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上海地铁二号线盾构法隧道施工技术综述


上海地铁二号线盾构法隧道施工技术综述
摘 要:本文以上海地铁二号线工程为背景,介绍了盾构穿越地面密集建筑物及特殊地下管线等特殊技术

措施,并针对隧道叠交工况提出了地面隆起变形计算公式,给出了隧道叠交穿越时地层移动的数学模型。 关键词:地铁 1 概述 工程概况 盾构 建筑物 隧道 叠交 数学模型

1.1

上海地铁二号线工程圆隧道部分西起中山公园站,东止龙东路站,双线(上、下行)全长 24.122km,共设 12 座车站。全线横贯长宁、静安、黄浦及浦东新区,除浦东东方路以南大都为农田外,其余各段所处的市 政环境为地面交通繁忙、建筑物密集及地下管线错综复杂。尤其是浦西段区间隧道基本在素有“中华第一 街”之称的南京路地下穿越,施工难度很大。地铁二号线的建成,将与地铁一号线及正在建设的明珠一号 线构成上海地上及地下相结合的“申”字型高速有轨交通系统。(详见图 1) 图1 地铁二号线总平面图

地铁二号线各区间隧道均采用盾构法施工, 其中静安寺~石门一路区间段隧道采用上海隧道工程股份有限公 司设计、制造的 F6340mm 加泥式土压平衡盾构;陆家嘴~河南路区间段隧道采用中法联合制造的 F6340mm 土 压平衡盾构;其余各段均采用原地铁一号线使用过并经维修保养的法国 FCB 公司制造的 F6340mm 土压平衡 盾构。 地铁区间隧道包括上行线和下行线各一条,隧道衬砌外径为 F6200mm,内径为 F5500mm,衬砌为预制钢筋混 凝土管片,每环宽度 1000mm,每环由封顶块( F )、邻接块(L1 及 L2)、标准块(B1 及 B2)和落底块(D)6 块 管片拼装而成。除杨高路站~东方路站区间隧道外,两相邻管片的纵向、环向均采用 M30 螺栓连接,管片设 计强度等级为 C50,抗渗为 S8,接缝防水采用水膨胀性橡胶和氯丁橡胶复合而成的弹性密封垫。 1.2 工程地质

地铁二号线区间隧道,沿线主要穿越的地层有:?2 灰色砂质粉土层,易发生流砂;l 灰色淤泥质粉质粘土 层,饱和、流塑,属高压缩性土;m 灰色淤泥质粘土层,饱和、流塑~软塑、夹少量薄层粉砂,属高压缩性 土;n1-1 灰色粘土层,很湿、软塑~可塑、受扰动后沉降大,属高偏中压缩性土;n1-2 灰色粉质粘土层, 很湿、软塑、受扰动后沉降大、局部夹薄层粉砂,属中压缩性土。其中陆家嘴路站~河南路站区间隧道江中 段的土层物理力学性能指标详见表 1。 表1 陆家嘴路站~河南路站区间隧道江中段土层物理力学性能指标

层号 数值类别 含水量 W 天然孔隙比 e 压缩系数 a1-a 压缩模量 E1-a 渗透系数 无侧限抗压强度 qu 十字 板剪切强度 Su 静三轴内聚力 Cu 静止侧压力系数 Kv Kh % MPa-1 MPa cm/s cm/s kPa kPa kPa ?2 灰色砂质粉土 最大 37.8 1.071 0.38 8.82 2.49E-4 1.50E-4 66.0 平均 34.5 0.984 0.28 6.93 ~ ~ 50.4 49.4 0.44 最小 30.5 0.881 0.22 4.99 6.40E-5 4.78E-5 41.6 l 灰色淤泥质粉质粘土 最大 43.3 1.212 0.76 3.72 62.7 42.6 0.51 平均 40.5 1.136 0.63 3.31 43.0 31.6 23.0 0.47 最小 36.8 1.030 0.54 2.97 28.7 20.5 0.42 m 灰色淤泥质粘土 最大 58.9 1.593 1.41 3.31 1.28E-7 1.86E-7 72.1 34.5 32.0 0.58 平均 50.8 1.408 1.07 2.23 ~ ~ 46.6 29.3 30.0 0.56 最小 45.1 1.233 0.67 1.65 3.00E-7 4.20E-7 33.0 25.9 26.0 0.48 n1-1 灰色粘土 最大 43.5 1.267 0.75 4.53 80.0 48.0 53.0 平均 38.6 1.110 0.61 3.37 67.0 42.0 40.0 0.54 最小 34 0.988 0.44 2.76 39.6 36.0 31.0

n1-2 灰色粉质粘土 最大 39.5 1.171 0.74 6.45 1.37E-6 2.90E-6 97.0 76.0 0.56 平均 33.4 0.993 0.45 4.53 ~ ~ 80.7 58.0 0.54 最小 28.6 0.887 0.28 3.27 3.14E-7 1.30E-7 43.9 40.0 0.52 1.3 施工技术难点

地铁二号线区间隧道盾构施工中需穿越很多的密集型地面建筑物、地面交通干道及特殊地下管线,故对环 境的保护要求相当高,简述如下: (1)陆家嘴站~河南路站区间隧道中,盾构与外滩观光隧道同期施工; (2)人民公园站~河南路站区间隧道中,盾构穿越营运中的地铁一号线; (3)杨高路站~东方路站区间隧道中,盾构穿越上游引水箱涵; (4)静安寺站~石门一路站区间隧道中,盾构穿越名城广场地下室; (5)陆家嘴路站~河南路站区间隧道中,盾构穿越全断面粉砂层; 1.4 科研项目开发及推广应用 (1)隧道叠交施工的相互影响理论及施工工艺研究;(陆家嘴路站~河南路站区间隧道) (2)盾构法隧道施工专家系统的推广应用。(杨高路站~东方路站、静安寺站~江苏路站、人民公园站 ~河南路站、陆家嘴站~河南路站等区间隧道) 针对上述区间隧道施工中所遇到的有关技术难点,采取了相应技术措施,具体如下。 2 短期隧道叠交施工技术 简况

2.1

陆家嘴~河南路区间隧道施工中,在浦西防汛墙底下地铁二号线与外滩观光隧道成 51°21’斜交,上、下 行线隧道顶部与其净距分别为 1.57m 及 2.18m(详见图 2),形成三条隧道叠交穿越工况。施工先后顺序为 地铁二号线上行线、地铁二号线下行线、外滩观光隧道。

图2

地铁二号线与外滩观光隧道位置示意图

外滩观光隧道工程东起东方明珠电视塔西侧的浦东出入口竖井,西至南京路外滩(陈毅塑像北侧)绿化带内 的浦西出入口竖井,全长 646.70m。隧道外径 F7.48m,内径 F6.76m,采用 φ7650mm 铰接式土压平衡盾构 施工。 地铁二号线隧道与外滩观光隧道施工时间间隔仅三个月左右,隧道尚处于非稳定状态。由于土体的不稳定, 必将产生相互影响,这是盾构施工需要研究的新课题。为此,进行室内模拟实验并建立了数学模型,以指 导实际施工。 2.2 2.2.1 2.2.1.1 动态隧道叠交室内实验及数据分析 室内实验 总体设计

实验模拟装置根据实际隧道的尺寸及标高,按 1:48 比例缩小,地铁隧道和观光隧道分别采用 f133mm 和 f159mm 的无缝钢管模拟,土槽尺寸为: 1400mm?1200mm?820mm(长?宽?高)。 微型盾构掘进器配备两台以调速马达为动力的减速器。其中一台驱动丝杠使盾构在土体中推进,另一台带 动刀盘切削土体。实验时可调整推进速度、刀盘转速模拟盾构工作状态。 2.2.1.2 沉降监测点布置(详见图 3)

图3

沉降监测点布置图

2.2.2 2.2.2 1 ⑴

实验分析 地面沉降

横向沉降槽

图4

观光隧道沉降槽变化图

上图是地铁二号线上行行线推进完毕,观光隧道穿越后的实际沉降槽形状,其沉降槽是前两条隧道所产生 的沉降矢量叠加所致。由于土体本身所具“骨架”效应,前二条隧道施工所引起的隆沉会对当前隧道施工 起到互补作用,其显示出沉降槽的不对称性。 ⑵ 图5 纵向沉降槽 观光隧道掘进时的纵向沉降槽曲线图

和单条隧道相似,随着盾构的掘进,地面沉降的最大变化点不断向前推移。曲线的形态也逐渐趋于稳定。 这说明隧道叠交的掘进所引起的土体扰动,对沉降曲线的形态和性质影响不大。 2.2.2 2 图6 土体压力

观光隧道穿越叠交点时地铁二号线上行线隧道压力变化图

当隧道穿越叠交点时,原来隧道的压力会显著降低,然后逐步恢复,但压力无法达到原先的压力值。 2.3 2.3.1 叠交隧道地层移动的数学模型 派克公式

横向分布的地面沉降公式 (1) 式中 为隧道单位长度地层损失量,沉降槽宽度系数 由克洛夫—斯密特公式

确定,其中: —隧道半径, 2.3.2 隧道“反弹”公式

—地面至隧道中心距离

图7

隧道“反弹”变形

将隧道简化成弹性介质中的半无限长梁。设隧道原处在稳定的平衡状态,故“反弹”运动时只需考虑 失去的土重(提升力)、弹性抗力和惯性力的作用。由此建立隧道运动微分方程和定解条件,求得隧道“反 弹”公式如下: (2) 上式中, 时取“+”号, 时取“-”号。 — 隧道运动方程的本征值,由现场测试分析取得(1 /s) (1/m) — 下方隧道半径(m) —隧道上方掘去的土重(kN) — 土的重度(kN/ m3) — 叠交段上方隧道被掘去的土的体积(m3) — 下方隧道的抗弯刚度(kN/ m2) — 单位体积隧道重量(kN /m3) — 隧道横截面面积(m2) — 重力加速度(m/s2) — 土抗力系数(kN/ m3) — 时间(天) 可见, 随着 和 的增加而迅速衰减, 。 可见, 随着 和 的增加而迅速衰减, 。根据上述公式和实际情况,算得地铁二号线下行线(与观光隧道 叠交处)的反弹曲线如图 8,最大值 3.8 mm 。

图8

地铁二号线下行线(与观光隧道叠交处)的反弹曲线

2.3.3

地面隆起变形公式

设地层为半无限大弹性体,且变形时体积不变。于是,根据弹性力学基本方程和隧道“反弹”变形公式, 可得到如下地面隆起变形公式 (3) — 隧道“反弹”变形(m) — 土层泊松比 — 隧道轴线到地面的高度(m) — 地面上一点到隧道纵向对称面的距离(m) 2.4 整体数学模型

坐标旋转变换公式 (4) 坐标平移变换公式 (5) 把式 4 和式 5 分别代入式 1、式 2 及式 3,将得到各盾构隧道引起的地面沉降 ( 1,2,3)和隆起 ( 1, 2)。于是,盾构叠交隧道地层移动的公式为: (6) 向上为正,反之为负。 将地层中的某点( , , )或某直线 ( , , 为直线的方向数; , , 为某已知点的坐标)代入 上式可求得该点或该直线上的位移。 2.3.4 数值结果

根据上述公式可计算地层移动。主要参数取值如下:土比重 =16.9 KN/m3,土抗力系数(算术平均)K=7350 KN/m3,泊松比 μ=0.35;混凝土比重 ρ=24.5 KN/m3,弹性模量 EC=3.5×107 KN/m2;地铁隧道盾构外径 6.34 m,观光隧道盾构外径 7.65 m,内外径之比等于 0.87,各隧道轴线到地面的高度 根据实际情况而变; 最终的土体损失率取 0.15%;隧道运动方程的本征值(由现场测试分析取得) 1/s。

经过计算处理得到:由地铁二号线和观光隧道引起的地层最大移动为下沉 4.4 mm; 2.4 2.4.1 2.4.1.1 主要施工技术 一般施工技术 严格控制盾构正面土压力

观光隧道盾构开口率为 63%(地铁盾构为 35%)。因此,在设定土压力时接近主动土压力,并通过地 面测量的及时反馈来调整土压力。 2.4.1.2 严格控制盾构姿态

合理控制盾构在穿越阶段掘进时的纠偏量,减少纠偏对土体的扰动,禁止超、欠挖。 2.4.2 2.4.2.1 辅助施工技术 地基加固

在整个施工过程中,对二号线上下行线底部进行加固,使其能够承受观光隧道盾构进入时的压力及盾构向 下的侧向分力对上下行线的影响, 2.4.2.2 盾尾注浆

盾构穿越过程中及时注浆并加固脱出盾尾 4 环后的管片上部,通过注浆使其固结,从而克服观光隧道上浮 而引起的地铁隧道上部负载不够造成的地铁隧道上浮。 当观光隧道上部有一定的承受力后,利用注浆加固以克服地铁隧道的上浮情况,使其受扰动的土体得到改

良以增加承载力。 2.4.2.3 外滩观光台、地铁二号线的沉降监测

根据外滩观光平台的实际情况,分别布置沉降监测点(详见图 9)。

图9

外滩观光平台沉降监测点布置图

盾构施工过程中, 依据沉降监测数据, 及时优化调整各类施工参数, 最终将观光平台沉降控制在 30mm 以内。 (如图 10)

图 10

观光平台沉降曲线图

地铁二号线的沉降量量控制在 3mm 以内。(如图 11)

图 11

地铁二号线沉降曲线图

2.5

科研项目的应用效果

此区间隧道施工过程中,结合实际开发了“隧道叠交施工的相互影响理论及施工工艺研究”科研项目, 综 合研究了盾构掘进施工技术,同时建立了盾构隧道叠交地层移动的数学模型,加强了施工监测,提高了施 工质量,缩短了施工工期,保护了观光隧道、防汛墙及地下管线等,取得了显著的社会、环境效益。 3 动载条件下穿越地铁一号线施工技术 简况

3.1

人民公园站~河南路站区间隧道施工中,盾构出洞段将需穿越营运中的地铁一号线区间隧道。盾构出洞后仅 12m 距离与地铁一号线隧道呈 85°斜交,且一号线隧道底部与二号线隧道顶部间距仅为 1 m 隧道埋深达 17.5m。(详见下图 12-1、图 12-2)

图 12-1 盾构穿越地铁一号线示意图(剖面) 3.1.1

图 12-2 盾构穿越地铁一号线示意图(平面)

地铁一号线隧道在二号线车站建造过程中已下沉 12mm,其累计沉降量不能超过 15mm,为此,盾构

穿越一号线隧道时沉降必须控制在 3mm 以内; 3.1.2 地铁一号线隧道底部已采用多种方法进行加固,有双液浆、聚胺脂、旋喷注浆以及分层注浆等,其

浆液呈非均匀分布状,导致盾构掘进时对隧道轴线的控制产生不稳定的因素; 3.1.3 盾构出洞后即进入加固区,并受邻边商业建筑物以及地铁一号线隧道的影响,增加了施工参数准确

设定的难度。 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.2.1 主要施工技术 优化洞门混凝土吊除方案,缩短作业时间,减少正面土体的流失量。 施工参数优化 土压力设定

p=rhtg2(45°-F/2) r?土的重度 17.5kN/m3 h?管道埋深(至隧道中心,取 17.5m) F?土的内摩擦角取 7.50 p?1.75×17.5×tg2(450-7.50/2)=0.236MPa 考虑到盾构出洞时,沿轴线纵向 6m 范围内采用深层搅拌桩已对土体进行了加固(加固强度达到 0.7~ 0.8MPa),因此出洞时的土压力设定为 0.23 MPa。

3.2.2.2

出土量控制 (理论计算)

v =(1/4)pD2×1

=1/4×3.14×6.342×1=31.55m3 出土量控制在理论值的 95%左右,即 v=31.55×95%=30 m3/环,保证盾构切口上方土体能微量隆起,以减 小土体的后期沉降量。 3.2.2.3 掘进速度控制

掘进速度控制在 1cm/min。确保盾构比较匀速地穿越加固区,同时保证刀盘对加固土体进行充分切削。 3.2.3 3.2.4 加注发泡剂或水等润滑剂,减小刀盘所受扭矩,同时降低总推力。 加强对地铁一号线的监测,确保及时优化调整掘进施工的参数,真正做到信息化动态的施工管理。

采用高精度的连通管自动监测的方法,对地铁一号线隧道作加密监测。利用连通管对隧道的垂直变形作自 动连续监测, 10 分钟提供一组数据, 每 并及时反馈到施工人员。 另外, 为监测地铁一号线隧道的径向变形, 在上、下行线隧道内各装置了一个巴塞特-收敛系统量测环。每个环布置 10 组测点,其具有高分辨率、高 精度(0.02mm)等优点。 3.2.5 合理控制注浆量,控制地铁一号线隧道以及地面的沉降。

盾构穿越施工过程中,根据连通管、巴塞特-收敛系统量测环监控数据及时调整每推 15cm 同步注浆量。由 于同步注浆所采用的单液惰性浆液易产生泌水和离隙,从而引起一号线隧道下沉以及二号线隧道上浮,且 管片拼装时盾构后退也会引起一号线隧道下沉。为此,将盾尾脱出时该环沉降控制在 3.5mm 左右。 在此基础上,及时监控后阶段隧道沉降的变化情况,以补注双液浆加固。 4 穿越特殊管线及地下建筑施工技术 穿越上游引水箱涵 在杨高路站~东方路站区间隧道施工中,出洞段盾构穿越 6.2m 加固区后,即需穿越上游引水箱涵,箱 涵为上海市自来供水管道。该箱涵距洞门约 20m,其位于隧道上方,与隧道基本正交,箱涵底板距盾构顶 的净距是 2.2m(详见图 13)。 图 13 盾构穿越上游引水箱涵示意图

4.1

当盾构切口脱离加固域进入原状土时,掘进时引起的地层变形已开始逐渐影响上游引水箱涵。为保护 箱涵的正常运行,在盾构到达箱涵前、穿越箱涵时和盾尾脱离箱涵后的整个过程中,必须精心施工,严格 控制地层变形,运用信息化施工,对盾构掘进时的各类施工参数进行动态管理. 4.1.1 4.1.1.1 图 14 盾构到达箱涵前施工阶段 局部暴露箱涵结构,施工跟踪注浆管,同时布置沉降监测点(详见图 14)

箱涵沉降测点布置图

挖样洞找出箱涵二侧的上边线,确定箱涵的正确位置,并找出箱涵相邻两段间的变形缝,然后以 1:1 放坡 开挖沟槽(即观察槽)以暴露变形缝。以箱涵上边线为基准,向两侧各布设 2 排共 4 排注浆管。另外,在 此两排注浆管外侧各布置一排斜管。 4.1.1.2 摸索出各类施工参数的最佳设定值

根据地面上的高精度水准测量、连通管和分层沉降监测信息的反馈及时调整土压设定值和出土量,采用均 衡施工的制度使盾构较匀速地向前掘进以减少对土体的扰动, 并在这一段时期的施工中摸索出了掘进速率、 出土量、注浆量和地层变形的相互关系。当盾尾全部脱离加固区域后,同步注浆趋于正常,根据各种监测 数据,制定出不同的注浆量。 4.1.2 盾构穿越箱涵段施工阶段

当盾构切口到达箱涵前 1 至 2 环时,开始进入穿越箱涵施工阶段。分两个阶段控制不同的参数。 4.1.2.1 4.1.2.2 盾构到达箱涵前 1~2 环至盾尾全部进入箱涵,此时,以设定土压力值和出土量来控制推进; 自盾尾进入箱涵至全部脱离,此时,既要控制设定土压力值和出土量,又要控制同步注浆量及地

面跟踪注浆量。 根据施工的实际结果,盾构在穿越箱涵的整个过程中都保持了较好的姿态。各类监测结果反映,在此过程 中箱涵的沉降量控制在+8.5mm 以下。 4.1.3 盾尾脱离箱涵后的施工阶段

当盾构掘进至 33 环后,盾尾全部脱离箱涵。 4.1.3.1 严格控制掘进速度和同步注浆量, 使盾尾脱离箱涵时箱涵没有因为建筑间隙未能得到及时充填而

发生突然下沉。 4.1.3.2 严格控制箱涵后期沉降量。随着盾构逐渐远离箱涵,掘进时扰动土体对其影响也越来越小,为了

减缓箱涵的后期沉降速率并使其后期沉降量减至最小,在箱涵两侧第 18 环和第 35 环除封顶块以外的管片 注浆孔中注入双液浆使其形成两道环箍,对箱涵下部土体向两侧位移起到了抑制作用。由于 35 环距离箱涵 比较近,为减少注浆时压力波动对其产生影响,故在此采用速凝双液浆,而在 35 环处则采用缓凝双液浆增 加其流动性以形成较好的环箍。 4.2 穿越名城广场地下室 在静安寺~石门一路区间段隧道施工中,盾构需穿越名城广场地下室。盾构顶距地下室底板仅 1.9m。 ( 图 15 盾构穿越名城广场地下室示意图

施工过程中,主要采用的技术措施如下: 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 主要施工参数控制 土压力:原则上根据理论计算值,实际施工中根据地板沉降情况作及时调整。 掘进速度:一般控制在 15~20mm/min。采用中低速掘进,可以使土体将盾构掘进所产生的应力充

分释放,避免产生由于掘进应力过大或过于集中,而对地下室地板造成破坏。 4.2.1.3 4.2.2 出土量:一般控制在理论出土量的 98%。 盾构姿态控制

盾构在穿越地下室前,根据地面测试资料,及时调整了盾构姿态,使其以最佳的姿态进入地下室。进 入后盾构保持平稳推进,减少纠偏,减少对正面土体的扰动。 平面:控制在±30mm 之内。 高程:考虑到覆土较浅,盾构在穿越时高程控制在-50mm 左右。这样也可以减少由于浅覆土使盾构上 抛带来的影响。 4.2.3 通讯联络

盾构穿越期间,由专职人员昼夜对地下室监测,观察结构变形情况,并将监测信息及时反馈给施工人 员,及时调整与控制盾构穿越过程中施工参数,使盾构施工对地下室结构影响降到最低。 4.2.4 沉降控制

沉降控制分为两方面:盾构切口前的沉降,由土压力及掘进速度控制;盾尾后的沉降,由同步注浆及 壁后注浆控制。 盾构穿越过程中,在同步注浆和壁后注浆之后,利用车库底板预留的 30 根注浆管进行跟踪注浆。通过 跟踪注浆进一步充填、密实了周围土体,有效地控制了隧道上浮,同时将地下室底板的最终沉降控制在 4mm 以内。 5 盾构穿越全断面粉砂土层 难点

5.1

陆家嘴路站~河南路站盾构进入黄浦江前,先穿越 100 米的全断面粉砂土,粉砂土含水量大,极易液化,盾 构穿越后隧道周围的土体很不稳定,盾尾几乎直接受水压力的作用,很容易发生盾尾漏水、漏砂等情况。 5.2 5.2.1 主要技术措施 施工参数优化

5.2.1.1

掘进速度

在全断面粉砂土中掘进,大刀盘所受扭矩及推力大大增加,所以盾构掘进速度控制在 20mm/min。 5.2.1.2 同步注浆量的控制

在粉砂土中施工时,由于粉砂土中空隙较大,同步注浆压注量比一般土层要多,在施工中压注 250%的建 筑空隙;成功地把地面变形控制在 8mm 以内。 5.2.1.3 5.2.2 盾构掘进时轴线纠偏量不得大于 0.2%,同时保证盾构连续施工。 土体改良

粉砂土土体虽然含水量大,但一经挤压,水分流失,粉砂土就变得结实,土仓进土困难,掘进时大刀盘油 压急剧增大,为改善大刀盘传动轴承在刀盘转动过程中所受的扭矩,采用在刀盘正面和土仓内加注泡沫来 降低土体强度,有利于降低大刀盘油压。 5.2.2.1 泡沫加注的压力控制

加泡沫压力与加泡沫效果有密切关系, 并且与土压力值相关。 在穿越全断面粉砂土时, 土压力设定为 0.3MPa, 加泡沫压力小于 0.3MPa 时,加入泡沫效果不明显;当加入泡沫压力在 0.35 MPa ~0.4 MPa 时,泡沫量达 到理想状态。 5.2.2.2 加注泡沫量的控制

刀盘油压的高低与加注泡沫量的多少有着密切关系。泡沫在粉砂土中的注入量与刀盘油压的变化关系见图 16,为盾构穿越此类土层提供了更有力的理论依据。 图 16 泡沫量与刀盘油压变化关系图

经实际使用可知,在不加泡沫的情况下刀盘油压达到 18 MPa ;随着加入泡沫量的增加,刀盘油压会随着降 低;但泡沫量到达 1400~1500l/环后,刀盘油压就不再变化。 5.3 聚胺脂隔水

粉砂土含水量大,透水性好;而粉砂土的位置又处于防汛墙旁,为防止黄浦江江水透过粉砂土进入盾构内, 采取了压注聚胺脂来切断江水的通道。当盾构一进入全断面粉砂土,就开始在盾尾后 3 环位置通过管片注 浆孔压注聚胺脂形成隔水环箍,每 3 环压注聚胺脂 400kg。这样,在粉砂土中盾构总是被聚胺脂包围,消 除了江水侵入盾构的后患。 6 “盾构法隧道施工专家系统”在盾构掘进中的运用 系统简介

6.1

盾构作为一种先进、可靠、方便的地下施工机具,至今已在众多工程建设中得以广泛使用。 盾构施工引起的地面沉降、隧道轴线控制及其施工过程中的参数咨询始终是一个较为复杂的问题。不仅在 于其本身的非线性、时效性、多变量等特点,还在于各种因素之间的相互干扰,所有这些因素都导致了它 的不确定性。 “盾构法隧道施工专家系统”模拟隧道专家的逻辑思维活动,能以一个准专家的水准处理隧道领域的工作 问题。系统在归纳总结国内外隧道盾构施工的理论研究、工程实践的基础上,形成相关知识源,结合计算 机原理,运用数据库、神经网络及模糊控制理论等研制开发。 6.2 6.2.1 系统运用 实时预测地面沉降

系统利用神经网络理论,根据已成环隧道施工时所设定的各类施工参数、地面沉降控制效果等有关信息资 料,建立系统模型,实时预测现阶段或下阶段盾构掘进可能产生的地面沉降量。同时,每隔一段时间系统 将根据最近采集的施工数据校正模型。 从应用效果看,系统预测值曲线及实测值曲线形态完全一致。(详见图 17) 图 17 75 环推进结束后纵向沉降实测/预测曲线图(静安寺~江苏路区间隧道)

6.2.2

优化施工参数匹配

系统针对某一特定工程,运用数据库,建立包括施工控制参数和地面沉降参数在内的实测数据库,并通过 对输入数据的自动校核、滤波、平滑和外推(预测),对施工参数进行正交分析,利用已有若干环数据, 建立各类施工参数与地面沉降间的关系。 系统应用过程中,可排除各因子之间的相互干扰,根据当前地面沉降量和沉降速率,在一定的参数控制范 围内寻找各参数之间的最佳匹配。 就土压力及注浆量二施工参数,从预、实测数据的差值和曲线图的吻合情况来看,系统预测值有较强的准 确性、实用性,对盾构施工有很好的指导和辅助作用。(详见图 18、19) 图 18 200~250 环土压力实测/预测曲线图(静安寺~江苏路区间隧道)

图 19 200~250 环注浆量实测/预测曲线图(静安寺~江苏路区间隧道) 6.2.3 采用模糊自适应方案,提高轴线控制精度

隧道轴线控制主要通过模糊控制的方法,使隧道实际轴线与设计轴线相吻合。隧道施工中盾构轴线的控制 好坏是评定一条隧道质量的主要因素。为此,在系统原有的基础上完善了轴线控制技术内容:①盾构区域 油压的设定;②在管片不同部位粘贴不同厚度的楔子;③采用模糊适应方案控制隧道轴线精度。 施工过程中使用“专家系统”对区域油压的预测数据基本指导了实际油压值的设定,从隧道轴线控制情况 来看(详见图 20),专家系统所预测的区域油压值对隧道轴线控制效果较为理想,实用性较强。 图 20 1~300 环轴线偏差曲线图(静安寺~江苏路区间隧道)

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国产盾构在实际中的运用 在静安寺~江苏路区间段隧道施工中,首次采用国产加压式土压平衡盾构,该盾构由上海隧道工程股份

有限公司研究、设计及制造。盾构外径 F6340mm,长度为 7970mm。 7.1 7.1.1 图 21 盾构简介 盾构构造(详见图 21) 盾构构造示意图

7.1.2 盾构主要技术参数(表 2)

表2

盾构主要技术参数表

主机 外径 F6340mm 长度 7970mm 重量 2.12?105 KN 刀盘系统 开口率 30% 螺旋机系统 出土量 190m3/h 转速 0.78rpm 最大转速 15rpm 最大扭矩 5.1?103KNm 最大扭矩 45KNm 拼装机系统 转速 1.44 rpm 掘进系统 总推力 3.3?104KN 掘进速度 4.5cm/min 回转范围 ±200° 千斤顶 长行程 1860mm(3 台) 起重能力 5?104N 短行程 1200mm(19 台) 加泥系统 额定流量 10m3/h 注浆系统 一次压注量 7.85?10-3 m3/次 最大压力 1.2MPa 最大压力 2.5MPa 压注点 12 点 压注点 6 点 7.2 路段工况 静安寺~江苏路区间段隧道全长 1161m,期间穿越华山路、乌鲁木齐路、南京西路及镇宁路。隧道最小 平面曲线半径为 R499.851m,最大坡度 2%。盾构主要穿越的地层为:灰色淤泥质粉质粘土、灰色淤泥质粘 土、灰色粘土。 7.3 7.3.1 盾构各系统运用情况 液压系统

盾构采用 2 台掘进泵,其中一台流量调定在掘进速度 4.5cm/min(22 台千斤顶),另一台用于管片拼 装(流量调定较高),以缩短千斤顶伸缩时间,提高拼装速度。另外,刀盘扭矩较法国 FCB 盾构大一倍, 盾构易于切削沿线加固区。 7.3.2 集中润滑系统

首次采用机械压注油脂法,有效低档了外部泥水侵入刀盘密封圈,确保刀盘正常工作。另外,系统采 用 1#锂基脂代替进口油脂(CONET),其效果相当,但降低了成本。 7.3.3 盾尾油脂系统

油脂管路布置至管片接缝处,有效阻止了浆液从接缝内窜入盾尾,提高了盾尾密封性能。 7.3.4 同步注浆系统

同步注浆管路设计欠合理,弯头设置偏多,易形成浆管堵塞。 7.3.5 拼装系统

两提升、平移导向管平行度不高,且无微调装置,导致拼装过程不平稳,易损坏管片。 7.4 盾构运用总体评述 盾构设计符合施工要求,盾构性能良好,操作简便,平均日掘进速度达到 8 环,同时将隧道轴线(平 面、高程)有效控制在±50mm 以内,地面沉降控制在+10mm~-30mm 以内。 8 结束语

通过贯彻科学管理模式(均衡施工等)、开发科研项目(“盾构隧道施工专家系统” 及“盾构法隧道施工 专家系统”等)、应用先进技术(盾构发泡装置改良土体等)、坚持理论指导实践(理论计算及模拟实验 等)、实施现场精心施工(信息化动态施工管理等)等一系列综合措施,确保盾构顺利穿越了上游引水箱 涵、、名城广场地下室、南京路密集建筑群及地下管线等建筑物及地下管线,避免了沉降过大带来的严重 后果,进一步完善了盾构法隧道施工技术,产生了显著的社会效益和经济效益。同时,有效地将盾构日掘 进速度提高到 8 米/天(其中过江段日掘进速度达 14 米/天)。 另外,通过地铁二号线的盾构施工,明显可以看到:随着市政建设的日益发展,城市地下空间的不断开发, 今后隧道叠交穿越将成为盾构法隧道施工的一大主题,其施工技术还有待于更深入的探讨。


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