第三部分案例-砂卵石地层盾构隧道关键施工技术孔恒

市政集团

forANSYS交通大学一、工程特点与难点

本课题围绕北京市环境治理重点工程－－凉水河南岸污水干线工程而开展。该段工程全长为5.03km。1工程特点

1）隧道掘进断面内地层为砂卵石（最大250mm,一般80mm—150mm），且其顶部上覆2～3m的细砂、粉细砂层,工作面安全性差。2）隧道埋深浅，一般6m左右，地层稳定性控制困难。3）曲线段掘进频繁，有9段曲线，掘进姿态及施工难度大。4）3次穿越干线铁路，4次穿越城市主道路，增加了施工风险性。5）地表现况环境复杂，需多次穿越地面建（构）筑物和地下管线，地表沉降控制要求高。

2工程的技术难点1）工作面的稳定性控制问题；2）刀具磨损问题；3）盾构姿态调整问题；4）土体塑流化改造问题；5）建（构）筑物的沉降控制与保护问题。市政集团

forANSYS交通大学Φ3.64m

盾构机Φ3.33m

盾构机市政集团

forANSYS交通大学二、砂卵石地层盾构开挖面的稳定性控制原理1）力学特点与表现粘结力c=0，孔隙比大，含砂率小于20％，开挖扰动范围大，易坍塌，沉降难以控制。砂卵石地层开挖状况市政集团

forANSYS交通大学无水砂卵石地层盾构开挖面的失稳模式

全断面无水砂卵石地层

市政集团

forANSYS交通大学无水砂卵石地层盾构开挖面的失稳模式

部分断面无水砂卵石地层

市政集团

forANSYS交通大学砂卵石地层盾构开挖面的稳定机理1）薄膜效应。点到面；2）拱效应。刀盘的水平推力以及土仓内的竖向抗力的作用；3）盾构的推进速度，利于应力的及时转嫁；4）粘结力和摩擦角增大。加泥、加泡沫对开挖面土体的改善市政集团

forANSYS交通大学

自主研究开发了加泥、加泡沫工艺、设备和控制技术，并使刀具磨耗寿命提高1倍。研究开发的加泥式土压平衡盾构机泡沫系统市政集团

forANSYS交通大学泡沫试验－－在刀盘的搅拌作用下迅速渗透到地层中，将砂层的砂砾颗粒包裹起来，降低了土体的密实度，改善了土体的塑流性。

单独加泥与混合使用泥浆、泡沫效果比较

市政集团

forANSYS交通大学序号参数单独加泥混合使用备注1刀盘油压(Mpa)≥118～102推力（t）≥800500～6503螺旋输送机油压(Mpa)≥95～74加泥量(L)350015005加泡沫量(L)025原液6地表沉降(mm)≥105～107刀盘磨损情况较重较轻开挖后观察8刀盘抱死发生频率较多极少施工实施效果1）单纯加泥浆，泥浆添加率45％，结果推进3m后螺旋输送机严重堵塞，无法继续施工。2）采用泡沫泥浆复合添加技术，盾构推进顺利，机械负荷稳定，土压最大值110kPa，一般20～40kPa，统计平均值33kPa，约为静止土压力计算值的60％；刀盘油压一般6.3～11.7MPa，是额定扭矩油压的41％，所发生的最大油压也只相当于额定扭矩油压的65％左右；推进速度最大为37mm/min，统计平均值25.8mm/min；泡沫泥浆复合添加率最大值49％，一般32％～40％，统计平均值35.6％。

3）盾构推进时，地面最大沉降量8mm，盾构机前方最大隆起量6mm，地面建筑物和交通设施的安全得到了有效保证。市政集团

forANSYS交通大学三盾构穿越铁路施工的控制技术盾构数学解析模型盾构数值模拟模型盾构间隙参数确定模型数值模拟和数学解析结论1)采用同步注浆和一般管片时地表沉降较大，可以控制在30mm以内，一般在15mm～25mm变化；

2)采用同步注浆、二次注浆和一般管片时地表沉降可以控制在10mm～15mm；

3)当采用同步注浆、二次注浆、三次补浆及加强型管片时，地表沉降可以控制在5mm。市政集团

forANSYS交通大学

盾构穿越铁路主干线的关键技术（1）使用加强型管片。考虑到铁路列车运行是的冲击荷载，在铁路正下方的15环采用了新设计的加强型管片。（2）加强设备维修。在中继井中进行刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备的检修，确保穿越过程中设备无故障，进行连续施工。（3）加强盾构推进时同步注浆和二次、三次补浆的操作。（4）加强泥土塑流化改造。（5）调整了盾构推进轴线。（6）加强地面沉降及地层内部变形的监测与反馈。通过上述技术措施，穿越铁路段，地表最终稳定后的沉降仅＋3mm~-3mm，实现了铁路部门要求的“不限速、不慢点”的正常运营。市政集团

forANSYS交通大学四监控量测与信息反馈技术多测点纵断面沉降规律地表横断面沉降规律（3D—4D，拐点3.5m）单测点地表沉降变化规律（盾构通过前及通过时占20％－40％；通过后占60％－80％）市政集团

forANSYS交通大学一般地段过渡地段过铁路地段深层土体竖向位移变化规律5个不同的时段地层变形情况各异，盾构还未到达前，地层隆起且随临近隆起增加；掌子面开挖后沉降增加；盾尾脱出后土体急剧下沉；随同步注浆，二次注浆地层趋于稳定。（①为盾构的超前影响15m、②为盾构通过前5m、③为盾构掌子面通过时、④盾尾脱出后、⑤稳定时市政集团

forANSYS交通大学深层土体水平位移变化规律4个不同的时段地层变形规律明显，随着盾构推进地层水平位移的竖向槽不断加深。盾构还未到达前土体水平位移较小；掌子面开挖后水平位移基本不变；盾尾脱出后水平位移增加；随着同步注浆，二次注浆趋于稳定。

市政集团

forANSYS交通大学①为盾构的超前影响15m、②为盾构掌子面通过时、③盾尾脱出后、④稳定时

结论与存在问题1首次在中国成功完成了5km砂卵石地层的盾构隧道，达到了15环/日，形成了一整套关键技术；2辐条式土压平衡盾构机能较好地适应砂卵石地层；3通过采用加泥、加泡沫技术，可有效地改善砂卵石的塑流性，降低刀具磨耗；4基于稳定性模型，提出了砂卵石地层控制工作面稳定的核心关键技术；市政集团

forANSYS交通大学结论与存在问题5实施监控量测与信息反馈技术，灵活运用同步注浆、二次和三次补浆工艺，达到了控制沉降的目的；6通过采取控制措施，保证了在列车“不慢点、不限速”以及铁路不作特殊加固定条件下，安全顺利地穿越了铁路主干线，沉降仅＋3mm~-3mm。存在问题：今后应重点围绕盾构机与围岩相互作用关系、加泥、加泡沫技术、有效解决大块卵石以及降低盾构磨耗等方面需要深入研究。市政集团

forANSYS交通大学案例2－－地铁盾构最新成果1北京市政集团引进日本IHI直径6.14m辐条式盾构，在砂黏土互层中，创下单班一次掘进15环；日进尺29环的好成绩；南水北调在黏性土和砂层地层，实现了盾构隧道月掘进长度（含初始掘进）达10