中铁二局盾构施工地层沉降防控技术PPT课件

1、中国中铁二局股份有限公司 1 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 一、盾构隧道地层沉降机理 二、盾构施工地层沉降原因分析 三、盾构隧道地层沉降规律 四、盾构隧道地层沉降影响范围 五、项目背景简介 六、滞后沉降产生机理及过程分析 七、施工过程主要防控措施 八、监控量测技术 九、结论目目 录录第1页/共35页中国中铁二局股份有限公司 2 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越一、盾构隧道地层沉降机理一、盾构隧道地层沉降机理 盾构隧道施工产生地层沉降的机理主要源于开挖面的应力释放、附加应力等引起地层产生的弹塑性变形，隧道施工所引起的地面沉降，主要包括开挖卸载时开挖面周围土体向

2、隧道内涌入引起的地层沉降、支护结构背后的空隙闭合所引起的地层沉降、隧道结构因整体下沉引起的地层沉降及后期土体固结沉降，因此盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动或剪切破坏引起的土体再固结，是造成盾构法隧道施工地层沉降的根本原因。第2页/共35页中国中铁二局股份有限公司 3 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越二、盾构施工地层沉降原因分析二、盾构施工地层沉降原因分析 地层沉降，是指由于盾构法施工而引起隧道周围地层的松动和沉陷，它直观表现为地表沉降。受其影响隧道周边的建（构）筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。由盾构法施工而引起的地层损失和经扰动后的颗粒再固结是

3、形成地面沉降的二个主要因素。1、地层损失 所谓地层损失是指盾构施工中实际挖除的土体体积与理论计算的排土体积之差。地层损失率以地层损失盾构理论排土体积的百分比Vs()来表示。2、固结沉降 固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降。由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的注浆对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密。次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。第3页/共35页中国中铁二局股份有限公司 4 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越三、盾构隧道地层沉降规律三、盾构隧道地层沉降规律 地层沉降规律是反映盾构掘进时，沿掘进轴线方向

4、对地层的影响，同时也能反映盾构掘进时不同因素、盾构机不同部位对地层的作用，根据地层沉降发生的时序，一般将盾构施工沿隧道纵向的地层沉降划分为五个阶段。1、盾构到达前的地层沉降，即先行沉降2、盾构达到时的地层沉降，即开挖面前的沉降3、盾构机通过时的沉降4、盾尾间隙沉降5、后期沉降 第4页/共35页中国中铁二局股份有限公司 5 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越四、盾构隧道地层沉降影响范围四、盾构隧道地层沉降影响范围 盾构掘进过程中，地表沉降以盾构为中心呈三维扩散分布，且分布随盾构机的前进而产生同步移动。综合国内外对盾构法的研究资料显示，盾构施工过程中引起地面沉降沿纵向影响范围为S=H

5、tan(45/2)，横向影响范围为W= D/2+Htan(45/2)（D为隧道外径，H为隧道埋深，为土体内摩擦角）。第5页/共35页中国中铁二局股份有限公司 6 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 五、项目背景简介五、项目背景简介 工程概况 成都地铁2号线西区站（盾构始发井）至外语学校站盾构区间隧道工程，双线全长2592.776m，共计管片1860环，其中左线长1296.668m（946环），右线长1269.108m（914环）。该段区间平面最小半径400m，纵向最小坡度为2，最大坡度为28，最大线间距29.8m，线间距由5m到13m。 由于地铁需要在犀浦高铁站与高铁实现同车站换

6、乘，隧道左右线需要进行交叉换边。交叉影响范围为YDK17+229.394YDK17+489.394（ZDK17+255.329ZDK17+487.546），总长260m。左线在上，右线在下，施工工序先下后上，即先掘进右线，后掘进左线。此范围内左线最浅埋深5.7m，两隧道夹土体厚度为4.14m5.7m。左右线隧道坡度均为28。第6页/共35页中国中铁二局股份有限公司 7 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 重叠段隧道平面图五、项目背景简介五、项目背景简介第7页/共35页中国中铁二局股份有限公司 8 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 重叠段隧道纵断面图五、项目背景简介

7、五、项目背景简介第8页/共35页中国中铁二局股份有限公司 9 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 五、项目背景简介五、项目背景简介 工程地质及水文地质 西区站（盾构始发井）外语学校站区间重叠段隧道穿越地层主要为2-6-3中密卵石层和2-6-4密实卵石层，围岩分选性差、自稳性差，卵石含量占70%以上，为该地层的骨架成分，砂含量约为10%35%，呈透镜体分布，大粒径漂石随机分布在岩层中。砂卵石层含水极其丰富，形成一个整体含水层，为孔隙潜水，根据水文实验资料可知，卵石土综合含水层渗透系数K为1524m/d，为强透水层。区间隧道大部分位于该层卵石土中，受地下水影响较大。第9页/共35页中

8、国中铁二局股份有限公司 10 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 五、项目背景简介五、项目背景简介 工程环境 西区站（盾构始发井）外语学校站盾构区间重叠段隧道位于新港路下方，交叉影响段的左线位于稍密（中密）卵石土内，右线位于密实卵石土层内。交叉影响范围内有一根DN700（800）的污水管，埋深为4.95.1m，与隧道走向平行，与隧道距离较近。侯太东线220KV高压铁塔3#、4#电杆基础与交叉影响段隧道距离较近，交叉段内周边建构筑物复杂，施工风险大，难度高。第10页/共35页中国中铁二局股份有限公司 11 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 五、项目背景简介五、项目背

9、景简介重叠段隧道上方道路照片第11页/共35页中国中铁二局股份有限公司 12 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越项目难点项目难点 小间距重叠盾构隧道长距离穿越富水砂卵石地层 地面坍塌施工控制 滞后沉降的处理五、项目背景简介五、项目背景简介第12页/共35页中国中铁二局股份有限公司 13 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 根据成都地铁1号线一期工程盾构3标在富水砂卵石地层中施工经验，将该地层中土体发生滞后沉降过程划分为四个阶段：盾构掘进发生超挖或长时间停机造成土体扰动（砂卵石地层中盾构掘进极易发生超挖）；砂卵石层形成半球形穹顶自稳；由于受到地下水位提升、地表动荷载影

10、响等因素影响，形成自稳的砂卵石层穹顶表层逐渐剥落向地表发展；最终地面贯穿，形成塌孔。滞后沉降导致地表塌陷过程分析详见下图。六、滞后沉降产生机理及过程分析六、滞后沉降产生机理及过程分析第13页/共35页中国中铁二局股份有限公司 14 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越滞后沉降导致地表塌陷发展过程示意图形成半球形穹顶动态自稳的砂卵石地层（仰视）六、滞后沉降产生机理及过程分析六、滞后沉降产生机理及过程分析第14页/共35页中国中铁二局股份有限公司 15 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 （1）成都富水砂卵石地层滞后沉降现象多次出现，潜伏时间从几天到几个月不等，甚至更长时

11、间，且其产生的时间规律性不强，随机性较大。 （2）分析成都地层滞后沉降原因如下：砂卵石地层形成半球形穹顶自稳后，由于受到诸如季节性的地下水位提升、地表动荷载影响等因素影响，形成自稳的砂卵石层穹顶表层逐渐剥落向地表发展，最终地面贯穿，形成塌方。很明显，究其根本原因，还在于施工过程中出现地层损失而又没有得到及时填充，为后期留下了隐患。且在这种情况下由于砂卵石地层的自稳特性，往往掩盖了地层没有得到充分填充的事实，最终演变成地表塌陷。 （3）基于上述滞后沉降塌陷的原因分析，确立“防控为主，监测巡视为辅，建立有效应急机制”的治理方针。在掘进过程中严格控制掘进参数，避免发生超挖，如实准确记录出碴量，掘进通

12、过后根据出碴量及注浆量统计结果对掘进通过可能存在空洞区域进行注浆加固。同时延长现场监测作业范围，对于盾构通过后相当长一段距离内均应进行测量，以策安全。此外，对盾构通过沿线进行地质雷达探测空洞，对存在空洞的部位进行打孔注浆。六、滞后沉降产生机理及过程分析六、滞后沉降产生机理及过程分析第15页/共35页中国中铁二局股份有限公司 16 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越1 1、砂卵石地层盾构机选型、砂卵石地层盾构机选型 我们采用安装了滚刀、刮刀和铲刀的刀盘。该刀盘设计对于富水砂卵石地层是最佳的。在刀盘设计里，可以适当增加滚刀的数量，尤其是双刃滚刀。 对于刀盘设计选择了经过验证的适用于砂

13、卵石地层掘进的面板式刀盘：使用面板式刀盘使隧道开挖面获得机械性支撑（包括某些检查刀盘的时候）并尽可能多的阻止大块的漂石进入开挖舱，否则，这些漂石有可能阻塞螺旋输送机。 刀盘配置设计图七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第16页/共35页中国中铁二局股份有限公司 17 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 为使盾构机能够在砂卵石地层顺利掘进，应选用：具有破碎和排出大粒径卵石能力的盾构机；盾构机应具有较高耐磨性的消耗部件（刀具、刀盘面板、螺旋输送机等），以提高掘进长度、减低换刀频率；盾构机应具有防喷涌和防水性能，以保证盾构机顺利掘进；盾构机应具有地质改良的辅助性能，以适应地

14、层的变化。 通过对盾构机的合理选型以及在穿越重叠段隧道前提前换刀，将周边单刃刀全部更换为破碎能力更强的双刃滚刀，同时在刀盘面板上加焊hards400耐磨焊丝，使左右线盾构机能够一次性顺利通过重叠段隧道，通过后检查刀具发现刀具仅出现轻微的磨损，刀盘面板上耐磨焊丝轻微磨损。七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第17页/共35页中国中铁二局股份有限公司 18 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 2、 盾构长距离重叠隧道掘进施工技术重叠段隧道纵断面图 (1)、按照“先下后上”的施工原则，总体施工步骤如下： 地面预注浆加固右线隧道（下洞）盾构掘进下洞二次注浆地面注浆加固左线隧道

15、（上洞）盾构掘进上洞二次注浆七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第18页/共35页中国中铁二局股份有限公司 19 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 2)、同步注浆是地表沉降控制的第二道防线，一般而言，在出土正常、同步注浆正常的情况下，地表沉降都能得到有效控制，另外除防止地表沉降外，同步注浆液还有增强防水和限制管片变形的作用。同步注浆示意图七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第19页/共35页中国中铁二局股份有限公司 20 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 3)、通过地面预注浆加固，改良重叠段地层土质，为左线盾构的顺利通过创造了良好的条件。

16、4500至下方隧道中心且大于4.5m砂卵石层始,下方隧道顶止左线右线右线左线砂卵石层始,下方隧道顶止至下方隧道中心且大于4.5m4500地面地面地面45004500砂卵石层始,下方隧道顶止右线左线地面注浆加固范围地面注浆加固范围地面注浆加固范围至下方隧道中心且大于4.5m砂卵石层始,下方隧道顶止右线地面地面右线左线地面注浆加固范围45004500砂卵石层始,下方隧道顶止地面注浆加固范围重叠段地面加固范围示意图七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第20页/共35页中国中铁二局股份有限公司 21 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 （1）重叠盾构隧道采用“先下后上”的施工

17、顺序是合理的。一方面，由于后建隧道对先建隧道是一次卸载作用，先施工下方隧道，其重力可以部分抵抗由于后施工隧道引起的卸载上浮影响，另一方面，由于上下隧道中间夹土的改良，采用“先下后上”施工方式引起的地表沉降小于“先上后下”方式。从实际施工效果来看，整个施工方案和施工过程控制是非常成功的。 （2）重叠段掘进参数建议值： 盾构推进速度控制在34cm； 刀盘转速在11.3rpm； 1号土仓压力控制在0.650.8bar； 根绝刀盘转速制定相应的螺旋输送机转速，严格进行土量管理，每环出土量控制在55m3以内，减少土体扰动； 盾构轴线控制偏离设计轴线不大于20mm，对于施工中出现的偏差要做到“勤纠少纠”。

18、 对于先施工隧道（下方隧道），建议适当提高掘进土压力（土仓压力设定为理论值的1.21.3倍）以防止涌砂突水，并在掘进中不断调整优化；加强同步注浆控制，保证每环注浆量为6m38m3，可根据实际情况适当加大，以减小对上层地层扰动；出现涌砂突水情况造成地层损失后，立即进行洞内二次注浆，以补充损失土体，以免左线隧道掘进时出现“磕头”现象；提前进行换刀操作，以避免在重叠段施工中出现停机现象。关键技术内容七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第21页/共35页中国中铁二局股份有限公司 22 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 （3）采用重叠段地面注浆加固和上下隧道中间夹土加固措施，

19、提高围岩参数，减小施工风险，控制地表沉降。 （4）采用信息化动态施工技术，根据现场监控量测数据反馈及时调整掘进参数，尽量减小地层损失，控制地表沉降。 通过采取以上措施，重叠盾构隧道施工顺利完成，现场监测显示：地表沉降95%控制在-20mm内，完全满足盾构通过重叠段隧道的沉降控制要求。本次成功实现富水砂卵石地层小净距重叠盾构施工为今后同类地层施工积累了经验。七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第22页/共35页中国中铁二局股份有限公司 23 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 通过国内外专家的分析指导以及多次试验发现采用膨润土溶液+泡沫溶液的方式渣土改良效果最好，盾构的

20、各项掘进参数均控制较好，并且地面沉降得到有效控制，改良出来的渣土具有较好的流塑性、止水性。 随后我们又对膨润土的改良效果在现场做了实验，水土分离的现象得到有效控制，如下：膨润土改良试验效果 3、 盾构掘进渣土改良技术七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第23页/共35页中国中铁二局股份有限公司 24 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 为了让渣土改良取得更好的效果，我们对膨润土溶液的按不同的配比分别进行了实验：膨润土配合比实验实验组号配合比水：膨润土=100kg:44kg水：膨润土=100kg:52kg水：膨润土=100kg:60kg水：膨润土=100kg:68kg七

21、、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第24页/共35页中国中铁二局股份有限公司 25 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 实验结果如下：膨润土配合比实验结果 通过实验结果可以看出，组的溶液浓度较稀，组和组溶液的浓度又较大，组的溶液效果最好，于是决定采用组溶液的配比。最后得出渣土改良的配比及参量如下：使用膨润土溶液+泡沫溶液 膨润土溶液 水：膨润土=100kg：52kg，即1m水加520kg膨润土； 泡沫溶液 使用CF=3%的泡沫，泡沫膨胀倍率FER=10； 以上两种溶液，膨润土溶液的注入率为15%，泡沫溶液的注入率为15%，合计注入率为30%。七、施工过程主要防控措施七

22、、施工过程主要防控措施第25页/共35页中国中铁二局股份有限公司 26 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 刀盘渣土改良管路分布图 将刀盘最外侧的两个管路（KF2、KF5）注入泡沫溶液，其余管路（选4路管路）注入膨润土溶液，膨润土溶液的注入率为20，泡沫溶液的注入率为10。七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第26页/共35页中国中铁二局股份有限公司 27 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 进口泡沫系统图 为了使泡沫系统得到彻底改善，对泡沫系统做了以下改造： (1)、从日本进口一台泡沫系统，对原有的泡沫系统进行更换，使之能根据需要调节发泡气体流量，并能

23、确保流量的稳定。 ( 2)、对泡沫喷头进行优化改造，减少泡沫管路堵塞概率。七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第27页/共35页中国中铁二局股份有限公司 28 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 进口泡沫系统操作面板图1进口泡沫系统操作面板图2七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第28页/共35页中国中铁二局股份有限公司 29 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 （1）通过渣土改良，能够使渣土达到很好的流塑性、止水性，改良效果如下图所示。渣土改良情况碴土改良效果七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第29页/共35页中国中铁二局股份

24、有限公司 30 | 2021-10-27 | 勇于跨越 追求卓越 （2）通过现场监测，地面沉降值（单次最大-2.81mm，累计最大-7.62mm）、房屋沉降值（单次最大-2.43mm，累计最大-5.76mm）均在预警值（单次-3mm，累计-20mm）以内，表明改良后的渣土具有较好的流塑性和止水性，确保了工作面压力的维持和较小的地层损失。 渣土改良做为盾构施工中一个重要的环节，尤其对提高盾构掘进效率以及控制地面沉降有较大的影响，同时对地铁隧道的建设发展有着深远的影响。纵观目前国内各个地方盾构机的使用工况，不难发现土质改良技术应用的好坏，对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。 通过现场试验，膨润土溶液+泡沫溶液对成都富水砂卵石地层的改良效果较好，并且能有效控制地面沉降，特别对盾构下穿建（构）筑物沉降控制非常有利，能确保建（构）筑物的安全，对成都富水砂卵石地层的掘进提供了一项新的渣土改良技术。七、施工过程主要防控措施七、施工过程主要防控措施第30页/共35页中国中铁二局股份有限公司 31 | 2021-10-27