上海深部特殊地层地铁施工控制技术研究

上海深部特殊地层地铁施工控制技术研究作者：戴志仁，白云，彭芳乐，廖少明，DaiZhiren，BaiYun，PengFangle，LiaoShaoming作者单位：戴志仁,DaiZhiren(同济大学地下建筑与工程系,上海,200092)，白云,彭芳乐,廖少明,BaiYun,PengFangle,LiaoShaoming(同济大学地下建筑与工程系,上海,200092;同济大学,岩土及地下工程教育部重点实验室,上海,200092)刊名：地下空间与工程学报英文刊名：CHINESEJOURNALOFUNDERGROUNDSPACEANDENGINEERING年，卷(期)：2010，06(4)被引用次数：0次参考文献(8条)1.高俊强.胡灿盾构推进和地表沉降的变化关系探讨2005(4)2.黄融上海崇明越江通道长江隧道工程综述(一)-长江隧道工程设计20083.倪平利天津地铁盾构机选型的几点考虑2005(8)4.李俊伟.李丽琴.吕培印复合地层条件下盾构选型的风险分析2007(z1)5.谭忠盛.洪开荣.万姜林.王梦恕软硬不均地层盾构姿态控制及管片防裂损技术2006(12)6.陈叔如何选用土压平衡盾构机施工复合地层2003(2)7.陈俊生.莫海鸿.梁仲元盾构隧道施工阶段管片局部开裂原因初探2006(5)8.伍振志.杨林德.时蓓玲.莫一婷裂缝对隧道管片结构耐久性影响及其模糊评价2007(2)相似文献(5条)1.学位论文陈俊生盾构隧道管片力学行为研究2007本文研究了盾构隧道管片接头、本体及钢筋在施工阶段及正常运营阶段力学行为。盾构法隧道以其独特的优点已在城市隧道施工技术中确立了稳固的统治地位。由此可见，对盾构隧道结构的研究对城市轨道交通建设有极为重要的意义。目前在地铁盾构隧道中，衬砌一般为钢筋混凝土结构，管片的造价占整个隧道造价的40％左右，所以如何在满足管片承载力的条件下又可提高其经济性就成为研究的重点。针对盾构隧道结构的特点，论文在研究并总结了大量前人的研究成果基础上，以广州地铁为背景，对盾构隧道管片纵向接头、管片本体、管片钢筋和钢纤维混凝土管片四大方面进行了研究。在总结前人对接头力学行为研究成果的基础上，考虑接头的螺栓孔、手孔、橡胶止水条、软木衬垫和弯曲螺栓，建立盾构隧道管片纵向接头精细的三维有限元模型，对接头施加不同的荷载组合，研究管片接头的力学行为。有限元数值试验表明管片纵向接头的正、负弯曲刚度主要呈线性性质，接头刚度受接头内力组合的偏心距影响，偏心距越大，接头刚度越大；管片接头承受正弯曲荷载时，裂缝主要出现在手孔端面及螺栓孔，承受负弯曲荷载时，接头不出现裂缝；接头连接螺栓对管片的挤压力随接头荷载组合的偏心距的增大而增大。对管片本体力学行为的研究主要以施工阶段为主，管片环在施工阶段荷载作用下的位移、错台量、应力及裂缝分布是论文研究的关键问题。综合运用室内足尺试验和有限元数值分析两种方法，根据研究问题的不同，建立了包括单块管片、1环管片和1段盾构隧道的有限元模型，分别研究了管片在施工阶段如下六个方面的问题：(1)管片纵缝接头在施工阶段的刚度及验证管片在施工过程中出现的开裂及破损问题是否由接头弯曲荷载导致；(2)管片在理想施工状态下(即管片拼装没有误差、注浆压力分布较均匀且量值在允许范围内、千斤顶顶力没有过大且顶力中心落在管片环缝面中心线上、盾构机推进姿态没有偏差且盾构机轴线与隧道轴线重合)的位移及应力分布；(3)盾构机推进姿态存在偏差导致盾构机盾尾挤压管片时管片的位移状态、应力分布及错台量；(4)施工误差及楔形块对管片环在应力及位移方面的影响；(5)管片在千斤顶顶力下的应力和裂缝分布；(6)管片出现局部开裂原因。通过以上六个方面的研究可知，施工阶段管片接头刚度呈线性变化且量值较小，管片在施工阶段出现的开裂与破损不会在施工状态的正常压弯变形状态下出现；理想施工状态下，管片不会出现裂缝及破损的情况；千斤顶顶力作用阶段是施工阶段管片受力的最不利工况；盾构机姿态偏差引起邻接块环缝面受压时，隧道的整体变形较大，当盾构机挤压管片造成圆环下部标准块环缝面受压时，管片间错台量最大；纵缝拼装误差能造成均匀注浆压力下管片产生不规则变形，造成无规律错台及管片纵缝螺栓孔开裂；在千斤顶顶力作用下，管片的裂缝除分布于螺栓孔和手孔外，主要集中在管片环缝面；总推力过大、管片环面不平整、千斤顶撑靴重心偏位、盾构机姿态控制与曲线段不匹配造成盾尾管片环受盾尾挤压而不规则变形四大因素使管片间产生的相对扭转是造成管片局部裂缝的原因。对管片本体的研究对了解管片内部应力分布情况有重要的作用，也为管片配筋的研究打下坚实基础。管片的配筋形式和配筋量影响管片在施工阶段及正常使用阶段的抗裂性能，也影响盾构区间隧道的造价。在研究管片本体的基础上，利用三维有限元法，对不同阶段及边界条件下管片钢筋应力进行了如下四个方面的研究：(1)管片钢筋在理想施工状态下应力；(2)盾构机推进姿态存在偏差导致盾构机盾尾挤压管片时管片钢筋的应力分布；(3)管片钢筋在千斤顶顶力下的应力分布；(4)管片钢筋在正常使用阶段不同分布形式的土压力荷载作用下的应力分布。通过以上四个方面的研究发现：管片钢筋在短期荷载作用下，各阶段的总体应力水平较低，钢筋处于弹性工作状态；钢筋的存在并未能有效防止管片局部裂缝及破损的出现。综合管片在正常使用阶段和施工阶段的裂缝分布及钢筋应力发现，管片的裂缝及破损多出现在钢筋未能保护的素混凝土部分，钢筋不能有效防止管片局部裂缝及破损的出现，因而推断，在管片混凝土中掺入少量钢纤维，可以提高管片混凝土的抗裂、抗冲击性能。为验证钢纤维掺入对混凝土管片局部力学性能的改善，首先研究单块管片在各种荷载下的力学特性，即应力、裂缝分布及薄弱部分；然后通过修改混凝土材料参数，采用简化的钢纤维混凝土计算方法，初步探讨钢纤维混凝土管片在施工阶段及正常使用阶段的力学特性，即应力、裂缝分布及薄弱部分，并将其与普通混凝土管片对比，研究钢纤维掺入对混凝土管片局部力学性能的改善。研究发现，钢纤维掺入能有效提高管片在施工状态时千斤顶顶力、正常使用状态时螺栓对管片挤压力作用下的初裂荷载和极限荷载，改善混凝土管片局部力学性能。2.学位论文齐福强土压盾构隧道下穿既有铁路工程施工技术研究2008本论文在广泛研究中外文献基础上，借鉴以往成功的工程经验，加以提炼、总结，对隧道下穿既有构筑物(建筑物)这类工程问题所涉及的核心内容、采取的主要技术措施和管理方法等系统化，力求找出一整套解决该类工程问题行之有效的方法。并以北京地铁四号线下穿既有京山铁路区间隧道的工程为研究，着重将盾构下穿既有地铁线这类工程问题，从土压盾构法施工的角度，对既有结构物的动态响应规律、盾构分部开挖的力学特点和施工管理等方面进行深入的研究。文章通过对工程难点和关键点的研究，采用既有铁路线路变位分位控制原理。针对盾构法穿越施工中既有结构变位累计的特点，将整体变位量分解到每个施工步序中，通过加强阶段控制来实现整体控制的目标。变位分配控制方法实际上是集预测变位、规划变位和控制变位于一体的系统工程，它贯穿于整个穿越工程的始终。根据工程特点，设计京山铁路路基的北侧采用高压旋喷注浆施工法加固，能有效控制盾构初始掘进阶段的地表沉降及对京山铁路的影响，从而确保盾构施工的顺利穿越铁路。在盾构施工中，为保证开挖面的稳定、有效的控制地表沉降和确保铁路的安全运行，通过试验段的掘进选定了七个施工管理指标来进行掘进控制管理：①土仓压力；②推进速度；③总推力；④排土量；⑤刀盘转速和扭矩；⑥注浆压力和注浆量；⑦泡沫、泥浆注入量。同时，对既有线进行24小时不间断监测，全部监测数据(数据采集及数据分析)均由计算机管理，日常监测汇报及报警程序根据监测反馈流程图所示流程进行，以确保隧道安全施工与京山铁路安全运营。最后，采用灰色系统理论对地表沉降发展规律进行预测。灰色预测不需要大量的历史数据，系统建模方法是着重挖掘系统行为数据间内在关系的量化方法，是系统输出的单序列建模，可以相对准确地预测地表沉降的未来数值。本文形成了由勘测、预测、监测到对策的一整套隧道穿越既有构筑物的施工管理方法，为类似工程的设计、施工提供了借鉴和方法依据。主要得出如下系列结论：1.纵向地表沉降历程规律分析地表沉降的时空变化过程大致分为以下五个阶段：(1)盾构到达前地表沉降，是由于盾构机掘进引起土体应力状态改变造成；(2)盾构到达时的地表沉降，是由于开挖面上的平衡土压力引起；(3)盾构通过时的地表沉降，是由于盾构与土层之间的摩擦剪切力，以及盾构抬头和叩头引起；(4)盾构通过后脱出盾尾时的地表沉降，是由于建筑空隙和应力释放引起；(5)盾构通过后长期固结沉降，是由于土体受盾构掘进扰动，土体再固结引起的。2.变位分配控制方法尊重客观事物发展的量变与质变的辨证规律，将对既有线变位的控制化整为零，分解到每一施工步序中，从控制量变的角度控制质变，这样作，容易抓住主要矛盾，具有很强的可操作性，同时，避免了风险的积累，使施工过程处于积极、主动的地位。3.采用灰色模型GM(1，1)建模能够很快得到地表沉降量，精确度高，计算结果与实测值非常接近，说明在对地表沉降的预测中，运用灰色理论建模是成功的，是一种较好的预测方法。在对地表沉降的预测中，成功的运用灰色理论建模，可以有效地预防和减少隧道施工所引起的地表沉降及其对周围环境所造成的损害，对地表沉降规律进行正确的分析并由此做出可靠的预计。4.根据实践-认识-实践的原则，将以上各项研究成果应用于北京地铁四号线下穿京山铁路的施工，一方面验证了理论的正确性，另一方面对实际工程起剑指导作用。(1)施工前必须对场区地质条件作到清楚、明确。地下工程隐蔽性很强，因此施工的风险性较大，所以，必须在施工前对可能造成的环境效应有充分的认识。在北京地铁四号线下穿京山铁路的施工中，由于事先对盾构层土体性质认识不充分，使得盾构机到达施工造成的沉降达到6.7mm，约占历史最大沉降量(-16.7mm)的38％，且严重地破坏了土体的结构，致使土体对后续施工扰动敏感。(2)变位分配控制原理对施工引起的环境效应具有规划性和前瞻性，可以使施工处于主动地位，最大限度地规避风险。实践证明，变位分配控制原理可以很好的应用到施工各个阶段，根据各施工阶段对工程的影响及其自身的各种影响因素，对工程的控制技术提出能够满足工程的要求，进而提高工程控制技术。3.学位论文曾华波复合地层土压平衡盾构施工应用技术研究2006盾构法隧道施工技术，尤其是土压平衡盾构施工技术，以其地层适应性强、高度的信息智能化、安全快捷、保持施工周边环境的和谐与统一等特点与优势，在我国大型地下工程开挖中得到了广泛的推广和应用。本文在前人、学者、工程技术人员探索、研究的基础上，结合工程实例，对复合地层大型地下工程开挖土压平衡盾构施工技术进行了系统的研究，并对复合地层盾构改造及土压平衡盾构施工的难点、重点及其对策作了探讨。因此，本文具有一定的学术价值，对水利、能源、交通领域复合地层大型地下工程开挖实践具有一定的参考价值和指导意义。本文主要研究工作：1.阐述广州地区盾构隧道复合地层的工程地质特征。本文结合工程实例，在大量查阅文献及研究资料的基础上，研究分析了复合地层工程地质特征和盾构法隧道施工的难点、重点，提出了施工对策。2.研究盾构机复合地层适应性改造技术。本文提出了复合地层盾构机选型的综合因素，实践中成功地对2台旧盾构机进行复合地层适应性改造，提高了机械重复使用效率，节约了施工成本，安全顺利地完成了全区间的掘进施工。3.验算盾构施工关键参数。对盾构机总推力、扭矩等关键参数进行验算。4.从盾构始发掘进阶段、正常掘进阶段与到站(达)掘进三个主要阶段入手，系统研究了复合地层土压平衡盾构主要的施工工艺。5.研究特殊地段盾构施工技术。本文研究了工程施工中穿越珠江、砂层及建筑基坑三种特殊地段的施工技术。通过上述研究，本文认为复合地层大型地下工程开挖施工情况复杂、困难，但通过盾构机选型、改造和采取其他一系列有效的施工技术措施，复合地层盾构施工安全、快捷、高效的优势可得以充分体现，完全可以实现经济和社会效