圆砾泥岩复合地层泥水盾构下穿房屋沉降控制技术研究

圆砾泥岩复合地层中盾构微扰动施工控制是岩土工程实践中面临的难题。南宁地铁1号线盾构下穿友爱居民小组面临圆砾与泥岩复合地层的挑战,首先对泥水盾构泥浆性能指标进行优化,采用现场试验确定了富水圆砾地层袖阀管注浆加固浆液配合比;利用自动化监测系统对盾构下穿房屋的沉降进行实时监控,并借助及时通讯工具实现穿越施工中信息化施工;定义圆砾泥岩复合地层盾构开挖面内泥岩高度与盾构机刀盘直径的比值为复合比λ,分析掘进参数平均值随λ的变化规律。通过现场实测结果表明:袖阀管注浆能够有效的控制建筑物沉降,自动化监测能够实时反映盾构推进导致房屋变形,为施工反馈控制提供依据,泥水盾构在圆砾泥岩复合地层中会遇到开挖仓压力波动过大,刀盘扭矩、推力增大,贯入度降低等现象。当λ≤0.15上述现象基本不发生;当0.15≤λ0.6时,参数平均值波动最剧烈,对沉降控制十分不利;当λ≥0.6时,扭矩和总推力进一步增大,但开挖仓压力波动情况稍弱而贯入度会进一步降低。要以盾构开挖仓压力控制为指标而非追求推进速度,提高转速、降低泥浆黏度是减少参数波动的有效手段。     

富水圆砾地层土压平衡盾构掘进参数优化研究

如今盾构法施工在地铁建设中已得到广泛应用,砂卵石、软土等地层的盾构施工技术日趋成熟,而富水圆砾地层的盾构施工技术研究较匮乏。本文依托南宁轨道交通2号线三十三中~苏卢站盾构掘进区间,对富水圆砾地层段和圆砾泥岩复合地层段土压平衡盾构掘进参数进行对比分析,并对圆砾地层土仓压力取值范围的计算方法进行讨论。研究结果表明,圆砾地层掘进参数波动幅度较小,其中,盾构推力、刀盘扭矩、注浆压力三者存在相似的变化趋势,土仓压力则有所增长。复合地层中掘进参数中盾构推力、刀盘扭矩、注浆压力波动幅度更明显,但土仓压力基本保持稳定。采用Terzaghi松动土压力或静止土压力计算值作为圆砾地层土仓压力取值上限更为合理。三苏区间采用的掘进参数对地表沉降基本控制在5mm以内,对圆砾地层盾构施工具有借鉴意义。     

含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移研究

浅地层存在空洞是盾构施工导致土体位移过大的重要诱因之一。为有效计算土体位移,首先引入空洞收敛率,推导了空洞收敛变形造成的上部土体位移计算公式,再综合考虑双线盾构施工、空洞移动及收敛变形、正面附加推力、盾壳与土体摩擦力、附加注浆压力的影响,推导了含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移计算方法,结合算例对不同盾构施工因素、空洞半径、空洞中心埋深、空洞位置影响下的土体位移规律进行了研究。研究结果表明,引入不同盾构施工因素能更精确的计算开挖面前方的土体位移;接近先开挖侧隧道的空洞会对土体位移造成更大影响;接近空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而减小,远离空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而增大。     

含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移研究

浅地层存在空洞是盾构施工导致土体位移过大的重要诱因之一。为有效计算土体位移,首先引入空洞收敛率,推导了空洞收敛变形造成的上部土体位移计算公式,再综合考虑双线盾构施工、空洞移动及收敛变形、正面附加推力、盾壳与土体摩擦力、附加注浆压力的影响,推导了含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移计算方法,结合算例对不同盾构施工因素、空洞半径、空洞中心埋深、空洞位置影响下的土体位移规律进行了研究。研究结果表明,引入不同盾构施工因素能更精确的计算开挖面前方的土体位移;接近先开挖侧隧道的空洞会对土体位移造成更大影响;接近空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而减小,远离空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而增大。     

地铁盾构隧道施工对邻近已有隧道的影响分析

采用有限元软件ABAQUS建立了盾构隧道三维有限元分析模型,模拟了盾构施工的整个过程。利用添加移除技术以及设置场变量等方法实现了开挖面土体卸荷、管片拼装以及注浆等施工过程,研究了盾构开挖过程中地表沉降的规律,分析了不同土仓压力对地表沉降的影响,探讨了盾构施工微扰动控制要点。计算结果表明,盾构开挖面前方地表出现隆起,且随着开挖面的前移而前移,隧道轴线地表在开挖结束后呈隆起趋势。地表横向沉降量随土仓压力的增大而增大,表现为隆起趋势,隧道轴线与两侧土体沉降量差值随着土仓压力的增大而减小。     

南京复杂地层中盾构掘进地表沉降实测数据分析

通过现场实测数据,分析了南京至高淳城际快速轨道工程TA04标段3号盾构井—胜太路站区间隧道不同埋深、地质及施工参数条件下,盾构施工对地表沉降的影响规律。实测结果表明:盾构在上软下硬复合地层施工时地表沉降值显著大于在全断面硬岩地层施工工况,土舱压力对上软下硬复合地层开挖面稳定影响较大;全断面硬岩地层盾构施工引起的地表沉降值几乎不受埋深、土舱压力及同步注浆等变化的影响。结合施工过程中刀具磨损、开挖面结泥饼等施工难点,提出了根据硬岩与上软下硬复合地质条件盾构施工分别采取欠压推进和保压推进等技术措施,取得了良好效果。     

南京地铁3号线盾构穿越沪宁城际铁路保护技术研究

盾构穿越既有高速铁路,会造成轨道的不均匀沉降,引起轨道变形,影响正常运营。文章依托南京轨道交通三号线南京站~新庄站区间隧道施工,通过现场实测与数值模拟研究南京轨道三号线盾构穿越施工对沪宁城际铁路的影响规律。研究结果表明:地表沉降量随注浆体弹性模量的增大而减小,适当增加注浆弹模有利于地表沉降的减小;注浆压力对地表变形有着显著影响,在实际施工中应根据地层阻力等因素选择合理的注浆压力,一般取值为0.3MPa~0.5MPa。南京地铁三号线盾构穿越沪宁城际铁路段注浆压力宜为0.35MPa。研究结果对控制盾构穿越施工引起的地表沉降有重要意义。     

四线并行盾构隧道下穿火车站股道沉降特征研究

为了探究南宁地铁1,2号线四线并行盾构下穿火车站股道的沉降特征,建立基于叠加技术的Peck公式。利用Peck公式,分别计算每条隧道引起股道附加沉降,叠加各条曲线得到的沉降槽作为四线并行盾构掘进引起的股道总沉降,并分析2号线盾构施工沉降超限的原因。结果表明:叠加技术能够应用于四线盾构隧道引起股道沉降的计算,叠加得到的总沉降与自动化监测的结果基本一致,后行隧道引起的附加沉降槽的轴线向四线隧道中线发生偏移,但总的沉降槽轴线处于四线隧道中线处;给出富水圆砾地层中盾构推进导致地表沉降槽宽度系数范围,建议四线并行盾构隧道下穿重要风险源时,地层损失率控制在0.4%以内;泥岩的存在导致了2号线盾构在穿越13股道和11股道时发生沉降超限,合理提高开挖面泥水压力并减小压力波动,减缓盾构掘进速度并适当提高注浆压力是控制沉降的关键。     

砂卵石地层盾构施工对地层扰动与地表沉降的影响分析

以成都高漂石含量砂卵石地层为研究对象,采用PFC2D模拟了双线隧道盾构掘进时对砂卵石地层的扰动规律,并通过Midas有限元模拟分析了双线隧道盾构掘进时的地表沉降规律.结果 表明砂卵石地层在掘进过程中将形成一个倒三角的松动区,并引起掌子面前方土体向此区域移动,最终形成楔形移动面;同一里程处隧道引起的地表沉降随着盾构推进呈增大趋势,根据监测数据显示,地表沉降规律与模拟结果基本一致;双线盾构施工时,左右两侧的地表沉降相互影响,最大沉降位置将随着开挖方向发生偏移,并呈中心轴线沉降量最大,两侧地表沉降亦呈现出基本对称分布的规律.     

砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究

盾构技术在砂卵石地层中应用越来越多,砂卵石地层具有很强的不确定性特征,盾构施工的关键问题之一是保持开挖面稳定性及减小地面沉降。利用土压平衡盾构模型,研究北京砂卵石地层中不同埋深时邻近建筑物影响下的开挖面稳定性及地表沉降规律。试验中,分析柔性基础邻近建筑物及埋深对开挖面极限支护力和地表沉降的影响,揭示开挖面稳定性、土拱效应与极限支护力及地表沉降的关系。在邻近建筑物影响下,砂卵石地层中的支护压力呈非对称分布,且砂卵石地层中盾构推进引起的沉降值大于基于Peck公式的计算值,研究成果对砂卵石地层中盾构施工有重要的指导意义。     

软硬不均地层中盾构施工引起的地层隆沉预测

将刚度当层法与Mindlin基本解相结合提出双层弹性体系下盾构施工引起地层隆沉的计算方法,该计算方法可以同时考虑开挖面处不平衡力、盾壳–土体间摩擦力、盾尾同步注浆压力、二次补偿注浆压力、施工期间地层附加荷载及地层损失6个施工因素对地层隆沉的贡献,同时可以反映上下地层刚度差异对地层隆沉的影响。研究发现,当盾构浅埋时,其在上下刚度不均地层中掘进引起的地表隆沉与其在单一软或单一硬地层中掘进引起的隆沉差别较大;当盾构埋深逐渐增大时,这个值逐渐接近盾构在单一软地层及单一硬地层中掘进引起隆沉的平均值,此外研究发现,二次注浆范围从全断面至未注浆变化时,地层的隆起值先增大后减小最后变为0,当注浆范围为上半断面时,注浆补偿效果最好。从京张高铁清华园隧道的实测数据与理论计算对比分析可以发现:提出的双地层模型可以较好地反映开挖面前方地表的隆起及开挖面后方先沉降后隆起再稳定的规律,且比基于单一地层模型采用加权平均法计算得到的隆沉值更接近实测值,计算误差可减小11.08%。研究成果可为盾构在单一地层及软硬不均双层地层中施工引起的地层隆沉的预测提供理论指导。     

直径9m级盾构施工引起的地层位移预测方法研究

以北京地铁大兴机场线工程为背景,利用现场实测数据,对直径9 m级中型盾构暗挖施工引起的地表沉降特性及其地层损失率、沉降槽宽度系数进行了反演分析,并对地层条件(开挖面地层加权变形模量、上覆土厚度、上覆土加权变形模量)以及盾构施工参数(土仓压力、贯入度、注浆压力及注浆量等)对直径9 m级盾构施工引起的沉降及其特征参数的影响情况进行了因素分析,在此基础上,提出了直径9 m级盾构施工条件下Peck理论方法关键参数的快速预测方法。研究成果可为直径9 m级地铁盾构施工引起地表变形预测提供方法基础,同时可为直径9 m级地铁盾构的设计与施工优化提供借鉴。     

富水圆砾地层盾构下穿火车站股道沉降控制技术研究

盾构下穿运营中的铁路股道对沉降控制有着更高的要求,南宁地铁1号线盾构下穿南宁火车站股道面临富水强渗透圆砾地层的挑战。首先介绍穿越火车站股道的沉降控制措施;接下来利用三维有限元分析软件MIDAS/GTS建立盾构穿越施工分步开挖的数值模型,讨论富水圆砾地层中等代层参数的取值,研究穿越过程中股道沉降变化规律,并对后续2号线穿越施工进行预测,在此基础上确定沉降控制指标;布设基于静力水准系统的沉降自动化监测系统,实现对盾构开挖引起的股道沉降的实时监控,并借助即时通讯工具实现穿越施工中信息的实时交互,通过调整工作仓泥水压力以减小沉降来说明基于自动化监测的微扰动施工控制机制。数值模拟和现场实测结果表明:盾构穿越火车站股道采用预加固措施是十分必要的,富水圆砾地层中采用桩筏基础加固能够满足沉降控制要求;在盾构穿越前利用三维数值仿真,能够模拟盾构穿越股道的沉降变化规律,有利于确定沉降监测范围和控制指标;利用远程自动化监控结合即时通讯平台,可以实现监测信息的实施自动化发布,将平台纳入到施工管理体系中,能够实现盾构穿越重要建构筑物的微扰动施工控制。     

盾构隧道侧穿保护建筑的影响分析

结合某市地铁双线盾构隧道侧穿某大学工程馆施工实际,采用有限元方法分析研究了富水砂层中不同地下水的流失程度及掘进参数对地表沉降和建筑物变形的影响。结果表明:地下水的流失会加大盾构掘进过程中的影响范围和大小。掌子面压力和注浆压力对地层沉降有一定的影响,但地层的沉降对注浆压力的敏感性更大。盾构隧道引起的最大沉降在5~7mm以内,满足建筑物变形控制要求。     

软土小间距浅埋暗挖后建隧道滞后距离分析

紫之隧道是处在Ⅴ、Ⅵ级软弱围岩中的浅埋暗挖小间距双线隧道,采用交叉中隔壁台阶法分部开挖。开挖前实施管棚和小导管超前支护,并对开挖面进行注浆加固。开挖后采用喷混、钢筋网、锚杆和钢拱架形成初期支护。本文对后建隧道掌子面的滞后距离进行数值分析研究,发现双线隧道施工导致的地表沉降要大于单线隧道,且沉降槽偏向于先建隧道;增大后建隧道滞后距离可以减小先建隧道的地表和拱顶沉降,而后建隧道相关沉降则略有增加;增大后建隧道滞后距离可以减小先建隧道的洞内收敛值,对于后建隧道的洞内收敛值无明显影响。     

盾构并行穿越施工及补偿注浆对既有隧道的影响分析

线叠交盾构隧道在地下空间内布置形式繁多,土体-隧道间相互作用机制复杂。针对多线叠交盾构上穿这种典型穿越施工形式,以宁波轨道交通5号线左右线并行上穿既有宁波轨道交通2号线工程为背景,形成两层隧道四线叠交的特殊工况,通过构建三维弹塑性有限差分动态模型,采用数值模拟和现场监测相结合的方法,研究盾构上穿施工对地表沉降和既有隧道竖向变形的影响,以及二次补偿注浆压力和注浆范围对地表沉降和既有隧道变形的修复作用。研究结果表明：上穿施工穿越段区间,由于开挖导致的地层扰动,地表沉降较大;既有隧道结构沉降呈现上浮趋势,双线的沉降规律存在时间差异,并且由于隧道刚度对土体的约束作用,使最终变形趋向于对称分布;既有隧道的水平收敛值较小,主要在新建隧道的施工阶段发生变化;二次补偿注浆压力控制在0.3～0.4 MPa的范围之内,此时的地表沉降和隧道结构沉降控制比较理想;随着补偿注浆范围的扩大,对于地表沉降以及隧道结构沉降的控制效果在不断减小;在穿越段的基础上向两侧延伸2D～5D(D为盾构开挖直径)的距离进行二次补偿注浆,对地表和既有隧道结构沉降的控制效果最佳。     

双线盾构隧道施工沉降影响规律研究

以某地铁盾构项目为依托,基于正交试验设计方法针对三种不同影响因素(注浆量、掘进推力、注浆压力)制定三因素四水平正交试验方案,并利用有限差分方法研究不同施工方案条件下地面沉降规律,然后通过极差分析和方差分析方法获得了三因素组合的最优方案,最后通过非线性拟合方法构建了盾构掘进施工的地面沉降预测公式。结果表明：单线隧道掘进过程中,开挖面上端的土体发生沉降,开挖面下端的土体会发生隆起;单线隧道开挖完成时,隧道处地面沉降最大,向两侧随着距隧道距离的增大,地面沉降逐渐变小;右线隧道开始施工时,对已完成的左线隧道周围的土体再次产生扰动,增加了左线隧道的地面沉降;当双线隧道都开挖完成时,地面沉降在两隧道中心线处沉降最大,向左右两侧沉降逐渐减小;三种因素对地面沉降影响大小的顺序为掘进推力、注浆量、注浆压力。     

浅埋条件下盾构施工参数对地层扰动影响研究——以福州地铁4号线某路段区间盾构隧道施工为例

以福州地铁4号线化工路站～福新东路站区间盾构隧道穿越软土地层施工为背景,采用数值模拟方法,建立了考虑土仓压力、刀盘-土体摩擦扭矩、注浆压力、盾壳-土体摩擦力的盾构动态开挖模型,研究了浅埋条件下各施工因素对周围土体的扰动规律。结果表明:盾构开挖过程,在土仓压力和盾尾注浆压力等因素的综合作用下,开挖空间上方地层出现先隆起后沉降的变化过程,一侧土体则在盾构开挖过程逐渐外扩,沉降及水平位移最大值分别出现在开挖轴线的竖向和水平面上;土仓压力和盾尾注浆压力的增加有利于减小地层沉降值,但对应侧面土体水平位移有所增大,刀盘与盾壳和土体间摩擦力的增加会进一步增加上部地层沉降和侧面土体水平位移,施工过程应根据地层变形控制要求,合理调整土仓压力和盾尾注浆压力,同时降低机械与土体的摩擦。     

地铁盾构侧穿高速桥桩基的影响分析

以佛山地铁莲塘~张槎盾构区间侧穿佛开高速桥施工为工程依托,运用MIDAS/GTS有限元程序模拟盾构开挖的全过程,采用不加固和袖阀管注浆加固两种施工工况,分析不同工况下盾构施工对地表沉降和桥梁桩基的差异沉降,结果表明,地层受盾构施工的影响范围都逐步扩展,地表沉降曲线符合Peck沉降槽规律,袖阀管注浆加固后地表沉降量减小约为4mm,桥梁桩基差异沉降减小1.3mm。     

特殊地层中双圆盾构掘进施工参数分析

通过对特殊地层中双圆盾构掘进施工参数进行统计分析,给出了埋深、刀盘扭矩、掘进拼装时间和掘进速率与土压力的相关性,分析了出土量、注浆填充系数、仰俯角对盾构轴线上方地层沉降的影响。分析结果表明,开挖面土压力变化与埋深、刀盘扭矩成正比,与掘进拼装时间成反比。注浆填充系数增加,可以减小地面沉降;排土量和俯仰角变化,会带来地面附加沉降。