盾构隧道上穿既有隧道的三维数值模拟_张平
低 温 建 筑 技 术2011年第6期(总第156期)
盾构隧道上穿既有隧道的三维数值模拟
张 平1
, 范英娜2
, 王 新
3,4
(11冀东石油工程建设有限公司, 河北 唐山 063200; 21燕山大学石油工程系, 河北 秦皇岛 066004;
31同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092; 41上海城市建设设计研究院, 上海 200125)
=摘 要> 文中对上海某轨道交通以斜交形式上穿大直径隧道工程建立三维数值模型。通过模拟上穿过程,得出右线掘进时,地表沉降槽宽4D (在建隧道外径),中心位于推进轴线;右线扰动造成已建隧道沉降占总沉降的80%,侧移占总侧移的45%;两线上穿完毕后,沉降槽中心位于两隧道中心,槽宽约6D ,且已建隧道受影响区域为整个沉降槽区域;右线掘进使已建隧道先呈/横鸭蛋0后为/竖鸭蛋0变形。左线掘进加大了已建隧道/竖鸭蛋0变形。
=关键词> 上穿;盾构隧道;数值模拟;沉降槽=中图分类号> TU 45 =文献标识码> B
=文章编号> 1001-6864(2011)06-0118-03
随着各大城市地铁修建的蓬勃兴起,难免会遇见各式各样的近接施工。在建隧道以斜交形式穿越已建隧道上方就是其中一种。在建隧道盾构施工必然造成周围土体变位,而这种变位也必然影响其下方已建隧道的安全。
目前,国内对这种近接施工相互影响的研究尚不成熟。朱蕾[1]
等对地铁13号线上穿4号线进行了实测数据分析,数据表明第一次穿越完成后4号线隆起变形占累计变形的41%~45%,二次穿越后4号线纵向沉降以交叉点为对称中心呈正态分布,穿越影响范围为4倍的施工直径。但其并没有从理论上分析这种近接施工的力学行为。部分国内学者对盾构隧道施工进行过三维仿真研究
[2-5]
,但上穿施工仿真研究的文章尚少。其中方勇[2]
等
建立三维有限元模型模拟了正交下穿的近接施工过程,计算结果表明在已建隧道对称面上存在最大的不均匀沉降、不均匀侧移和扭转,对称面上管片受力为先/加载0后/卸载0再/加载0的特点,且隧道底部产生较大的拉应力。但其对于斜交上穿施工和已建隧道存在坡度的情况缺少探讨。
文中针对上海某轨道交通斜交上穿已建大直径隧道工程进行了三维仿真模拟,对上穿过程土体变形、已建隧道变形进行了分析,为类似工程提供施工指导。1 工程概况
上海某轨道交通上、下行线均上穿大直径已建隧道。穿越时,上、下行线平面净距12m 。在建隧道和已建隧道夹角约79b ,两隧道平面位置关系见图1。轨道交通上、下行线隧道底部与已建隧道顶部最小净距分别约为9m 和9122m 。
已建隧道管片外径1415m,内径1313m,采用C55设计强度的混凝土制作。隧道覆土约28131m,其主要穿越土层为?
1-2
灰色粉质粘土、?3a 灰色砂质粉土夹
粉质粘土、?3灰色粉质粘土。
在建隧道管片外径612m,内径515m,采用C55设计强度的混凝土制作。土压平衡盾构掘进机施工,管片与盾构机间隙3c m 。穿越已建隧道时,平面线形为缓和曲线,纵断面线形为直线。穿越时盾构切削的土体为?淤泥质粘土层和?1a 灰色砂质粉土。2 数值模拟211 模型建立
采用有限差分程序建立斜交隧道数值模型,网格划分见图2所示。沿在建隧道掘进方向为x 轴取长120m,已建隧道轴线方向为y 轴取长90m,竖向为z 轴取深度为80m 。在不排水条件下模拟在建隧道掘进,且地下水位取为地面以下110m 。为简化分析,模拟中对土层进行了加权平均(即采用等效土层)。模拟中,
118
张 平等:盾构隧道上穿既有隧道的三维数值模拟
掘进面土压支护力0123M P a ;考虑注浆材料填充,但不考虑注浆压力。模型采用弹塑性摩尔库伦屈服准则,
且计算材料参数见表1。
表1
模拟土层参数
层号程序中名称层厚/m 重度C /kN #m -3
剪切模量G /M Pa 体积模量K /M Pa 粘聚力c '/kPa 内摩擦角U c /(b )11
+o+?
l ayer_171018134139713252618?+?+?
1a
l ayer_2
181217182178813362211?
1a +
?
1-2+?
3
l ayer_322181816251003715052710?+?
1
+?
2
l ayer_4
3210
1910
35100
52150
2
3610
2
12 隧道模拟开挖工序通过改变材料赋值的方法进行多步仿真模拟,整个模拟过程为:
(1) 初始应力场平衡,得到未掘进状态应力场。(2) 掘进已建隧道并计算平衡,将位移、速度置零,得到此次分析的初始应力状态。
(3) 掘进右线第1步土体,掘进面处施加0123M Pa 均匀分布力,添加shell 结构单元模拟管片拼装,同时填充注浆材料,计算平衡。
(4) 依次掘进至管片全部拼装完毕。(5) 如上述掘进左线。3 不利工况分析
文中就右线隧道掘进至已建隧道正上方、右线掘进至离已建隧道中心位置71m (右线贯通)、隧道掘进至已建隧道正上方、左线掘进至离已建隧道中心位置67m (右线贯通)四种不利工况进行分析。311 右线掘进至已建隧道正上方
图3为土体地表沉降云图。从图中可见,在位于掘进面后约8m 地表发生最大沉降为815mm,掘进面前方8m 左右的土体表现为隆起。从图中也可见沉降槽中心位于掘进轴线,沉降槽宽4D (D 为隧道外径)。上穿隧道的掘进使已建隧道和在建隧道之间的土体产生卸载回弹,
并且塑性区逐渐向已建隧道顶部开展。
计算结果显示:已建隧道在右线正下方发生隆起,最大隆起量为3mm;侧向位移以已建隧道轴线对称分布,已建隧道管片呈/横鸭蛋0形状。此时侧移与推进方向相反,最大值为1mm 。312 右线远离已建隧道中心71m
图4为已建隧道土体沉降云图。从图中可见,右线在完全贯通后沉降槽中心位于开挖轴线,工况一中沉降槽宽为4D 的区域变成315D 。右线隧道掘进面远离已建隧道后,已建隧道上方土体不再有较大的回弹。塑性区并没有继续向已建隧道开展。
图5为已建隧道位移云图。从图中可以看出,右线隧道在穿越过程中,已建隧道位于右线下方处隆起较大,远离右线轴线的地方隆起较小。最大隆起量为512mm 。侧向位移以已建隧道轴线对称分布,已建隧道
管片呈/竖鸭蛋0形状。此时侧移与推进方向相同,最大值位于右线正下方已建隧道拱腰处,约为118mm 。313 左线掘进至已建隧道正上方
图6为土体地表沉降云图。从图中可见,左线的掘进造成土体扰动的叠加,地表沉降槽中心位于两隧道轴线处,槽宽6D (D 为隧道外径),此时最大沉降约8mm 。塑性区已经开展至已建隧道顶部,因此左线的掘进对已建隧道有较大的影响。
从计算结果显示,左线在穿越过程中,已建隧道隆起最大处转移至两线中心正下方,远离该处的管片隆起较小,此时最大隆起量为615mm 。此时,已建隧道呈/竖鸭蛋0变形,侧移最大处位于两线中心下方的管片拱腰处,最大量为115mm 。
314 左线掘进至远离已建隧道中心67m
119
低温建筑技术2011年第6期(总第156期)
图7为土体地表沉降云图。从图中可见,地表最大沉降分布于已建隧道两侧,此时最大沉降量约7mm。沉降槽情况比上一个工况没有较大变化,只是在已建隧道上方沉降稍小。左线掘进面远离已建隧道后,已建隧道上方土体不再有较大的回弹。塑性区
开展至已建隧道顶部后没有继续向隧道深部开展。
图8为已建隧道位移云图。从图中可见,左线在
穿越过程中,位于两线中心下方已建隧道管片隆起最
大,最大隆起量为718mm。侧向位移也在该管片拱腰
处发生最大值为313mm。最终已建隧道受影响范围
为以两线中心为轴线6D(D为在建隧道外径)。
315各工况综合分析
图9为四种工况下已建隧道顶部竖向位移。从图
中可见,右线掘进使得已建隧道右侧顶部隆起最大值
为512mm,左线隧道的掘进和右线的叠加使得已建隧
道顶部部隆起718mm。
图10为四种工况下已建隧道迎施工面拱腰处侧
移。从图中可见,右线掘进使得已建隧道最大侧移值
为115mm,左线掘进和右线叠加使得已建隧道最大侧
移313mm。发生最大位移管片从原来的右线轴心处
管片逐渐转移到两条隧道中间处管片。
4结语
(1)通过模拟显示:右线掘进地表沉降槽宽4D
(在建隧道外径),中心位于推进轴线;右线扰动造成
已建隧道沉降占总沉降的80%,侧移占总侧移的
45%;两线上穿完毕后,沉降槽中心位于两隧道中心,
槽宽约6D,已建隧道受影响区域为整个沉降槽区域。
(2)右线掘进中,塑性区逐渐向已建隧道顶部
开展。左线掘进中,塑性区已经开展至已建隧道顶
部,但并没有继续向深部开展。
(3)右线掘进使已建隧道先呈/横鸭蛋0后为
/竖鸭蛋0变形。左线掘进加大了已建隧道/竖鸭蛋0
变形。
参考文献
[1]朱蕾,黄宏伟1盾构近距离上穿运营隧道的实测数据分析
[J].浙江大学学报(工学版),2010,44(10):1962-1967.
[2]方勇,何川1盾构法修建正交下穿地铁隧道对上覆隧道的影
响分析[J].铁道学报,2007,29(2):83-88.
[3]曾小清,张庆贺1隧道施工过程的解析与数值结合方法[J].
岩土工程学报,1998,20(1):14-17.
[4]陈先国,高波1地铁近距离平行隧道有限元数值模拟[J].岩
石力学与工程学报,2002,21(9):1330-1334.
[5]毕继红,江志峰,常斌1近距离地铁施工的有限元数值模拟
[J].岩土力学,2005,26(2):277-281.
[收稿日期]2011-01-20
[作者简介]张平(1982-),男,山东烟台人,助理工程师,
主要从事油气田地面工程建设工作。
120
隧道盾构掘进机推进系统设计 发表时间：2018-12-06T15:08:07.810Z 来源：《防护工程》2018年第25期作者：吴昊琳[导读] 信息等多种科学技术，在铁路、公路、市政、水电等隧道工程应用的较为广泛。盾构机的重要部分之一即为推进系统，在盾构机的掘进中它承担了定金工程。研究盾构机的推进系统，能够更为全面的掌握其特点和性能，并为我国企业在设计、建造和完善盾构机上提供基础支撑。 吴昊琳 中铁隧道股份有限公司河南郑州 450000摘要：盾构机属于一种大型的隧道掘进设备，包含机、液、控制、信息等多种科学技术，在铁路、公路、市政、水电等隧道工程应用的较为广泛。盾构机的重要部分之一即为推进系统，在盾构机的掘进中它承担了定金工程。研究盾构机的推进系统，能够更为全面的掌握其特点和性能，并为我国企业在设计、建造和完善盾构机上提供基础支撑。 关键词：隧道；盾构掘进机；推进系统 一、原理简介 因隧道土层地质非常庞杂，盾构机在隧道施工中会遇到不同的地质阻力、涂层反推理和水压力，从而导致掘进过程中会遇到各种各样的低层阻力。为了确保土压平衡，盾构机在推进系统设计上，要充分考虑到不同的土层压力，同时也要及时调整液压缸推进压力。盾构机在施工中，其推进系统应符合推进力要求以及推进速度控制。因此，在设计突进系统时，选择的是比例变量泵与比例减压阀来达到流量压力的控制，通过这一控制方法，能够单独过连续控制推进力和速度，减轻压力与能量的损失，从而完成节能的目标，并增强系统运作的效率。 二、推进系统分组联合控制理论 在施工过程中，盾构机通过推进系统来对液压缸推进力和速度进行控制，以此来调整盾构机的各种姿态，对其掘进时碰到的土层阻力进行控制，确保土压平衡，纠正前进路线。由于盾构机属于大型机械，多在极端情况下进行工作，需要极大的动力，其有很多推进液压缸，若是单独控制每一个液压缸，会导致变得较为繁琐，控制成本大大增加。所以，在控制诸多的液压缸时，通常选择发散分布，即分为顶、左、低、右等区。盾构机在俱进过程中经常受到不均匀、梯形分布的压力，上部承受的压力要小于下部。因此，分区控制液压缸时，上部的液压缸数量要少于下部。通过分组联合控制，可以确保系统的运行，在调整姿态和行进路线的同时，一方面大大降低了系统的复杂程度，另一方面也减少了控制成本。 三、控制技术 在掘进中为确保盾构机的土压平衡，通产会选择一下控制方式： 1）排土量控制：这一方式是按照不同土压，来控制排土量。通过幵挖面土层压力的监测，对螺旋输送机输出速度进行适当调整，以此来对开挖面土压平衡进行控制。 2）进土量控制：这一方式是按照土压变化对盾构机的推进进行控制，以此让土压实现平衡。 不管采取那种方式，都和系统推进压力和速度息息相关。在设计中，仅凭借普通压力阀与流量阀很难对压力和流量进行控制，并且也会对系统能力造成很大损失。在本设计中，选择了比例变量泵与比例减压阀来控制压力与流量。其能够和液压缸和内置位移的传感器构成闭环控制，以此来促进系统动态性能的增强。 四、推进系统的液压原理 由于盾构机在推进液压系统选择的是分区控制，并且其分区控制原理是一样的。 下面就详细介绍了推进液压系统中各模块液压原理图。 3.1动力单元 台泵构成了动力单元，其驱动方式为串联。主泵选择比例变量泵，主要是担任高压低流量液压油的推进任务，在推进下，操作手利用主控室电位计旋钮对变量泵斜盘摆角进行控制，进而控制其推进速度。副泵选择双联叶片泵，主要负责系统的补油。推进的模式共有推进模式与管片拼装模式。换向阀左位带电，系统片拼装模式的最大压力为溢流调节系统一级切断压力。换向阀右位带电，推进模式的最大压力为溢流调节系统二级调节压力。 3.2控制方式 推进液压系统的控制方式为二通插装阀，这一控制方式能够更好的控制高压、大流量液压、油液压系统，从而符合推进油杆的快速移动，增强工作效率。在推进过程中，换向阀右侧的电磁铁带电时，插装阀跟控制油、油箱相互连接，打开插装阀。系统的液压油液向无杆腔的进油需通过插装阀，有杆腔油经过插装阀回归油箱，在返回时，插装阀跟控制油、油箱相互连接，打开插装阀。系统的液压油液向无杆腔进油需要通过插装阀，有杆腔油经过插装阀回到油箱，迅速进行退回。 五、推进系统的计算选型 结合盾构机施工情况以及推进系统的实际：共有20个推进液压缸；推进液压虹行程为1500mm；推进速度为0-60mm/min范围内无级可调；14240kN为最大总推力；34MPa为最大工作压力。 5.1液压虹尺寸选择
盾构隧道下穿建筑物专项方案 一、编制依据 1、珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段工程18标南洲站?沥滘站区 间平纵断面及洞门设计布置图； 2、珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段18 标工程南洲站?中间风井建筑物调查报告； 3、珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段18 标工程南洲站?中间风井区间盾构推进监测方案； 4、《地下铁道工程施工及验收规范》 (GB 50299-1 999)(2003 年版)； 5、《盾构法隧道施工与验收规范》 (GB 50446-2008) 6、《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007-2011) 二、工程概况 2.1 工程简介珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段南洲站?沥滘站区间(简称“南沥区间”)位于广州市海珠区。本次设计起点为南洲站，终点为沥滘站。 根据广东广佛轨道交通有限公司穗铁广佛建会【2012】68 号会议纪要，盾构从南洲站始发，中间风井吊出；再根据拆迁情况而实施从沥滘站始发，中间风井吊出。起点为南洲客运站、向东南方延伸，途经南环立交、沥滘水道，进入沥滘村。区间沿线地形平坦，地面高程为7.87?10.32m,沥滘村沿线密布建筑物群。 盾构区间上方主要有南环高速公路等构筑物；沿线两边主要有南洲大酒店 (A7)、大量居民房等建筑物。 工程由两台①6250海瑞克复合式土压平衡盾构机进行施工。先后施工上行线和下行线隧道，盾构从南洲站东端头下井始发，掘进至中间风井吊出。 本区间隧道由上、下行线两条隧道构成，区间最大覆土厚约32.2 米，最小覆土9.5 米。区间最小曲线半径为350 米，线间距约12.5 米。线路纵坡设计为双向坡，最大坡度为29%°。 本区间穿越海珠区南洲街三滘经济社、南洲二手车市场，穿越土层主要为<3-1> 冲洪积层—砂层、<3-2>冲洪积层—砂层、<4-1 >冲洪积层—粉质粘土、<4-2> 河湖相沉积层一淤泥质土、＜5-1＞可塑状残积层一粉质粘土、＜5-2＞硬塑状残积层—粉质粘土、＜6
中国盾构和掘进机隧道技术现状\存在的问题及发展思路 摘要：掘进机在隧道工程中得到了越来越广泛的应用。该文主要介绍了隧道掘进机的发展简史以及近半个世纪以来在我国的应用情况，同时，简要分析了隧道掘进机的未来发展趋势，以及在我国发展中存在的问题、有利条件以及应用前景。 关键词：盾构；掘进机；隧道技术；问题；发展 引言 盾构法施工已是一门比较成熟的地下工程施工技术。我国盾构施工技术已取得了长足的进步，但与国外先进盾构技术相比，仍然存在一定差距，主要表现在关键部件的材质和耐久性方面。因此，需要进行不懈的开发、创新和积累，以形成我国独立的机械制造、隧道设计和施工管理技术。在这样的大背景下，为了更好、更经济、更安全地使用盾构、掘进机，为了使盾构、掘进机技术能更加适合我国的工程实际，有必要总结我国盾构、掘进机技术的现状，指出我国盾构、掘进机技术存在的问题，提出解决各种问题的办法和新思路，探讨今后盾构、掘进机技术的发展方向。 一、中国盾构、TBM隧道修建技术现状 当今中国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。盾构、TBM隧道施工法作为一种适用于现代隧道及地下工程建设的重要施工方法之一，将发挥重要作用。 不同形式的盾构所适应的地层范围不同，盾构选型总的原则是安全性、适应性第一，以确保盾构法施工的安全、可靠、经济、快速。上海、广州及北京地区是我国盾构应用较多且较早的地区，这3个地区分别代表了我国3大区域的地层(3大典型地层)特征———软土地层、复合地层和砂卵石地层。砂卵石地层适合采用土压盾构和开敞式盾构施工，如北京地铁、成都地铁、沈阳地铁等；软土地层适合采用土压盾构施工，如上海地铁、南京地铁、苏州地铁等；复合地层适合采用复合盾构施工，如广州地铁和深圳地铁等。另外，黄土地层和膨胀土地层因最怕水加速地层变坏而适合采用无水土压盾构和开敞式无刀盘盾构施工，如西安地铁、合肥地铁；硬岩地层适合采用TBM掘进机施工。单洞单线地铁隧道宜选用直径为6～7m的盾构施工，应采用单层管片+混凝土复合式衬砌；单洞双线地铁隧道宜选用直径为10～12m的盾构施工，采用复合式衬砌。 二、隧道掘进机技术的研究现状 基于不同岩土体内掘进机工作模式和工程难点的不同，TBM和盾构掘进机技术的研究重点和热点问题也存在差异。 1、TBM研究现状
盾构隧道穿越既有建筑物施工应对技术 文章摘要： 盾构隧道穿越既有建筑物施工应对技术摘要：随着近几年地下工程建设的不断发展,盾构施工技术已越来越成熟,特别是在城市轨道交通建设中更显示出其优越性。但是,对于盾构施工过程中穿越障碍物或近距离通过既有建(构)筑物的施工还缺少相应的工程实例,经验相对也较少。近年来,我国城市轨道交通建设发展迅速,但是面临着越来越复杂的周边环境和施工条件,因此研究和制定相应的施工技术和应对措施十分必要。文章针对盾构施工穿越城市内河、下穿既有隧道以及湖底施工、下穿古城墙等工程实例进行分析研究,提出了针对类似情况的应对技术措施。 1 引言 随着国民经济的发展和城镇化建设的加速,国内城市轨道交通建设发展也越来越迅速。在轨道交通建设中,盾构工法由于其优越性在国内的应用越来越多。为了使轨道交通尽快形成网络达到预期的规模效应,轨道交通的建设也在加速。随着初期单条线的建成,后续线路建设的难度会越来越大。同时,伴随城市规划建设,特别是通常伴随地铁建设的沿线开发的增多,工程建设所面临的是越来越复杂的周边环境,穿越障碍物或近距离通过既有建(构)筑物的情况也越来越多。工程施工时既需要对既有建(构)筑物进行保护,又要确保工程本身的安全性和进展顺利,因此对不同的情况采用相应的应对技术十分必要。本文以南京地铁施工中已成功完成的盾构施工穿越障碍物的几个实例为基础,研究分析相应的应对技术。 2 下穿既有河流 2.1 工程实例 金川河宽10.4m,河堤深4m, 水深1.3m,为污水河。盾构隧道与 该河近正交下穿通过,盾构机与 河床底净间距6.2m。该段 地质情况自上而下分别是:② -1d3-4粉细砂(3.5m)、②-2c2-3 粉土(约6.0m)、②-2b4淤泥质粉 质粘土(约3m)、③-2-1b2粉质粘 土(4m)、③-3-1(a+b)1-2粉质粘 土(约 4.7m)。隧道主要在② -2c2-3粉土、②-2b4淤泥质粉质 粘土(上部)和③-2-1b2粉质粘土 (下部)地层中穿过(图1)。 该工程盾构机于2002年5月 9日~2002年5月10日和2002年 12月28日~2002年12月29日分 别在下行线和上行线顺利通过金 川河,沉降监测结果良好,没有采 用应急预案。但是在下行线掘进
布吉站~百鸽笼站区间 盾构下穿建筑物施工技术交底 一、工程概况 布?百区间隧道下穿越金鑫实业有限公司厂房、布吉永盛钟表厂、华年华美工业区集体宿舍等9栋建筑物。 区间过建筑物里程、对应环号及洞身地质情况详见下表 、掘进参数选择
、盾构施工下穿建筑注意事项 1、掘进过程中适当加大同步注浆压力及注浆量，每一环管片注浆量在6?8斥，1、4#注浆压力1.5?2.5Bar , 2、3#注浆压力2?3Bar，根据实际情况调整同步注浆浆液配合比，提高浆液的和易性和可泵性，缩短浆液凝固时间，及时有效地填满管片与围攻岩间的建筑空隙，防止地表下沉。注浆系统发生故障、注浆管发生堵塞时应停止掘进，待维修正常后方可继续掘进。盾构机停止掘进时严禁进行同步注浆，避免建筑物隆起。 2、在盾构掘进过程中要严格控制出土量，做到进尺与出土量保持均衡，并填写好 出土控制表，如发现一环出土量超过65m3或掘进过程中进尺与出土量保持不均衡，且初步估计是因刀盘位置土体塌方所致，应立即停止出土，继续往前掘进（此时总推力根据实际情况可调整至1000t,但各个控制按钮必须均匀增加）至顶部压力表显示为1.2bar 以上后停止掘进，并及时通知工程部及其它相关部门和领导，工程部立即派人到掌子 面里程对应的地表巡查，同时现场土木值班人员对渣样进行取样和分析，并取好渣样到地面供相关领导和部门分析。领导和相关部门结合渣样分析、设计院提供地质情况、地表建筑物沉降情况最后决定是否继续往前掘进，盾构操作手或机长不得擅自作主。 3、推进过程应保持盾构机有良好的姿态，严禁姿态的急剧起伏，水平和高程偏差 控制在土50mm以内。减小盾构机上下千斤顶压力差，上下千斤顶压力差控制在60Bar 以内。 4、根据地表监控量测数值，如发现管片在脱出盾尾后，地表沉降幅度较大（10mm v 沉降值v 20mm时对管片进行二次补注浆，以控制地表继续沉降，二次注浆采用双液浆。
隧道盾构掘进施工主要工艺 1、盾构始发与到达掘进技术 1.1 始发掘进 所谓始发掘进是指利用临时拼装起来的管片来承受反作用力，将盾构机推上始发台，由始发口贯入地层，开始沿所定线路掘进的一系列作业。本工程中每台盾构机都要经过两次始发掘进，第一次是盾构机组装、调试完后从三元里站始发，第二次是盾构机通过广州火车站后二次始发。 1.1.1 始发前的准备工作 （1）始发预埋件的设计、制作与安装 盾构机始发时巨大的推力通过反力架传递给车站结构，为保证盾构机顺利始发及车站结构的安全，需要在车站的某些位置预埋一些构件。同时盾构机盾尾进入区间后为减小地层变形需要立即进行回填注浆，为了防止跑浆也需要在车站侧墙上预埋构件以实现临时封堵。 三元里车站始发预埋件大样及预埋位置如图：隧盾-施组-SD01、02所示。 （2）洞门端头土体加固 三元里车站隧道端头上覆2米厚〈8〉类土（岩石中等风化带），开挖后侧壁基本稳定。始发前不对端头进行加固。 （3）端头围护桩的破除 始发前需要对洞门端头围护桩予 以拆除，确保盾构机顺利出站。三元里 站端头围护桩厚1.1米，洞门预留孔直 径6.62米。计划对围护桩进行分块拆除 如图7-1-1。 环形及横向拉槽宽度50cm，竖向 拉槽宽度20cm，竖向槽沿围护桩接缝凿 除。 盾构机推进前割断连接钢筋，拉开 钢筋砼网片，清理石碴并处理外露钢筋 头，避免阻挂盾壳。围护桩拆除后，快 速拼装负环管片，盾构机抵拢工作面，避免工作面暴露太久失稳坍塌。拉槽 图7-7-1 凿除分块示意图
1.2 盾构机始发流程 盾构机始发前首先将反力架连接在预埋件的位置，吊装盾构机组件在始发台上组装、调试；然后安装400宽的负环钢管片，盾构机试运转；最后拆除洞门端墙盾构机贯入开挖面加压掘进。 盾构机始发流程见下图： 盾构机始发时临时封堵操作工艺流程如下： 安装反力架、始发台 盾构机组件的吊装 组装临时钢管片、 盾构机试运转 拆除端头维护桩 盾构机贯入开挖面加压掘进（拼装临时管片） 盾尾通过入，压板加 固、壁后回填注浆 端头地层加固 检查开挖面地层 始发准备工作 拆除端头围护桩 掘 进 安装螺栓、橡胶帘布板及钢压板 上拉压板，置于盾构机通过位置 盾尾通过始发口 下拉压板 盾尾同步注浆
浅埋盾构隧道地层变形数值模拟分析 发表时间：2016-06-27T10:59:16.443Z 来源：《基层建设》2016年5期作者：王川1 经根东2 [导读] 本文以石家庄地铁1号线为依托，运用数值模拟的方法对拱顶沉降、隧底隆起和隧道水平收敛进行了研究。 1.石家庄经济学院河北石家庄 050031； 2.南京坤拓土木工程科技有限公司江苏南京 210000 摘要：经过多年的发展，我国盾构法施工技术已趋于成熟并在城市地铁隧道中得到了广泛应用，由于地铁隧道多位于城市中心区域、人口众多、建筑物及市政管线密集分布，隧道埋置深度一般较浅，对地层和隧道结构的变形有着较高要求，有必要对浅埋隧道施工引起的地层变形特性进行研究。本文以石家庄地铁1号线为依托，运用数值模拟的方法对拱顶沉降、隧底隆起和隧道水平收敛进行了研究，总结了浅埋盾构隧道施工引起地层变形分布规律和变形特性，对其他地铁线路的设计和施工有一定的借鉴意义。关键词：盾构法；浅埋隧道；数值模拟；地层变形1 引言 随着经济的不断发展和城市化水平的不断提高，城市道路交通压力日益增大，交通拥堵成为城市发展过程中迫切需要解决的问题之一，为解决这一问题，我国在多个城市进行了地铁隧道的建设。盾构法是一种较为先进的隧道施工方法，经过多年的发展，在我国已经得到了广泛的应用，盾构隧道施工一般是超挖进行的，隧道管片之间存在一定的缝隙，尽管施工中采取同步注浆和二次注浆措施来填补这一缝隙，但仍会造成地层的损失，引起围岩的变形和地面沉降。由于地铁隧道多在城市中修建，人口众多、建筑物密集分布，对地层变形有着较为严格的要求，有必要对盾构隧道施工引起的地层变形规律进行研究。本文以石家庄地铁1号线体北区间为依托，运用数值模拟的方法，对浅埋盾构隧道施工引起的隧道水平收敛、拱顶沉降和地表沉降进行了研究，得出了围岩地层水平位移和土层沉降的分布特征和变形特点，对盾构隧道的设计和施工有一定的借鉴意义。 2 工程概况 体育场～北宋站区间以体育场站为起点，由西向东沿中山东路敷设，至北宋站为终点，线路总长度936.54m，线路纵向坡度呈“V”字型坡，区间覆土厚度约9.2～13.1m，区间环境风险有民心河及跨河桥、DN1500×1500雨水方沟，采用盾构法进行施工，衬砌为C50混凝土管片，采取错缝拼装。 拟建工程场地位于太行山南段山前平原区，地形开阔平坦，地势总体上由西向东缓倾，地层主要为滹沱河冲洪积形成的第四季沉积物，具典型的多沉积旋回的特征。根据地层沉积年代、成因类型划分为人工堆积层（Qml）、新近沉积层（Q4al）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）和第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）四大层。本场地赋存一层地下水，类型为潜水，埋深大于45m，含水层为卵石层。 3 浅埋盾构隧道施工的数值模拟 3.1几何模型的建立 根据圣维南原理，隧道开挖会引起洞径3～5倍范围内应力重分布，故选取几何模型宽度为20m、高度为30m。隧道边界条件为标准固定边界，在左、右边界限制其水平位移，下边界限制其竖直位移，上边界为自由边界，不限定其位移。网格在隧道附近划分较细，在模型的边界则划分较粗，本次模拟共生成1780个节点、5652个网格。衬砌采用具有一定轴向刚度和抗弯刚度的板模拟，各参数值根据相关隧道设计规范进行赋值。 3.2施工过程的模拟 浅埋盾构隧道的施工分为三个步骤进行模拟:首先，开挖掉隧道内土体，冻结对应的土层；然后，激活衬砌板单元和界面单元；最后，由于盾构隧道开挖多为超挖前进，衬砌与围岩不能紧密连接，存在一定的缝隙，尽管施工中多采取措施来消除这一缝隙，但仍存在地层的损失，本例中对衬砌采取2%收缩量来进行模拟。 3.3数值模拟计算结果 浅埋盾构隧道施工完成时地层位移云图如图3.1所示，从图中可以看出，当隧道开挖完成时，由于上部土体的卸荷作用，导致隧底土层的隆起，而隧道拱顶区域土体则因超挖现象下沉，隆起量和沉降量则分别在隧道底部和拱顶部位最大，分别为25.10mm和-19.78mm，并随着与隧道距离的增加而逐渐减小,影响范围为深度25m，宽度20m；隧道水平收敛在拱脚部位最大，拱顶和隧底处最小，最大值为17mm。 盾构隧道施工完成时地表沉降量如图3.2所示，其中横坐标为与模型中线的距离（m），纵坐标为沉降量（mm），从图中可以看出，地表沉降槽曲线形态上为一对称的、近似正态分布的曲线，距离隧道较近部位坡度较陡，沉降量较大，较远部位沉降量则相对较小，沉降槽宽度约为30m，最大沉降量为-6.14mm。
地铁隧道盾构法施工 导语：盾构法施工是一种机械化和自动化程度较高的隧道掘进施工方法，从20世纪60年代开始，西方发达国家大量将这种技术应用于城市地铁和大型城市排水隧道施工。我国近年来也开始在城市地铁隧道、越江越海隧道、取排水隧道施工中采用此项技术，以替代原来落后的开槽明挖或浅埋暗挖等劳动密集型施工方法。 关键词：地铁盾构施工盾构施工技术盾构施工测量点击进入VIP充值通道 地铁盾构机分类及组成 地铁盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同主要分为压缩空气式、泥浆式，土压平衡式等不同类型。盾构机主要由开挖系统、推进系统排土系统管片拼装系统、油压、电气、控制系统、资态控制装置、导向系统、壁后注浆装置、后方台车、集中润滑装置、超前钻机及预注浆、铰接装置、通风装置、土碴改良装置及其他一些重要装置如盾壳、稳定翼、人闸等组成。海瑞克公司在广州地铁使用的典型土压平衡式盾构机为主机结构（盾体及刀盘结构）断面形状：圆形、用钢板成型制成，材料为：S335J2G3。主要由已下部分构成：刀盘、主轴承、前体、中体、推进油缸、
铰接油缸、盾尾、管片安装机。主机外形尺寸：7565mm（L）Ｘ6250（前体）Ｘ6240（中体）Ｘ6230（盾尾）。 ①压缩空气式盾构 1886 年Greatbhad 首次在盾构掘进隧道中引了这种工法,该工法利用压缩空气使整个盾构都防止地下水的侵入, 它可在游离水体下或地下水位下运作。其工作原理是利用用压缩空气来平衡水压和土压。传统的压缩空气式盾构要求在隧道工作面和止水隧道之间封闭一个相对较大的工作腔,大部分工人经常处于压缩空气下, 这会对掘进隧道和衬砌造成干扰,为了解决这些问题,又出现了用无压工作腔及全断面开挖的压缩空气式盾构和带有无压工作腔及部分断面开挖的压缩空气式盾构等。 ②土压平衡式盾构 20 世纪70 年代日本就开发土压平衡式盾构,不用辅助的支撑介质,切割轮开挖出的材料可作为支撑介质。该法用旋转的刀盘开挖地层,挖下的渣料通过切割轮的开口被压入开挖腔,然后在开挖腔内与塑性土浆混合。推力由压力舱壁传递到土浆上。当开挖腔内的土浆不再被当地的土和水压固化时就达到平衡。如果土浆的支撑压增大超过了平衡,开挖腔的土浆和在工作面的地层将进一步固化。与泥浆式盾构相比优点在于:无分离设备在淤泥或粘土地层中使用,覆盖层浅时无贯穿浆化的支撑泥浆泄露的危险。 ③泥浆式盾构 1912 年,Grauel 首次建造了泥浆式盾构。该法可以适用于各种松
地铁盾构隧道下穿建筑物沉降规律分析 摘要:通过对成都地铁盾构隧道穿越建筑物引起的地表沉降进行动态监测与分析，得出了盾构地铁隧道在穿越建筑物时沉降发生时间及影响范围，并初步制定了用于指导施工的监测数据库，以便为今后类似工程提供参考。 关键词:成都地铁2 号线; 盾构隧道; 穿越; 地面建筑物; 沉降监测 1 ．引言 随着国家、城市的经济发展，地铁成为交通繁忙、人口密集城市的重要交通工具。在地铁盾构隧道施工期间，不可避免地要近距离地下穿地面建筑物，在穿越期间，由于地层受扰动、超挖引起的地层损失及应力改变等原因都可能造成地面建筑物出现沉降、位移，从而引起建筑物出现裂缝、倾斜甚至倒塌，给人民的财产、安全带来威胁。为掌握盾构施工过程中地面建筑物的状态，在实施加固、保护等施工措施的同时，必须对地面建筑物进行监测，并将监测数据及时反馈到施工中，确保施工安全。本文对成都地铁盾构隧道某栋建筑物的监测成果进行研究分析，以便为今后类似工程提供参考。 2 ．工程及地质概况 本工程为成都地铁线2 号线羊西二环路站～白果林站，在里程YCK26 + 332 ～YCK26 + 832 段穿越密集居民建筑群。盾构隧道埋深约14 米，地面建筑物为金琴路南段二巷2 号楼，主体上部为砖混7 层，下部为预制桩基础，基底约2．5m 中砂。 该隧道地处川西平原岷江I 级阶地，为侵蚀～堆积阶地地貌，地形平坦。隧道穿越地层主要为砂卵石层，局部夹中砂。第四系孔隙水是段内地下水的主要存在形式，主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大，水量丰富。场地内地质构造条件简单，未发现有断裂通过，无不良地质作用，在VII度地震作用下，不具备产生滑坡、崩塌、陷落等地震地质灾害的条件，环境工程地质条件较简单。综合判定，本工程场地稳定。 3 ．监测方案设计 尽管盾构法施工隧道具有对周围环境影响小、掘进速度快、机械化程度高、施工安全等特点，但仍不可避免地引起地表以及地表建筑物沉降。因此在研究盾构隧道对建筑物沉降的影响，布设了建筑物沉降监测点，用以观测建筑物下沉量，判定建筑物的安全性，以便采取相应的保护措施。 3 ．1 测点布置 建筑物沉降监测点位布设在建( 构) 筑物四角的结构柱、建筑物基础分界点( 基础沉降缝) 布设沉降观测点10 个监测点位，见图1。
国内外隧道盾构机技术发展趋势与应用 盾构机是一种专业工程机械，它主要用于在地下施工中开挖隧道。随着盾构掘机的发展，它集成了信息、光、电、传感、液、机、技术于一体，涉及地质、测量、电气、液压、机械、等多门技术，具有土碴运输、土体切削、衬砌隧道等功能，而且对于不同的地质进行相应的方案设计，准确性很高。文章介绍了盾构机的历史及其在具体工程中的应用与发展方向。 标签：盾构机；发展；长沙地铁 盾构机主要由动力部分、顶进主轴、导向系统、刀盘系统、纠偏系统、中继顶进系统、排运岩土机构以及等几个部分组成。盾构掘进机的工作原理就是一个圆柱形的钢件沿隧洞轴线一边对土壤进行开挖，一边同时向前推进。这一钢件壳的作用是负责分担来自周围土层的压力，起到对正在施工作业隧洞的保护以及支撑作用，排土、挖掘、衬砌等作业都在该圆柱组件的支撑下进行。由于工作原理的不同，盾构机主要有混合型、泥水加压式、土压平衡盾构等多种。考虑到盾构机给实际工程带来了极大的便利，因此已经应用于许多地铁、市政、水电、等许多地下工程。 1 盾构机发展溯源 盾构机从发明那天起距今已经有180多年的历史，第一台盾构机诞生在英国，后由日本、德国不断发展壮大。盾构机的发展主要有三个阶段，盾构机的发明，盾构机的发展普及，盾构机的发展完善，随着科技的发展，盾构技术不断完善进步，从而为世界的隧道建设做出了重要的贡献。 1.1 第一台盾构机的诞生 1818年，英国工程师布鲁诺尔在一次偶然的情况下通过船板上的蛀孔，发现这种虫子在前进的过程中利用自身的分泌物涂在孔的周围来支撑周围物质得到启示，后来他完善了构思，发明了一种圆形铁壳，同时利用千斤顶在土壤中推进，在铁壳里的工人一边挖掘，一边衬砌轨道。从此世界上第一台盾构机便问世了。 1.2 盾构机在世界各国进一步发展普及 19世纪末到20世纪初盾构技术相继传入德、日、美等国，并得到了很大的发展。1892年，美国率先发明了掘削工作面封闭不能直接观察到施工面作业的封闭式盾构，必须辅以多种监控装置来控制掘削面工作。1931年苏联利用盾构机建造了莫斯科地铁隧道，施工中首次使用了化学注浆和冻结工法。自此，这种施工方法得以传播，并在全球范围内广受欢迎。 1.3 现代盾构机的进步和完善
盾构隧道急曲线段施工数值模拟分析 发表时间：2019-06-20T09:39:48.747Z 来源：《防护工程》2019年第6期作者：杜亭萱 [导读] 本文利用有限元软件对隧道后靠土体的稳定性进行了估算，并且对周边建筑物的沉降进行了分析，为其他类似项目提供参考。上海市地下空间设计研究总院有限公司 200020 摘要：本文采用数值模拟的方法，对大直径急曲线隧道施工过程进行了数值模拟分析。本工程的最大难点是大直径盾构隧道在S曲线小半径急转弯处运行，平面曲线最小半径仅为500m。在掘进曲线段过程中，内、外千斤顶的受力有一定的差别，盾构推力通过管片传递到盾构后靠土体，可能引起后靠土层的失稳。本文利用有限元软件对隧道后靠土体的稳定性进行了估算，并且对周边建筑物的沉降进行了分析，为其他类似项目提供参考。 关键词：大直径盾构隧道；后靠土体稳定性；周边建筑沉降 1工程概况 1.1项目总体情况 该工程I标段隧道长约8km，其中盾构段约6km，主线设工作井3座，在这三个工作井之间的隧道直线段占本区间隧道长度仅为20%。东西盾构隧道采用单管圆形隧道，管片外径为15m，管片厚度为650mm。盾构隧道最小曲线半径为500m。 1.2工程地质与水文条件 根据岩土勘察报告，场地90m以内分布的土层自上而下的土层分别为①层为填土，②1层~⑤3层为全新世Q4沉积层，⑥层~⑨层为上更新世Q3沉积层。地下水主要有赋存浅层中的潜水，⑤1、⑤2层中的微承压水和⑦层、⑨层中的承压水。盾构主要穿越地层为：⑤1粉质黏土、⑤3-1粉质黏土夹粉砂、⑥粉质黏土、⑦1粉砂、⑦2粉细砂、⑧1-1黏土等。 1.3周边环境情况 在分析区段内，区间隧道的转弯半径只有500m。且周边环境较为敏感，沿线建筑众多，下穿别墅区、公寓及政府管理中心。这些建筑均采用浅基础形式。 2盾构隧道施工有限元模拟 2.1土体本构模型 为了更加精确的模拟施工过程，土体采用修正摩尔库伦模型（Modified Mohr-Coulomb）。该模型与硬化土模型（Hardening Soil）相似，是由弹塑性模型和非线性弹性模型组合而成，较为适用于淤泥和砂土。相对于摩尔库伦模型，这个材料模型更加详细，弹性模量可根据加载和卸载设置为不同的值。修正摩尔库模型可以模拟不受剪切破坏或压缩屈服影响的双硬化行为。 2.2 基本参数 2.2.1模型介绍 本次分析的分析区段选在盾构从1号工作井出发后的一段共计300m。此阶段为整个急曲线盾构过程中覆土最浅的地方，较其他区段更为不利。然而，在此区敏感性建筑较少，因此，在荷载选择上，将较为敏感的建筑物分配到此区段，观察建筑基础沉降，以获得最不利情况下的沉降值和倾斜值。 所建的三维模型包含隧道管片结构，隧道周围同步注浆浆液，盾构机壳以及周围土体。在此区段内，隧道主要位于⑤1粉质黏土层。 2.2.2模型假定 模型假定： ◆盾构机楔形量不考虑，假定盾尾脱离管片后，在盾构机尾部形成均匀环形盾尾间隙。 ◆假定同步注浆过程中，浆液完全填充盾尾间隙，并对周围地层施加与注浆力相等的径向均匀压力。 ◆忽略浆液和土体之间的渗透作用，认为浆液充填盾尾间隙后对土体产生挤压效应；不考虑浆液性能和土体变形的时效性，土体变形在浆液填充满整个间隙之后瞬时发生[1]。 ◆采用水土合算的计算方法，不考虑水的渗流作用。 ◆土体本身的变形与时间无关，即不考虑土体的固结作用。 ◆忽略浆液重度对掘进力和同步注浆力的影响。 ◆忽略隧道衬砌管片之间的螺栓连接。 2.2.3材料参数 （1）盾构机壳 盾构机壳采用壳单元，为弹性材料。根据盾构机基本参数，盾构机弹性模量为210GPa，考虑到盾构机壳有许多钢支撑，盾构机壳刚度非常大，在掘进过程中，盾构机壳不会产生超过衬砌产生的变形。考虑如上因素，在模型中，假定盾构机壳刚度不低于衬砌刚度。（2）隧道衬砌 盾构衬砌是由多个混凝土管片拼装而成的，各相邻管片之间通过螺栓连接。由于环向接头的存在，环向接头的抗弯能力比无接头处的位置处削弱很多，因此管片的力学性能与刚度均匀的情况下相比，有很大差别。在分析中采用等效刚度模型模拟管片，考虑管片接头的存在使管片环整体刚度降低，折减系数为η（η<1），即假设管片为刚度为ηEI的圆环。国外做了大量的管片接头试验，根据其研究成果，本次参数η大致取值为0.6~0.8[2]。 （3）注浆材料 当拼好的管片从盾尾脱离出来时，因为在开挖面和管片之间存在间隙，土体失去支撑，将会坍落于管片上，造成较大的地层变形，对地面上方的建筑会产生破坏性的影响，因此，需要采用同步注浆的方法，在盾构机一边前进的同时，在盾尾不断注浆以填充此间隙，通过不断加压，使注浆材料在充入间隙后，没有达到与土体相同强度前，能保持一定的压力，从而控制地面沉降[3]。根据注浆试验，注浆材料早期抗剪强度为1kpa，注浆材料采用摩尔库伦模型，使用实体单元模拟。
盾构机 盾构机是盾构法施工中的主要施工机械。盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法，它使用盾构机在地下掘进，在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业。其施工过程需先在隧洞某段的一端开挖竖井或基坑，将盾构机吊入安装，盾构机从竖井或基坑的墙壁开孔处开始掘进并沿设计洞线推进直至到达洞线中的另一竖井或隧洞的端点。 用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。 盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。 盾构机施工主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是区别于硬岩掘进机或比硬岩掘进机复杂的主要方面。大多数硬岩岩体稳定性较好，不存在开挖面稳定问题。 盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同主要分为压缩空气式、泥水式，土压平衡式盾构机等不同类型。泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里
面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆 重复使用。土压平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为 稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土 料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度 和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。 盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确 保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在 密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索 和研究解决，使盾构机有了很快的发展。国外主要生产厂家有日本三菱重工人川 崎重工、日立造船、德国海伦克内希特(Herrenknecht AG)公司等。盾构机尤其是土压平衡式和泥水式盾构机在日本由于经济的快速发展及实际工程的需要发展很快。德国的盾构机技术也有独到之处，尤其是在地下施工过程中，保证密封的前 提以及高达0.3MPa气压的情况下更换刀盘上的刀具，从而提高盾构机的一次掘进长度。德国还开发了在密封条件下，从大直径刀盘内侧常压空间内更换被磨损的 刀具。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘 进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土 碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液 压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁
地铁盾构隧道下穿建筑物的安全性分析 李茂文，胡辉 （南昌城市规划设计研究总院，江西南昌330038） 摘要：本文以深圳地铁5号线翻身 灵芝盾构区间隧道下穿碧海花园小区建筑物施工为工程依托，运用有限差分程序FLAC3D模拟盾构隧道开挖的全过程，对施工产生的管片内力变化、地表沉降以及桩基的变形进行了预测分析。计算结果表明，只要能够正确合理的施工，采用土压平衡盾构施工，安全顺利地穿越建筑物是可行的。 关键词：盾构隧道下穿建筑物地表沉降桩基沉降数值模拟 有限差分法由于具有能够适应复杂边界、非均质、非线性本构模型，分析结果全面详细等优点，被广泛用来模拟盾构隧道施工对环境的影响的分析。本文以深圳地铁5号线翻身 灵芝盾构区间隧道下穿碧海花园小区施工掘进为工程依托，运用有限差分程序FLAC3D模拟盾构隧道开挖过程，对施工产生的管片内力变化、地表沉降以及桥梁桩基变形进行预测分析。1工程概况 深圳地铁5号线翻身至灵芝盾构区间隧道管片设计外径为6m，内径为5．4m，管片厚度为30cm。地铁右线隧道穿越碧海花园2层和8层的砼框架楼房。碧海花园桩基采用柱下独立基础，承台下桩基采用Φ480沉管灌注桩，有效桩长17m。该建筑物桩基与隧道拱顶最近距离为1．14m，断面埋深20．5m，地下水位埋深为3．2m，隧道位于砾质粘性土、全风化花岗岩及强风化花岗岩三种不同硬度的地层中，局部有硬岩突起，突起硬岩裂隙发育，地质条件复杂。 2盾构掘进数值模拟分析 2．1材料特性 （1）土体材料 目前，在土工计算中广泛采用的各向同性模型有两大类，一类是弹性非线性模型，另一类是弹塑性模型，两者都反映了土的非线性应力—应变关系特性。本文土体采用弹塑性本构关系，屈服准则为直线性Mohr－Coulomb准则。 （2）注浆材料和管片衬砌材料 注浆材料和衬砌单元在模拟过程中也采用适合混凝土材料的弹塑性模型。注浆材料的强度会随着时间的推移而增加，此时取其长期固化注浆材料，其弹性模量取400Mpa［4］，管片衬砌采用C50钢筋混凝土，弹性模量为35GPa。 2．2实体模型建立 计算采用有限差分程序FLAC3D建立三维模型，横向取40m，向上取至地表，向下取隧道中心以下15m，沿隧道长度方向取40m。左、右、前、后边界施加水平方向约束，底面限制垂直位移，顶面为自由面。初始应力只考虑自重应力场的影响。地层、管片、注浆浆液均视为理想弹塑性材料，服从Mohr—Coulomb屈服准则；管片和同步注浆浆液均采用壳单元；地层和桩基则采用实体单元模拟。计算模型如图2，模型共有148192个单元，154755个节点。盾构机长7．5m，盾构外径6．25m，管片宽l．5m，厚300mm，盾尾间隙厚75mm。盾构隧道与桥梁桩基的位置关系如图2所示 。 图1 三维计算模型图 图2盾构隧道与建筑桩基的位置关系图 根据地质勘察资料，该段地质分层从上而下分别为：3m的素填土、6m的砾砂、10．5m的砾质粘性土、2．5m的全风化花岗岩及16m的强风化花岗岩。各土层的物理力学参数见表1。3数值模拟计算结果分析 3．1应力分布分析 盾构推进15m、30m和40m时最大主应力云图如图3、4和5所示。从图中可以看出，随着盾构的不断推进，已开挖的隧道衬砌的最大主应力增大，当隧道开挖到40m时，拱腰靠底部位置的最大值主应力值达到2．3MPa，最小值出现在隧道拱顶的位置，最小主应力在拱顶的位置，其值达到－6．7MPa，均远远小于盾构管片的设计强度，因此，盾构管片所受到的内力不足以使管片结果产生破坏，管片结构仍有较大的安全富余量。 · 402 · 2012年第6期（总第123期）江西建材交通工程
盾构隧道掘进机 1 基本简介盾构隧道掘进机，简称盾构机。是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。 2 发展历程盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究 解决，使盾构机有了很快的发展。盾构隧道掘进机据不完全统计，目前国外盾构机的主要制造厂有18家，集中在日本和欧美，如日本的三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川岛播磨重工，德国的海瑞克公司、维尔特公司，美国的罗宾斯公司，加拿大的罗法特公司等。各个厂家可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，以及使用单位
的不同要求，设计、生产出不同直径、不同类型、以及有特殊要求的盾构机，以满足用户的需要，其工艺和设备先进。（一）日本三菱重工（MitsubishiHeavyIndustries,Ltd.） 日本三菱是一家具有100多年历史的企业集团，目前的经营范围除保持传统的造船业、汽车制造业和化工业外，还涉及金融领域，近些年来并涉足核能源、宇宙航天、生态环境和深海开发等尖端技术领域；其属下的直系企业有29家，三菱重工是其中的一家，为世界各地提供软、硬土盾构掘进设备的建设机械部是三菱重工旗下神户造船所的一个分支。 从1939年制造日本第一台手掘盾构机起，至2003年神户造船所就一共制造了1608台盾构机，其中包括土压平衡、泥水平衡、双圆、三圆、MMST等各种类型，数量和种类可谓世界第一，技术居国际之首。如开挖英法海峡交通隧道用的盾构机，其中就有两台是该公司制造的。曾向法国里昂地区提供直径为11m的土压平衡式盾构机，为上海延安东路第二条过江隧道工程生产泥水加压式盾构机，为东京湾海底隧道生产了直径14.14m的泥水加压式盾构机等。在这1608台盾构中，日本三菱创造了多个第一。除第一台日本手掘盾构外，1970年三菱制造了日本最早的泥水盾构，直径 7290mm；1986年制造了马蹄形机械挖掘盾构；1989年为英法海峡隧道提供了2台土压盾构；1991年制造了马蹄形的ECL盾构；1992年为法国里昂高速公路制造了直径为
目录 1、工程概况 (1) 2、加固方案 (1) 2.1建筑物加固 (1) 2.2管线保护 (3) 2.3建筑物拆迁、临迁 (3) 3、加固施工方法 (4) 3.1施工工艺流程 (4) 3.2施工方法 (5) 3.3袖阀管注浆技术保证措施 (8) 3.4特殊情况处理 (8) 3.5袖阀管注浆质量保证措施 (9) 4、监控量测 (10) 4.1房屋监测 (10) 4.2管线监测 (12) 5、施工组织计划 (13) 5.1设备人员计划 (13) 5.2施工计划 (14) 6、质量保证措施 (14) 6.1组织措施 (14) 6.2 技术措施 (15) 7、安全保证措施 (16) 7.1安全生产保证体系 (16) 7.2安全生产责任制 (17) 7.3安全生产制度 (17) 7.4安全技术组织措施 (18) 8、文明施工、环境保护 (18) 8.1环境保护措施 (18) 8.2文明施工措施 (19) 9、安全生产应急预案 (20)
GZH-12标盾构隧道下穿建筑物 加固施工方案 1、工程概况 本标段盾构区间采用德国进口的两台直径8.8米的海瑞克土压平衡盾构机进行施工。盾构区间跨越惠州最繁华的新老城区，隧道穿越东江和地面条件复杂、建（构）筑物和管线分布密集的城区。 盾构区间穿越大量房屋、道路等重要建、构筑物，下穿道路地段管线密集。隧道下穿地段，房屋多为砖房和框架结构，基础形式多为天然基础和桩基础，天然基础埋深多为1~4m，桩基础埋深多为4~15m。 盾构隧道穿越的地层以第三系不同风化程度的含砾砂岩为主，局部存在砾土层和砂层。地下水主要以孔隙水和基岩裂隙水形式，并通过大气降水渗透补给，地下稳定水位埋深1.20~5.60m，略具承压性，水质一般良好。 盾构隧道在掘进过程中，由于围岩可能受到被扰动、破坏、失稳以及地下水流失而导致地表变形、沉降，使建（构）筑物受到影响，甚至破坏。因此，须对沿线建（构）筑物采取加固措施。 2、加固方案 2.1建筑物加固 根据建（构）筑物结构形式与隧道关系，建立完善的变位监控系统，在隧道两侧、房屋基础周边和管线范围布设沉降、倾斜观测点，进行跟踪测量，信息化施工，及时调整盾构施工参数，保持掌子面稳定，减少建筑物变形。同时根据房屋的结构形式及与隧道的关系，制定房屋最大沉降量、沉降差的警戒值和控制值。 盾构隧道开挖影响范围内，在建（构）筑物基础下方布置竖向或斜向袖阀注浆管，进行地表注浆，浆液采用水泥浆，以加固建筑物基础，同时根据量测信