浅谈土压平衡盾构机在富水砂层下穿风险源的施工技术

在富水砂层中采用土压平衡盾构下穿河流及既有建筑物施工,具有较大的风险和难点。结合北京地铁6号线工程土压平衡盾构施工的成功实例,从盾构机设备的性能配置、施工工艺参数(掘进参数)、辅助措施(渣土改良)等方面,分析、论证了在富水砂层中采用土压平衡盾构机掘进施工的关键技术。     

富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验与应用

依托南昌市轨道交通4号线一期工程,针对土压平衡盾构穿越富水砂层时遇到排渣不畅、喷涌等工程技术难题,展开渣土改良试验研究。介绍了砂性地层中常用的三种改良剂泡沫剂、膨润土和高分子聚合物,并针对此工程中的富水砂性地层,选取泡沫剂+聚合物的复合改良方式。开展改良后渣土的坍落度和渗透性试验,测试其流动性和渗透性,通过试验可以得到最优改良方案。对改良后盾构机掘进参数进行监测,如掘进推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速,数据表明该富水砂层盾构掘进采用"泡沫剂+聚合物"的渣土改良手段效果很好,降低了该地层的渗透性及内摩擦角,提高了粘聚力,解决了盾构在富水砂性地层开挖的技术难题,达到了土压平衡盾构掘进的要求,保证了盾构施工的高效、安全掘进。     

土压平衡式盾构穿越全断面砂层渣土改良技术研究

以西安地铁二号线北客站—北苑站区间为依托工程,总结土压平衡式盾构机在全断面砂层掘进施工中的开挖面土体与渣土改良技术,成果可为土压平衡式盾构机在全断面砂层或类似地质条件施工提供借鉴。     

盾构泡沫膨润土系统的优化设计

用于南昌地铁1号线6标盾构施工的土压平衡盾构为例,对土压平衡盾构的渣土改良系统进行了介绍,针对富水砂层的地质结构对原设计的泡沫膨润土系统进行了优化,提出了富水地层渣土改良的设计解决方法。     

土压平衡盾构河底长距离全断面富水砂层施工技术

土压平衡盾构机在富水砂层掘进时易出现喷涌现象,造成地面沉降、坍塌等环境风险,当其在河底穿越长距离类似地层时,风险大幅增加.论文依托福州地铁4号线某盾构工程,从设备管理、渣土改良、掘进及注浆、应等方面进行研究,并采取针对性措施使工程顺利实施,为类似工程提供借鉴.     

富水砂层地铁施工中的土压平衡式盾构机喷涌控制技术

土压平衡盾构机在穿越富水砂层掘进中易发生严重的喷涌现象。为此,借鉴地基渗流破坏机理建立了喷涌发生的渗流模型,并通过理论分析得到喷涌发生的主要因素,同时对喷涌发生的实际条件进行了验算。在此基础上,施工现场采用了"泡沫+高分子聚合物"进行渣土改良,使喷涌现象得到了有效控制,确保了隧道顺利贯通。     

土压平衡盾构全断面砂层施工关键技术

砂层中细颗粒成分少,砂层具有黏聚力小、内摩擦角大、渗透系数大、稳定性差以及密度大等特点,土压平衡盾构在全断面砂层掘进时存在掘进参数不协调、土压平衡掘进模式难以建立、设备磨损严重以及沉降难以控制等技术问题,分析认为,砂层的物理力学性质是盾构掘进困难的主因,采用工程试验、理论分析和实践应用相结合的方法,对注入膨润土泥浆为主、辅以注入泡沫进行碴土改良和沉降控制等施工关键技术进行了研究和工程实践,取得了较好的效果,并对施工经验进行了总结.     

富水砂层渣土改良技术的应用

福州地铁1号线采用土压平衡式盾构掘进施工,该方法要求开挖的土体应具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小等特性,而某区间隧道需穿越的富水砂层,却具有黏聚力小、外摩擦角大、渗透系数高等地质特性,很难满足土压平衡式盾构的掘进要求。因此对此段渣土层进行了改良,通过添加高分子聚合物,与高浓度膨润土浆液等改良材料共同作用,极大地改善了富水砂层渣土的土质特性,使盾构在掘进砂层时保持高效、稳定。     

青岛富水复杂地层盾构施工渣土改良技术研究

土压平衡式盾构机在富水复杂地层中掘进时会遇到喷涌、结泥饼等常见施工问题,这些问题将会严重影响施工进度和施工安全,以青岛地铁1号线某区间左线隧道穿越富水复杂地层盾构施工为背景,针对施工中遇到的喷涌及结泥饼问题,提出了适应青岛地区地质情况的新型渣土改良技术措施,并在工程实践中应用,取得了良好的改良效果。     

富水砂卵石地层土压平衡盾构掘进渣土改良技术

土压平衡盾构机在富水砂卵石地层掘进过程中,由于土体流塑性差,土舱内的渣土无法及时排出,导致推进速度缓慢,盾构推力及刀盘扭矩增大等现象,易出现地表塌陷事故.为此,文章以成都地铁17号线一期项目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:采用泡沫剂或泡沫剂+膨润土作为土体改良剂对砂...     

盾构隧道施工对砂性地层的扰动及管片受荷特征

以西安地铁土压平衡式盾构穿越砂性地层为背景,采用颗粒流(PFC^2D)数值方法研究盾构施工对砂性地层的扰动情况,同时通过现场测试获取砂性地层下盾构隧道管片衬砌的荷载分布和内力特征。研究结果表明,相对于黄土等粘性地层而言,砂性地层的颗粒性较为突出,盾构开挖引起的地层移动在空间分布上连续性较差,出现局部松动或欠密实区域。砂性地层透水性较好,孔隙水压力测试值与水头高度有很好的相关性,但土压力测试值要低于实际受力值。受各种施工荷载的影响,管片弯矩和轴力在盾尾脱环阶段波动较大,随着盾构的推进,盾尾注浆等施工荷载对结构受力的影响减小,当脱出盾尾10~15环后,管片内力逐渐稳定。研究成果可为砂性地层土压平衡盾构隧道的设计与施工提供参考。     

富水砂层泥水盾构施工孔隙水压反应研究

依托长沙市南湖路湘江大型江底盾构隧道工程,对大直径泥水盾构掘进引起的富水粉细砂地层孔隙水压力反应进行了分析研究。基于孔隙水压力测试数据,分析了大直径泥水盾构在富水粉细砂地层掘进时地层孔隙水压力的分布情况及变化规律。采用ABAQUS有限元软件建立了三维流固耦合数值模型,对泥水盾构施工引起的富水粉细砂地层孔隙水压变化进行模拟计算,对比现场测试数据,验证了本文三维流固耦合数值模型的合理性;将三维流固耦合模型应用于地层不同渗透性条件下孔隙水压力反应模拟计算,分析地层注浆加固后孔隙水压力扰动规律,评价加固效果,得出富水粉细砂地层盾构施工对孔压的扰动可采取预注浆加固进行有效控制结论。     

砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究

土压平衡式盾构机在穿越流塑性差、渗透系数大的砂土地层时容易对隧道周围土体产生扰动,导致地表沉降不易控制和作用在衬砌结构上的土压力发生改变。针对地铁盾构隧道穿越砂土地层引起的地层扰动,采用一种能完全反映盾构隧道动态施工全过程的分析方法尤为重要。以城市地铁盾构区间隧道施工采用的土压平衡式盾构机为原型,研制 800 mm土压平衡式模型盾构机,该机主要包括推进机构、掘削机构和出土机构,能实现盾构始发、刀盘切削、螺旋出土、管片拼装等主要功能,以此开展砂土地层中盾构施工的室内掘进试验。试验过程中对盾构掘进引起的地层沉降及衬砌结构上的土压力进行量测,分析地层沉降形态和衬砌结构上土压力的分布形态,同时将试验结果同理论计算、数值分析及现场资料进行对比。研究结果表明,土体性状和盾尾注浆对地层沉降具有重要影响,地层损失是地层发生沉降的主要原因。未注浆情况下盾尾脱环引起的地表沉降值占总沉降值的60%以上,且由于未注浆而增大的地表沉降所占比例为20%～30%,沉降时程曲线具有阶段性和时效性。地表沉降槽宽度系数i与现场测试数据具有一致性。衬砌结构上的土压力分布类似于上下端为长半轴、左右端为短半轴的椭圆形,数值上试验实测值较理论计算值要小。     

多种不良地质条件下盾构穿越施工控制技术

广州市轨道交通L18和L22区间盾构需要穿越上软下硬地层、富水粉质黏土层、基岩凸起及孤石等各种不良地层,施工难度和风险均较大。针对各种不良地层,分别采用有效施工控制技术,保证盾构顺利穿越各种不良地层,实现盾构施工进度、质量与安全目标。研究成果对今后在复杂地层中应用复合式土压平衡盾构机类工程具有参考价值。     

上海软土深埋盾构施工引起的土压时效规律分析

针对上海软土地区深埋盾构开挖所引起的土压力时效性发展规律,选取4倍直径埋深盾构,布设土压力全断面长期监测点,获取盾构开挖阶段及后期固结蠕变阶段的土压力数据,以得到深部地层的土压时效变化规律。通过现场试验可得,盾构开挖所采取的土仓压力按照理论静止土压力取值时,刀盘周围会形成半径为1~1.5D的被动土拱效应作用区域,土拱范围内会产生20%的被动土压力增幅,土拱以外的范围不受开挖扰动影响。盾构掘进所产生的被动土拱挤压效应在盾尾注浆浆液硬化后开始逐渐衰减,衰减主要作用阶段为开挖后1~3年,深层土体衰减后进入长期蠕变阶段。试验表明,软土深部地层盾构开挖会产生一定程度的土拱效应,且土拱效应在后期固结蠕变过程中逐步衰减,可为今后软土深部地层盾构隧道设计及施工的土压力取值提供一定参考依据。     

富水砂卵石地层土压平衡盾构带压换刀技术

成都地铁1号线的盾构掘进表明,在砂卵石地层中开挖刀具的磨耗非常严重,平均120～150m需全面更换一次刀具.结合成都地铁1号线盾构3标项目,对浅埋富水砂卵石地层条件下的土压平衡盾构带压换刀技术进行了有益尝试并获得成功,从而形成了相关成套技术.主要包括带压换刀工作气压值的经验计算公式,膨润土泥浆的配合比和制备流程,以及按"到达预定换刀地点前"、"到达时"、"换刀结束后的恢复掘进"三阶段控制的施工工艺.     

盾构掘削土体颗粒运动规律及传力特性DEM研究

土压平衡盾构掘进时土舱压力的设定往往缺乏足够的理论支撑,其内部掘削土体颗粒的运动规律也无法直观展现。基于离散单元法(DEM)对土舱内砂卵石颗粒集合进行三维精细化仿真,通过支持向量机反演标定细观接触参数,获得了土舱内部颗粒流速度场分布情况和运移沉积规律,纵向上从土舱前端到隔板流动效果越来越差,横断面上靠近辐条外边缘及支撑柱附近区域的流动性较好,结合局部滞流特征提出了土舱内部结构优化措施。进一步阐述土颗粒内部接触力链变化更迭特征,分析了土舱隔板压力分布情况,其总体上呈现隔板压力左右对称,从上而下逐渐增大的特征。同时揭示了在砂卵石地层中开口率为66%的辐条式刀盘盾构机土舱隔板压力与刀盘前支护压力的映射关系,DEM计算所得压力传递系数为0.771 1,土舱隔板压力的合理设定值为47.08 kPa～70.69 kPa,研究成果可为砂卵石地层盾构土舱压力的设定提供理论基础。     

砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

分析了成都砂卵石地层工程地质和水文地质条件,通过大型三轴试验对砂卵石层力学特性进行了研究。针对砂卵石层粘聚力低、离散性强的特点,选用颗粒离散元法作为数值计算工具,通过对大型三轴试验的数值模拟,对砂卵石层的细观参数进行了标定。研究了支护压力对开挖面变形、地表沉降、开挖面的最大位移和土层应力的影响。研究结果表明：1)开挖面土体破坏形状和砂土的离心试验模型相符;2)当支护压力较小时,开挖面前方土体颗粒接触力很低,颗粒流动趋势明显,因此容易引起超挖,从而导致盾构施工后形成地层中的空洞;3)开挖面前的上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞也不会立刻引起地面塌陷,这是目前成都盾构施工引发地面滞后沉降的主要原因。     

富水砂层土压平衡盾构关键施工技术

沈阳地铁二号线会展中心站一世纪广场站隧道盾构区间穿越中粗砂、砾砂层,砂性土层内摩擦角大,碴土流动性差,排土困难,地下水量丰富、水压高,因此盾构掘进控制困难,容易造成地表沉降.从土压平衡盾构的适应性、刀盘和螺旋输送机的结构、刀具的配置和加固、碴土改良措施、沉降控制方法等方面介绍土压平衡盾构穿越砂层的施工技术.在施工过程中,通过采取同步注浆、二次注浆、加强施工监测等措施保证了既有线行车安全.     

考虑渣土特征的盾构施工力学动态耦合仿真研究

土压平衡盾构渣土作为开挖面支护力与土仓压力之间的传递介质,其力学性能直接影响到土仓压力的控制、开挖面支护力大小和地层变形等。通过编制离散元和有限差分耦合程序,模拟了土压平衡盾构机动态掘进过程,分析了渣土改良对土仓压力传递性和开挖面地层响应的影响。研究结果表明:盾构掘进过程中土仓压力会出现一定的波动幅度,越靠近刀盘,压力的波动幅度越大。刀盘转动角度对土仓压力有一定的影响。刀盘面板转至监测点水平线上时土压力较大,刀盘开口转至监测点水平线上时土压力较小。渣土改良能增大土仓压力传递系数,降低土仓压力的离散性。压力传递系数不是一个稳定值,而是一个受刀盘转动角度影响的变化值。