1鉴定技术一：工 作 报 告

鉴定技术文件之一工作报告鉴定技术文件之一工作报告工作报告1.任务来源成都地铁一号线盾构2标线路处于人民北路和人民中路上由北向南，沿人民北路南部和人民中路敷设，共三个区间：人民北路站～文武路站区间、文武路站～骡马市站区间、骡马市站～天府广场站区间。盾构区间隧道线路间距为11m～15m，隧道埋深15～20m。左右线区间隧道各采用一台直径6.28m海瑞克土压土压平衡盾构机掘进，盾构隧道采用管片拼装式衬砌，管片环宽1.5m，错缝拼装。⑴渣土具有不均匀性，卵石含量高⑵流动性差。由于渣土的内摩擦角较大（一般都在30°以上），造成了渣土流动性差。⑶对刀具摩擦系数大。根据文献及试验结果，该地层和钢铁之间的摩擦系数一般都在0.4之上，最高可达0.7。⑷单块卵石强度高。根据单块卵石的抗压强度试验结果，石块的单轴抗压强度可达150MPa，最大可达到180MPa。⑸粘聚力小，或几乎没有粘聚力，结构松散，不连续。因此导致了结构传力特征存在差异，地层内靠点对点传力，稳定性差。从以上可以看出，地层和一般的软土地层的物理力学性质都大不相同，在该地层中的盾构掘进相关问题不能采用传统连续力学介质的理论进行解释和研究。砂卵石地层中的EPB施工主要有以下几个施工难题：⑴刀盘扭矩大，消耗严重；⑵在大直径盾构情况下，工作面土压较难控制；⑶掘进效率低；⑷刀具、刀盘磨损严重；砂卵石地层盾构施工在国内外均没有成熟的施工经验可借鉴，因此提出了“高富水砂卵石地层土压平衡盾构施工关键技术研究”课题，由中铁十三局集团有限公司和同济大学共同承担完成。2.研究内容(1)砂卵石地层土压平衡控制参数的优化(2)刀具磨损机理研究与预测(3)砂卵石地层带压换刀技术研究(4)盾尾同步注浆材料与参数(5)盾构穿越施工对建筑物影响研究3.研究工作进展及完成情况本项目结合成都地铁一号线盾构2标施工，科学研究与施工生产相结合，从盾构机选型配套到顺利完成区间工程施工，课题组成员一直工作在生产第一线，历时二年多的努力，取得了良好效果，达到了预期目标。前期工作主要围绕盾构机选型设计开展，针对盾构2标工程特点，盾构机要求能够切削大的卵石，又能顺利排出，还要在富水条件下防止喷涌的发生。为此，经认真比选，选定海瑞克公司生产的土压平衡式盾构，配置了3米直径的主轴承、人闸系统、防喷涌的双螺旋输送机、泡沫及膨润土注入系统等特殊配置。在工作实施过程中，先后进行了以下五个方面的科技攻关：(1)认真研究了在砂卵石地层中盾构掘进施工参数，逐步形成了降低盈压比掘进、增强刀具的耐磨保护、碴土改良措施、严格控制地层损失、强化同步注浆和二次补充注浆等一整套施工参数，为工程顺利完工提供了重要技术支持。(2)刀具磨损机理研究采用了离散单元数值模拟分析，对刀具的磨损情况进行数理统计分析，有效的解决了刀具配置的不断优化，做到了每300米换一次刀的较理想的状态，有效降低了刀具成本，提高了有效掘进效率。(3)由于刀具更换不可避免，为解决换刀难的问题，成功的在砂卵石地层进行了带压换刀试验，成功解决了砂卵石地层换刀难、地面易坍塌的难题，为砂卵石地层盾构顺利掘进提供了有力保证。(4)由于地层高富水，同步浆液容易被稀释，经过室内试验和工程实践，优化浆液配合比，进行了浆液的快凝和抗水性能试验研究，经实践证明，砂浆填充度好、可注性强，保证了同步注浆效果，取得了可喜成绩。(5)盾构正下穿建筑物的保护措施上，通过建筑物基础不均匀沉降对建筑物影响的数值模拟分析，判断盾构下穿对建筑物的影响程度，有针对性的对建筑物实施保护，同时辅以支撑轴力的监测等信息化手段，建筑物沉降控制在允许范围内。取得了在砂卵石地层盾构掘进建筑物保护的第一手资料，取得了广泛的社会效益。4.主要研究成果及结论(1)提出了砂卵石土压平衡特点及控制方法对土压平衡式盾构来说，关键的就是工作面的土压力的控制。理想状态的工作面的土压力是均匀的梯形荷载，和地层原有的应力平衡。但实际的EPB施工达不到理想的加载形式。因此，本研究提出了EPB土压平衡相关参数，即土仓竖向压力规则系数、土仓前后应力比及土压支撑率。通过离散元模拟，计算了理想平衡状态、盈压状态、欠压状态及土仓结块这四种工况，并结合人民北路站至天府广场站的施工参数，进行参数反馈分析，掌握了砂卵石土压平衡的特点。根据上述土压平衡特点，结合掘进机理，提出该地层主要辅助措施为渣土改良，本研究提出了渣土改良的方法、方案，进行了试验研究。对于细颗粒含量较大的地层，只要含水率达到18%，流动性等指标已经能达到很好，只需要添加适量的泡沫以减小土体与刀盘、刀具及机械之间的摩擦；对于含大颗粒较多的地层，改良的主要目的是解决流动性和抗渗性，建议采用加入矿物材料的方法补充细颗粒；采用硅胶对渣土进行改良，对于富水的大颗粒卵石改良效果不是很明显，而且存在改良成本过高的不足。建议采用“泡沫+矿物材料”的改良方案对该土体进行改良，发挥了两种材料具有互补性，泡沫主要在细颗粒中起到减磨和提高流动性的作用，矿物材料主要起到增加细颗粒含量，提高渣土流塑性，提高抗渗性。在粗颗粒多的地段，减小泡沫注入量，增大矿物添加材的注入量；在细颗粒较多的地段，减少矿物添加量，增大泡沫注入量；在水头高的地段，尽量减少泡沫用量，增大高浓度粘土的注入率。(2)提出了刀具磨损规律、原因及预测盾构掘进是依靠刀具和地层相互作用实现，结合成都砂卵石地层的工程特点，总结课题依托工程的刀具配置及耐磨策略，发现4把中心双刃滚刀、32把单刃滚刀、32把大刮刀以及8+8弧形边刮刀的组合配置适应成都砂卵石地层绝大多数路段的掘进要求。当在强风化岩层及土层中掘进时，将滚刀(含双刃)孔位对应换成羊角形强刀刮刀满足掘进要求，且可以降低工程成本。盾构机原始的3条Hardox400耐磨条设计不能满足成都砂卵石地层的需要，但是其重型刀盘的强度刚度基本满足要求。原始盘形滚刀刀尖厚度太小，不适应砂卵地层的使用要求，滚刀刀圈耐磨和刀毂的刚度也需要提高及改进。滚刀磨损主要以非正常磨损为主，破坏方式一般有三种。一种是刀圈断裂损坏；一种是滚刀密封、轴承损坏与刀圈偏磨；一种是滚刀壳体变形磨损。对滚刀进行受力分析，发现滚刀偏磨主要原因为滚刀阻力扭矩大于滚刀的转动扭矩而不能转动，阻力扭矩主要有三部分组成：土仓内渣土摩擦阻力力矩、刀箱内渣土阻力力矩和滚刀启动力矩。在盾构掘进中防止滚刀偏磨的主要方法为增大转动力矩和减少阻力力矩。进一步研究发现，双刃滚刀可增大转动力矩并能保护刀鼓，刀盘弧形侧面装配双刃滚刀可比单刃滚刀在受力及减少磨损上更为合理。而通过渣土改良增大渣土流动性可以有效地减少渣土在刀箱里的结块以降低磨阻力矩。对于单个刮刀磨损为两侧磨损大，中间磨损小；刮刀前角面磨损小，后角面磨损大；同一号位置的刮刀磨损量基本一样；随号数增大，刮刀磨损也越严重。其中刮刀损坏方式主要磨损变形，刮刀合金齿脱落，固定螺栓断裂。采用离散单元法（DEM）对刮刀的切削做了计算，研究其受力特点并提出刀具改进的适应性建议。研究表明，靠近边部刮刀应加强耐磨性能，单个刮刀两侧应加强耐磨措施。刮刀磨损主要是后角方向，前角方向磨损较小，需要在后角面方向增大刀具的宽度。若采用超硬重型刀具，则在刀具后角方向实施硬化堆焊。根据计算进一步分析，发现对于刮刀做切削运动来说，具有一定切掉的后角可以有效的减小刀盘扭矩和刀具的磨损。本研究根据刀具磨损的测量数据，计算得到了该地层中刮刀的磨损系数，可初步对预测不同部位的刮刀的磨损。计算表明，后角面方向的刀体部分很容易被磨损掉，从而造成对刀具、刀盘面板的磨损。因此，也建议对后角面处的刮刀宽度及厚度进行加强。根据磨损情况，应适当增大刀具厚度。为了合理的利用刮刀，建议面板上按不同位置布置两种类型的刮刀：轻型刮刀和重型刮刀。盾构刀具属于易耗品，并且价格高，对盾构隧道工程造价影响较大，而且频繁更换刀具直接影响盾构机掘进速度。对依托工程中两台盾构机S365和S366共掘进638环（957m）时，刀具的成本进行了统计分析。发现未改良情况下，平均每延米刀具损耗6276元，其中滚刀损耗最多，占总消耗的61%。通过渣土改良，减小刀具与地层之间的摩擦，降低了刀具消耗，将每延米刀具损耗降低20%。通过在刀盘盘圈前端面布置贝壳刀，同样起到切削砂卵石的作用，且刀具成本能有大幅下降，可在试验的基础上适当采用。当盾构通过松散路段及粉细砂路段，可以采用加强先行刀在刀盘正面与滚刀交错安装，实践证明既节约刀具成本，又不降低掘进速度。同样，本研究对依托工程中天～骡区间刀具探索性改进进行总结，主要包括以下几点：耐磨环位置用50*80左右的扁钢间隔开25*25的槽，在槽中堆焊25*25*80的硬质合金条耐磨效果理想；滚刀用高合金材料制造，刀尖加厚至24mm，周边的单刃滚刀均改装双刃滚刀，可以有效增加刀具使用寿命；加厚滚刀刀毂，刀毂也采用高合金钢制造，并通过热处理使刀毂具有高硬度和高的淬透厚度，经实践检验效果理想；在确保母体足够强度和刚度所需厚度下，加厚刮刀硬质合金块的厚度，以增加刮刀的切割能力和耐磨性能；不改变外形条件，刮刀刀座用基体+耐磨合金做成，增加刀座导流状背面耐磨性。(3)砂卵石地层下实现了带压换刀砂卵石是一种典型的力学不稳定地层，受外界的扰动敏感。原状土在不扰动的情况下能保持较好的稳定性，特别是无水条件下，但一经扰动极易坍塌。因此在该地层条件下进行换刀作业，需要采取合理的辅助措施以保证开挖面的稳定。常有的方法有降水加固法、注浆加固法、围护桩（如人工挖孔桩）加固法、气压加固法等，根据不同的施工条件选用合理的换刀模式。其中气压加固不占用地表，而且具有费用较低、效率较高的特点，但其施工工艺要求相对较高，且由于成都地层的特殊性，风险极大。本研究表明，通过合适的辅助手段封闭地层，能够实现带压换刀。目前普遍采用的方法是向开挖面及盾构周围注入膨润土，膨润土由于具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。实践表明，注入的膨润土在刀盘未转动的前期，可在乱石层面上形成泥膜依附于掌子面，但无助于土仓内压力保持，当刀盘转动和遇水浸泡后，膨润土变质失效。通过气压可阻止来自开挖面的涌水，同时对周围土层起到排水固结的作用，增强土体的强度，增加开挖面的稳定。根据水位高低，高压空气可以起到减缓周边水流入土仓内的速度，一定程度上可以排开土仓内地下水，目前水位使用0.5～0.7bar的压力可保持土仓内干燥无水，地层可支撑3-4天时间不塌陷，气压小于0.4bar时排水困难。共40m3根据砂卵石地层带压换刀的试验及实践经验的总结，提出两点建议：建议对刀具检查更换地点进行合理预测，对选定换刀地点进行调查，确定盾构机上方的管线，地质钻探孔，降水井等泻压通道堵死。建议在选定的加压地点提前十环左右进行注入膨润土对掘进隧道砂卵石地层进行封堵，尤其是盾体外部需要注入膨润土进行封堵。实现此步有二种方式，一是从刀盘前向里加入膨润土，二是从盾体四周向里加入膨润土，两种方式均能实现。(4)提出了砂卵石地层下同步注浆材料与参数本课题研究完善了同步注浆要求材料的试验方法，并对浆液提出了相应的要求指标，同时提出了分工况，分段的注浆材料及注浆参数控制方法，包括盾构通过富水地段、水位较低的情况以及穿越建筑物这几种特殊工况。通过理论分析，并结合实测注浆参数的总结，表明在成都砂卵石地层盾尾同步注浆时，注浆压力（顶部）控制在0.2～0.25MPa，由于“松散带”的存在，同步注浆的注浆率不应小于180％。同时，应以注浆压力来控制注浆量，注浆压力达不到时不能停注，这样才能保证浆液填满开挖间隙。注浆压力应综合考虑地质条件、管片强度、盾构机型及注浆材料的特性。防止注浆压力过大,造成地层劈裂或管片错台。同样，根据地层情况和实际地层损失调整注浆填充率，可以较好填充地层，有效控制地表沉降，对注浆不足或注浆效果不好的地方进行补强注浆，以增加注浆层的密实性并提高防水效果。并且，在施工中应根据洞内管片衬砌变形和地表及周围建筑物变形监测结果进行信息反馈，及时修正注浆参数和施工方法。本研究总结了盾尾注浆施工中的常见问题，并提出了相应的控制措施。主要包括合理选择浆液类型；合理选择注浆压力、注浆量、注浆位置；加强管片沉浮的监测；结合地面监测实时调整；制定详细的注浆质量控制程序；防止注浆管堵塞。(5)得到了盾构穿越施工对建筑物的影响规律本课题依托项目中，盾构隧道穿越多栋既有建（构）筑物，包括万福桥、中银大厦、天府下穿隧道等。本课题选取盾构穿越冶金宾馆（桩基）、盾构穿越经委安监局（条基）及盾构穿越万福桥（条基）作为案例，采用数值模拟方法，对盾构隧道施工与上部建筑物的相互影响和施工过程中采用的辅助措施的效果进行了较为系统的研究，并与实测数据进行对比分析分析。研究表明，盾构穿越冶金宾馆施工中所采用的桩基托换、荷载转移和跟踪注浆等辅助措施在施工时起到了良好的效果，对冶金宾馆西楼短桩基框架结构的保护作用明显。采用桩基托换措施后，盾构隧道管片内力最大值均有不同幅度减小，对隧道结构的安全有利。同时托换措施可以有效减小隧顶桩基的最大沉降，减小各桩之间的不均匀沉降，较好的控制建筑物倾斜。托换措施也可以减小桩基承担的荷载，减小由于承载力损失导致的过大沉降。采用荷载转移方法后，可以将中间承台承担的荷载转移至两侧承台，同时对上部结构起到支撑作用，可增加穿越施工时结构的安全系数。采用地面跟踪注浆后，能够对桩端部土体进行有效的加固，尤其在砂卵石层中，能够对盾构同步注浆的效果进行补充，减小由于注浆量不足而导致的桩基过大沉降。为平衡桩基所传递的荷载，盾构在穿越时应适当增加土仓压力、注浆压力及注浆量，并保持匀速掘进，避免施工参数的突变而对上部结构产生扰动。对盾构穿越经委安监局办公楼进行数值计算，结果表明在盾构通过之后，建筑物内力以及建筑的差异沉降均满足规范要求，但建筑物最大沉降超出规范要求。同时，在盾构侧穿建筑物情况下，其水平变形较大。因此，为保护建筑物的安全，在盾构穿越时需采取相应的辅助措施，主要采取地面跟踪注浆。研究表明，地面跟踪注浆可以有效地减小盾构通过以后发生的后续沉降，减小建筑的差异沉降，对所穿越的建筑物起到了较好的保护作用。本研究同样对穿越段盾构施工参数进行分析，发现由于本穿越工点处于砂卵石地层，盾构各施工参数的波动较大，难以将其很好的控制在比较稳定的范围内。建议尽力避免各施工参数在穿越期间出现突变。针对盾构穿越施工中发生突发情况而停机数小时，建议在穿越前对盾构机进行全面检修，并针对可能遇到的各种情况做好应急预案，尽量避免在