城市湖底超大直径盾构隧道施工重难点及关键技术探究——以武汉两湖隧道(南湖段)工程为例

针对超大直径盾构在岩溶强发育区、高黏性土和硬岩地层中的施工难题,依托武汉两湖隧道(南湖段)工程,通过现场勘探资料分析、文献调研以及专家咨询论证,总结归纳工程的施工重难点:1)盾构穿越岩溶强发育区施工风险高,极易发生盾构栽头与塌陷、突涌水等灾害;2)黏性地层盾构易结泥饼,造成盾构推力增大、掘进速率降低等问题;3)硬岩地层盾构刀盘易磨损,刀具易损坏,盾构掘进效率低;4)小曲线半径施工盾构姿态控制困难,导致隧道偏离设计轴线;5)大直径管片易上浮,致使管片错台、破损及渗漏。针对上述重难点问题,分析复杂地质条件下超大直径盾构选型技术,提出超大直径盾构穿越岩溶强发育区地层处理、高黏性地层超大直径盾构泥饼预防与处治、极硬岩地层超大直径盾构施工、小曲线半径盾构姿态控制和管片上浮预防等施工技术。

超载作用下土岩复合地层盾构隧道变形及破坏特征模型试验研究

地面突发堆载诱发运营期内地铁隧道病害的案例屡见不鲜,广州地区地铁隧道建设中常遇洞身上部为软土、砂层,下部为硬岩的土岩复合地层。目前对于局部超载作用下,土岩复合地层中盾构隧道变形与破坏特征并不明确,现行加固标准对于该种特殊地层的适用性也亟待验证。通过1︰5的土箱模型试验,探究不同硬岩比的土岩复合地层中隧道在正上方局部超载作用下的变形规律和破坏模式。试验结果表明:地层硬岩比对局部超载下盾构隧道的位移发展及其分布影响显著,结构的临界失稳荷载等级随着硬岩比增大而提高,结构破坏椭圆度随之减小,硬岩比的增大加强了结构外部围岩的约束作用,显著地控制了隧道椭变,但约束的加强也使结构呈现脆性性状,位移发展速率出现明显突变点;硬岩限制了其范围内管片的内力发展,且土岩交界面上部邻域管片产生应力集中现象,结构首先在此区域发生破坏,且常以贯穿式裂缝形式发展,随着硬岩比增大,结构呈崩角、劈裂等脆性破坏形式;隧道拱顶附加土压力会随结构失稳进入下降阶段,且随着硬岩比增大,软土压缩对地表超载的分散效应减弱,进而导致隧道拱顶附加土压力对地表超载更加敏感;将试验数据与现行加固标准对比分析,发现现行加固标准不适用于高硬岩比土岩复合地层中盾构隧道。研究成果可为加固标准结合地层因素优化提供理论支撑。

土岩复合地层中盾构施工引起的地表位移预测

盾构穿越上软下硬土岩复合地层时极易引起地表沉降。为探究其规律,分析了盾构开挖面在复合地层中的收敛模式,考虑了层状地层对地表位移的影响,对传统的随机介质理论进行了简化,推导了复合地层中盾构施工引起的地表位移计算公式,依托杭州环城北路—天目山路盾构隧道工程进行了地表沉降的计算和可靠性验证,搜集并分析了26组地表沉降实测数据,反分析计算得到了对应的土体损失率,并进一步分析了土体损失率的分布及取值规律。结果表明:简化方法与传统随机介质理论计算结果相近,计算曲线与实测数据相吻合;复合地层中的土体损失率分布在0.09%~2.2%,与黏性土中类似;同一工程(区段)中土体损失率随硬岩比的增大而减小,且大致呈线性相关。

南京江底盾构施工废弃砂土在同步注浆中再利用的适用性

依托南京长江新济洲供水廊道项目泥水盾构工程,针对江底粉细砂地层和岩石地层中泥水盾构施工产生的废弃砂土,研究其在盾构同步注浆材料中再利用的适用性。通过改变砂土地层弃砂的粒径分布,研究其对砂浆性能的影响;针对岩石地层产生的废弃砂土,研究其颗粒形状对砂浆性能的影响,并对岩层弃砂制备同步砂浆进行配比优化。结果表明:该工程砂土层弃砂可直接代替原配比中的砂进行再利用,岩层弃砂通过调整配比亦能满足工程要求;增大砂层弃砂细度模数和砂粒含量可改善砂浆的流动性,但砂土黏粒含量过大会使砂浆流动性变差、凝结时间缩短、强度降低;岩层弃砂颗粒表面越粗糙,所制备砂浆流动性越差,凝结时间越短。合适配比下,盾构施工废弃砂土可应用于同步注浆,砂浆配比应随废弃砂土粒径分布和颗粒形状的变化做出适当调整。

岩土复合地层盾构隧道对地表变形及应力分析的研究

考虑到岩体与土体力学性质的差异,利用复变函数结合随机介质理论建立岩土复合地层隧道开挖的力学解析模型,将理论计算结果与数值模拟、现场实测结果进行对比。结果表明:解析解、数值解与实测值三者的吻合度相对较高,且数值解与理论解的沉降槽宽度保持一致,说明该理论计算方法具有较高的可信度。随后讨论了作用于岩、土层分界面不同竖向荷载、岩层隧道埋深与其半径之比以及岩体泊松比等参数对地表变形及洞周应力的影响。结果表明:随着岩、土层分界面竖向荷载的增加,地表沉降也不断增大,洞周环向压应力在隧道拱腰附近显著增大而拱顶环向拉应力变化相对缓慢;随着深径比h/r的减小,地表沉降逐渐增大,当h/r≥3时,增大深径比对洞周环向应力的影响相对较小;岩体泊松比越大,则地表沉降越小,洞周环向应力分布越均匀。

青岛某隧道盾构法与矿山法施工交界处围岩快速加固方法与应用

隧道开挖遇到上软下硬地层等不良地质条件时,常采用多种开挖方法交替施工,不同开挖方法交界处的围岩若采用单一加固方式如隧道内超前注浆、洞内帷幕注浆等易引起隧道围岩的涌砂与塌方,甚至引起突水风险。本文基于青岛地铁某区间隧道围岩较为破碎且含水丰富等特点,提出了上软下硬地层、左右线地质条件差异较大以及地下水丰富(连通海水)等不良地质情况下盾构法与矿山法隧道交界处的一种安全、稳定且快速的加固方法。实践证明,该加固方式提高了围岩的力学性能,从而保证了隧道的安全施工,并减少了开挖引起的地面沉降。

风化岩层盾构隧道管片壁后密实度检测

目的:以杭州至临安城际铁路(即杭州地铁16号线)工程为例,介绍了轨道交通工程建设中,风化岩层盾构隧道管片壁后密实度检测探索与实践。分析在弱风化、中风化和强风化岩层地质的盾构隧道管片壁后密实度检测情况,为隧道壁后补浆及运营变形评估提供依据。方法:通过对打音检测法、超声成像法和地质雷达检测法分别进行现场试验,综合参考检测成果可靠性、工作效率和检测成本等,经比选确定采用地质雷达检测手段。结果及结论:通过试验对比,采用地质雷达检测法,对杭州地铁16号线的盾构隧道和矿山法隧道进行全线检测,检测结果与拆卸管片后暴露出的实际注浆密实情况的对比校核说明,二者一致性较好,未发现较大范围或严重的注浆不密实或脱空现象。风化岩层盾构隧道管片壁后密实度检测方法试验取得了预期的效果,达到预期目的。

基于卡机原因探讨岩石隧道掘进机的选型

为了选择出更适合穿山隧道施工的岩石隧道掘进机,以某公路工程项目双护盾岩石隧道掘进机为研究样本,阐述了如何运用比较研究的方法,从设备性能和实际施工过程出发,对所遇到的容易卡机的地层应采取的解决措施等进行了分析研究,总结出双护盾岩石隧道掘进机的适用地层范围。

盾构施工对隧道围岩内力和地层变形的影响

针对大连路越江隧道工程特点 ,采用弹塑性有限元法分析预测盾构施工对隧道围岩内力和地层变形的影响 ;以便施工时采取有效技术措施 ,减少对周围环境的影响 。

南宁地铁2号线盾构选型设计与适应性分析

盾构的选型与设计对地铁区间盾构施工具有重要意义,其选型的合适与否直接影响到盾构施工的成败。针对南宁地铁2号线所遇到的黏土层、硬岩层、夹杂碎石砂砾层、上软下硬地层及岩溶地层等多种地层相结合的特殊复杂地质条件,提出盾构选型总体要求,开展对盾构动力设备、刀盘、刀具等关键部位的选型研究,同时优化防泥饼、螺旋输送机、小倾角皮带机和同步注浆设计方案以及地质加固方案。通过实际掘进参数和地表沉降数据分析,结果表明盾构设备选型及优化设计方案对南宁地区特殊复杂地质条件适应性良好。

硬岩地层盾构刀盘设计研究

以南京地铁四号线花园路站一锁金村站盾构区间施工为背景,根据闪长岩硬岩地层避免盾构刀具磨损和偏磨严重、保护刀盘面板、提高硬岩地层推进速度为需求研制改进出盾构刀盘滚刀布置及设计的新方法。从科学的角度采用对硬岩地层推进时盾构刀盘进行受力分析,对施工过程中滚刀磨损及受力进行控制。

土岩组合场地盾构隧道地震响应特征研究

地震激励下由土岩组合场地地质突变引起的地层刚度、剪切特性等差异性对隧道结构的响应特征研究是隧道工程抗震设计的重要依据。文章以济南盾构隧道穿越土岩二元场地为研究背景,建立土岩场地-隧道结构相互作用的二维连续梁有限元模型,采用非线性动力时程法,通过改变盾构隧道横截面穿越的不同地层组合,分析了盾构隧道横截面动力响应变化规律。结果表明:与单一地层场地相比,土岩二元组合场地隧道结构的轴力、剪力和弯矩响应峰值会在土岩场地交界段处发生明显突变;结构的加速度时程曲线在土岩二元地层过渡段处的传播规律也具有较大差异性,经过傅里叶变换与频谱分析,土岩组合场地对地震波不同频段的响应,主要表现为对围岩地层高频放大效应和软土地层低频放大效应。

土岩复合地层隧道盾构开挖地表沉降Peck公式修正

为了准确预测土岩复合地层中隧道盾构开挖引起的地表沉降量,采用数理统计中的线性回归拟合方法,对青岛地铁8号线某区间隧道盾构掘进时的地表沉降监测数据进行拟合,并引入地表最大沉降修正系数α和沉降槽宽度修正系数β对Peck公式进行修正。结果表明,采用线性回归方法拟合隧道横断面地表沉降得到的曲线与实际数据吻合度高,修正系数α∈(0.2,0.5),β∈(1.0,1.4)时得到的修正Peck公式精度最高,对应回归常数项a∈(1.6,2.8),回归线性系数b∈(0.010,0.022)得到的线性拟合曲线吻合度高。研究成果成功了预测青岛地铁8号线开挖过程中地表沉降量,还可为类似土岩复合地层中隧道盾构施工提供一定的理论指导。

富水硬岩地层泥水平衡盾构掘进参数的优化分析

泥水平衡盾构穿越富水硬岩地层时,合理的掘进参数是盾构安全高效掘进的基础。依托青岛地铁8号线某区间泥水平衡盾构段项目,分析了盾构穿越富水硬岩地层的总推力及贯入度等参数。对刀具与岩体作用荷载值和刀具荷载设计值进行了计算,提出了盾构掘进参数的优化方案,并分析了优化后的掘进效率。结果表明:总推力可以控制刀盘贯入度,宜优先通过控制总推力增加盾构掘进速度;刀具与岩体作用荷载为4277.87 kN,远小于9528.22 kN的设计荷载值,故可适当增加刀具与岩体作用荷载至设计荷载值的75%;盾构总推力提升至18000 kN后,刀盘贯入度增加,每环开挖耗时较优化前减少了38.7%,施工效率增加了一倍。

矿用孔-巷瞬变电磁系统在煤矿的试验应用

设计了一种矿用孔-巷瞬变电磁设备。与传统的矿用瞬变电磁仪器相比,此次研制的设备在探测精度上有较大的提高,采用了井下巷道发射,钻孔接收的方式,借助钻孔岩层的屏蔽作用能够很大程度上降低接收信号时工作面的外部干扰,提高探测的精度,确保安全高效的开采。介绍了矿用孔-巷瞬变电磁系统在煤矿的探测应用,主要介绍整个系统的工作原理、及试验测试情况,试验结果表明矿用孔-巷瞬变电磁系统能够更精准的反映地质异常的位置。

非均质岩层引起的偏压对盾构隧道受力影响分析

西南、西北以及东南等地区地质复杂,对地铁盾构隧道结构有较大影响。文章以贵阳市轨道交通 3 号线为工程背景,采用二维数值模型,对非均质岩层引起偏压受力下的盾构隧道管片受力进行分析,分析结果初步得出分层面上下岩层弹性模量之比、分层面倾角和位置对盾构隧道管片受力的影响规律,以期为相似地质条件下地铁建设提供依据。

土岩复合地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构施工地铁隧道时经常会遇到土岩复合地层,在该类地层中掘进时,泡沫注入比更加难以确定。以深圳市地铁12号线某区间隧道土岩复合段为例,进行了室内泡沫改良剂试验、全风化混合花岗岩和土岩复合地层渣土改良试验。试验结果表明,在土岩复合地层中,掌子面土体占比每降低10%,泡沫注入比应当增加约50%,坍落度在100~220mm。通过工程实例发现,在土岩复合段内,泡沫注入比的增加有助于土压舱内建立稳定的土压力。

大埋深裂隙岩层中土压平衡盾构下穿水道施工安全性分析

广州-佛山环线沙堤隧道在大埋深裂隙岩层中采用土压平衡盾构法下穿佛山水道,采用FLAC 3D软件建立流固耦合数值模型,分析隧道下穿水道施工安全性。研究结果表明:下穿施工时引起地下水渗流,其中横断面方向影响范围约为隧道洞径的3. 6倍,纵断面方向影响范围约为隧道洞径的2. 4倍;在一定支护压力下开挖面具有一定的自稳能力,支护压力较小时在水压力的作用下开挖面易发生失稳破坏;在大埋深裂隙岩层中采用土压平衡盾构法施工时,应保证土仓的止水能力。

典型上软下硬地层盾构施工技术

围绕典型上软下硬地层的施工,分析了该地层中盾构法施工存在的问题和风险;为了提高上软下硬地层盾构施工掘进的效率,给出了施工的有效方法和措施;针对这种不良地层盾构施工发生的问题,研究了相应的应对措施,提高典型上软下硬地层的施工质量。

泥水盾构硬岩层施工中QC方法处理管片上浮施工技术

介绍了在我国某大型天然气管道穿江隧道施工工程中,地质条件复杂,采用复合式泥水平衡盾构机进行隧道掘进。在硬岩层施工中,出现管片上浮量过大问题,通过运用QC方法,进行严格的现场调查、因果分析、要因确认,找出管片上浮过大的要因,对要因采取针对性改善措施,起到了良好的效果,产生了较大的经济效益和社会效益,保障了国家战略油气管道建设的按期投产。