隧道构筑物微扰动技术

第九章盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制技术9.1概述9.2盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则9.3盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系9.4盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法9.5盾构施工照片9.6工程实例——轨道交通10号线下穿越虹桥机场飞行区工程城市地下空间的大规模开发利用地铁、铁路路网以及市政、高速公路路网等的大规模建设穿越重要地带的地下穿越工程大量出现正面土压力控制切口水平纠偏控制推进速度控制铰接控制切口竖向纠偏控制盾壳摩阻力控制盾构纠偏背部扰动控制盾尾竖向纠偏控制盾尾水平纠偏控制基底反压注浆控制拱顶补强注浆控制盾尾同步注浆控制总推力控制2#线运营隧道城市地下工程下穿越的现状——穿越需求9.1概述城市地下工程下穿越的现状——技术需求◆超近间距/交叉穿越◆城市密集建构筑物群中施工◆城市生命线及机场飞行区的高风险穿越面临的技术难题：净间距、空间立体交叉高风险穿越9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍郑开快速路下穿京港澳高速公路部分采用超大断面斜穿越顶进技术，该工程具有：大断面、超薄覆土、斜穿越的特点。◆大断面：箱涵宽23.4米、高9.3米，顶板和侧壁厚1.3米、底板厚1.4米。◆超薄覆土：上覆高速公路平均厚度2m，最薄处仅有1.3m。◆斜穿越：箱涵轴线与高速公路斜交夹角114.228度。技术措施：◆箱涵分三节，分别为17m、18m、17m，采用中继间法预制顶进施工；◆路面土体采用大管棚支护、钢网格刃脚分割土体支护技术，稳固掌子面。施工现场通车运行9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍上海世博电力电缆隧道与轨道交通交叉情况9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍虹桥机场周边轨道交通原规划图根据虹桥综合枢纽交通枢纽的总体规划方案，规划引入六条轨道交通线路：2号线、5号线、10号线、13号线、青浦线和磁浮虹桥浦东连接段，其中2号线、10号线从机场飞行区穿越，现已顺利完成穿越。虹桥机场周边道路系统规划图9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍虹桥机场地下穿越工程现规划图10号线线路优化：穿越机场跑道段线路均采用直线，以减少因曲线施工导致的土体损失。2号线线路优化：1号工作井原位于机场西侧新建滑行道内，妨碍新建滑行道的施工，现移至土坪区内。9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍上海市轨道交通10号线15标空港一路站～虹桥枢纽东站区间隧道是上海市重点工程，单线长度为1826m，整个区间设有联络通道一座。本工程采用二台土压平衡盾构从空港一路站始发，先后穿越运行中及建设中的停机坪、飞机滑行道、主跑道及航站楼，最后到达虹桥东站。9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍穿越机场主跑道在国内无先例可循，施工难度极大，因此对盾构推进段按区域进行划分，把整个盾构穿越主跑道划分为四个施工控制阶段，即试验段、穿越前控制段、穿越段和穿越后控制段。9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例介绍9.1概述城市地下工程下穿越的现状——国内外相关案例汇总下穿越案例主要土层信息穿越工法备注台北松山机场市政道路穿越工程内摩擦角在30°左右；不排水剪强度26-38kPa明挖法+管幕箱涵的组合工法103.5m的管幕穿越跑道，滑行道采用盖挖法施工。台北松山机场捷运系统穿越工程同上。盾构法施工长度2950m，盾构外径6m，埋深24m。北京首都机场L滑行道穿越工程主要为粉土以及粉质粘土。管棚箱涵法穿越长度142m，分节顶进，从两端分别顶进。虹桥机场（仙霞路、2，10号线）④层灰色淤泥质粘土，⑤层粉土及粉质粘土盾构法仙霞路盾构直径为11.36m，最浅覆土为9m。郑开大道下穿越高速公路工程砂质粉土，粉质粘土管棚箱涵法结构斜穿高速路，穿越长度52m，分节顶进。上海中环线下穿越工程③灰色淤泥质粉质粘土，④灰色淤泥质粘土管幕箱涵法穿越长度126m，结构为矩形，7.85m×34m。北京首都机场（在建穿越工程）主要为粉土以及粉质粘土。管幕法穿越长度115m，结构为矩形，采用分区开挖。港珠澳大桥拱北隧道工程淤泥土、粘土及含淤泥的中、细砂层。管幕法穿越长度220m，结构近似为马蹄型20.8m×18.7m。港珠澳大桥拱北隧道:管幕法仙霞路隧道:盾构法平面图纵剖面上海中环线:管幕箱涵工法郑开大道工程:管棚箱涵法北京首都机场:管棚箱涵法北京首都机场:管棚箱涵法虹桥机场:盾构法9.1概述9.2盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则9.2.1盾构穿越对土体的扰动◆岩土体应力状态的改变①②③④①②45hvvhc(kPa)(kPa)剪切线c=0②④①③盾构推进前方土体分区图和土体扰动区对应的摩尔圆图基坑开挖中的应力状态和典型应力路径9.2盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则9.2.1盾构穿越对土体的扰动◆孔隙水压力的改变u(kPa)观测断面位置向观测断面方向远离观测断面方向No.60No.48盾构工作面与观测断面间的距离(m)观测点位置0.5m1.0m806040200806020040No.60No.80-8.4055kPa11.2-5.6-2.82.85.68.4◆开挖扰动土体孔隙比变化9.2盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则9.2.1盾构穿越对土体的扰动◆本构关系的变化砂土的主应力差~应变曲线9.2盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则9.2.2工程岩土体的复杂性◆复杂的自然特性◆复杂的力学特性◆复杂的环境◆施工过程中复杂的物质、能量交换9.2盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则9.2.3微扰动施工力学的基本原则◆应采用新的微扰动施工方法；◆尽可能少扰动工程周围地层；◆并强调基于现场监测的信息化动态施工反馈技术的应用；◆开展新的理论方法研究，提高工程行为的预测手段和预测精确度。√技术可行√经济合理√对环境影响尽可能小目的将技术、经济、环境三者结合的，实现隧道及地下工程的可持续发展9.3盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系盾构施工扰动指标体系的可分为三大类，如下：9.3盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系9.3.1建（构）筑物扰动指标体系隧道施工对建筑物的影响方式：◆地表不均匀沉降(倾斜)◆地表曲率◆地表水平变形隧道施工引起建筑物损害分类与程度：◆外观损害：影响建筑物外表，包括倾斜和裂缝◆功能损害：即影响结构的使用及其功能的实现◆结构损害：即影响稳定性和安全性9.3盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系9.3.2土体扰动指标体系土体受施工扰动的主要影响因素有：①应力状态的改变；②含水量及孔隙比的变化；③土体结构性部分破坏；④化学成分分离与混合；⑤土体成分分离与混合；⑥土体压密状态或固结状态的改变；⑦其它参数的改变，如压缩系数、压缩模量、黄土的湿陷性参数等。9.3盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系9.3.3盾构穿越既有建（构）筑物扰动指标体系相对于建筑物的既有变形，因临近施工引起的变形是变形增量。考虑建筑既有变形的建筑物变形控制标准并不直接用于控制已有变形，而是基于既有变形发展而来，用于控制变形增量。ITA（国际隧道协会）定义：建筑物变形发展全过程示意图倾斜总量mm/m扭曲总量rad/m倾斜增量mm/m扭曲增量rad/m204E-212E-39.4盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法引言施工扰动控制是建立在对工程岩土性质的认知、扰动预测、扰动监测数据及控制指标的基础上的。通过提出建筑物的空间变形控制指标及建筑物变形的增量与总量双控控制标准，建立砌体建筑物盾构穿越的控制指标体系。通过对盾构穿越全过程的分析，认为穿越施工控制应分五步进行，包括确定建筑物的损害等级、确定建筑物的容许变形值、制定相应的加固措施并实施、施工过程监测、控制措施效果评价等。在控制措施方面，认为应从三个方面进行控制，包括：控制扰动源头、控制传递路径及建筑物自身加固等。9.4盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法9.4.1微扰动施工技术控制流程地下工程下穿越微扰动施工控制包括：施工工法的选择、辅助加固工法的确定、施工参数控制等几个方面。施工控制原理与方法9.4盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法9.4.1微扰动施工技术控制流程微扰动施工控制是基于现场监测的信息化动态反馈施工技术的应用，其原理和方法与地下工程信息化施工具有一定的相似之处。控制指标地质条件施工扰动预测监控量测辅助工法确定（加固措施）施工工法确定反分析施工程序及参数调整反馈动态反馈施工控制原理9.4盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法9.4.1微扰动施工技术控制流程对穿越阶段的施工过程要实施分时、分阶段控制。目标：数字化实现电力隧道前期评估、穿越控制、后期观测。穿越过程中的阶段控制穿越前控制段穿越段穿越后段穿越工法分类盾构法顶管法穿越施工前期评估穿越过程中控制穿越后长期观测控制扰动指标预测变换工法变换工法加固措施加固措施满足要求不满足要求分阶段控制改进施工工艺改进施工工艺优化施工参数优化施工参数应急抢险加固应急抢险加固长期观测（后期蠕变）趋于稳定趋于稳定需要加固需要加固9.4盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法9.4.2微扰动施工参数及其影响9.4盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法9.4.2微扰动施工参数及其影响——盾构尾部间隙的扰动影响◆盾构超挖对地表长期沉降的影响1.001.051.101.151.20-0.100-0.099-0.098-0.097-0.096-0.095-0.094-0.093-0.092-0.091隧道建成后500天地表最大沉降Smax(m)超挖系数R地表最大沉降随超挖系数的变化051015202530351.00.90.80.70.60.5隧道建成后500天地表沉降与地表最大沉降量的比值s/smax距隧道轴线的水平距离(m)R=1R=1.05R=1.1R=1.15R=1.2地表沉降槽随超挖系数的发展变化地表最大沉降随超挖系数的增加而几乎成线性增加，地表最大沉降和超挖系数之间的比例系数达到0.036。盾构超挖会增加隧道的工后地表长期沉降。当盾构超挖量较大时，地表的工后长期沉降值增加而沉降槽也变的比较“陡峭”。沉降的这种变化形式将因为其变形曲率过大而对位于其中的构筑物产生不利影响。9.4盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法9.4.2微扰动施工参数及其影响——盾构尾部间隙的扰动影响◆盾构超挖对超孔隙水压力的影响①隧道下半部分周围土体中的超孔隙水压力较上半部分显著；②随着超挖系数的增加，盾构施工产生的超孔隙水压力在隧道下半部分周围土体中不断增加，而在隧道上半部分周围土体中却不断减小；③超挖系数每增加5％，最大超孔隙水压力就增加3％左右；④由于较大的超挖系数会带来较大的超孔隙水压力，超孔隙水压力消散而产生的长期沉降也就相应增加。超孔隙水压力随超挖系数的发展024681012141618202224-4-2024681012隧道位置距隧道轴线的垂直距离(m)超孔隙水压力Uc(kPa)R=1.0R=1.05R=1.1R=1.15R=1.29.4盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法9.4.2微扰动施工参数及其影响——盾构尾部间隙的扰动影响◆注浆对地表长期沉降的影响①注浆不仅能有效减小地表沉降，同时还使沉降的分布变得相对“平缓”；②注浆对地表长期沉降的发展并没有产生影响，不注浆情况下长期沉降增加的1.5倍来自于短期沉降；③虽然注浆不会减小地表长期沉降的发展，但却对短期沉降有显著的补偿作用。注浆对地表长期沉降的影响05101520253035-240-220-200-180-160-140-120-100-80-60-40隧道建成500天后地表长期沉降(mm)距隧道轴线的水平距离(m)不注浆注浆0100200300400500-250-200-150-100-50地表最大沉降Sm