结构和防水体系所允许的纵向变形控制值。结合工程实践,对隧道发生的典型沉降曲线规律进行了深入的分析,其结论对有效控制隧道纵向变形具有指导意义。【关键词】隧道;通缝拼装;纵向变形;环缝;错台;防水;失效
至2020年,上海将建成轨道交通运营线路达到20条、线路长度超过870 km以及540余座车站的网络规模。这其中,以盾构隧道结构为主的地下线路几乎占到一半。控制隧道纵向变形是确保隧道结构安全的重要因素之一。在研究隧道纵向变形时,我们首先要关注这种变形是以何种方式发生、又是如何发展变化以及隧道变形控制值是多少等问题,本文对这些问题进行了分析探讨。
1、盾构隧道结构和构造设计
盾构法隧道是由预制管片通过压紧装配连接而成的。与采用其它施工方法建成的隧道相比,盾构隧道明显的特点就是存在大量的接缝。1 km长的单圆地铁盾构隧道需要五~六千块管片拼装而成,接缝总长度约是隧道长度的20余倍。因此,盾构隧道的多缝特点已成为隧道发生渗漏水最直接或潜在的因素之一(见图1)。在盾构拼装结构中,接缝有通缝和错缝之分,现以单圆通缝盾构隧道为例进行隧道纵向变形分析。1.1 盾构隧道结构与构造设计 1.1.1 管片厚度、分块及宽度
单圆通缝隧道管片厚度350mm,管片为C55高强混凝土,抗渗等级为1 MPa。一环隧道由6块管片拼装而成(一块封顶块F、两块邻接块L、两块标准块B和一块拱底块D),圆心角分别对应16°、4×65°和84°(见图2a)。封顶块拼装方便,在拱底块上布置了两条对称的三角形纵肋。整个道床位于拱底块内,底部没有纵缝,对底部环缝渗漏水有一定程度的抑制作用,可大大降低处理底部渗漏水的难度。
1.1.2 纵缝和环缝构造
在管片环面中部设有较大的凸榫以承受施工过程中千斤顶的顶力,可有效防止环面压损,既利于装配施工,又易于整个环面凹凸榫槽的平整密贴,提高管片外周平整度;并可提高环间的抗剪能力,控制环与环之间的剪动,同时也可减少对盾尾密封装置的磨损。靠近外弧面处设弹性密封垫槽,内弧面处设嵌缝槽。环与环之间以17根M30的纵向螺栓相连,在管片端肋纵缝内设较小的凹凸榫槽,环向管片块与块之间以2根M30的环向螺栓压密相连,能有效减少纵缝张开及结构变形,环、纵向螺栓均采用热浸锌或其它防腐蚀处理。
这种构造设计使得隧道在拼装完成后形成具有一定刚度的柔性结构,环向面之间以及纵向面之间可以达到平整密贴装配,既能适应一定的纵向变形能力,又能将隧道纵向变形控制在满足列车运行及防水要求的范围内;同时,满足结构受力、防水及耐久性要求。
错缝拼装与通缝拼装略有不同,其拼装方式是隔环相同,拱底块不设三角肋,在道床底部有一条纵缝, 6块管片所对应圆心角分别为20°、2×68.75°、3×67.5°(见图2b)。不论是通缝还是错缝拼装,隧道总体上呈“环刚纵柔”的特点。
1.2 装配隧道对纵向变形的适应性分析
错台是指两环隧道之间发生的径向相对位移,隧道纵向变形的适应性是指在保障隧道结构安全前提下各组成构件所允许的最大环间错台量。从以下几方面分析各自对环间错台量的适应情况。1.2.1 环面构造对错台量的适应性
如图3a示,在管片环面中部设了较大的凹凸榫槽。因环面装配部位的凹槽比凸榫稍大,存在约8mm的极限装配余量,可允许凸榫在凹槽内沿着径向作微量移动或滑动。这种环面间的相对移动表现在隧道壁上就是错台现象(见图3)。无论环面凹凸榫槽的初始装配关系如何,当环间错台达到4~8mm时,凸榫的顶部边缘将与凹槽的底部边缘相接触,若继续发生错台,凹凸榫槽将发生剪切。应当说环面上设置的凹凸榫槽对提高环间的抗剪切能力是有益的。从环面构造可知,当环间错台量超过4~8mm时,环面缝隙将按线性张开。所以, 4~8 mm错台量应是环面装配和错台的控制值。1.2.2 密封垫对错台量的适应性
在环面上靠近外壁约30 mm处设有密封垫(现多为三元乙丙橡胶材料),按照设计构想,理想装配条件下密封垫径向宽度的重叠达23 mm,并可抵御环面间张开4~6 mm而不会发生渗漏水。通过对密封垫试验和数值计算分析发现,当环面之间发生错台时,密封垫表现出复杂的形状,不同部位呈拉压剪等十分复杂的受力状态。从理论上讲,当环间错台量为4~8 mm(甚至更大一些)时两块压紧状态的密封垫是不会产生渗漏水的。由于环面上的密封垫不是完整的(分别粘贴在12块不同管片上),装配后单侧整环密封垫长达19.415 m,且存在许多棱角组合,加之防水材料质量及施工技术条件等制约因素,多数渗漏水发生在错台量<8 mm(甚至更小)的情况下(见图4)。
1.2.3 螺栓孔和螺栓对错台量的适应性
为便于管片拼装紧固,一般螺栓孔设计的要比螺栓稍大,螺栓孔径为35mm,螺栓直径为30 mm,在管片拼装或产生错台时可允许螺栓适当调整。当环间错台量较小时,螺栓会随管片发生移动,螺栓拉伸量相当有限。不论螺栓与螺栓孔的初始装配关系如何,在错台量达到6~12 mm后,螺栓孔与螺栓的对应位置关系都趋于极限,螺栓将发生拉弯,同时对手孔部位的混凝土产生压剪作用。因手孔部位增强了配筋,螺栓会在手孔部位的混凝土压坏之前先于拉坏。
通过以上分析可知,隧道环面构造、防水体系及螺栓等在隧道发生变形过程中所起的作用不尽相同,对错台量的适应性也并不完全一样。但将它们装配成一条完整的隧道后就必须要求管片间的变形要协调,即只有当错台量同时满足结构抗剪、螺栓受拉及防水有效等要求时,隧道安全才有保障。受管片制作、拼装施工、密封垫质量等因素的影响,通常在隧道投入运营之初,环缝、十字缝或管片接缝处就已发生了渗漏水,隧道在施工过程中已经用掉了大部分结构变形和防水预留量,而留给运营期间允许发生的变形余量非常少。因此,综合多方面因素,将环面间的错台量控制在4~8mm即可保障隧道的安全。
2、隧道纵向变形分析
在隧道防水设计中,一般取纵缝和环缝张开量来确定密封垫的性能,弹性密封垫在隧道张开量达到4~6 mm时还具有防水能力。但隧道纵向变形究竟是以隧道顶底部刚性张开方式还是以环面错台方式进行的?或是两者兼之?下面分别对两种情形进行讨论分析。
2.1 假定隧道纵向变形是以刚体转动的方式进行的
将单环隧道假定为一个理想的刚体,允许环与环之间发生小角度θ的刚体转动,隧道顶(底)部张开量Δ,形成隧道纵向沉降变形(见图5)。当隧道发生沉降时,隧道顶部压紧,底部张开(或闭合)量Δ;反之,隧道顶部张开Δ,底部压紧。根据刚体转动几何条件,隧道环宽w、直径D、环间张开(或闭合)量Δ及隧道纵向沉降曲线半径R之间有如下几何关系:
当取环宽为1.0 m、隧道外径为6.2 m,隧道纵向沉降(或隆起)与环缝张开关系见表1。若依此计算,当环缝张开量为6 mm时,隧道防水已经失效。但在隧道实际变形中,如此小沉降半径(甚至更小)是存在的,但防水体系并没有发生失效现象。这说明将隧道纵向变形视作整环隧道刚体转动的假定与隧道实际发生的纵向变形有着较大出入。在已建隧道中,隧道长度与直径之比L/D>150,隧道纵向端点与车站锚固联结,车站刚度较大,而且隧道与周围土层之间存在一定的抗剪力,对隧道沿纵向移动有较大约束,加之管片之间螺栓紧固作用等,对隧道整环发生刚体转动或沿纵向产生较大的水平位移(缝隙)起到极大约束作用。一般情况下,沿隧道纵向难以产生较大的环间缝隙或刚体转动。
2.2 假定隧道纵向变形是以环间错台方式进行的
从上述分析得知,隧道环与环之间可以发生小量级的错台而不破坏隧道的安全性,假定隧道纵向变形曲线视作是由环与环之间发生不同错台而形成的,现分析沉降曲线为等圆的错台情况。将最下部的一环定为第1环,称之为基准点,第1环隧道底部与沉降曲线最低点之间沉降差定义为初始错台变形δ1,第2环与第1环之间的错台变形量δ2,第i环隧道与i-1环之间的错台变形量δi。根据图6a示,第一环的初始错台量为δ1,则有:
根据表2和图6分析可知:①沉降曲线半径越大,沉降影响范围越大,环间错台发展速度越缓慢;反之,沉降曲线半径越小,沉降影响范围越小,环间错台发展就越快(即错台很快就超出安全控制值)。②沉降曲线半径越大,沉降范围内的累积沉降量越大。由式(3)可以看出,即使环间的错台量是一个较小的数据,但在一个较大范围的隧道累计变形量来说仍然很可观。③即使在等半径沉降曲线上,不同距离的环间错台量是不同的。由式(2)可知,距离基准点越远,环与环之间的错台变形量就越大。
隧道安全取决于隧道结构和防水体系的安全,通过对隧道的长期现场监护监测发现,隧道结构沉降变形和防水之间又是相互影响和相互促进的,隧道渗漏水会引起隧道变形加大,隧道变形加大又会加剧隧道渗漏水,形成恶性循环。
在隧道发生渗漏水的许多部位,沉降曲线半径超过15 000m,满足隧道纵缝张开的设计要求;在发生较大沉降变形区段,沉降曲线半径远小于15 000m,隧道没有发生渗漏水,也未发现隧道顶底部的转动张开;在几处发生过险情的隧道区间,隧道沉降半径远小于500 m,发生漏水的整环隧道多位于沉降曲线的直线段,个别环间错台量达数厘米,在隧道内壁上表现为明显错台形式。理论分析和隧道发生渗漏水的实际情况都证明了隧道纵向变形方式是以环间错台方式进行的,将隧道纵向沉降曲线视作是由一系列环间错台构成的这一假定是合理的。
2.3 隧道纵向变形过程分析 在隧道发生沉降(隆起)后,隧道总长度增加,沉降变化越多,变化量越大,隧道总长度增加量就越大。当错台量较小时,隧道纵向增加量较小,可用下式来表达:
当错台量超过4~8 mm时,隧道纵向长度计算还应考虑纵向环面缝隙的增加量w0。下面根据不同程度的错台量对隧道结构安全和防水影响进行分析:(1)当环间错台量为1~4 mm时,这个量级的错台可以通过隧道环面构造设计本身加以调整,但会对密封垫产生一定的拉压作用。从几何意义上讲,变形前密封垫径向重叠厚度至少可达约23 mm,发生错台后密封垫仍可保持约19 mm的重叠厚度。根据式(4)计算,若错台为1 mm,单环隧道增加长度0.005 mm;若环间错台4 mm,单环隧道增加长度0.008 mm。这个量级的小错台量引起隧道纵向长度的增加非常小,环间缝隙宽度不增加。
随着环间错台量的增大,密封垫不同部位表现为十分复杂的拉压剪等受力状态,密封垫一般不会发生渗漏水现象,但环面间的防水能力在一定程度上被大大削弱,隧道发生渗漏水的概率大为增加。纵向连接螺栓或将进一步发挥抗拉作用,对手孔部位的混凝土施加低水平的压剪作用。
(2)当环间错台量达4~8 mm时,即在前一阶段变形基础上继续发生错台4 mm(见图3b)。不论环面凹凸榫槽最初装配位置如何,此刻凹凸榫槽处在极端配合状态,凸榫顶边缘与凹槽底边缘相接触,凹凸榫槽直接发生剪切,螺栓也处在进一步拉紧状态,密封垫的变形和受力状态也随错台量的加大而加剧,但密封垫径向重叠厚度仍可达15 mm。根据式(4)计算,若错台达到4~8 mm,单环隧道长度增加将达0.032 mm。这个级别的错台引起隧道总长度的增加量依然很小,环间缝隙宽度不增加,但密封垫之间、密封垫与管片之间都可能会直接发生渗漏水现象,环间防水能力被极大削弱,隧道发生渗漏水的几率成倍增加,必须引起警惕,采取措施控制错台的进一步发展。
(3)当环间错台量达8~13 mm时(见图3c),环面凹凸榫槽已发生直接剪切,凹凸榫槽局部会出现裂缝,而导致防水失效,这个错台量会引起环面凹凸榫槽出现“艰难爬坡”现象,环间缝隙呈线性扩大,螺栓被拉流。尽管密封垫径向重叠厚度仍有10~15 mm,但因管片局部发生破坏、环面间缝隙超过防水标准而失去防水作用。根据式(4)计算,若环间错台量达到13mm,隧道长度增加迅速,单环隧道增加量也达13.083mm,环缝张开量将迅速增加超过6 mm,环间防水体系基本失效,将会有大量水土流入隧道,环缝漏水严重。图7是整环隧道发生竖向错台示意图,当环间发生竖向错台时,依附于管片上的密封垫将随同管片一起发生错台。在隧道顶底部位错台最为显著,其它部位并不明显,但此时环面上凹凸榫槽还处在咬合状态,错台将呈直线方式发展。隧道处于此种状态十分危险,若变形继续发展,后果不堪设想。
(4)当环间错台量为13~23 mm时(见图3d),环面间持续剪切导致凹凸榫槽结构进一步破坏,防水体系完全失效,凹凸榫槽还处在咬合状态,错台将呈线性发展直至结构失稳,尤其当隧道下卧土层是砂性土层的状况时风险性更大。
分析表明:①若错台量在几毫米以内,隧道总长度增加量很少,环间缝隙宽度并不增加,隧道结构安全尚处在可控状态,但会大大削弱密封垫的防水效果;②若错台量超过环面凹凸榫槽配合极限之后,环间缝隙按线性发展,管片会发生破损、防水失效等现象,给隧道安全带来灾难性威胁。因此,径向错台的增加不仅会引起隧道环面发生剪切,还将导致隧道纵向水平位移(环面缝隙)的增加。
以上仅是对隧道竖向发生径向错台进行分析,实际上隧道发生纵向变形远比此复杂。隧道在装配完成受力后其环面并不是一个真圆,环面凹凸榫槽的装配关系随之发生变化,这些变形会沿着隧道纵向进行传递,隧道纵向和横向变形在一定范围内相互影响。
3、隧道纵向变形典型曲线及工程实例 3.1 隧道纵向沉降典型曲线
图8是典型纵向沉降曲线,沉降曲线呈对称漏斗型。一半曲线是一条反S沉降曲线,曲线的上部向下弯曲,下部向上弯曲,中间呈直线段变化。可将曲线划分成三段,现逐一分析如下: 第一段为向下弯曲段(沉降加速段)。该段隧道受扰动影响较小,环间错台较小,纵向变形量小,环与环之间的错台迅速变大,环间缝隙基本上没有张开,也不发生渗漏水,此阶段的纵向变形累计量较小。
第二段为直线变形段(沉降均速段)。该阶段隧道受扰动影响较大,该段环与环之间的错台量较大,凹凸榫槽相扣处在剪切状态,错台基本上呈直线型发展,没有明显弯曲,纵向沉降累积量迅速变大,环间缝隙防水失效,有大量水土涌入隧道。
第三段为向上弯曲段(沉降减速段),也是最后一个阶段。该段环与环之间的错台变形由大变小,曲线呈向上弯曲状,此阶段的纵向累计沉降量达到最大。
近年来发生的几起隧道险情大沉降与上述隧道纵向变形曲线非常吻合。3.2 工程实例
(1)图9是上海轨道交通2号线某停车场出入库线下行线隧道泵站发生事故后形成的沉降曲线。因泵站施工引起隧道大量漏水漏砂,隧道发生了较大错台变形,个别环间错台量达到数厘米,最大累计沉降量达26 cm,后经及时抢险才得以控制隧道危情。
(2)4号线大连路区间隧道因结构存在固有缺陷导致隧道漏水漏砂,环间发生了较大错台沉降,纵向累计和差异沉降变形都很大,环间发生错台量达到3~5 mm,累计沉降达9 cm,影响范围超过100m,后经及时发现抢险并最终得到根治。环间过大的错台变形势必会引起隧道结构开裂,导致隧道受损或破坏,防水体系失效,给隧道结构安全带来直接威胁,多处隧道发生的纵向大变形验证了这一变形过程。
4、结语
本文通过对地铁盾构隧道纵向变形进行分析,得到如下结论:(1)地铁盾构隧道纵向变形基本上是以径向错台方式进行的。
(2)径向错台的增加不仅会引起隧道环面发生剪切,同时会引起环缝间隙按线性发展,导致隧道结构损坏、防水失效。必须严格控制各类因素引起的环间错台量。
(3)研究了不同沉降曲线半径的环间错台变化规律,等半径沉降曲线上不同位置的错台量是不同的。结合工程险情研究了典型的隧道沉降曲线。
地铁区间隧道盾构管片衬砌设计简述 篇3
地铁区间隧道盾构管片衬砌设计简述西南交通大学
万璐 一、管片设计内容管片结构设计主要包括两个方面：管片的构造设计，结构分析。具体内容见1-1。管片制造费用在盾构隧道工程总投资中所占比重较大，在地铁工程中约为45%，因此合理地选择管片的形式是十分必要的。盾构隧道中，管片衬砌的作用可以总结为：A.足够安全地承受作用于隧道上的荷载；B.具有适应于隧道使用目的的功能；C.具有适合于隧道施工条件的结构形式。二、管片结构型式盾构法隧道衬砌主要有：预制装配式衬砌、模注钢筋混凝土整体衬砌相结合的双层衬砌 、挤压混凝土整体式衬砌三大类。预制装配式衬砌与其它两种衬砌相比较具有以下优点：管片在工厂预制，质量易于保证；安装后能立刻承受地层荷载；施工易于机械化。且随着防水、截水材料质量和施工工艺的提高，采用单层衬砌即可满足强度、刚度及功能的需要。依据国外一些超大断面盾构隧道及国内盾构隧道的成功经验，本隧道采用预制装配式衬砌。按管片的截面形状钢筋混凝土管片又可分为箱形和板形两类。箱形钢筋混凝土管片存在以下的缺点：在千斤顶推力的作用下易开裂，在通风要求很高的隧道的运营通风中通风阻力大，不利于隧道通风，浪费了本已构筑好的地下空间。而板形管片则能很好地满足千斤顶顶推力的要求，同时对已构筑的地下空间无浪费。对于中小直径的盾构隧道，国内外普遍采用平板型管片，因其手孔小对管片截面削弱相对较少，对千斤顶推力有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力也较小。根据目前国内外的实践经验，在成都地铁区间隧道皆采用平板型管片。综合以上分析，本隧道采用单层装配式平板形钢筋混凝土管片衬砌的结构形式。三、管片分块关于国内地铁区间隧道的管片，早期在上海地铁试验段曾进行过四分块的试验，主要考虑管片的接缝位置较好。而且在通缝拼装的情况下 ，管片纵向接缝能够在受力较小的位置；由于分块少，管片的接缝也较少，从防水、节约工程造价考虑有利的，但是，由于管片较大，运输、拼装作业相对不便。而盾构施工的一个发展趋势是快速拼装，因此四分块方案现在已经淘汰。现在在国内的地铁区间隧道全部采用六分块方案：一块封顶块+二块邻接块+三块标准块。在成都地铁中，衬砌环采用3标准块+2邻接块+1封顶块的分块方式。四、管片厚度确定管片厚度为0.3m，则得管片外径为6m。五、管片幅宽依据类似的盾构工程，同时从考虑运输、吊装、装配等方面进行综合分析比较，最终确定管片的幅宽为1.2m。六、管片接头构造管片衬砌接头构造包括接头连接方式、接头面构造形式、防水凹槽形式等几方面内容。 1）衬砌接头连接方式选择（1）纵向接头管片采用错缝拼装方式拼装。这里纵向接头选择弯螺栓接头结构。接头均采用M24型5.6级螺栓，每个接缝在幅宽方向布置一排，每个接缝处共2个螺栓，一环内共布置10个接头螺栓。（2）环向接头环向接头采用M24型5.6级螺栓12个，等圆心角布置。2）接头面构造形式由于管片拼装时不可避免地存在一定误差，接头面的四个周边容易产生应力集中而被破坏。故在接头面周边设置退缝槽以解决因应力集中而产生的管片破损问题。3）防水凹槽形式根据接头防水的需要，一般地铁盾构管片中在环缝和纵缝靠近外弧侧处设一条止水条槽，在内弧侧设嵌缝槽即可满足结构防水要求。在成都地铁工程中，在靠近外弧侧设置一条止水条槽，同时在内弧侧设置嵌缝槽。七、管片拼装方式管片的拼装方式有两种：通缝拼装和错缝拼装。在国内，上海的盾构隧道一般采用通缝拼装；广州地铁、深圳地铁、成都地铁五号线试验段和南京地铁一号线皆采用错缝拼装。在国外，不管欧美，还是日本，一般皆采用错缝拼装。错缝拼装可提高管片接头刚度，加强结构的整体性，这点在国内有着统一的认识。从结构受力分析考虑，采用错缝拼装的管片相对于通缝拼装而言一般结构计算内力要大一些，是管片配筋经常由最小配筋率控制，因此整个结构的配筋量未必会加大。从具体的施工管理看，错缝拼装相对复杂一些，管片的拼装需要按三维进行，环面的平整度以及千斤顶的行程控制需要相对难一些。若施工中部分环节控制不当，管片错台会大一些、开裂也相对多一些。但现在管片生产一般采用高精度刚模，盾构机系统配备也很先进，施工技术也日趋完善，错缝拼装的经验越来越丰富。预计在以后的盾构工程中，错缝拼装将是主流趋势。从这里看，区间隧道衬砌采用错缝拼装。八、衬砌环组合形式区间盾构隧道的线路拟合是通过不同的管片衬砌环组合来实现的。线路的拟合包括平、竖曲线两个方面。一般有三种管片组合方法来模拟线路。这三种管片组合方法应该说都是可行的。采用哪一种方法，一方面取决于设计施工习惯，另一方面取决于区间的线路曲线情况。一般而言，采用标准衬砌环+左转弯衬砌环+右转弯衬砌环组合施工更方便，但管片的生产数量控制相对复杂一些，管片模具的利用率可能低一些；采用万能管片，由于只需要一种模具，模具的利用率高，管片的生产控制单一，但管片的拼装相对复杂；采用左转弯衬砌环+右转弯衬砌环组合可以算是以上两种方法的综合，可在以后的设计和施工中进行实践。在本工程中采用标准衬砌环+左转弯衬砌环+右转弯衬砌环。参考文献：[1]曾艳华 王明年.计算机在地下工程中的运用.成都：西南交通大学出版社，2004；[2]杨其新 王明年.地下工程施工与管理.成都：西南交通大学出版社，2002；[3]张凤祥 朱合华 傅德明.盾构隧道.成都：人民交通出版社，2004；
地铁隧道盾构施工掘进技术要点 篇4
1 地铁隧道盾构施工基本原理及特点
隧道盾构法施工是在护盾的保护下采用盾构机在地下掘进, 同时进行管片衬砌作业而构筑隧道的一种施工方法。隧道盾构法施工首先需要在隧道一端设置竖井或基坑用来安装盾构机, 盾构机沿着隧道设计路线的轴线方向前进, 同时从盾尾输出土体。但由于在盾构机推进的过程中盾尾土体的受力状态发生变化, 需要在盾尾进行衬砌, 并在开挖坑道周边及衬砌缝隙中压注水泥浆, 从而起到封闭水源、防止隧道及地面下沉的作用。目前, 我国城市地铁建设已经摒弃传统的明挖施工, 均采用盾构法进行施工, 常用的盾构机主要包括泥浆式、土压平衡式、敞开式、压缩空气式等四种类型, 但土压平衡式盾构机可以用于松软土层至砂砾层等各类土质的施工, 在工程中的应用也最为广泛[2]。
地铁隧道盾构施工是城市地下施工的主要手段, 盾构施工是在一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状钢筒结构的掩护下完成挖掘、出土、隧道支护等工作的。我国城市地铁隧道建设盾构法施工最早是在1996年开建的广州地铁l号线, 其后在全国大中城市地下工程中广泛采用, 并取得了可喜的应用效果。地铁隧道采用盾构法施工可以最大限度地减少工程施工对城市正常功能和周围环境的影响, 而且采用盾构机进行掘进施工不仅大大降低了明挖法施工的工程量和工人的劳动强度, 还显著提高了掘进速度和施工的精度及安全性, 使得地铁建设的工期得到有效保障。但盾构法施工也存在一次性投资大、机器复杂而且尺寸和重量大、装运繁琐、维修费用高等缺点。
2 地铁隧道盾构掘进施工准备及要点
盾构机的类型选择对保证工程施工质量、加快施工效率尤为重要, 因此需要根据实际工程的地质、水文地质条件、施工环境、工期、机器寿命和经济性等因素进行综合平衡后确定, 并保证盾构机开挖尺寸满足地铁隧道设计断面的尺寸要求, 而且其开挖功能适用于整条路线的地质条件, 从而最大限度地提高工程施工的安全性、可靠性和经济性[3]。
在盾构机掘进施工前, 需做好始发及到达端头的加固和盾构机的调试工作。由于我国许多城市地铁建设工程均处在土体自稳能力较差地段, 特别是线路经过透水性强的松散砂土和含水粘土时必须对盾构始发及到达端头采用注浆、旋喷、深层搅拌、井点降水、冻结法等多种方法进行加固处理, 并对加固土体的范围、强度、透水性及均质性进行检查, 确保加固后土体的自立性、防水性和强度符合工程施工要求。盾构机下井前, 需要对主拼装区场地面的基础进行加固, 并进行混凝土硬化处理, 确保主拼装区场地能够承受盾构机的荷载重量。为确保盾构在洞内的移动安全, 盾构托架必须具有足够的刚度和强度, 保证盾构推进方向。在安装盾构始发基座时, 应根据出洞口线路平纵曲线条件, 适当在设计轴线的基础上抬高2cm, 并对基座进行支撑加固。此外, 由于盾构机各部件的外形尺寸和重量均较大, 需要在拼装场地进行适当组合装配后运输到吊装场地, 以方便盾构机的装配。在盾构机各组成块连接完成后, 需要检查盾构机与后方设备及后方台车之间的连接, 并对盾构机的刀盘转动情况、刀盘上刀具、推进千斤顶系统、管片拼装机及各种辅助系统进行检测, 以保证盾构机的各项功能的正常发挥。
3 地铁隧道盾构掘进技术及要点
3.1 盾构始发及初始掘进阶段
盾构始发及初始掘进在地铁隧道工程施工中占有十分重要的位置, 而且随着隧道埋深、尺寸的加大和周围施工环境的日趋严峻, 这对盾构工程始发和初始掘进的技术要求越来越高, 常常需要根据实际情况采用多种技术措施保证开挖面地层的自稳性, 利用挡土墙和水泥加固土墙作为构筑物防止开挖面崩塌, 在不良地质路段必须对地基进行改良, 确保开挖面稳定后再进行施工[4]。为确保施工可靠和安全, 在洞口初始掘进后, 需对初始掘进段开挖面加压, 并采用水泥浆封闭隧道壁, 使隧道洞口尽早稳定。在具体施工程施工中, 为减少盾构推进阻力, 始发前需在基座轨道上涂抹润滑油膏, 并在刀头和密封装置上涂抹油脂, 减少刀盘上刀头对洞门的破坏。此外, 还需严格控制始发基座导轨的标高、间距及中心轴线, 防止盾构旋转、上飘, 并通过加强监测来及时调整盾构掘进参数, 保证盾构的掘进姿态。在盾构初始掘进阶段需要通过试验段掘进获得盾构掘进的各项参数, 并通过地表隆陷、地层位移规律的监控量测来对盾构掘进参数进行调整。
3.2 盾构正常掘进阶段
依据盾构始发及初始掘进阶段确定的盾构掘进各项参数, 盾构机就可以进入正常掘进阶段。为使盾构机获得理想的掘进效果, 在保证刀盘与刀具的适应性、碴土的流动性和止水性的基础上, 还需根据线路沿线的不同地质条件选择不同的掘进模式, 通常有土压平衡模式、半敞开式和敞开式掘进三种掘进模式。当盾构通过不同的地层时, 应及时改变盾构的掘进工况, 并合理设置各种参数, 以保证盾构机能够适应地层的变化要求, 在保证土体结构稳定的同时, 提高掘进施工效率。在具体工程施工中, 必须在施工前采用钻探设备对沿线地质情况和土层变化进行测试, 以方便盾构机及时调整掘进模式, 并保证盾构机在切换到不同地层掘进模式时有10m以上的工况过渡段。此外, 还需对螺旋输送机的排土速度、盾构机的掘进姿态及地基变形情况进行检测, 确保地铁隧道盾构掘进施工的顺利进行。在坡度段施工时, 还应严格控制开挖土量、注浆材料的稳定性、隧道内排水情况等, 并在上坡时加大盾构千斤顶推力和稳固后方台车。
3.3 盾构到达掘进阶段
盾构机到达掘进是完成正常掘进后接近到达端头竖井时改变掘进姿态, 在采取多种保护地铁隧道土体稳定措施后, 按所定路线将盾构机推进竖井的过程。通常盾构到达掘进施工可以采用盾构机到达后拆除挡土墙再推进和盾构机到达前拆除挡土墙再到达两种方法, 前者具有工种少、施工性好的优点, 被广泛用于地层稳定性好的中小断面盾构工程中;而盾构机到达前拆除挡土墙再到达的方法需要对地基进行高强度的改良加固, 可以提高洞口防渗性和防止地基坍塌, 有利于地层稳定, 主要用于大断面盾构工程中[5]。在具体工程施工中, 为确保盾构机能够准确到达端头竖井, 需在离端头100m和50m时采用自动导向与人工测量相结合的方法及时调整盾构姿态和纠偏, 并逐渐降低掘进速度、减少掘进推力, 但此过程中由于盾构推力的减少会造成管片反力的降低, 使得管片的接缝出容易产生漏水现象, 需在每环管片安装四个固定板。
4 结束语
随着我国城市大规模基础设施建设潮的兴起, 城市地铁隧道建设得到快速发展, 隧道盾构施工技术具有施工速度快、安全、成型质量好等优点, 成为现代城市向地下发展的重要施工方法。在具体的工程施工中, 由于各地的地质和水文地质条件不同, 导致隧道盾构施工中屡屡出现质量事故, 需要工程技术人员严格按照施工掘进的技术要点控制盾构机的掘进状态, 并通过加强监测及时调整掘进模式, 从而确保城市地铁隧道的施工质量。
参考文献
[1]安斐.隧道盾构施工技术发展趋势和应用探讨[J].黑龙江交通科技, 2011 (10) .
[2]魏辉.浅谈地铁隧道盾构施工技术[J].建筑与发展, 2011 (4) .
[3]陈馈, 洪开荣, 吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2009.
[4]牛清山.盾构法的调查·设计·施工[M].北京:中国建筑工业出版社, 2008.
结合广州地铁谈盾构隧道施工 篇5
摘要：结合广州市轨道交通三号线[天~华]区间盾构工程为实例，阐述了海瑞克土压平衡盾构机在地铁盾构隧道施工中的主要内容，并针对施工中遇到的一些具体问题提出了解决办法。
关键词：地铁盾构隧道
1、工程概况广州市轨道交通三号线[天~华]区间盾构工程分为两个区间（天河客运站~五山站区间以及五山站~华师站区间），主要由两条圆形盾构隧道为主组成，双线长6259.615m。隧道标称内径为5400mm；埋深为11~28m；平面最小曲线半径为350m；最小竖曲线半径为3000m；最大坡度为19‰；最小坡度为3‰。天~五区间隧道主要是在残积层和全风化层中穿过，顶底板差异不大，在中部偶见夹有球状微风化岩石。近五山段顶板出现少量砂层。隧道洞身天然单轴抗压强度最大值为153.40MPa。五~华区间隧道主要是在强风化层中穿过，顶底板岩土分层有一定差异，存在上软下硬或有夹层现象。中部为瘦狗岭断层破碎带，以北均为花岗岩、花岗片麻岩带或风化层，以南为白垩系红层岩系。靠近华师站段隧道全断面在微风化层中穿过。地表地形地貌变化也比较大。白垩系红层隧道上方发育有较长段含水砂层。
2、盾构掘进2.1刀具配臵地质情况对刀具配臵起决
定作用，隧道围岩为I、II类(按《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》中隧道围岩分类)时，一般采用刮刀(俗称羊角刀)，而对于III~VI类围岩则使用盘形滚刀效果较好。盘形滚刀又有单刃和双刃之分，单刃滚刀适合较硬岩或强度不均匀的围岩，而双刃滚刀适合一般硬岩及强度均匀的围岩。针对本工程的地质情况，均配臵单刃盘形滚刀。2.2掘进参数控制(1)、控制刀盘扭矩。根据保护刀具、降低刀具磨损的要求，必须将刀盘扭矩控制在某一容许范围内，而控制扭矩的主要依靠以下方法：◆减小推力：这是最简单、有效的方法，但同时也会降低掘进速度。◆减小刀具的贯入度：即在保持掘进速度基本不变的情况下，提高刀盘转速，一般达2.5~3r/m左右。当开挖面为全断面硬岩时，减小刀具贯入度，能显著降低刀盘扭矩。但刀盘高转速不适用有孤石的围岩，因为孤石很容易造成刀具崩裂。◆向开挖面、土仓内加入土质改良剂：常见的土质改良剂及适用地层膨润土适用砂~砂砾地层发泡剂适用粘土~粗砂地层高吸水性树脂适用固结粘土~砂砾地层其中发泡剂较为常用。另外，在全断面硬岩或孤石地层，可以向开挖面、土仓内加入冷却水，以降低刀盘、刀具的温度来保护刀具。(2)、保持适当的土压。若隧道围岩能够自立，则可以采取空仓掘进的模式；若隧道围岩无法自立，为了保持开挖面的稳定，则必须保持适当的土压以稳定开挖面，控制地面沉降。土压过低，则可能出现超挖；土压过高，则有
效推力降低，掘进速度降低，且地面可能隆起，造成后期沉降较大。土压的确定与隧道埋深、地质情况、地面建筑物情况有很大关系，可以采用库仑或朗肯等理论估算。在实际施工中，也可以根据出土量的情况来确定适当的土压。在本工程掘进过程中一般保持1.5~2.0bar的土压。(3)、在刀盘扭矩、土压、出土量满足要求的情况下，尽可能加大推力，以提高掘进速度(80mm/min以上)，加快工程进度。而在掘进速度较快的情况下，则要注意控制好盾构机的姿态、保持土压稳定、同步注浆量。2.3同步注浆及二次注浆由于刀盘的直径为Φ6280mm，而管片外径Φ6000mm，所以在管片离开盾尾后，理论上管片与围岩之间将会有宽度为140mm的空隙，为控制地面沉降，必须用砂浆将空隙填满。(1)、盾尾同步注浆。出现的主要问题：◆堵管出现堵管的情况，其原因主要是以下几方面：①砂浆配比不好，以致砂浆初凝时间太短、砂浆易沉淀离析、砂浆流动性差②原材料不好，如砂太粗③盾尾浆管回砂④长时间停注前未注射膨润土液洗管◆漏浆主要原因及处理办法：①盾尾间隙过大。控制好盾构机姿态，选择适当的管片，以保持良好的盾尾间隙②尾刷损坏。在管片迎水面垫厚约15cm左右的海绵或者更换尾刷。③盾尾油脂注入量不够。加大油脂注入量。(2)、二次注浆。当地面沉降较大或隧道下坡且地下水丰富时，可以进行管片背后二次注浆来稳定地面或堵水。注浆材料可以用纯水泥浆、砂浆或双液浆。
注浆设备可以采用注浆机或盾构机台车上的同步注浆泵。注浆时应注意监控注浆压力，如果压力过大可能造成管片错台或纵裂。2.4常见问题及处理办法(1)、若螺旋输送机被卡住(即扭矩超限)，无法正常出渣，可反复伸、缩螺杆并同时正、反转，如低速正转同时伸、缩螺杆，若超限则反转同时伸、缩螺杆，如此反复，基本上都可以脱困。(2)、若启动刀盘时刀盘被卡住，则将部分推进千斤顶收缩，使土压力、刀具贯入度减小即可以转动刀盘。(3)、在非粘性地层，如砂层，若铰接千斤顶拉力较大，说明刀盘的扩孔能力较差，则要检查刀盘的边缘刀是否磨损过量而应该更换。
3、管片拼装3.1管片型号的选择一般主要根据盾尾间隙、线路特点、推进千斤顶行程来确定管片型号。选择适当的管片可以有效地调节盾尾间隙，保证盾尾间隙和千斤顶行程比较均匀，有利于管片的受力。若盾尾间隙过小，则可能造成管片难以安装、管片迎水面被盾尾压崩、盾尾尾刷损坏、千斤顶撑靴与管片严重错台导致管片止水条损坏和管片崩缺等问题。3.2常见质量问题(1)、管片在拼装前一般要先检查管片是否完好、型号是否正确、缓冲垫和止水条是否贴牢。在拼装过程中一定要注意对止水条的保护，若止水条损坏严重则很可能出现渗漏水的质量问题。(2)、千斤顶撑靴正常情况下应该不会同时顶在两块管片的角上，但如果隧道管片发生扭转，则可能会出现这种情况，那么要特别注意拼管片或掘进时会管片发生崩裂。
(3)、管片扭转：如果拼装管片时，盾构机的滚动角较大而且一直朝同一个方向，则可能会发生隧道管片扭转的情况。因此应该通过调整刀盘的旋转方向来减小盾构机在拼装时的滚动角。(4)、管片错台：在小半径曲线(本工程最小曲线半径R=350m)线路施工时，因推进千斤顶对管片有环向分力而造成管片环向错台。解决办法是在推进后及时复紧管片连接螺栓约束管片的环向位移，或者在拼装时人为地将管片拼成与转弯方向一致的错台。
4、专题4.1压气换刀主要作业步骤：(1)、准备换刀工具、材料并检查压气时要用的相关设备常用的换刀工具有：刀具磨损量具、手拉葫芦、液压千斤顶、螺杆千斤顶、分离式千斤顶、撬棒、扳手(开仓门及拆、装刀具时用)、气动打磨机、铁锤准备的材料有：刀具及其配件(拉紧块、U型块、螺丝等)、吊耳要检查的设备有：空压机（包括备用空压机）、管路(水管、气管)及接口、照明设施、人闸及土仓的压力表、人闸与指挥室的通讯(2)、排出土仓内的渣土，当土压降至较低时(0.5bar以下)，向土仓加入压缩气体，同时土仓内加入膨润土，转动刀盘，继续出渣。一段时间后停止加入膨润土。当螺旋机后闸门有较连续且较大压力的气体喷出即可停止出土，然后等待半个小时左右看土仓内的气压是否能够保持稳定，即气压上下浮动不能超过0.1bar。如果土仓内的气压，无法上升到预定值，且空压机排压较低，或者气压上下浮动过大都说明土仓漏气。检查地面、铰接、盾尾是
否漏气。(3)、土仓内气压稳定后，换刀人员进入人闸，相关材料工具也要运进去。准备好后，向人闸内加压，加压程序要按照有关带压作业规范的要求。(4)、当人闸的气压与土仓的气压基本一致时，打开平衡阀，换刀人员打开土仓门进入土仓开始换刀作业。常见问题及处理办法：(1)、若换刀时刀具不慎掉入土仓内，而土仓内泥渣较多很难定位刀具及打捞时，则换刀人员进仓作业时带上铁锹和编织袋，将土仓内的渣土装袋即可。(2)、若作业过程中，发生气管爆裂、空压机故障等问题时，首先要冷静，想办法稳住气压，同时尽快通知作业人员进入人闸以便及早减压出来。(3)、要做好各项人员安全措施及灾害防治措施。对工作人员要进行全面体检，体检不合格的人员禁止入内。要注意压气作业过程中因焊接、漏电、打磨等作业可能引起火灾。各种应急设备如高压氧舱、单架等应处于准备状态。4.2盾构始发与到达(1)、到达前要做好以下工作：①校核盾构机姿态及位臵，盾构机轴线应较洞门轴线稍微高1~3cm②洞门临时挡土墙凿除③盾构机接收平台的铺设④洞门环板、压板的设臵⑤抢险物资设备的准备(2)、始发时要做好以下工作：①盾构机、始发架、反力架的安装、测量定位②洞门临时挡土墙凿除③洞门环板、压板的设臵④抢险物资设备的准备
5、施工管理5.1人员配臵以德国海瑞克土压平衡盾构机为例：(1)、技术管理人员隧道领班工程师兼盾构机操作手1人机电工程师3人(机械、电气、液压
地铁盾构隧道 篇6
关键词：地铁隧道；盾构法施工；地表沉降
中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0094-02
盾构法施工因为具有一系列的优点，因此，被广泛地应用于地铁隧道施工中。但是，采用盾构法施工，引起的地表沉降问题是不可避免的。我国在近些年内，对此做了深入的研究，但是因为地质条件总是特别的复杂，并且施工参数也是不断的变化，所以在一定程度上制约了研究的成效。本文以广州地铁六号线某区间遂道工程为例，分析了哪些原因会导致地表沉降的发生，然后统计和分析施工过程中现场监测结果，将盾构法施工所引起的地表沉降规律给找出来，从而指导后续工程的施工。
广州地铁六号线某区间遂道是双线隧道，覆土厚度在10～25m之间；地面以下3.0m左右含有地下水，施工采用的盾构机是德国生产的，也就是常见的土压平衡复合式盾构机，利用钢筋混凝土管片衬砌隧道内衬，保证一次成型，按照一定的原则来进行管片的拼接，将膨胀胶止水条应用到管片接缝。
1 现场监测的结果与分析
1.1 合理布设地表沉降观测点
在施工过程中，需要将地表测点合理地布设于左右线隧道上方地表中，一般来说，地表测点之间的距离控制在5m左右，沿着隧道中线的方向进行布设，同时，可以将横断面布设于左右线的地面环境中，要选择合适的位置，两个横断面之间的距离一般保持在30m左右，对盾构机掘进所导致的沉降坡度以及其他的影响等进行观测和调查。还需要将水位孔合理地布设于隧道的两侧，这是为了对地下水位的变化进行了解。
1.2 地面沉降监测结果分析
通过调查发现，隧道上覆地层有着很多的地质种类，比如人工填土层、淤泥及淤泥质土层、残积土层以及岩石全风化带等等，通过一段时期的观测我们可以得出这些内容：
在纵向地表沉降方面：
一是地质条件会在很大程度上影响到沉降的大小，如果地层相对比较软弱，并且没有较好的稳定性，那么就会有较大的地表沉降。举一个例子来说，本次工程中因为中风化地层有着较好的自稳性，在开挖的时候，采用的是敞开模式，也没有产生多大的地表沉降，一般都在7mm左右，最大的时候达到过20mm；而在开挖强风化地层以及全风化地层时，虽然采用的开发模式是土压平衡模式，对于沉降可以进行一定程度的控制，但是依然有着很大的沉降值，均值会达到16mm左右，最大的时候会达到50mm。
二是要想控制沉降，非常重要的一个关键就是即时注浆参数的调整，比如，在中风化地层中，如果即时注浆填充率在1以内，那么地表沉降在10mm左右，最大值在22mm左右；当即时注浆参数达到了1.2左右，就会降低地表沉降，其数值一般在5mm以内。在强风化地层以及全风化地层中，如果注浆填充率在1.2以内，那么地表沉降值就在25mm左右；但是当注浆填充率在1.3以上时，沉降值就会降低到5mm左右，也就是说控制了地表沉降。
三是要想控制地层损失，减小地层变位，非常有效的方法就是对盾构掘进参数进行修正，建立有效的土压平衡。通过观测的数据我们可以发现，在盾构始发阶段，土仓压力开始增加，但是未能和盾构前方地层的压力构成一种平衡，这样就会增大地表沉降。
在横向地表沉降方面：对观测的结果进行分析可以得出这些方面的结论：
一是要想判断盾构掘进对地层影响程度，非常重要的一个关键就在于地层条件，如果地层有着良好的自稳性，那么地表就不会受到盾构掘进十分大的影响。以本试验段为例，在中风化地层中，地表的最大沉降为4.5mm，距离隧道中线14m左右的范围会受到影响。在全风化地层以及强风化地层中，增大了地表沉降，通过观测可以发现最大的地表沉降值达到了15mm，沉降范围也得到了增大，延伸到了隧道中线30m的距离内。
二是隧道轴线6m范围内是盾构掘进的主要影响区域，沿着线路中线，不对称的分布沉降曲线，线路中心的沉降值最大；通过调查发现，沉降槽体积的70%都在距隧道轴线3m的范围之内。在这一范围内中风化地层中，沉降平均值在2.6mm左右，而在全风化地层中，却达到了14mm。而在距离隧道轴线5m左右的范围内，中风化地层沉降均值在2mm左右，全风化地层中沉降均值在11mm左右。由此我们可以看出，距离隧道轴线3m范围以内是主要沉降区域，而5m左右的范围内则是次要沉降区域。
三是在软弱地层方面，对于地表有着较大沉降的是后建隧道掘进。在右线轴线地表沉降方面，在中风化地层方面，总沉降值的15%左右是左舷掘进时引起的沉降值，这就说明左线掘进只有很小的影响。而在全风化地层以及强风化地层中，总沉降的25%左右都是左线掘进沉降引起的沉降值，在某些地段，这个数字还会继续往上升，甚至可以达到50%以上。
四是要想控制沉降，非常关键的阶段就是盾构通过和盾尾脱出后沉降。通过观测的结果我们可以发现，盾构通过和盾尾脱出阶段，有着较大的地表沉降值和沉降速率。在中风化地层中，盾构通过阶段地表沉降值在0.6mm左右，盾尾脱出阶段的地表沉降值在1.2mm左右，前者占到地表总沉降值的15%，后者占到地表总沉降值的34%。在全风化地层以及强风化地层中，盾构通过阶段的地表沉降值为4.3mm，盾构脱出阶段的地表沉降值在7.0mm左右，前者占到地表沉降值的25%，后者占到地表沉降值的45%，由此可见，控制沉降的主要阶段就是盾构通过和盾尾脱出阶段。
五是依据水位测量的结果我们可以发现，在土压平衡模式方面，盾构到达以及盾构通过时，升高了地下水位有0.2m左右，盾尾通过之后，孔隙水压力逐渐的消散，这样就慢慢降低了地下水位，我们将其比较于原来的水位可以发现，水位降低的数值为0.12m，在左线涌水的影响下，水位下降数值可以达到1.5m。如果采用的是敞开模式，那么地下水位就会一直的下降，这样就损失了比较大的地下水，有部分地段的水位下降的数值甚至可以达到5m，虽然，最终会恢复到原来的水位，但是地表沉降一定会在很大程度上受到地下水位下降的影响。因此，在具体的施工过程中，就需要对隧道涌水进行严格的控制。如果地段内有着十分富集的地下水，并且有着较大的水压力，那么就不能采用其他的开挖模式。
2 结论分析
通过本文对于地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降的分析，可以得出这些结论，一是很多因素共同作用产生了地表沉降，不仅关系着客观因素，也关系着主观因素，比如地层情况、地下水、施工方法、技术水平等等；二是通过分析我们可以发现造成地表沉降的主要因素是初始应力状态改变造成的土层变形、地层损失等等；三是还可以发现即使有着相同的地层情况，如果采用的是不同的施工方案，在地表沉降方面也会有所不同，也就是说地表沉降会在很大程度上受到施工因素的影响，比如土压平衡力的大小、注浆填充率的大小等等；因此，在盾构法施工的过程中，需要加强监测，及时进行信息反馈，从而对施工方案进行及时的调整。
3 结语
目前，在地铁隧道施工中，盾构法施工技术被广泛地应用到具体的施工之中，这是因为盾构法施工技术具有很多的优点；但是，我们需要注意的是：盾构法施工会影响到环境，并且还会引起地表的沉降，那么就需要加强监测，依据反馈的信息来对施工方案进行及时的调整。本文以广州地铁六号线某区间遂道工程为例，分析了地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降，希望可以提供一些有价值的参考意见。
参考文献
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岩溶地区地铁盾构隧道设计风险控制 篇7
关键词：盾构隧道,风险控制,岩溶地区
1 概述
由于岩溶地区岩溶和溶洞分布具有不确定性，且不易准确勘察，给结构施工和后期运营安全带来难以预见的风险，因此加强岩溶发育地区城市地铁隧道设计风险控制，对减小工程实施难度，确保工程安全至关重要。盾构法施工因为施工速度快，对周边环境影响小，通常被作为设计推荐的施工方法。岩溶发育给地铁盾构隧道带来较大的工程风险与施工难度，本文就城市地铁隧道如何设计风险控制进行全面分析。
2 岩溶地区地铁盾构隧道建设工程风险辨识
地铁盾构隧道施工与运营过程中溶(土)洞在附加荷载或振动作用下会引起涌水突泥、地基变形坍塌、地面过大沉降，并造成建(构)筑物变形倒塌及周边管线爆裂等，给地铁盾构隧道施工和运营安全带来安全隐患。岩溶地区盾构隧道建设除存在很大的工程安全风险外，其处理费用往往难以有效控制，存在较大投资预算风险;同时由于岩溶处理效果难以控制，处理措施与技术参数需要在实施过程中不断调整完善，因此还存在较大工期风险。根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》相关要求，综合考虑岩溶对隧道工程的影响，盾构法城市地铁岩溶隧道一般可定为一级风险源。
3 岩溶地区地铁盾构隧道设计风险控制
3.1 盾构隧道设计方案要点
1)岩溶地区盾构隧道建设一般遵循尽量避让的原则。2)应在满足地铁使用功能前提下充分考虑地层特点和岩溶发育情况对隧道的影响，综合比较区间隧道与相邻车站的使用功能要求、工程风险、施工难度、经济性后，确定岩溶地区线路的平、纵断面方案。根据隧道施工方法特点合理确定隧道的埋深，并尽量避免将隧道设置在岩土分界线附近。3)应根据盾构法和岩溶发育特点采取有效措施对岩溶进行处理，以降低工程风险和施工难度。同时，还应综合考虑岩溶工程风险与其他工程风险之间的相互关系与影响。4)岩溶地区隧道工程设计方案与岩溶处理方案应进行专家咨询与论证，以尽量减小各项工程风险。
3.2 设计对勘察要求
设计宜结合岩溶可能对盾构隧道施工与地铁运营的不利影响，根据工程特点对地质勘察提出采取地质调查、大地钻探及物探等手段探明岩溶发育规律、空间分布、溶洞顶板结构、岩溶连通性、岩溶水与地表(下)水之关系以及环境效应等问题开展系统研究的相关要求。设计应认真研读岩溶地区勘察报告，提出存在异议的地方供各方讨论，勘察单位需对各参建单位提出的疑问进行解释，以加深设计单位对于岩溶对工程影响的认识。
3.3 岩溶处理目的
1)确保隧道施工期间隧道结构安全和人员安全;2)防止地面塌陷和过大沉降，影响周边重要建(构)筑物安全;3)满足隧道永久结构的承载力、变形、防水要求，预防岩溶进一步发展，减小后期运营风险。
3.4 盾构隧道岩溶处理方案
3.4.1 岩溶处理范围
岩溶处理的范围应综合考虑隧道施工对溶(土)洞的影响和溶(土)洞坍塌后对隧道施工与隧道结构的危害进行确定，受影响因素主要有施工方法、岩溶发育规模与大小、洞室稳定性、岩溶水情况等。部分城市地铁在结合地质条件与岩溶发育特点后，对岩溶处理的范围进行了适当的优化并进行专家论证，无锡地铁2号线岩溶主要位于隧道下方且溶腔普遍较小，岩溶处理范围为“隧道向两侧外放5 m后，隧道底板以下有大于2 m厚的可塑、可塑～硬塑粘土层和粉质粘土隔水层，其下方溶洞顶板(中风化、微风化灰岩)厚度大于1 m的岩溶原则上可不作地面处理，对溶腔较大(洞高较大)的岩溶需要加密钻孔探测其边界后再酌情处理”。
3.4.2 岩溶处理原则
1)岩溶处理采取地面超前处理和洞内处理相结合的方法，应尽量探明发育于隧道影响范围内的岩溶并进行地面处理后再进行盾构隧道施工通过。2)岩溶处理前应进行地质补充勘察工作，以进一步探明岩溶发育情况，岩溶处理注浆应尽量利用已有的地质钻孔。3)若填充物为全填充的可塑、硬塑粉质粘土，且承载力特征值大于160 k Pa或标贯大于15击时可不进行处理。
3.4.3 地面超前处理
1)地面超前处理方案。岩溶地面超前处理以钻孔注浆填充为主，在地面超前处理前需要根据已有地质资料对钻孔进行加密，广州地铁3号线，5号线及南京地铁3号线岩溶发育区补充钻孔加密后纵向间距一般为5 m～10 m。若某钻孔揭示有岩溶且需要进行处理，则以该钻孔为中心沿垂直隧道方向由内至外间隔2 m～3 m施作一排岩溶探查孔，直至基本找到岩溶边界。然后，沿平行隧道方向间隔2 m～3 m施作岩溶探查孔直至基本找到洞体边界为止。岩溶地面处理主要采用钻孔注浆填充，若岩溶为有限边界则以揭示岩溶的最外排钻孔作为最外排注浆孔，若垂直于隧道方向在岩溶处理范围内未找到洞体边界，在安全限界附近钻孔然后采用速凝型浆液注浆控制注浆处理边界，以有效控制注浆的范围与注浆量。2)岩溶注浆处理控制要点。岩溶地面填充注浆可采用花管注浆与袖阀管注浆，采用花管注浆应设置止浆塞。注浆施工时应采取措施保证浆液在有效的高度范围内进行填充和扩散。一般情况下先注周边孔再注中间孔，周边孔采用速凝型浆液，中间孔采用普通水泥浆或水泥砂浆。每处岩溶处理前应进行注浆试验，并及时调整注浆参数，注浆效果达到要求后再进行大范围的使用。注浆采取间歇式注浆，进行多次注浆，每次注浆间隔6 h～10 h。对于周边孔以相对小压力、多次数、较大量控制，注浆压力0.2 MPa～1.0 MPa，注浆3次～5次;中间孔注浆压力0.5 MPa～2.0 MPa，注浆3次～5次。
3.4.4 盾构隧道岩溶洞内处理
在管片底部标准块各增加2个预留注浆孔，新增预留注浆孔构造同吊装孔。盾构通过后在不影响正常掘进的情况下或监测显示隧道沉降、变形较大时，通过预埋注浆孔和管片吊装孔采用风钻钻孔以进一步探查是否仍然存在发育于隧道下方的岩溶。洞内钻孔揭示有岩溶时，采用钢花管注浆对岩溶进行填充处理;对未揭示有岩溶发育的钻孔，应及时采用水泥浆进行封堵。注浆过程中应注意压力控制，加强监测，防止压力过大造成管片发生过大变形或开裂。管片预留注浆孔布置图见图1。
3.4.5 岩溶注浆处理效果判断
应综合考虑注浆压力、注浆量与地面反应等因素判断是否需要结束注浆，注浆施工过程中若地面出现冒浆、冒水与地面隆起等现象，在排除未按照工艺要求进行施工等原因后，也可作为结束注浆的参考条件。在结束注浆后，需对岩溶处理效果进行钻孔取芯验证，查看注浆体是否连续，要求洞内全填充，在钻进过程中无明显掉钻，钻进过程中在溶腔填充范围内无明显的漏水与漏浆，达不到要求应补充注浆。同时应进行原位标准贯入试验，处理后溶(土)洞填充物标贯值应不小于15击，其承载力特征值不小于160 k Pa。
3.4.6 加强岩溶地区盾构隧道风险设计交底与施工配合
施工前设计人员应就岩溶地区盾构隧道设计与岩溶处理方案对施工单位进行交底，交底时应强调岩溶工程风险及可能引起的环境风险。制定重大风险预警控制指标与监测要求并进行交底，要求施工过程中加强对周边重要建(构)筑物、地下管线、地面的沉降变形监测与巡视。
同时还需参与制定岩溶地区盾构隧道施工注意事项及事故应急技术处置方案，配合可能发生的事故进度进行重大风险沟通与交流，参与建设单位风险管理，指导审查事故单位风险管理方案、处置措施与应急预案，协调实施现场施工风险跟踪管理。应根据现场施工反馈信息，对盾构隧道设计与岩溶处理方案进行必要的调整。
4 结语
我国可溶性岩分布广、面积大，岩溶将对城市地铁盾构隧道建设带来很大的建设难度与工程风险。岩溶地区盾构隧道工程作为重大风险源需引起建设各方的高度重视，在设计过程中加强风险控制可有效降低工程风险，同时也需要施工过程加强施工质量控制与工程管理。
参考文献
[1]《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.
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地铁盾构隧道结构设计的优化 篇8
盾构工法关键要素之一为:隧道衬砌-管片, 其设计与制造费用占盾构隧道建设费用的比重很大。管片厚度、配筋率、混凝土强度、环宽等设计参数选择, 其合理性与管片采用的设计模型、地区设计习惯密切相关。笔者针对设计模型和参数选择的合理性进行研究, 进而对盾构隧道结构设计进行优化, 十分必要。
1 管片结构设计力学理论基础
目前, 关于盾构隧道衬砌的计算方法有很多的研究, 常用的有:惯用法、修正惯用法、多铰圆环法、梁-弹簧法。
1.1 惯用法
惯用法是将管片环作为刚度均匀的环来考虑的计算法。即不考虑管片接头部分的弯曲刚度下降, 管片环和管片主截面具有同样刚度。
1.2 修正惯用法
修正惯用法是将管片环作为弯曲刚度均匀的环, 但考虑管片接头部分的弯曲刚度下降和环向螺栓处的弯矩上升。将衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环, 用小于1.0的刚度折减系数卵来体现环向接头的影响, 不考虑接头的具体位置, 即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度。用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆, 计算中用小于1.0的系数ξ来表示错缝拼装引起的附加内力值。在初步确定盾构隧道管片参数时, ξ取为20%~30%。接头处内力Mji= (1-ξ) Mi, Nji=Ni;管片内力Msi= (1+ξ) Mi, Nsi=Ni。
管片截面内力示意如图1所示。该受力模型外荷载确定和内力计算公式见文献[1]。错缝拼装弯矩传递及分配示意如图2所示。
1.3 多铰圆环法
多铰圆环法是将管片接头作为铰结构来考虑, 多铰圆环结构本身是个非稳定结构, 在隧道周围围岩的围压作用下才能够成为稳定结构, 因此主要适用于隧道围岩状况良好且普遍具有抗力的情况, 其适用地层有局限性。
1.4 梁-弹簧法
梁-弹簧法是将管片主截面模拟成梁, 将管片环向接头模拟成旋转弹簧, 将管片径向接头模拟成剪切弹簧, 将地层与管片环之间的相互作用用底层弹簧来表示。该计算方法比较接近管片在地层中受力的实际情况。
以上四种计算模型理论, 在自重、上覆荷载、垂直土压力、水平土压力以及上部垂直荷载抗力的设定是基本一致的。主要的区别在于水平地层抗力的设定方法上, 惯用法和修正惯用法将水平地层抗力作为一个三角形分布荷载考虑, 多铰圆环法和梁-弹簧法通过地层弹簧来考虑。正常工况条件下, 修正惯用法和梁-弹簧法的计算弯矩较大, 多铰圆环法的计算弯矩最小。
由于多铰圆环法的计算弯矩最小, 可以进行最为经济的设计。但是, 弯矩的降低是以接头作为铰工作为前提, 接头要发挥铰的作用, 需要设置特殊的接头结构或在施工后将接头螺栓卸除。目前我国地铁隧道埋深都较浅, 地层基本都不够稳定, 所以不采用此设计模型。
梁-弹簧法是最为符合实际情况的计算方法, 其具体计算比较繁琐, 需编制较为复杂的程序。目前常用的是同济大学研制的同济曙光软件和日本的MOLE-MAN程序。在使用梁-弹簧法计算模型时, 管片间螺栓的旋转弹簧模量、管片环间的剪切弹簧模量的确定对计算结果影响很大。
修正惯用法计算方法简单实用, 也比较符合实际, 日本一些大直径盾构隧道一般采用梁-弹簧法, 小型隧道多采用修正惯用法。
根据计算得到结构内力结果, 进行配筋及结构强度和裂缝宽度验算。
2 管片配筋
管片配筋是结构设计最重要的一环, 关系到结构的安全性、耐久性, 同时也考虑经济性的影响。目前对管片配筋还没有固定的形式。
管片合理配筋形式的研究有很强的实际意义, 广州地铁2号线赤鹭区间采用欧洲规范, 上下排主筋采用U型钢筋进行连接。日本规范则是下排钢筋向上弯起, 与上排钢筋点焊方式连接。当前, 南京、香港等地采用了管片4边加暗梁的形式。广州地铁3号线市番、天华区间, 取消了2号线U型钢筋连接上下排主筋的做法, 标准块在两端沿环向布置的主筋提高到2φ18 mm并加小箍的形式做成暗梁, 纵向两端也加小箍做成暗梁, 使其整体性加强。在迎千斤顶面的暗梁内外两侧各加了一条腰筋, 背千斤顶面的外侧也加了腰筋。在容易出现裂缝的螺栓孔处加了吊筋及螺栓筋。在配筋率变化不大的条件下, 使钢筋的受力更加合理。
关于盾构管片的裂缝, 主要是在施工过程中产生的, 配筋设计中, 要充分了解该工况。在掘进过程中, 由于有姿态控制要求、围岩不均、纠偏及曲线施工等原因, 千斤顶推力分布很不均匀, 会出现局部超限的拉应力, 于是出现裂缝、破损、掉角等;而当管片离开盾尾以后, 由新拼管片来传递千斤顶推力, 使力得到分散, 裂缝会变小。随着隧道的修建完毕, 圆型盾构隧道逐步转入比较稳定的受力状态, 施工期出现的裂缝、渗漏会变小、消失。
在实际施工中, 由于地质条件、人为因素等, 有时会出现超出强度和裂缝宽度要求的荷载, 对偶尔出现的此类问题, 往往通过后期管片修补来弥补, 比通过增加配筋所需费用少得多。对最小配筋率, 需进一步研究。欧洲管片钢筋, 其管片含钢量一般在80~100 kg/m3, 考虑钢筋强度等技术因素, 折算为107~130 kg/m3。国内通常采用145~160 kg/m3。目前, 已有不少钢纤维混凝土管片成功应用的经验, 管片仅采用30~60 kg/m3的钢纤维掺量[2]。
针对目前存在的管片配筋问题, 建议如下优化设计。
1) 应针对不同地质情况, 研究管片的受力机理 (考虑施工状态和正常使用状态) , 选择合理的计算模式, 使钢筋含量和布置更合理。建议重点采用梁-弹簧解析模型作为计算理论基础, 利用修正惯用法进行校核。
2) 合理分析风险和投资, 找到适当的平衡点, 避免为节约前期投资, 使得后期处理费用过大, 也不应为了避免施工中偶尔出现开裂、崩角等现象, 不合理的加大管片配筋。建议采用φ18 mm, 控制配筋率, 同时采用四边箱型暗梁的方案[3]。
3 对环宽设计建议
管片环宽的选择对工期和质量以及造价影响很大。环宽较小时, 搬运、组装、小半径施工时较为方便。但是, 施工接缝多, 螺栓用量大, 接头渗漏水缺陷多。随着盾构机制造技术的配套改进, 管片的大型化日益体现出较大的优势, 成为发展趋势。环宽较大的管片, 成形隧道的外观质量好, 总体成本低, 隧道纵向受力条件大为改善。如果辅之以小半径等特殊条件下减小环宽的综合设计, 优化设计的空间很大。
4 结束语
为解决交通拥堵问题, 国内各大城市地铁建设形势紧迫。从优化设计入手, 进一步为工程的工期、质量提供保障, 是一个需要重视的课题。同时, 从经济方面考虑, 通过优化设计, 在保证安全质量的前提下, 节约建设投资或使效益最大化, 具有十分重要的意义。
摘要：介绍管片衬砌内力计算的四种基础理论, 结合基础理论分析模型建立的条件, 以长沙地铁某盾构隧道为例, 计算了管片的内力大小, 分析了最不利内力组合, 对管片的配筋形式、配筋量进行设计, 同时列举了类似工程结构设计状况。在综合考虑环宽、管片连接螺栓设计以及施工组织等因素的情况下, 提出技术和经济上有利的管片优化设计方案。还介绍了因施工原因造成的管片边角局部集中受力时, 为避免局部破坏, 在钢筋布设方面的应对措施。
关键词：盾构,管片,结构设计,优化
参考文献
[1]张凤祥, 朱合华, 傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社, 2004.
[2]郭玉海, 陈丹, 袁大军.北京地铁盾构隧道管片设计合理性探讨[J].市政技术, 2006, 34 (4) .
盾构法地铁隧道施工关键技术研究 篇9
武汉地铁四号线一期工程包含两站及两个相应区间,工程如下:洪周区间～周家大湾站～周青区间～青鱼嘴站。在两个地铁车站青鱼嘴站及周家大湾站均采用明挖法施工,而相应的两个区间则采用盾构的方法施工。本文以周青区间为例,阐述此工程在盾构施工时要解决的主要问题:要注意的关键技术。
1 工程概述
1.1 工程基本情况
周青区间设计范围为:右DK18+459.269～右DK19+543.609(左DK18+459.269～左DK19+543.609),区间左线线路长度为1 087.783 m(含长链3.443 m),右线线路长度为1 084.41(含长链0.070)m。在右DK18+953.441的里程处设置一联络通道兼排水泵站。盾构机从青鱼嘴站南端始发,过周家大湾站后到达洪山广场站,最后从洪山广场站吊出。具体施工如图1所示。
1.2 工程地质、水文地质条件及地震基本烈度
1.2.1 工程地质
拟建场地地形平坦,地势起伏不大,坡降较缓,地面高程一般在27.15～32.15 m之间,拟建场地地貌单元属长江Ⅲ级阶地,拟建场地属Ⅱ类,部分场地(钻孔FJc2—Ⅲ09—006,右线DK17+700附近)为Ⅲ类。根据详勘地质报告,场地地基土一部分为(7—2)层含角砾粉质黏土,一部分为(16—3)层石灰岩、(19—1)层强风化石英砂岩、(19—2)中风化石英砂岩、(7—2)层含角砾粉质黏土、一部分为(7—1)层黏土。
1.2.2 工程的水文地质分析
本标段场区的地下水按赋存条件,可分为上部滞水、潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。上部滞水水位埋深较浅,平均1.0 m,潜水主要分布于临沙湖一带浅部粉土、粉砂层中,平均深埋水位为1.2 m,上部滞水和潜水主要接受地表水及大气降水补给,在圆砾土及卵石粗砂层为弱承压水,上部的老黏性土为含水层,底板为基岩结构。地下水水量较大,整个工程为弱承压性。
1.2.3 工程的地质构造及其地震烈度
结构按6级抗震设防烈度和六级人防抗力验算,并在结构设计时按7级抗震设防烈度采取相应的构造处理措施,以提高结构的抗震能力。
如上所述,拟建的武汉地铁周青区间,工程地质为软土及沙砾这些复杂地基,地下水含量大,且地面建筑物多,地上环境复杂,因此施工的难度大,安全系数要求高[1],在施工中要特别掌握好盾构推力等相关参数[2],做好管背同步注浆管理,同时还要做好隧道通风、循环水、照明和洞内管线的布置,还有要对工程施工进行有效监测,其中正确设置盾构参数确保始发稳定掘进,还有管背同步注浆及二次注浆管理是此次盾构施工中的关键所在。
2 正确设置盾构参数确保始发稳定掘进
盾构机在始发时要保证平稳掘进,要确保在黏土层中的掘进推力、盾构的荷载都在要求的标准之内,同时根据工程具体地质,确定正确的盾构参数,这样才能够使盾构机在始发时保持良好的状态,平稳掘进。计算时除了盾构相关的参数,还要根据埋深和土质按照水土合算方法计算理论土仓压力,再结合我公司在同类地层施工的经验制订土仓压力,同时施工中还要进行地表变形的监测[3],对土仓压力进行微调,来设定土仓内的平衡土压值。
计算时,一定要将上述的压力及阻力情况考虑周全,将全部压力、阻力都计算在内[4]。这样才能够确保盾构参数的正确性,保证盾构机能够在始发时平稳掘进。
2.1 盾构荷载计算
根据图2所画的荷载计算简图来计算松动圈土压。
将具体的覆土厚度按20 m这个标准值来计算,计算结果如下所示:
①Pe1=(γ-10)H0=(23-10)×20=260 kPa,
②Pe2=Pe1-60=200 kPa,
③qe1=pe1λ=162×0.2=32.4 kPa
④qe2=(γ-10)×(20+6.25)λ=13×26.25×0.2=68.25 kPa
⑤pg=G/(D0L)=320×10/(6.25×8.16)=
62.75 kPa
⑥qfe1=qe1,
⑦qfe2=qe2,
⑧qfw1=180 kPa,
⑨qfw2=242 kPa。
其中:计算中应用的土参数如下:
Γ—软土层的土容重;
K—土层的静侧压力系数。
计算中应用的盾构机参数如下;
D—盾构的外径;
L—盾构长度;
Λ—为水平侧压力系数;
G—为盾构机重量;
Pe1—竖直土压;
Pe2—竖直抗力土压;
Pg—自重反压;
qe1—盾构顶部水平土压;
qe2—盾构底部水平土压。
2.2 盾构机总推力计算
2.2.1 盾构机外壳与土的摩擦力(F1)计算
7 693.7 kN。
μ:为土钢间摩擦系数。
2.2.2 盾构推进阻力的计算(正面阻力F2)
8 013.3 kN。
2.2.3 由滚刀挤压产生的阻力(F3)计算
F3=prn=250×35=8 750 kN。
n—滚刀数量按正面有35把计算。
2.2.4 管片与盾尾的密封阻力(F4)
F4=MCWS=0.3×2×3.141 6/4×(6×6-5.4×5.4)×1.5×2.5×9.8=118.5 kN。
MC—管件与钢板刷之间的摩擦阻力,取0.3;
WS—压在盾尾内部2环管片的自重。
2.2.5 后方台车牵引过程中的阻力(F5)计算
F5μ2G1=0.15×2 000=300 kN。
所需最大推力
Fmax=F1+F2+F3+F4+F5=7 693.7+8 013.3+8 750+118.5+300=24 875.5 kN。
安全系数
αF/Fmax=34 210/24 875.5=1.37。
结论:通过上面的分项计算得出推力安全系数为1.37,能够满足安全掘进的需要。
同时在盾构施工中要根据工程的进展情况,进行纠偏工作,在实际盾构施工中,盾构的总推力往往比计算值要大,通常为计算值的1.5倍。由此计算得出此段工程中,掘进阶段盾构的主要技术参数如表1所示。
只有这样考虑各方面的综合因素,按照盾构的推力等主要参数指标,小心控制挖掘的速度,才能够保证初始挖掘地面的稳定性,才能够为盾构挖掘打下坚实的基础。
3 管背同步注浆及二次注浆管理
3.1 同步注浆管理
在盾构施工中,由于盾构机在掘进过程中会使隧道周围的土层受到震动破坏,发生松软,地下水会趁机渗入,这些是导致盾构隧道出现管线沉降的重要原因[5]。一旦沉陷会给人们的生命财产带来不可估量的后果。因此要避免这种沉降及沉陷的发生,就要及时在盾构的过程中,进行管背的同步注浆及二次注浆,用足量的浆液将盾尾的建筑空隙充填好。
盾构的同步注浆在盾构掘进的同时同步进行,由盾构机上的同步注浆系统采用双泵四管的方法,通过盾尾的注浆管完成注浆过程。同步注浆的材料按照表2配比严格执行。
3.2 浆液性能控制
二次注浆是对同步注浆的进一步补充及加强,能够对管片周围的地层起到很好的充填及加固作用,确保隧道的安全。主要用于管片与周围岩壁空隙充填密实性不足,不能满足施工安全的情况下进行,所以在注浆时对浆液的性能要求严格,一般用水泥-水玻璃双液浆来二次的补强注浆,严格按照科学的配比要求操作,这样才能够使管片与岩壁填充得更加密实,保证不会有渗水及沉降等危险发生。双液浆的初步配比见表3所示,要使所配比的浆液性能达到表4的要求。
注:水泥一般用P52.5#普通的硅酸盐水泥。
3.3 注浆压力及注浆量的计算
3.3.1 注浆压力
盾构施工中是通过向管片背部的建筑空隙填充足够浆液来完成同步注浆过程的。在此过程中注浆压力需要克服相应压力才能顺利将浆液填充到空隙中,完成注浆过程,这些压力主要包括有地下水压力、土压力还有管阻的摩擦力等。注浆填充过程中注浆压力一定要严格控制,不能太大,不然会使周围土层发生劈裂,引起塌陷。所以注浆时只有掌握适合的压力,才能将浆液遍及管片外侧。
我们可以用理论分析的方法来预计算注浆中理想的注浆压力。理论上下临界的注浆压力PJx必须能够确保土块BCEF能足够稳定,没有下榻的危险;上临界的PJs必须要能够确保整个土块ABCDEF的稳定性能,保证其不会发生隆起。因此理想的PJn就在上述的范围之内。所以只要将实际土体A,BCD,EF上下两个临界的PJ值,分别乘以及除以一个安全系数(n=1.5～2.5),就是最佳的土体塌落范围,也就是相对最准确的PJn值。
按照静力学分析:
同时还要考虑沿程管路的阻力损失:
所以我们需要的理想注浆压力就是:Pj=P
根据以上公式分析得,对武汉地铁周青区间,在取Cu=16 kPa, H=11. 0 m, φ=0时,得到:n=2.18,P
从上述分析可知,计算的注浆压力与国外研究成果是吻合的,能够确保安全施工。在上述的施工过程中,根据周青区间的具体情况,在盾构施工中,同步注浆的压力还要确保大于该点的静止水压及土压力之和,我们取1.1～1.2倍的静止土压力作为盾构施工时的注浆压力。在此次施工中我们将同步注浆压力控制在0.1～0.4 MPa,二次注浆压力为0.2～0.6 MPa。这样的注浆压力根据计算及安全试验是符合施工要求的。这样的注浆压力不会产生跑浆也不会发生隆起的问题。
3.3.2 注浆量
除了注浆的压力,对注浆量也有严格的标准,要通过科学的计算,掌握适当的注浆量。在计算的时候要根据工程注浆的材料及管片与岩壁的空隙大小还有盾构的管片及刀盘的直径科学计算注浆量。计算的时候还要考虑到施工过程的地质情况及纠偏等因素。一般实际的注浆量为理论注浆量的1.3～1.8倍,在实际施工中还要根据对地面变形的观测情况及时进行调节。注浆量的计算公式如下所示:
Q=Vλ。
式中:
Q—注入量(m3);
λ—注浆率(取1.3～1.8,根据实际工程的地质情况而定,在曲线地段和沙性地层施工时要取较大值);
V—盾尾建筑空隙(m3);
V=π(D2-d2)L/4。
式中:
D—盾构切削土体直径(即为刀盘直径6.28 m);
d—管片外径(6.0 m)。
本标段盾构区间:
L—管片宽度(1.5 m)。
V=π[(6.282-6.02)×1.5]÷4=4.5 m3。
则: Q=5.85～8.1 m3/环(系数考虑1.3～1.8)。
根据上述的计算,同步注浆的拟定压力为0.26～0.3 MPa(2.6～3 bar),初拟方量为6 m3,在施工中,还要根据试验掘进阶段成果及后续实际施工情况及时修正注浆量。
同时在做好上述工作的同时,还要对隧道内通风、循环水、照明和洞内管线做合理的布置,同时做好安全监测工作[6],这样才能够保证周青区间工程按时按质按量完成,让人们放心使用。
4 总结
武汉地铁站周青区间的盾构施工,正是在综合考虑了地面的建筑及交通状况,还有其本身软弱土掺杂沙砾的具体土文情况,在应用盾构法施工时,注意盾构推力等盾构参数的计算,保证初始掘进中地面的稳定性,同时做好管背注浆及二次注浆的控制,注重注浆的压力及注浆量的把握,同时做好隧道通风、循环水、照明和洞内管线布置的处理,在强有力的监测手段的控制下才使工程能够达到安全要求,满足应用需求。在此将这些经验与大家一同分享,以期对类似工程提供一些可以借鉴的经验。
参考文献
[1]王文军.盾构法隧道施工穿越淤泥质软土地层控制沉降技术探讨.价值工程,2010;(25):108—108
[2]周明斌.深基坑开挖方法的探讨.中国住宅设施,2009;(06):62—63
[3]何成滔,王耀.天津地铁3号线盾构法施工技术.中国铁路,2010;(07):71—74
[4]雒红卫.复杂砂砾地层开敞式盾构的设计.建筑机械化,2010;(01):72—73
[5]冯宝新,王解先.盾构姿态测量方法.公路隧道,2011;(01):66—68
地铁盾构隧道施工质量缺陷浅谈 篇10
1.1 防水活动
1.1.1对于制作来讲, 要选取优秀的配比, 要确保添加的水泥等的量是充足的, 而且要保证入模的气温优秀, 掌控好浇筑的气温以及养护用时和措施等等的一些内容, 一般按照添加物质的措施来提升器自身的密实性特点, 防治因为缓慢的变化而导致收缩问题, 这样能够提升其抗裂的能力和抗渗的水平。并非是单纯的提升器标号等内容, 由于具体的情况中, 材料的标号高的话, 使用的量就少, 它导致的水化热就会非常的严重, 此时收缩就会更厉害, 所以就产生了缝隙问题了。所以, 要积极地选取标号和级别, 选取优秀的添加物质。
1.1.2确保精度优秀。结合国外的一些建设活动来讲, 使用那些有着较高的精确性的材料能够显著的提升其精度。假如管片的精度不高的话, 同时因为其拼装会出现一些失误现象, 此时就会导致接缝无法得到有效的设置, 进而发生了很多缝隙问题, 这时候假如防水物质的性能较低的话, 就容易发生渗漏问题。因此, 要想确保精确性好, 就应该设置一个有着非常高的精确性的模板。通常其品质要较之于管片自身的重量高。当制作大约四百块材料之后, 就要对模板适当的养护, 同时使用的时候要确保模具是精准的。
1.2 关于接缝处的防水活动
一般来说, 防水的方法是使用那些有着优秀的密封性的物质, 就拿欧洲来讲, 采用非膨胀合成橡胶, 借助弹性来提升表层的压力进而起到止水的功效, 此时持久性等就增加了。像是日本, 其使用的是水膨胀性的材料, 当遇到水以后就会变大进而起到止水的功效, 它的优势是能够保证材料的尺寸不是很厚, 而且减少便捷, 不过它的持续性等并不是非常清楚。通过具体情况我们得知, 密封垫实用的物质对于缝隙的防水意义来讲非常的关键。除此之外, 在设置止水条的时候, 它的安装精确性等也容易干扰到防水的意义。
1.3 壁后注浆防水
该项活动开展的是否优秀, 会关乎到隧道的品质, 这点我们在很多的建设活动中都已经明确了。虽说其关键是用到掌控下沉现象的, 不过具体情况是防水是首要的工程, 除此之外, 由于注浆量太少也会导致后续的下沉现象比较严重, 进而引发渗漏现象。
1.4 在掘进的时候没有掌控好水而导致的渗漏问题
1.4.1 如果管片等的状态不是非常优秀的话, 就会干扰到拼装的品质, 使得错位问题发生, 附近的管片处的止水带无法有效地接洽而导致渗漏问题出现。
1.4.2 在掘进的时候, 由于推力较高而使得受力性不合理进而容易引发缝隙和漏水等问题。
1.4.3 当挖掘的时候非常的苦难, 它的推力较高会导致缝隙现象出现, 进而引发渗漏问题。
1.5 管片选型
由于盾尾间隙不均匀, 管片选型不当, 造成间隙过小, 使得在掘进过程中造成管片外壁被损坏导致止水条漏水。所以管片的选型要抓住盾构机依据姿态来控制掘进, 管片依据盾构机来选择这一根本原则。
2 关于缝隙的干扰要素
2.1 制作时导致问题
这个时期的缝隙分成两个时期。第一是当管片掉落之后的养护时期, 关键是表层的缝隙, 可以用眼看到。然后是养护之后在输送等时发生的缝隙, 此时在出厂的时候察觉不到, 不过使用的时候起就会非常快的蔓延。养护活动分成两类, 自然的以及蒸汽模式的。当撤掉模板之后又分成两类, 喷淋的以及存水的。经由比对得知, 存水的不容易发生缝隙。
2.2 盾构施工过程中的管片开裂
2.2.1 拼装管片前对盾尾的清理不干净, 使得管片的环缝夹有泥砂造成整环管片的环面不平整, 掘进时就会因不均匀受力而产生裂纹。
2.2.2 在拼装过程中因拼装顺序或管片类型错误使得环面不平整导致受力不均匀产生裂纹。
2.2.3 在硬岩段或不均匀地层中因推力过大或推力不均匀导致管片出现裂纹。
2.2.4 在进行管片补浆时因压力控制过高导致管片开裂。
3 管片错台的影响因素
3.1 壁后注浆
这一点是保证管片错台与否的重要原因之一。隧道是一种管片衬砌和地层一体化的结构稳定的构造物, 管片上的作用力也是在这个假设的条件下考虑的。这意味着管片背面空隙的均匀填充是确保作用外力均匀的先决条件。所以防止管片因外力作用而引起的错台主要是靠壁后及时、充实的填充。
3.2 管片选型
因管片的选型不当导致盾尾间隙过小, 在盾尾前进的过程中会使得管片发生错台, 甚至管片外壁遭到破坏。
3.3 姿态控制
3.3.1 在不均匀地层会导致千斤顶对管片的作用力不均匀而产生的错台。
3.3.2 在转弯段因千斤顶的不对称作用力而产生的一个偏离轴线向外的分力导致错台。
3.4 操作不当
3.4.1 进行管片二次补浆的压力过大导致错台的出现。
3.4.2 拼装过程中管片的连接螺栓未拧紧或及时进行复紧。
3.4.3 在硬岩段且处于曲线段掘进时姿态调整过急过猛易导致错台现象。
3.5 隧道上浮
当管片一出盾尾由于浮力的作用, 就与在盾壳内的管片形成错台, 随着掘进的进行, 往往还能听到这种错台的声音, 有时这种错台是缓慢和逐渐的, 也会形成叠瓦式或台阶式。
4 管片破损、崩角的影响因素
4.1 操作原因
(1) 吊运和拼装过程中的碰撞。 (2) 吊装孔附近混凝土被拔脱。 (3) 管片环发生扭转时, 千斤顶顶在两块管片接缝处会导致管片端面崩角而破坏。 (4) 千斤顶撑靴顶在管片上不正会使管片内侧或外侧的混凝土破损。
4.2 姿态控制
(1) 盾构机姿态调整时, 急于纠偏造成受力不均匀。 (2) 盾构机姿态调整时, 千斤顶行程差过大而导致受力不均出现管片损坏。
4.3 管片扭转
这个问题通常出现在转弯区域之中, 通常会由于扭转而使得管片的上方的受压方位的材料出现缝隙或者是附近的连接地方的角落掉下来。除此之外还有一个不好的问题就是会导致提前设置的管线的开口地方由于扭转而导致其和通道之间出现错位问题, 进而使得它们不能够积极地连接到一起, 除此之外, 还会导致通风管之类的安装活动无法有效的开展。不过期并不会干扰到构造的品质和运行等。
通过对扭转的实测数据统计归纳得出:管片的扭转与线路转弯有很大关系。管片受扭转的作用是普遍存在的, 盾构推进千斤顶偏离管片环轴线和千斤顶对管片环不对称的作用力是使得管片环发生扭转的主要原因。在工程施工过程中, 前两点可以在施工过程中通过改变刀盘转动和拼装顺序加以克服, 另外施工过程中可以增大管片的稳定和抗扭转力来减少或消除扭转, 其中加大环缝间连接螺栓的拧紧力和减小管片背后注浆浆液的凝固时间是最基本的, 也是较好的方法。有的盾构机盾体上安装有稳定器, 来减小在硬岩段掘进时, 因刀盘扭矩过大而引起管片的扭转。
5 结束语
对于盾构隧道来讲, 它的建设品质不良问题一般是可以在建设时期合理地应对, 要设置优秀的品质管控条例, 而且要认真的落实, 这样就能够在建设的时候避免品质不良现象出现。
参考文献
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