上海轨道交通提升盾构隧道结构本质安全的创新实践

[目的]盾构隧道是柔性结构,具有多缝特征。受施工初始质量缺陷、周围载荷变异、外部环境恶化以及管养不到位等因素影响,易出现结构变形超限、渗漏超标以及耐久性劣化等问题,仅依靠运营期加固和整治无法彻底解决。且随着线网规模的扩大,维修成本和夜间天窗时间资源的代价也会急剧增加,最终影响城市轨道交通全网的运维效率和质量。因此需研究提升盾构隧道结构本质安全的技术措施。[方法]分析了上海轨道交通盾构隧道的主要病害及影响盾构隧道结构安全的主要因素;介绍了上海轨道交通提升盾构隧道结构本质安全的技术措施以及确保盾构隧道结构本质安全的创新实践。[结果及结论]上海轨道交通采取的提升盾构隧道结构本质安全的技术措施包括优化扩大盾构隧道内径、采用错缝拼装方式、提升接缝密封防水设计,确保盾构隧道结构本质安全的创新实践包括采用预埋承插式管片新型盾构隧道结构、采用推拼同步智能盾构装备及隧道智能建造技术。从源头把握盾构隧道结构本质安全,通过优化隧道结构设计、创新拼装技术以及采用智能化装备,在建设阶段提升盾构隧道的成型质量、减少结构初始缺陷,能够降低运营期盾构隧道结构发生病害的可能性,可为隧道的长期运营安全奠定坚实基础。

含壁后空洞盾构隧道管片安全分析

为探究空洞对盾构隧道的影响机理,通过建立考虑环、纵向接头的盾构隧道精细化数值模型,研究不同空洞深度、面积、位置等多种情况下管片内力、变形及截面安全系数的变化规律,并探讨管片不同拼装点位对含壁后空洞隧道的影响。研究结果表明:隧道壁后不同位置空洞对结构安全不利影响的排序为:隧腰>隧底>隧顶;空洞面积为5.0 m^(2)时,随空洞深度增加,隧顶或隧底空洞中心处隧道截面弯矩及安全系数呈先减小后反向增大的趋势,且管片椭变先减小至0后反向增大,弯矩分别在空洞深0.3、0.2 m时反弯,左隧腰空洞中心处截面安全系数不断降低,管片椭变及弯矩大幅提升;空洞深度为0.5 m时,隧顶或隧底空洞中心处隧道截面弯矩均在空洞面积3.75 m^(2)时反弯;空洞范围内存在纵缝会降低空洞中心处隧道截面内力并提升其安全系数,但其最大张开为空洞内无接缝时的2.0~3.5倍。研究成果可为盾构隧道壁后空洞安全评价、拼装点位选取提供参考。

盾构隧道缓和曲线段管片组合轴线拟合计算方法

盾构隧道在缓和曲线部分存在管片拼装问题,因缓和曲线线型复杂,管片拼装点位多变,一直是施工过程中的一个难题。基于错缝拼装要求与楔形管片特点,提出一种在平面范围内,利用循环计算与误差控制的条件判定,综合比选标准环与楔形环组合,完成每环管片拼装施工,最终拟合出既满足规范与控制指标,又可保证线型较为均匀的管片拼装轴线的管片施工设计方法与验证方法。并根据实际工程需要,提出最大允许偏差控制方法和缓圆点附近的管片拼装优化措施,结合珠海市珠机线湾仔北站—湾仔站区间盾构隧道实例,证明了此方法的准确性与适用性,为缓和曲线上控制管片拼装质量提供理论依据。

泥质粉砂岩地层盾构隧道管片上浮影响因素

[目的]盾构隧道穿越富水泥质粉砂岩地层时会出现多环管片整体上浮的现象,导致管片出现破损、错台、姿态超限等质量缺陷。为保证盾构隧道成型质量,需对管片上浮影响因素进行研究。[方法]基于盾构隧道纵向刚度折减理论和管片施工阶段受力特点,建立管片施工期纵向整体上浮有限元分析模型,研究管片衬砌结构纵向刚度及动、静浮力因素对盾构隧道长距离、大范围上浮挠曲变形的影响规律。[结果及结论]管片上浮影响因素主要包括静浮力因素、动浮力因素和姿态控制因素。管片最大上浮量发生在脱离盾尾第5环—第8环处。纵向刚度越小,最大上浮位置越靠近盾尾;纵向刚度越大,隧道越呈现长范围整体抬起现象。当水头高度位于管片顶部以上时,管片上浮量不随静水头高度而改变,且静水浮力造成的管片上浮量不超过30%。管片环最大上浮位置不随注浆压力的改变而改变,注浆压力仅影响管片最大上浮量,且最大上浮量与注浆压力线性相关。

邻近基坑预降水影响下既有隧道受力变形分析

为探讨基坑降水引起的既有隧道受力变形特性,依托实际工程建立三维数值模型,以隧道的最大竖向位移为评价指标,使用正交表筛选最优组合和主要影响因素,而后对主要影响因素进行单变量分析,研究隧道受力变形规律。研究表明:通过极差分析和方差分析发现,连续墙插入深度是影响坑外隧道最大竖向位移的主要因素,故邻近既有隧道的新建基坑工程有降水需求时,可先选取该因素进行隧道变形控制;随着连续墙插入深度的增加,隧道弯矩和变形均会随之减少,当连续墙插入深度到达透水性较差的土层后隧道变形显著减小,此时隧道变形能得到有效控制,而继续增加插入深度对于控制隧道变形意义不大;降水使坑外邻近隧道产生朝向坑内斜向下的“横鸭蛋”沉降变形,施工过程中应重点关注隧道拱顶和邻近基坑侧拱腰的变形情况。

市域线大直径隧道预制中隔墙拼装姿态分析

为控制大直径隧道预制中隔墙拼装质量,基于上海市机场联络线,对其内部预制中隔墙的拼装姿态进行研究和分析。在规定中隔墙坐标系后,分别对中隔墙在有、无初始拼装误差下的拼装姿态进行研究,得到中隔墙在上述工况下的姿态信息及其底面平面方程解析表达。分析结果表明:1)当中隔墙无初始拼装误差或其仅有平动或转动初始拼装误差时,不同控制点位的选取和调节系统千斤顶的顶进顺序不会对中隔墙的拼装控制产生影响,可根据所得中隔墙姿态表达式对其拼装姿态进行控制;2)当中隔墙仅存在平动或转动外的初始拼装误差时,应依据调节系统不同顶进顺序对中隔墙姿态进行单独计算,再依据所得表达式对中隔墙拼装进行控制,提高中隔墙拼装精度。将解析公式应用于中隔墙施工,取得了良好的工程应用效果。

基于Timoshenko-Pasternak模型的盾构下穿既有隧道沉降简化计算方法

[目的]旨在解决在盾构下穿既有隧道沉降计算中,传统Euler-Bernoulli梁与Winkler地基模型精度不足问题。[方法]基于Timoshenko梁理论和Pasternak地基理论引入同时考虑土体剪切效应和隧道整体剪切变形的Timoshenko-Pasternak模型,通过推导盾构下穿既有隧道的沉降控制方程,并使用有限差分法对其进行求解,得到沉降计算结果。之后将这些结果与有限元数值模拟解、实际工程监测数据及传统Euler-Bernoulli-Winkler模型的理论解进行详细对比。[结果及结论]基于Euler-Bernoulli-Winkler模型的计算结果在既有隧道沉降值上存在低估现象,而在既有隧道沉降槽宽度和管片张开量上存在高估现象,且无法计算既有隧道管片的错台量。相较之下,基于Timoshenko-Pasternak模型的计算结果与数值模拟及实际监测值更为一致。该模型能够较为准确地估计既有隧道沉降、沉降槽宽度及管片张开量,并提供了可靠的隧道管片的错台量计算结果。这对实际工程具有重要的指导意义,为实际工程提供了可靠的参考依据。

预埋承插式接头错缝拼装盾构隧道受力性能及管片开裂原因分析

[目的]以上海轨道交通某区段新型隧道顶部管片开裂为背景,分析预埋承插式接头错缝拼装隧道在外荷载作用下变形特点及管片开裂原因,并提出此类隧道的运维侧重点。[方法]根据盾构推进时间、保护区历年变化及隧道收敛变形数据,分析了隧道管片开裂原因。并且发现顶部有无拼接缝的隧道环,在变形程度及裂缝产生方面存在差异。通过与相同环境下单圆通缝隧道收敛变形数据进行对比,得出了新型隧道与单圆通缝隧道受力性能的异同及相对刚度。[结果及结论]此次管片开裂是由侧方拔桩施工导致水平方向土压力变小以及正上方填土使得竖直方向土压力增大两者叠加产生的。顶部为整块管片的隧道环相较顶部为拼接缝的收敛变形更小,但容易开裂,运维时宜重点关注顶部为整块管片隧道环的收敛变形数据。新型隧道横断面刚度约为单圆通缝隧道的2.5倍,峰值处的荷载会传递到邻近的隧道环共同承担,使得隧道收敛变形较为平缓,隧道在外荷载消除后变形恢复能力更强。因这种裂缝而产生的渗漏水病害及通路很难通过隧道回缩愈合。

基于既有盾构隧道区间暗挖施工的城市轨道交通车站结构力学行为研究

[目的]深圳轨道交通14号线肿瘤医院站采用大直径(8.5 m)盾构隧道扩挖的“先隧后站”方案,在暗挖车站主体结构与附属出入口连接时,需对隧道衬砌实施局部大尺寸开口施工。为保证隧道开口施工过程中的结构安全性,需对基于既有盾构隧道区间暗挖的城市轨道交通车站结构力学行为进行研究。[方法]采用考虑衬砌结构环、纵缝影响的多环壳-刚性梁-接触衬砌计算模型,对车站暗挖过程进行分工况模拟,设置全开口衬砌环控制工况为开口工况,半开口衬砌环控制工况为拆撑工况;探究封顶块位置、内部支撑形式及隧道纵向开口尺寸等关键设计参数对车站结构的影响。[结果及结论]根据环梁受力特征,建议上、下部环梁在设计时选用钢材或内置钢构件。根据管片受力特性,确定开口区域内通缝拼装管片的排版形式;肿瘤医院站隧道开口区段通缝拼装管片封顶块建议设计在隧道顶部。开口衬砌环管片在施工全程中的弯矩分布与内部支撑有效约束点密切相关,而内部支撑形成有效约束的前提是拥有完整的轴向传力路径。隧道局部开口时开口衬砌环结构的整体性依赖于环缝侧部约束。

盾构渣土置拌同步浆液及其在叠落隧道应用研究

针对盾构渣土资源化利用,依托苏州轨道交通8号线,基于实验室研究改进固化材料配比,将区间线路盾构渣土置拌成符合工程要求的同步注浆浆液。同时,新建8号线双线盾构隧道与既有3号线双线隧道在唐庄站交汇,形成两层四线叠落的特殊工况。本项目使用的渣土浆液稠度约为113 mm,7 d强度≥1 MPa,28 d强度≥2.5 MPa,满足工程要求。掘进过程中既有隧道结构的监测数据表明,盾构渣土浆液可以有效地控制新建盾构对既有建(构)筑物的影响。利用盾构渣土制备同步注浆浆液可实现渣土资源化利用,在推进绿色建造的同时降低隧道(双线)施工成本约75万元/km。

城市地下道路与轨道交通共建研究

为进一步研究城市地下道路与轨道交通的共建方案,从路网(线网)形态、功能定位和技术标准等角度进行对比分析,并结合上海、济南、武汉、青岛等地的多个共建工程案例,研究归纳当前城市地下道路与轨道交通共廊道布置的需求和趋势,提出了各种共建形式在技术标准上的可行性及适用性,总结了共建工程的优势和尚存的主要问题。

盾构隧道长联络通道冻结法施工技术与应用

本文以郑州市轨道交通8号线五龙口站—同乐站区间隧道3#联络通道冻结工程为背景,详细总结了长距离联络通道施工关键技术,包括冻结加固方案、冻结施工技术要点、施工风险及应对措施等,并通过现场施工情况及实测数据进行了验证。针对长距离联络通道的冻结施工,采用双侧搭接布置冻结管、实时压力监测并打设泄压孔、解冻期及时跟进补浆、必要情况下施作钢拱架等措施,可以有效降低长距离联络通道冻结施工中的风险。在本工程冻结施工期间,实测地表冻胀位移及管片竖向隆起位移均小于6mm,解冻后融沉量小于10mm,联络通道初期支护竖向位移小于2.1mm,验证了本工程施工技术的可靠性,可以为类似的长联络通道冻结开挖工程提供参考。

富水软弱地层盾尾刷更换技术研究

盾尾刷是防止水、泥砂等涌入盾构内部的关键设施,在长距离掘进过程中,盾尾刷会逐渐磨耗,一旦失效,会诱发盾尾漏浆、地面沉降开裂等风险,甚至造成盾构机被淹,隧道损毁等工程事故。文章通过某区间盾尾刷更换案例,从工程概况、地质水文、风险预控、加固止水、安拆实施、盾构复推等角度,详细介绍盾构掘进过程中盾尾刷更换施工的全过程,验证文章所采用工序及措施的合理性、可靠性,为未来苏州轨道交通第四轮线网隧道施工盾尾刷更换作业提供借鉴。

基于盾构工程特征的砂卵石地层分类方法

针对砂卵石地层盾构长距离高效掘进困难的弊端,在总结盾构掘进常见工程问题的基础上,提出粒径大小、细粒含量、水压高低以及磨蚀性能是制约盾构高效掘进的地层特征因素,分析各因素的特征指标、指标确定方法及指标量化区间,并根据指标量化区间划分出砂卵石地层类别。基于不同的地层类别匹配合理的盾构方案,通过组合指标下的砂卵石地层盾构实例,验证地层分类方法的适用性。研究结果表明:根据颗粒最大粒径dmax与螺旋输送机最大输排能力dp,可将砂卵石地层分为可输排及不可输排地层;根据细粒透镜层同区间总地层的占比λ,可将砂卵石地层分为高黏性低渗透及低黏性高渗透地层;根据地下水位高度hw及界限水位高度h0,可将砂卵石地层分为高水位及低水位地层;根据等效石英含量Qe,可将砂卵石地层分为高磨蚀性及低磨蚀性地层。提出的分类方法可为砂卵石地层盾构设计与施工提供理论指导和技术支持。

兰州轨道交通2号线下穿黄河的大直径盾构隧道方案比选

为了降低地铁盾构隧道多次下穿黄河的风险,以兰州轨道交通2号线火星街站—黄河市场站区间盾构下穿黄河的隧道工程为例,提出公轨分建和公轨合建两种大直径盾构隧道方案,以空间限界设计要点为依据,对两种方案的排水、疏散通道和通风排烟等附属结构进行设计,提出了两种大直径盾构隧道方案的内径尺寸和内部附属结构的空间布置方案,并分析了两种方案中衬砌管片的设计方案与施工力学特性。随后,从工期、工程造价、施工风险及使用效应等角度对比分析了公轨分建与公轨合建两种方案,采用层次分析法选出优选方案。研究结果表明:公轨分建方案盾构衬砌管片建议采用内径为10.2 m、厚度为0.50 m、环宽为2.0 m的衬砌管片,施工时千斤顶采用顺序卸载方式;公轨合建方案盾构衬砌管片建议采用内径为13.9 m、厚度为0.65 m、环宽为2.0 m的衬砌管片,施工时千斤顶采用顺序卸载方式;公轨分建方案优于公轨合建方案。

人工湖积水对下方地铁盾构区间结构变形影响分析

为明确下穿人工湖地铁盾构隧道结构下沉变形原因,并对变形后盾构隧道结构安全进行评估,以某人工湖受极端天气影响水位快速上升后,下穿人工湖的地铁盾构隧道产生沉降为例展开研究。首先通过荷载结构模型对盾构隧道强度进行验算,然后采用地层结构模型模拟盾构隧道上方堆载及卸载工况对盾构隧道变形的影响,并与现场监测数据进行对比分析。结果表明:人工湖水位上升为盾构隧道变形下沉的主要原因,产生变形后隧道结构自身承载能力及裂缝宽度均满足设计和规范要求,盾构隧道结构自身是安全的,同时对人工湖抽水后隧道上浮值进行预测,盾构隧道结构在上浮后仍然处于安全状态,研究成果可以为后续人工湖及地铁隧道处理措施提供参考依据。

软土地区盾构隧道斜下穿多股铁路路基变形规律

目的:目前,地铁隧道穿越铁路路基的情况越来越多,但软土地区盾构隧道斜下穿既有运营铁路的研究相对较少,因此需分析该情况下的路基变形规律。方法:以绍兴轨道交通1号线大滩站—火车站站区间盾构隧道下穿杭甬铁路绍兴站站房及6股铁路股道工程为例开展研究。采用有限元法分析了盾构隧道掘进施工对杭甬铁路路基的变形影响,并基于实测数据对数值模拟结果进行了对比分析,充分验证了袖阀管注浆加固方案的有效性。结果及结论:有限元分析结果表明:未考虑盾构穿越区域地基加固的情况下,杭甬铁路路基顶面最大沉降值为13.12 mm,不满足沉降控制标准要求;当盾构穿越区域采用袖阀管注浆加固措施后,杭甬铁路路基顶面最大沉降值为8.20 mm,满足沉降控制标准要求,说明袖阀管注浆能够有效控制铁路路基沉降和轨道的不平顺。实测数据结果表明,盾构隧道下穿铁路施工期间的累计变形历程可分为路基隆起、路基快速沉降、路基平稳波动及后续沉降4个阶段,且前期隆起量大、后续变形相对较小,加固后的路基累计变形量能控制在10.00 mm以内。

温州轨道交通M1线盾构隧道衬砌管片接头力学特性

为研究温州轨道交通M1线地铁盾构隧道衬砌的极限抗弯承载力和接头变形能力,基于地铁盾构隧道变形的衬砌管片接头张开破坏试验,介绍了地铁衬砌结构接头破坏试验的研究内容,包括加载装置、荷载设计、测试内容,以及部分试验结果,并对试验进行了数值模拟分析。研究结果表明:正、负弯矩工况下,接头力学性态发展可大致分为线性增长、塑性发展和极限破坏3个阶段,极限破坏状态在正、负弯矩作用下的破坏模式并不相同。

盾构隧道分布式沉降光纤监测技术应用研究

为解决城市轨道交通盾构隧道施工期及运营期长距离沉降监测的难题,基于布里渊(BOFDA)技术提出了一种长距离分布式沉降监测方法。建立了相应的应变–位移算法,并通过室内试验进行验证。将该方法应用至南京地铁2号线工程中,实现了1 km长度上的分布式沉降变形监测。结合人工水准测量数据,对光纤监测结果进行验证,研究结果表明:监测段隧道经过注浆修复后,达到了较为显著的稳固效果,3个月时间内整体变形量在±1 mm以内,变形规律与修复前基本一致。所提出的分布式光纤沉降监测技术可以实现隧道长距离、精准沉降监测。

城市轨道交通隧道盾构施工技术特点分析与应用

在土地资源紧缺、城市空间不断减小的背景下,地下空间得到进一步开发。当前很多城市存在地下轨道交通,而地下轨道交通建设常常应用盾构技术。为进一步提高交通隧道盾构施工技术水平,该文首先分析盾构法工作原理和技术特点,然后对盾构施工测量和盾构过程技术要点进行细致探讨,最后提出优化盾构施工技术管理的建议,以期为轨道交通隧道建设者提供参考。