考虑衬砌结构特征的盾尾同步注浆检测方法

盾尾同步注浆是盾构隧道施工过程中的重要环节,注浆效果不良产生的管片与地基间脱空会造成隧道和地表的不均匀变形,严重影响其安全性和耐久性。为实现对复杂结构管片壁后注浆效果的检测,提出一种基于冲击弹性波具有管片结构特征的注浆效果检测方法。通过全尺模型试验研究了衬砌管片的弹性波响应强度特征,定量分析了管片注浆孔和边界对响应强度检测结果的影响,结果表明管片边界影响范围在0.5 m以内,注浆孔影响范围为一个长轴1 m、短轴0.35 m的椭圆区域。通过三维曲面拟合响应强度分布特征,以响应强度差值作为注浆效果的评价指标评估注浆效果,对比检测结果显示模型试验预设缺陷的识别准确率为82.8%,并将该方法应用于江阴靖江长江隧道盾尾同步注浆检测中,为盾构隧道的同步注浆施工提供有效参考依据。

大直径轨道TBM施工质量控制关键技术研究

隧道掘进机(TBM)施工是现代轨道交通隧道工程中被广泛应用的一种技术,为保证隧道施工的安全性、可靠性和经济性,需要对TBM施工进行全面的质量控制。文章依托重庆轨道交通十五号线二期工程礼学路站—金山寺站区间施工,主要围绕TBM掘进、管片拼装、壁后填充注浆等方面进行研究,提出运用气压掘进模式、管片拼装、同步注浆、二次注浆等控制技术,经实践运用,试掘进期间管片错台、上浮等问题得到有效解决,保证施工质量安全。

珠海隧道超大直径盾构浅埋极软地层施工关键技术

浅埋极软地层超大直径盾构施工存在冒顶漏浆、管片上浮、管片渗漏水、盾构姿态控制困难等重难点问题。依托珠海隧道工程,针对盾构始发一侧隧道埋深浅、周边地层极为软弱的特点,制定并采取了地层预加固处理、盾构机针对性设计、同步双液注浆系统改造及注浆方法优化、改进管片防水体系等系统性措施,浅埋极软地层重难点问题得到有效控制。单一的地层预加固措施对浅埋段管片上浮控制效果有限;厚浆与双液浆组合使用的分区注浆方法可实现缩短顶部浆液初凝时间和早强效果,有效解决了管片上浮及渗漏水;控制管片不均匀上浮可以避免管片渗漏水和裂缝漏水问题。

砂卵石地层泥水盾构废浆二次利用技术研究

为解决泥水平衡盾构施工期间产生的大量废弃浆液难处理和盾构同步注浆高成本的问题,提出将泥水平衡盾构产生的废弃泥浆再利用于配制同步注浆浆液。本研究依托主要穿越地层为砂卵石地层的成蒲铁路紫瑞隧道工程项目,研究浆灰比(废弃泥浆与水泥质量比)、浆砂比(废弃泥浆与砂质量比)对同步注浆浆液的性能影响,另外在废浆再利用配制同步注浆浆液的基础上,研究了用耐火泥替代部分水泥的可行性。研究结果表明:1)随着同步注浆浆液浆灰比的增大,同步浆液的流动度增大,凝结时间延长,立方体28d抗压强度降低;2)随着浆砂比的增大,同步浆液的流动度增大,凝结时间延长,立方体28d抗压强度也降低;3)掺入耐火泥将增强同步注浆浆液的28d抗压强度,降低同步浆液流动度,缩短同步浆液凝结时间。因此,在配制同步注浆浆液中,用耐火泥替代部分水泥具有可行性,并能带来一定经济效益。

大直径盾构连续侧穿多种建筑物安全施工控制技术研究

为解决大直径盾构连续侧穿多种建筑物时沉降变形的风险,对安全施工控制技术进行了研究。分析了该安全控制技术的工艺原理及工艺流程,重点指出了该工艺的技术控制要点及安全环保控制措施。提出了建筑物沉降变形监测方案,并对该技术工艺效果进行了分析,证明工艺技术效果显著。安全施工控制技术能有效控制地面沉降和土体沉降,从而有效控制建筑物变形,确保了施工安全和周边建筑物安全。技术安全环保,工艺性强,施工效果明显,可广泛应用于城市内施工的直径大于6m的盾构隧道工程。

盾构穿越建构筑物地表沉降控制关键技术研究——以苏州地铁11(原S1)号线花桥站—花溪公园站区间隧道为例

目前全国地铁施工建设如火如荼,各大城市均已投入建设多条地铁线路,新建地铁穿越重要建构筑物已成为地铁建设不可避免的重要课题。以苏州地铁11(原S1)号线花桥站—花溪公园站区间隧道盾构长距离穿越建构筑物为背景,研究了盾构在全断面淤泥质粉质黏土层中下穿重要建构筑物的施工技术措施和盾构参数合理取值,对于类似地层条件下的盾构穿越既有建构筑物问题具有指导意义。

黏土地层中控制盾构隧道管片上浮技术研究

近年来,在我国城市地铁建设中,穿越黏土地层的盾构隧道施工时,管片上浮的现象越来越突出。衬砌管片受力是否均匀、同步注浆材料配置是否合理以及盾构隧道管片覆土层厚度大小均对管片上浮有较大影响。通过模拟受力状态和试验统计分析,详细探讨了盾构掘进过程中管片上浮的机理及其相关控制技术,并给出有效控制措施,为后期黏土地区盾构隧道施工提供有效指导和参考。

不同注浆材料对同步注浆惰性浆液耐久性的影响研究

为有效提升盾构隧道同步注浆惰性浆液的耐久性,文中采用室内试验的方法,分析不同水胶比、粉灰比、胶砂比,以及膨水比对惰性浆液体积收缩率和强度衰减率的影响规律,确定浆液耐久性的控制性影响因素。结果表明,①惰性浆液结石体耐久性随浆液结石体龄期的增长而逐渐变差,28 d浆液结石体体积收缩率和强度衰减率最大分别为22%和20.9%。②水胶比、粉灰比、膨水比对惰性浆液的耐久性影响较大,因此,考虑到惰性浆液耐久性对盾构隧道后期运维的影响,应适时调整浆液配合比。

盾构隧道施工期管片错台影响因素研究

为分析盾构隧道施工期各因素对管片上浮错台的影响,基于盾构隧道施工期的受力模式拟定了隧道直径、围岩条件、覆土厚度、浆液凝固时间、浆液密度、盾构掘进速度及盾尾间隙等7个主要影响因素,分别建立了盾构隧道施工期上浮分析模型与管片错台量计算模型,分析了施工期各因素影响下盾构隧道上浮错台量的变化规律。进一步地,结合现场监测试验结果,验证了施工期管片上浮错台的现象与规律,得出主要结论如下:①地层刚度减弱、浆液密度增大、浆液凝固时间增长、隧道埋深减小、隧道掘进速度提高、盾尾间隙增大及浆液凝固后刚度减小将加剧施工期管片的上浮错台。②隧道直径增大使管片上浮量增大,但与管片错台量的相关性不大。③管片上浮时,管片环间接触摩擦与环间螺栓将起到抗剪作用,控制错台的发展。④减小浆液浮力、增大管片环间连接刚度、增强地层约束、缩短流体段长度可减小施工期管片上浮错台。⑤提出计算错台量的方法可对管片接缝防水设计提供依据。

基于浆液浮力试验的盾尾管片纵向上浮特征研究

针对围岩地层中盾尾管片易发生大上浮的问题,基于自主研发的浆液浮力测试系统,得到浆液浮力的非线性变化规律,并基于等效连续梁理论建立能综合考虑浆液时变性、浆液上浮力的非线性分布特征、施工步累加效应的精细化盾尾管片纵向上浮模型,最后结合广州某地综合管廊盾构施工上浮实测结果,验证了该模型的可靠性。研究结果表明:随着浆液所受压差与所处地层渗透性的增大,浆液浮力消散速度呈现增大趋势,盾尾管片上浮量呈现减小趋势;盾构在强风化含砾砂岩地层中掘进时,上浮特征曲线满足先增大后减小,最后趋于稳定的规律,并且在20 kPa压差作用下,最大上浮量达151.74 mm,该位置距离盾尾39.2 m,最后在距离盾尾70 m附近上浮达到稳定,此时上浮量为145.2 mm;建立的盾尾管片纵向上浮模型进一步地揭示了浆液固结规律对其上浮特征的影响机制,与实测结果基本一致。该研究成果可用于盾尾管片上浮变形预测,为相似工程提供设计理论基础。

盾尾同步注浆模拟试验研究

盾尾同步注浆区域位于盾构隧道管片壁后,由于其空间的封闭性,难以对浆液的扩散情况进行观测,从而导致目前同步注浆材料的分布特性尚不明确。为此,研发了一种盾尾同步注浆模拟装置,进行了盾尾同步注浆模拟试验研究,对同步注浆过程中的土体内部的压力变化与上部土体的沉降进行了研究。结果表明,注浆开始后出浆口移动轴线上方土体内部的压力在注浆压力的影响下逐渐增大,在出浆口远离后逐渐减小,与此同时轴线两侧的土体压力逐渐增大,产生了明显的土拱效应;注浆稳定后浆液的内部压力主要由上部荷载决定,与注浆阶段注浆压力的大小无直接关系;注浆过程中引发的地表沉降的大小主要由注浆压力决定,其次受到浆液性质的影响;凝固后的注浆体横向上在出浆口附近厚度较小,两侧较大,纵向上厚度分布较为均匀。

超大直径盾构隧道同步双液注浆原位试验研究

为探明水泥-水玻璃双液浆在超大直径盾构隧道工程中的浆液特性、扩散形态及注浆填充效果,在北京东六环京哈高速—潞苑北大街区段盾构隧道工程负环段进行同步双液注浆原位试验,通过在负环管片上安装钢套筒的方式形成盾尾注浆间隙,并采用土压力和孔隙水压力传感器检测同步双液注浆过程中盾尾间隙内压力的分布及变化情况,探明双液浆的胶凝特性及初步扩散形态。注浆完成后,通过现场取样和三维激光扫描的方式揭示双液浆的物理力学性能和注浆填充效果。研究结果表明:1)在同步双液注浆过程中,双液浆浆液压力整体呈“单峰”式曲线变化,即注浆开始后传感器量值随浆液注入快速增加,在注浆停止后传感器量值迅速下降,然后缓慢下降,最后稳定至一定量值;2)由于原位试验过程中室外温度变化大、湿度低,并且存在混合不均及双液浆产物不稳定的问题,现场取样测得的抗压强度略低于室内试验所测得的抗压强度;3)由三维激光扫描结果可知,适当调整注浆参数后双液浆能够很好地填充盾尾间隙,注浆圈无明显缺陷。

风化岩层岩渣配制的盾构同步注浆浆液性能及微观形貌分析

为探索泥水盾构穿越风化岩层时产生的大量岩渣的再利用问题,依托南京和燕路过江通道工程,采用岩渣代替部分商品砂配制同步注浆浆液,并测试了浆液流动度、稠度、凝结时间、泌水率及强度等指标,分析了岩渣配制同步注浆浆液的性能及微观结构。结果表明:随着岩渣替换商品砂比例的增大,浆液流动度、稠度和泌水率逐渐降低,而凝结时间呈缩短趋势,1 d抗压强度也逐渐增大;替换比例在50%~85%时,浆液各项性能均满足工程施工要求,当替换比例为85%时,浆液流动度、稠度与现场浆液接近,凝结时间从10.6 h缩短至7.3 h,1 d抗压强度增强了近1倍;岩渣中含有的高岭石相矿物在水中会电解出Al^(3+),促进了浆液中C-S-H凝胶的形成,是促使浆液凝结时间缩短和抗压强度增大的根本原因。

双护盾TBM管片壁后豆砾石与底部灌浆同步回填技术研究——以青岛地铁6号线某工程为例

为解决双护盾TBM管片壁后回填豆砾石不及时、回填效果差、灌浆滞后等问题,考虑TBM盾尾的结构形式、与围岩和管片的位置关系,针对性设计一种耐磨、易拆卸、高弹性、封堵效果良好的新型TBM盾尾封堵板,提出豆砾石与底部灌浆同步回填技术,并在青岛地铁6号线某区间进行现场试验,验证该技术的可行性,得到浆液配比、灌浆量、灌浆点位等关键指标。结果表明:1)封堵板的安装能够使豆砾石提前吹填,实现底部同步灌浆;2)采用水灰比为2.3∶5的浆液稠度低于13 cm,能够满足向豆砾石孔隙渗透的要求,又能避免因稠度不足而导致的灌浆过程中的流失;3)灌浆点位建议设在管片4点钟和8点钟(时钟方位)位置,位置过高或过低都容易导致浆液流失。

大断面异形盾构同步注浆两阶段复合扩散机制及压力时空分布模式

异形盾构在隧道断面形式多样化发展的情势下越来越多地出现在地铁建设中,因其自身几何形状特性所对应的非常规盾尾间隙和复杂的浆液流动路径让注浆施工控制较为困难,长时间的拼装过程亦使得浆液压力重分布更难明晰。在分析盾构同步注浆充填运动特征和渗透扩散机理的基础上,通过考虑浆液的非预定填充轨迹、黏度时变性以及驱替/渗滤效应,建立更加符合实际情况的浆液填充与渗透复合扩散模型,推导浆液压力和时空扩散距离的理论计算式。由此统一注浆过程中浆液的填充扩散与渗透扩散两阶段,整合浆液压力的传递和消散过程,依托类矩形盾构工程实例获得压力沿管片的3D时空分布规律。研究表明:浆压的传递与消散对管片总的及单位面积受力均有显著影响,填充扩散的计算结果呈上小下大,重力主导的趋势,竖向梯度约为16kPa/m,压力曲线更加饱满,压力槽现象不太明显;该地层和参数条件下的渗透消散计算结果呈非线性变化特征,前期较快后期较慢,达到稳定时间更短,不透水层的形成使得最终浆压与静水压力的差值达到初始渗透压差的46%左右。文中提出的两阶段注浆扩散模型与现场实测结果更加接近,浆液压力分布的局部趋势、波动特征及消散规律与传统方法计算出的结果有显著区别,其能更好地说明浆液在异形空间中的运动方式及其向外扩散中的损失细节。该研究成果也能在传统圆形盾构隧道的建设中进行应用服务,并为精细化分析施工阶段的衬砌管片受力模式提供理论依据。

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。

盾构隧道同步注浆材料的浮力时效特性试验研究

盾构隧道在施工过程中因受到同步注浆材料的浮力而发生上浮,上浮力过大或隧道上浮量超限将影响隧道的施工质量,为探明同步注浆材料的浮力时效特性,参考某地铁施工所用的同步注浆材料配合比,配制同步注浆材料进行浮力测试研究。试验结果分析表明:在土箱内倒入浆液时,圆筒受到浮力符合阿基米德浮力原理;注浆材料静置后圆筒的浮力开始减小,在静置约4h内浮力减小迅速,约21h浮力达到最小值,最小浮力与圆筒在纯水中所受到的浮力非常接近;静置约21h后浮力再次增大,最终所测得的浮力稍大于圆筒所受到水的浮力;为减小施工期隧道上浮对隧道施工质量的影响,可适当降低盾构隧道掘进速度,或在隧道顶部合理地注入速凝的双液浆。

富水粉细砂层盾尾同步注浆浆液渗透-压密扩散机制研究

为探究富水粉细砂层中盾尾同步注浆浆液扩散规律,将浆液扩散过程中滤饼开始生成的时间作为浆液渗透扩散与压密扩散转折点,建立考虑渗滤效应的浆液渗透扩散理论公式及浆液压密扩散影响半径理论公式,并通过自主研发设计的盾尾同步注浆系统进行相似模型试验,验证理论公式合理性。结果表明:(1)在富水粉细砂层中,浆液扩散规律与常规单一扩散模式不同,呈渗透-压密两阶段;(2)滤饼的作用在于将以孔压形式存在的浆液压力转化为有效应力作用于土体骨架,滤饼开始生成后,浆液扩散模式由渗透扩散转变为压密扩散;(3)由浆液压力有效应力转化率曲线变化规律可知,注浆压力越大,滤饼开始生成时间越短,即浆液渗透扩散持续时间越短;(4)随着注浆压力增大,浆液压密扩散阶段影响半径也变大,通过试验及理论计算确定注浆压力为0.4 MPa时对地层扰动范围约为1倍隧道开挖轮廓。该研究成果可为富水粉细砂层中盾尾同步注浆施工提供理论支撑。

破碎带地层盾构隧道建造关键问题

断层破碎带是引起盾构隧道施工灾害的关键因素之一,其形态各异、岩性复杂以及高渗透性,都极易导致隧道涌水、塌方等施工灾害,给隧道安全高效掘进带来了巨大挑战。总结分析断层破碎带的形成机理,包括破碎带地层的形成原因、破碎带地层的岩体性质及其与盾构施工安全之间的内在联系。重点介绍了近年来盾构隧道穿越破碎带所面临的刀具磨损、开挖面稳定控制、同步注浆质量控制、衬砌外水土压力确定、破碎带地质预报和地层处理等方面问题。结果表明:断层破碎带岩体破碎,黏聚力低,渗透系数从10^(-5)~10^(-3)cm/s不等,且含水率较高;对于高水压断层破碎带管片结构防水应采取防、排结合,以排为主、以防为辅;含断层破碎带盾构隧道工程建设应做好断层破碎带的综合超前地质预报,将传统的地质分析法、超前钻孔法等与新型探测技术、数字技术相结合。研究结果可为盾构隧道穿越断层破碎带提供借鉴与指导,对进一步提高中国隧道及地下工程建设水平有着积极意义。

基于赫巴流体的盾构同步注浆三维扩散机理

盾构施工中复杂的地质环境和各种类型的开挖断面使得注浆施工控制较为困难。本文基于赫巴流体本构模型,分析了同步注浆阶段的浆液充填扩散与渗透扩散过程。建立了涵盖充填扩散与渗透扩散过程的盾构隧道壁后同步注浆浆液3D扩散理论模型,并分别推导了相对应的计算公式。使用工程实例和注浆试验结果验证了该模型,并对影响浆液扩散的主要因素:浆液密度、盾尾间隙厚度、注浆压力、注浆率和地层渗透系数进行了敏感性分析。研究表明:在环向充填阶段,浆液在注浆孔两侧的消散速率随着浆液密度的增大而减小,而盾尾间隙厚度几乎没有影响;在轴向充填阶段,浆液充填压力随着时间的推移而消散,消散速率随着盾尾间隙厚度的增大而减小。在径向渗透扩散阶段,浆液径向渗透扩散深度随着地层渗透系数和注浆压力的增大而增大,而浆液密度和盾尾间隙厚度几乎没有影响。