软弱地层地铁盾构综合施工技术研究
所以,并没有被应用到实际的施工中,仅限于理论研究。
在盾构机掘进过程中,姿态控制措施的实现具有一定的滞后效应，也就是说,盾构机推进操作方式的变化与其自身发生线路变化之间存在一个时间上、距离上的滞后。为了防止过大偏离的发生必须进行超前操作,在到达变线区间之前预先对操作方法进行调整,目前,还只是完全凭借操作员的经验来提前发出姿态控制指令,具有很大的任意性,河海大学岩土所谈小龙等在分析盾构法險道施工中盾构机受力情况的基础上,引进盾构机运动力学模型,解释盾构推进姿态参数即△x、△y、△z和Φy、Φp、Φr和盾构载荷参数的相互关系。运动力学模型的实现可通过建立如下式所示的数学方程来实现。
f(f1,f2,f3,f4,?x,?y,?z,?y,?p,?r,t)?0
其中,f1,f2,f3,f4,f5表示盾构机主要受力载荷,分别为盾构机的自重力、盾尾作用力、千斤顶作用力、正面土体阻力、盾构机壳周围土体作用力;△x、△y、△z分别为盾构机在三维空间内运动的各方向上的位移变化;Φy、Φp、Φr分别为水平方向上的偏转角,垂直方向上的俯仰角和自身的回转角;t为时间变量。
计算采用日本长岗大学杉本教授开发的计算软件3DSSPC,预测出盾构机在各个时刻的运动轨迹。通过现场资料实测值与计算值对模型进行了验证,结果表明,实测数据与理论计算值是比较接近和吻合的,反映了模拟的有效性以及计算值的合理性。并应用此模型研究了盾构机行为控制与运动响应之间的滞后效应,得到一些结论,为盾构施工中的姿态控制提供了有意义的依据。 1.2.2 软土地层盾构施工引起地表沉降控制技术研究
在与其他各种隧道施工法相互竞争中,盾构法克服了众多困难,取得了斐然的成绩。英国和其他一些国家在20世纪20年代就开始重视对“在软弱地层中开挖隧道产生地面沉陷和地层变形”问题的研究工作。许多工程技术人员为此进行了大量研究工作,使对地层运动的预测能力,有了一定的发展,积累了不少控制由于盾构施工引起的地表沉降的方法。在城市地铁隧道的兴建中,影响地表沉降的因素很多,地表沉降的大小不仅与隧道的埋深、断面尺寸和施工方法、支护方式有关,而且还受工程地质及水文地质条件的影响。Ghsboussi(1978年)讨论了在隧道工程中用有限元法模拟地层位移的可能性。他在有限元分析中模拟了应力条件、隧道开挖和衬砌设置的各个阶段。计算结果表明,二维平面应变分析是模拟地层
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移动的有效和简单的方法。Ito&Hisake(1979年)171采用有限元法分析了盾构周围地基土的动态特征。他们在前期工作中,用积分方程理论结合有限元法计算了作用于隧道衬砌上的外部压力,并将计算结果与现场量测数据和模型试验结果进行了比较。Ito&HiSake(1982年)用边界元法对弹性和粘弹性地层中浅埋隧道引起的三维地面沉陷进行了分析。他在分析中考虑了掘进速度、开挖面位置、隧道衬砌等的影响。Ghsboussi等(1983年)分别采用了二维和三维有限单元法模拟分析了在二条地下通道上方施工穿越隧道的力学影响,并与实测进行了对比分析。李桂花(1986年)用弹性有限元法模拟施工间隙参数,并总结出经验公式。该公式可以用于估算不同埋深、不同直径、不同间隙参数下距隧道轴线不同水平距离的地面沉陷。同时,利用不同间隙参数又可以模拟不同的沉陷因素的影响,从而可以对地表沉陷进行预估。这是我国学者在盾构隧道施工变形数值分析的较早成果。Lee&Rowe(1990年)提出一种用于模拟施工工序、后续地层位移、隧道开挖面周围及地表的应力状态等对地面沉陷影响的三维弹塑性有限元方法,给出了非线性问题的求解步骤和适合于三维隧道分析的弹塑性土体本构模型。Lee &Rowe(1991年)['31在输水隧道工程中,使用了一种三维弹塑性有限元分析来计算开挖产生的位移,该分析可以模拟隧道盾构的推进和因隧道施工引起的土体损失。Rowe &Lee(1992年)采用地层损失参数反映隧道顶部的垂直位移和软土隧道施工中的地层损失的大小,它是掌子面三维弹塑性变形、盾构机性能、衬砌的几何形状和施工工艺等的函数,正确估算它并利用二维有限元或经验关系可对地层位移规律加以预测。孙钧(1989年)采用粘弹性流变计算方法,按照施工顺序,对在上海地区软土盾构法隧道施工过程中,不同受力阶段的土中应力和接触面上的土压力以及盾构开挖施工的地表沉降次固结问题,进行了有限元数值分析。曾晓清(1995年)采用弹塑性半解析数值法对双线盾构隧道施工过程的地层移动、隧道受力进行了数值模拟分析。Akagi&Komiya(1996年)提出一种新的考虑盾构施工过程有限单元技术用于模拟盾构机的掘进,提出了使用开挖单元的方法。阮林旺(1997年)利用有限元分析软件(Super—SAP)对盾构法隧道施工进行了弹性有限元模拟,探讨了土层性能、隧道埋深等因素相互影响和共同作用的问题。
国内外专家学者对盾构法施工引起地表沉降的研究方法可归纳为:经验公式法、实测数据回归、室内模拟试验、数值模拟法等途径。
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以上几种方法为控制盾构法施工引起的地表沉降做出了很大的贡献,但是在以下几个方面还存在着一些欠缺:
(1)没有或者没有很好地反应开挖过程,由于隧道结构及周围岩土介质的高度非线性,地下结构的开挖问题具有非线性的路径相关性,即随着施工进程的变化,结构的形状也在不断发生变化,与此同时作用在结构上的外荷载也随之改变。在盾构隧道施工中,采用不同的施工方法、不同的开挖步骤、不同的注浆压力将会引起不同程度的地表变形。也就是说只有考虑开挖过程和施工方法才能准确反映隧道施工过程中围岩和结构的应变、应力状态,进而才能准确的预计地表沉降情况。
(2)隧道开挖特别是在软弱围岩地层中进行复杂隧道结构的开挖是非常复杂的三维时空问题,随着数值计算方法的发展和计算机软硬件的高速发展,复杂定解条件问题的处理刁'成为可能,也使得隧道施工过程的动态仿真模拟成为可能,利用计算机三维动态仿真模拟隧道施工过程是我们进一步研究的需要。
(3)由于影响地表沉降的因素很多,施工地区的土质条件以及周边环境等因素都会影响地表沉降,用一个公式概括过于笼统,在以后的研究中应根据场地地质条件以及施工概况对公式进行修正。 1.3研究内容
2 软土地层盾构机姿态控制技术研究
2.1工程概况 2.1.1 工程简述
老关村站～博览中心站区间出老关村站，沿沌口路向北先后下穿三环高架桥、货运铁路箱涵、四新南路立交桥，之后敷设至博览中心站。
老关村站～博览中心站区间右线起点里程 CK6+602.413，终点里程 CK8+063.238，右线长度1460.825m。本盾构区间最小平曲线半径450m，线间距14.7～57m。区间线路纵坡最大为25‰，区间最大埋深约为16.8m，最小埋深为10.1m。
区间左右线总长2915m，隧道采用φ6340mm土压平衡式盾构机施工。管片
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为通用管片，共计1943环。管片内径为5500mm，外径为6200mm，厚度为350mm，环宽为1500mm，通用楔形环，楔形量为40mm（双面楔形）。
区间共设联络通道2处，分别在线路右线CK7+182.500和CK7+465.000处，其中1#联络通道与泵房合建。具体见下图：
图1-1老关村站～博览中心站区间线路示意图 区间隧道采用土压平衡盾构法施工；1号联络通道及泵房采用洞内水平冻结加固，矿山法开挖施工；2号联络通道采用φ800@600三重管旋喷桩加固土体，矿山法开挖施工。 2.1.2 区间主要技术标准
（1）结构设计使用期限为100年。 （2）结构安全等级为一级。 （3）抗震设防烈度为6度。 （4）人防为6级。
（5）混凝土结构允许裂缝开展，控制裂缝宽度≤0.2mm。 （6）区间结构防水等级为二级。
二级防水，即：结构不允许漏水，结构表面可有少量湿渍，总湿渍面积不应大于总防水面积的2/1000；任意100㎡防水面积的湿渍不超过3处，单个湿渍的最大面积不大于0.2㎡；其中隧道工程还要求平均渗水量不大于0.05L/㎡2d，任意100㎡防水面积上的渗漏量不大于0.15L/㎡2d。
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2.1.3 工程主要项目及数量
本车站主要工程项目及数量详见下表：
表1-1 主要工程数量 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 项目名称 单位 数量 1943 2915 1943 8124 96977 1943 1943 2 13876 9099 备注 直径Ф6.2m，厚0.350m，宽度1.5m。 三元乙丙 环聚合物水泥砂浆、环聚氨酯密封胶。 其中1#联络通道采用冷冻法加固 Φ800mm三管旋喷桩 Φ800mm三管旋喷桩 预制钢筋砼管片 环 盾构隧道掘进 管片防水 同步注浆 土方外运 管片嵌缝 手孔封堵 联络通道/泵房 m 环 m3 m3 环 环 座 端头加固（实桩） m 10 端头加固（空桩） m 2.1.4工程特点
1）工程文明施工要求高
本盾构区间始发站在武汉市国际博览中心，会展时交通异常繁忙，文明施工要求高，盾构出土只能在夜间，增加了施工管理难度。
2）高风险工序多
盾构施工高风险工序多：盾构机吊装、龙门吊安装、盾构始发、盾构接收、洞内水平运输、上下井垂直运输、联络通道施工等均为高风险工序。
本隧道区间下穿货运铁路箱涵、三环高架桥、四新高架桥等建（构）筑物，施工时需要制定详细施工方案，严密监测，保证施工安全。 2.1.5重难点工程的分析与对策
1）工程重、难点 （1）盾构始发与接收
始发、到达是盾构施工的关键点，端头地层主要为素填土、粉质粘土、淤泥质土、黏土、粉质黏土夹粉砂等软弱土层，端头加固采用三重管高压旋喷桩，地下水丰富、水位高，安全风险高，盾构始发与接收是盾构施工的重点工程。
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