当前位置：文档之家 › 无水砂卵石地层土压盾构施工技术研究

无水砂卵石地层土压盾构施工技术研究

  • 格式：doc
  • 大小：62.50 KB
  • 文档页数：7

无水砂卵石地层土压盾构施工泡沫技术研究

1 引 言

盾构法是使用盾构机在地下掘进，边防止开挖

面土砂崩塌边在机内安全地进行开挖和施作衬砌从

而构筑隧道的一种施工方法。因此，盾构法是由稳

定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。目前，

在众多盾构机类型中，泥水平衡盾构和土压平衡盾

构是各类隧道施工的主流机型[1]。土压式盾构中又

有向开挖面注泥的加泥式土压平衡盾构。土压平衡

盾构是在切削刀盘及螺旋输送机内部充填的土砂所

产生的压力与开挖面的土压保持平衡。施工中主要

控制推进千斤顶推力、推进速度、刀盘扭矩和转速、

螺旋输送机扭矩和转速以及闸门的开口度等技术参

数，使之与开挖面的土压保持动态平衡。有软稠度

的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机

的土层，根据土层的稠度，有时不需要水或只需要

加很少量的水，通过搅拌装置在开挖室内的搅拌，

即使十分粘着的土层也能变成塑性的泥浆。砂质土

也可用土压平衡盾构，但需要向开挖面注入添加剂。

盾构掘进时，影响盾构开挖面平衡压力的建立、盾

构姿态控制以及地层变形的主要因素是地层土体条

件和地下水含量[2]。纵观国内外的盾构施工，在一

般的粘性土和砂性土地层掘进已有较多成功实例[2]；

文[3，4]介绍了日本在含水砂砾层用泥水平衡盾构

开挖隧道的实例；文[5]研究了砾石层盾构切削刀头

的新动向；文[6]介绍了土压平衡盾构在卵砾石地层

施工的情况。但在全断面无水砂卵石地层中采用土

压平衡盾构开挖隧道，国内外尚不多见，本文即以

北京市凉水河南岸污水盾构隧道施工为背景[7，8]，

对无水砂卵石地层盾构施工泡沫试验及应用技术进

行了研究。

2 工程特点及难点

本工程隧道沿线地层断面如图1 所示。覆土厚

度为5.7～8.1 m，地下水埋深位于17.20～17.90 m。

盾构隧道断面内无地下水，微湿。盾构主要在新近

沉积的全断面及部分断面砂卵石、圆砾石层中推进，

所穿越的砂卵石地层一般级配良好，粒径为80～

150 mm，最大粒径250 mm，含砂率为20%～25%，

内摩擦角为35°左右，粘聚力接近于0，盾构穿越砂 卵石的照片见图2。另外，隧道曲线段多，转弯半

径小，沿线有大面积的居民区、办公商业区以及京

九铁路等重要铁路干线，给工程增加了较大的难度。

图1 隧道沿线地层断面图

Fig.1 Longitudinal section of the tunnel

图2 盾构穿越砂卵石的照片

Fig.2 Sandy cobble picture

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗

粒之间的孔隙大，几乎没有粘聚力，砂卵石地层在

无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，

① 表层：人工堆积之轻、中亚粘土等

② 新近沉积层之重亚粘土、轻亚粘土等

③ 新近沉积卵石、圆砾层

④ 第四纪沉积层之卵石、圆砾石层

③ 1fx 新近沉积细砂～中砂层

③ 1xz 新近沉积粉砂～细砂层

② 1xz 新近沉积粉砂～╛O____细砂层

第24 卷 第13 期 宋克志等. 无水砂卵石地层土压盾构施工泡沫技术研究 • 2329 •

盾构周围地层成拱性差。刀盘旋转切削时，地层很

容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，

引起较大的围岩扰动，使开挖面和洞壁失去稳定，

控制不好会导致地表塌陷。盾构在这种地层中掘进

所受到的不利影响主要表现在以下几个方面：

(1) 无水砂卵石颗粒之间摩擦阻力大，难以获

得良好的流动性，当切削下来的土充满土室和螺旋

输送机内时，会使刀盘扭矩、螺旋输送机转矩及千

斤顶推力增大，甚至使开挖排土无法进行。因此，

盾构刀盘切削土体时容易使刀盘过热，加剧刀盘刀

具的磨损，影响盾构的机械性能。另外，刀盘切削

下来的较硬的砂卵石进入螺旋输送机，也会使其工

作油压升高而发热，影响其性能，严重时甚至停转。

(2) 无水砂卵石地层的塑流性差，会导致大颗

粒卵石滞留土仓内或向盾构机四周移动，使得盾构

机位置和姿态控制变得困难，严重时则无法推进。

(3) 由于砂卵石地层的塑流性差，设定的工作

压力不能顺利地传递到开挖面，不易实现连续的动

态平衡，使开挖面稳定难以保持，导致地表隆沉幅

度增大，而且顶部大块卵石剥落还会引起地面的突

沉。

从盾构选型的角度讲，这种地层应该选用泥水

加压平衡盾构，但由于多种因素的影响，最终选用

了加泥式土压平衡盾构，向盾构土仓内注入泥浆，

以改良开挖面土体，扩展土压平衡盾构的应用范围。

3 泡沫技术研究及工程应用 为了使开挖土体具有良好的流动性，必须有

30%左右的微细颗粒，砂卵石地层中微细颗粒不足，

因此需注入大量泥浆。但施工中发现加泥量过大，

土仓内较大的卵砾石会在重力作用下沉至土仓底

部，土体不能均匀混合，产生“离析”现象，容易

造成刀盘“抱死”现象。因此，为改善泥浆的作用

机制，对泡沫技术进行了试验研究，并进行了现场

应用。

(1) 泡沫液粘度

泡沫的粘度(强度)与泡沫液的粘度、发泡倍率

以及合成泡沫方法有关。

室内试验中依据泡沫与土体拌和后的粘聚性、

塌落度及透水性，判断所需泡沫液粘度。在无水

砂卵石地层条件下，泡沫液的粘度应不低于0.15

Pa·s。

(2) 发泡倍率

发泡倍率a k (一个标准大气压a P 下)指泡沫中气

体体积和液体体积之比。在某一压力P 下的泡沫的

发泡倍率P k 为

( 1) / 1 a a k = P k − P + P (1)

泡沫中气体体积同泡沫体积之比称为泡沫的含

气量α ，有

P α = 1−1/ k (2)

泡沫的密度f

ρ 和起泡液的密度l

ρ 以及空气的

密度g

ρ 之间的关系如下：

f l g ρ = (1−α )ρ +αρ (3)

由于气体密度g

ρ 极低，可忽略不计，故

f ρ

≈ l (1−α )ρ

一般起泡液的密度l

ρ = 1.0 g/cm3，故有

f ρ

≈1−α

则发泡倍率P k 为

f

1

ρ

= P k (4)

工程中所用泡沫其含气量大于等于90%，即发

泡倍率不低于10。 (3) 起泡剂

起泡剂用于产生泡沫，本工程研制开发的起泡

剂属阴离子表面活性剂，由烷基磺酸盐发泡剂和羧

甲基纤维素增粘剂以及其他助剂复配形成，在现场

可用聚合物调整泡沫液的粘度。该发泡剂无毒、无

刺激，对环境没有污染。

(4) 合成试验

泡沫可由搅拌法和撞击法形成，搅拌时间长短

对泡沫质量影响较大，因而不适用于隧道施工。用

撞击法形成泡沫时，合成器内压力对泡沫影响较大。

在一定压力范围内，合成器内压力越大，泡沫质量

越好，但发泡倍率会降低。

(5) 泡沫配制计算

根据土层颗粒级配，通过室内试验确定泡沫添

加率为35%时(即切削1 m3 渣土需注入泡沫350 L)，

在60 r/min 的低转速下，泡沫与土体(重15 kg)在3

min 内可完全拌和均匀。并且随着均匀程度的增加，

搅拌机的功率也逐渐降低，前后可降低35%。

按照发泡倍率取10，土仓内土压力取0.06 MPa，

可以求得所需的起泡液的体积为： × 350 =

10

1 35 L；

空气的体积为： 350 504

0.1

0.1 0.06

10

9 × =

+

× L。

按起泡剂、水的比例分别为3%和97%，配制

• 2330 • 岩石力学与工程学报 2005 年

35 L 的起泡液需起泡剂的体积为：0.03×35 = 1.05 L；

需要水的体积为：0.97×35 = 33.95 L。

(6) 发泡设备工作原理

发泡设备主要由空压机、水泵、起泡剂溶解搅

拌桶、合成器以及必要的计量附件组成。将泡沫材

料在地面进行混合，经由管路输送至盾构台车，由

盾构台车上的泡沫发生装置将泡沫材料吹制成泡

沫，通过管路在刀盘处与泥浆进行混合，然后进入

土仓中[9]。

4 施工效果

为验证泡沫的使用效果，在无水砂卵石地层盾

构推进的前200 m，对单独加泥和混合使用泥浆、 泡沫进行了对比试验，单独加泥与泥浆泡沫混合使

用参数见表1[8]。泡沫生产及添加系统如图3 所示。

表1 单独加泥奖浆与泥浆泡沫混合使用参数

Table 1 Parameters of mud individual and combined mud

and foam

方式 加泥量/(L·环－1) 加泡沫量/(L·环－1)

单独加泥浆 3 500 0

泥浆泡沫混合使用 900～1 500 2 400～2 600

加入泡沫有助于改善土压平衡盾构在砂卵石地

层中的掘进性能，前后盾构掘进参数比较见图4。

由比较结果可知，改用泥浆泡沫混合使用后，盾构

刀盘油压和螺旋输送机油压及总推力都降低了1/3

左右，现场观察发现，刀盘磨损大大减轻，刀盘“抱

死”发生频率极少。说明盾构在无水砂卵石地层掘

进时，在加泥的基础上注入泡沫能显著降低刀盘油

压及盾构推力，减小刀盘扭矩，减轻砂卵石地层对

盾构设备的磨损，提高了设备的使用受命。由于减

少了换刀和维修的次数，掘进速度也大大提高，根

据施工资料的统计，单独加泥情况下平均每天掘进

8～12 环，泥浆、泡沫混合使用情况下则提高到每

天掘进15～18 环。图5 为开挖面土压力比较。由

图5 可见，单独加泥时开挖面土压力波动较大。这

是由于卵石粒径较大，泥浆难以在全断面上形成良

好的塑流体，设定的工作压力也不能顺利地传递到

开挖面，实现不了连续的动态平衡，而加泡沫可以

改善这一状况，土压平衡保持得相对较好，开挖面

的稳定得到有效的控制，减小了地表隆沉幅度，据

现场监测，使用泡沫前地表沉降量一般大于10 mm，

而添加泡沫后大部分监测点的沉降量为5～10 mm。

5 泡沫的作用原理

加泥式土压平衡盾构注入泡沫实际是为了进一

步改善开挖面土体的物理和力学性质，增加其塑性

流动性和止水性，防止切削土砂粘附在刀盘及螺旋

输送机内，避免闭塞现象，减轻机械负荷，降低刀

盘扭矩和推力[9]。泥浆和泡沫的作用机理主要表现

在以下几个方面：

(1) 通过注入泥浆和泡沫，在刀盘前方形成了

一层泥膜，建立起泥土压力，为土体结构提供水平

推力，有利于形成拱结构。

(2) 泥浆和泡沫使开挖面土体的强度和刚度得

到加强，提高了开挖面土体的竖向抗力，对开挖面

土体起到了支护作用，减少了开挖面上方土体失稳

的可能。

合集下载

2.4在砂性土层中盾构开挖面稳定性研究

2.4在砂性土层中盾构开挖面稳定性研究

第二章 四、在砂性土层中盾构开挖面稳定性研究

1刀头之间开挖面稳定性课题的提出

当泥水盾构工法用于砂性土层时，对于开挖面的稳定机理，通常都是将作用于开挖面的地压分为地下水压和有效土压两部分，并用泥水压力对它们进 行抗衡。对于其中的有效土压部分，当开挖面有不透水性泥膜完全形成，而且将泥膜介入到开挖面处的压力抗衡时，常通过泥水压和地下水压之间的差压的有效作

用，来谋求开挖面的稳定。并采用这种思考方式来设定泥水压力和对泥水质量进行管理。

但是，切削刀头每隔15～45秒的间隔时间就对开挖面进行一次切削，因此开挖面在一定程度上受到泥水的渗透并使地下水产生流动，提高开挖面 土体的孔隙水压。特别是原来被认为在泥膜形成性好、有效泥水压易形成的透水性小的砂性土层，对于象现场这样长距离的排水情况，不如大幅度提高孔隙水压，使 有效泥水压力变得很小。因此，提高这样的孔隙水压成为开挖面稳定的首要问题。

(1)在现场开挖面土体中孔隙水压的上升状况

在日本福冈市高速地铁1号线博多至机场之间的延伸工程，采用直径10.2m泥水盾构掘进，覆土深度为5～10m。根据当时随着掘进测定的孔隙水压的变化和土体扰动的事例为依据，探讨过剩孔隙水压的发生量和开挖稳定之间的关系。

在量测断面的孔隙水压计和变位计的设置位置及土质构成情况见图14。

图15是随着盾构的掘进在量测断面CE上的各地层孔隙水压的变化情况。

图15中，遇到开挖面经过的土层即花岗岩风化砂土(渗透系数为1×10-4cm/s)，其中的孔隙水压(CE-P4和CE-P5)随着盾构的接近逐渐上升，从通过开挖面的前一天开始就急剧上升。此外，在通过开挖面前30min(约60cm距离)，盾构中心位置的孔隙水压(CE-P5)为0.1857MPa，对于设定的泥水压力0.19MPa来说，有效泥水压就显得很小，仅为0.0043MPa。在冲积砂性土(渗透系数为1×10-3cm/s)和洪积砂性土(渗透系数为1×10-3cm/s)的孔隙水压中(CE-P1、CE-P2、CE-P3)，即使盾构接近几乎也不发生变化。这是因为砂层处在开挖面地层外，并且渗透系数比开挖面土层为花岗岩风化砂土的要大一位数。

土压平衡盾构施工中渣土改良技术的应用

土压平衡盾构施工中渣土改良技术的应用

土压平衡盾构施工中渣土改良技术的应用

摘要：近年来，我国的工程建设越来越多，土压平衡盾构施工越来越多，在土压平衡盾构施工中，渣土改良技术的应用越来越广泛。渣土改良效果的优劣是土压平衡盾构能否正常掘进的重要影响因素之一，不同的渣土改良方法对盾构推力、扭矩、地表沉降控制等产生不同结果。为了进一步提高土压平衡盾构机施工的适应性，可对其渣土改良技术开展相应的研究，本文首先分析了常用渣土改良剂及特性，其次探讨了盾构机在砂卵石地层中掘进时可能出现的不利情况，最后就土压平衡盾构渣土改良精细化控制进行研究，以供参考。

关键词：土压平衡盾构；渣土改良；试验

引言

土仓内渣土改良是土压平衡盾构隧道工法的重要技术环节，渣土的改良效果直接影响着开挖面的稳定性和土仓内渣土的运输状态。和易性是改良渣土的重要特性之一，反映了渣土自身的流动特征，改良渣土和易性差极易诱发刀盘扭矩大且磨损严重、千斤顶推力大、土体饼化堵仓、喷涌等问题，进而导致掌子面支护压力不足、甚至塌方等一系列事故。因此，有必要针对改良渣土的和易特性及其评价指标进行深入研究。

1常用渣土改良剂及特性

土压平衡盾构渣土改良所用改良剂多为泡沫、膨润土、聚合物等一种或几种材料的组合，并通过使用量的调整使盾构切削下来的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩擦力。如一般黏土地层中多使用泡沫剂、分散剂、水组合作为改良剂，砂卵石地层多使用膨润土作为改良剂，岩石地层多使用泡沫剂、水作为改良剂，富水砂、砂砾地层多使用膨润土、聚合物为改良剂。 2盾构机在砂卵石地层中掘进时可能出现的不利情况

(1)当砂卵石地层处于无水状态时，由于沙粒相互咬，内部摩擦就会发生，土壤流动性差，土仓填土时，随着渣土量的增加刀盘扭矩随即增大，导致仓土排出不良，严重情况下，刀盘泥饼现象，直接影响盾构掘进。(2)无水砂卵石地层中未改良渣土的流动塑性较差，造成掘进过程中刀盘扭矩增大，盾构机的推力也随及增大，刀盘刀具因摩擦阻力增大而产生较多的热量，从而加剧刀具的磨损，同时其磨损加剧影响着盾构机的工作性能和传动效率。(3)由于砂卵石地层流塑性差，开挖面自稳定性差，土仓压力波动较大，难以维持掌子面稳定性，直接影响到地表沉降幅度的增大，加大地表沉降和建(构)筑物的保护控制难度。

砂卵石地层重叠盾构隧道掘进加固方案比选研究

砂卵石地层重叠盾构隧道掘进加固方案比选研究

第５９卷（增刊１），２０２２年１０月出版Ｖｏｌ.５９（Ｓ１），Ｏｃｔ.２０２２　９１８　收稿日期：２０２２－０６－０５修回日期：２０２２－０８－０２基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ.５１８０８４６９）；四川省自然科学基金项目（２０２２ＮＳＦＳＣ０４４２）；上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室开放基金（Ｎｏ．Ｒ２０１９０２）．作者简介：李　雪（１９８５－），男，博士，硕士生导师，副教授，主要从事盾构隧道、基坑工程教学与科研工作，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｉａｌｉｘｕｅ５２１＠１６３．ｃｏｍ．文章编号：１００９－６５８２（２０２２）Ｓ１－０９１８－１０ＤＯＩ：１０.１３８０７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｍｔｔ.２０２２．Ｓ１.１１２引文格式：李　雪，龚子邦，张玉申，等．砂卵石地层重叠盾构隧道掘进加固方案比选研究［Ｊ］．现代隧道技术，２０２２，５９（增１）：９１８－９２７．ＬＩＸｕｅ，ＧＯＮＧＺｉｂａｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｕｓｈｅｎ，ｅｔａｌ．ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄＳｔｕｄｙｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔＭｅａｓｕｒｅｓｆｏｒＯｖｅｒｌａｐｐｉｎｇＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇｉｎＳａｎｄｙＣｏｂｂｌｅＳｔｒａｔｕｍ［Ｊ］．ＭｏｄｅｒｎＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２２，５９（Ｓ１）：９１８－９２７．砂卵石地层重叠盾构隧道掘进加固方案比选研究李　雪龚子邦张玉申陈　霖任　伟刘瑜志（西南石油大学地球科学与技术学院，成都６１０５００）摘　要：在重叠盾构隧道的掘进过程中，后建隧道施工不可避免地对地表及先建隧道产生一定影响，导致地表沉降、先建隧道结构发生变形，甚至影响结构安全，有必要对重叠盾构隧道掘进进行加固措施研究。当重叠盾构近接间距为强影响区时，为降低重叠隧道掘进相互影响，选取素混凝土桩、素混凝土桩＋二次全周注浆、素混凝土桩＋二次半周注浆及素混凝土桩＋二次半周注浆＋洞内钢支撑４种加固方案，依据地表隆沉及洞周收敛等评价指标进行判别，确定“素混凝土桩＋二次注浆＋洞内钢支撑”联合加固措施效果最佳，地表沉降最大值较未加固减少约３８％，洞周收敛值可控制在３ｍｍ内，满足施工控制要求。关键词：重叠隧道；砂卵石；加固措施；现场监测中图分类号：Ｕ４５６文献标识码：Ａ１　引　言近年来，随着城市地铁网络的建设，地铁线路纵横交错，存在较多小间距重叠盾构隧道工程，在近接隧道掘进过程中必然会对地层产生一定扰动，亦可能造成先建隧道的变形过大。基于此，在砂卵石地层小净距条件下盾构近距离同向掘进时，控制后建隧道对先建隧道及地表的影响，从而保证先建隧道结构的整体稳定性，已成为盾构设计施工的重要研究课题［１～６］。由于隧道重叠盾构掘进相互作用影响的复杂性，采取必要的加固措施显得尤为重要。魏纲等［７］采用数值模拟分析了重叠隧道内支撑台车作用下既有隧道位移的计算方法；崔光耀等［８］采用有限元法对比分析了上隧道开挖期间加固下隧道时，采用液压轮式台车方案略优于十字钢支撑方案；安建永等［９］针对有限场地条件、富水粉细砂层、超小净距和二次沉降叠加等问题，提出叠线隧道施工的安全控制技术；黄昌富等［１０］、仇文革等［１１］、孟庆军等［１２］对隧道掘进加固措施进行分析，加固措施均主要针对重叠盾构隧道开挖引起的地表隆沉及管片净空收敛和附加作用。本文依托成都地铁６号线某区间重叠段盾构隧道，对砂卵石地层重叠盾构隧道加固方案进行分析，研究不同加固措施下重叠盾构隧道掘进时地表扰动变形特点，成果可为砂卵石地层重叠隧道工程提供借鉴。２　工程概况成都地铁６号线某区间工程隧道掘进采用直径为６.２８ｍ的土压平衡盾构机，盾构管片外径６.０ｍ、内径５.４ｍ，管片宽度１.５ｍ，左线隧道埋深１４.１２ｍ，右线隧道埋深２１.１ｍ，隧道净距约２.８ｍ，区间隧道地质如图１所示，施工期间穿越地层以＜２－９－３＞中密卵石、＜２－９－４＞密实卵石为主。土层及材料的物理力学指标见表１。第５９卷（增刊１），２０２２年１０月出版Ｖｏｌ.５９（Ｓ１），Ｏｃｔ.２０２２９１９　图１　地质剖面图Ｆｉｇ.１　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｆｉｌｅ表１　物理力学指标Ｔａｂｅｌ１　Ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ土层及材料重度γ／（ｋＮ·ｍ－３）压缩模量Ｅ／ＭＰａ侧压力系数λ黏聚力ｃ／ｋＰａ内摩擦角φ／（°）泊松比μ＜２－３－１＞粉质黏土１９.５５.００.４３１０２００.３５＜２－４＞细砂１８.５５.００．.３８０２００.１８＜２－９－１＞松散卵石２０.０２０.００.３３０２５０.３＜２－９－２＞稍密卵石２１.０２３.００.３００３００.２６＜２－９－３＞中密卵石２２.０３２.００.２５０３５０.１９＜２－９－４＞密实卵石２３.０４３.００.２００４２０.１７管片２５.０３.４５×１０４———０.２注浆体２１.０３００———０.２盾构外壳７５００２.０６×１０５———０.１８３　盾构重叠隧道数值模型建立尺寸８０ｍ×７０ｍ×５５ｍ的计算模型区域，采用实体单元模拟各层土体、注浆层，模型侧面施加法向约束，底面施加固定约束，上边界为自由变形边界，土体本构模型采用Ｍｏｈｒ⁃Ｃｏｕｌｏｍｂ模型，且不考虑周边地表建筑的影响。根据对砂卵石地层中重叠盾构隧道影响范围的分析，在空间位置和间距不同的情况下，后建隧道对先建隧道的影响存在差异。基于“先下后上”的施工流程，考虑到重叠盾构隧道的近接影响，为减少土体应力和后建隧道开挖引起先建隧道收敛及地表隆起和沉降的变化，确保盾构机顺利通过重叠段，增强隧道间土体的抗压抗剪能力，加固上覆岩层与邻近隧道之间土体，应采取必要的加固保护措施，以确保重叠隧道的施工安全和后期运营安全，砂卵石地层重叠盾构隧道加固方案如表２所示。数值分析模型如图２所示。盾构掘进过程，采用刚度迁移法及弹性等代层模拟盾构隧道开挖掘进，等代层厚度取０.１４ｍ，如图３所示，每推进步盾构开挖过程模拟为：（１）开挖第ｎ步土体，添加等代层并采用盾壳参数为临时支护，开挖面处施加支护；（２）考虑盾构机机体长度的影响，第ｎ－２、ｎ－３步等代层参数设定为盾壳；（３）对隧道周边土体施加均布注浆压力，同时在第ｎ－３步杀死等代层单元部分；（４）管片和等代层在第ｎ－４步开始逐步施加。第５９卷（增刊１），２０２２年１０月出版Ｖｏｌ.５９（Ｓ１），Ｏｃｔ.２０２２　９２０　表２　砂卵石地层重叠盾构隧道加固方案Ｔａｂｅｌ２　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅｏｆｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｓａｎｄｙｐｅｂｂｌｅｓｔｒａｔｕｍ加固方案素混凝土桩加固全周注浆加固半周注浆加固洞内支撑加固方案１素混凝土桩，先下后上方案２全周注浆＋素混凝土桩，先下后上方案３半周注浆＋素混凝土桩，先下后上方案４半周注浆＋素混凝土桩＋洞内钢支撑，先下后上（ａ）素混凝土桩加固 （ｂ）全周注浆加固（ｃ）半周注浆加固 （ｄ）洞内支撑加固图２　重叠隧道加固方案数值分析模型Ｆｉｇ.２　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇｔｕｎｎｅｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅ图３　隧道掘进过程示意Ｆｉｇ.３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ４　加固控制措施及效果４.１　素混凝土桩加固在盾构机穿越隧道重叠区域前，采用素混凝土桩加固地层，增加土体承载力，以减少上洞施工对下洞成型隧道的影响，达到控制和减少地面沉降的效果，桩体采用ϕ２２０ｍｍ＠１０００ｍｍ×１０００ｍｍ、Ｃ２５素混凝土桩，重叠段素混凝土桩加固如图４所示。第５９卷（增刊１），２０２２年１０月出版Ｖｏｌ.５９（Ｓ１），Ｏｃｔ.２０２２９２１　图４　隧道重叠区段素混凝土桩加固地层示意Ｆｉｇ.４　Ｐｌａｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅｐｉｌｅ⁃ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｓｔｒａｔｕｍｉｎｔｕｎｎｅｌｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎ（１）地表隆沉确定素混凝土桩加固地层后，选取地表横向和纵向监测线，采用先下后上的施工工序，左线隧道开挖后，地表位移变化曲线沉降槽的宽度有所增加，往外延伸地表略微出现隆起区域；采用先下后上的施工工序，左线隧道开挖完成后，最大地表沉降为－９.６７ｍｍ，双线隧道贯通后最大地表沉降为－１３.５９ｍｍ，最大沉降点处位移均有所减小，两隧道上部地层沉降区部分重叠，沉降范围扩大。随着盾构隧道开挖，地表纵向沉降曲线总体呈增大趋势，左线隧道贯通位移曲线趋势与双线隧道贯通位移曲线趋势基本一致，盾构隧道前方出现隆起趋势。掘进过程中，地表纵向位移变化呈先凸后凹的趋势。双线隧道开挖占隧道开挖总体沉降值４７.９３％，如图５所示，其中地表沉降设为负。（ａ）左线地表沉降 （ｂ）右线地表沉降图５　先下后上盾构掘进引起地表纵向沉降Ｆｉｇ.５　Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｕｎｄｅｒ‘ｆｉｒｓｔｌｏｗｅｒｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ，ｔｈｅｎｔｈｅｕｐｐｅｒｏｎｅ′ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ（２）洞周收敛选取先建隧道中间断面为研究断面，分析地层加固后后建隧道对先建隧道影响，重叠盾构隧道所夹土体受影响较大，洞周位移变化明显，洞周收敛位移值见表３，其中向隧道轴线变形设为正向。表３　素混凝土桩加固后洞周位移变化Ｔａｂｌｅ３　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｔｕｎｎｅｌｐｅｒｉｍｅｔｅｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｆｔｅｒｐｌａｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅｐｉｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ测点位置ＡＢＣＤＥＦＧＨ洞周位移变化（单线）／ｍｍ－２.２４－０.６８－０.０１１.３６１.９６１.８１－０.８６－１.９９洞周位移变化（双线）／ｍｍ－２.３７－１.０７－０.５６２.６９３.６３３.９５１.３２０.１８位移增量／ｍｍ－０.１３－０.３９－０.５５１.３３１.６７２.１４２.１８２.１７４.２　素混凝土桩＋全周注浆加固首先采用素混凝土桩加固地层，在隧道掘进过程中，同步进行注浆加固，注浆材料配比见表４，同步注浆采用水泥、砂子、膨润土、粉煤灰和水混合浆液，初凝时间控制在４ｈ，结实率大于９５％，终凝强度不低于３ＭＰａ，注浆压力０.２～０.４ＭＰａ对管片各个注第５９卷（增刊１），２０２２年１０月出版Ｖｏｌ.５９（Ｓ１），Ｏｃｔ.２０２２　９２２　浆孔进行注浆。然后在洞内管片背后３ｍ范围内及相距盾尾４环位置处进行二次强化注浆加固。（１）地表隆沉确定素混凝土桩及二次注浆联合加固后，选取地表横向和纵向监测线，采用先下后上的施工工序，监测断面地表横向沉降变化，左线隧道开挖完成后地表最大沉降为－６.１６ｍｍ，双线隧道贯通后横向地表沉降为－９.９６ｍｍ，隧道上方沉降区域在重叠盾构隧道掘进时发生重叠；随着盾构隧道掘进，地表纵向沉降变化曲线整体呈增大趋势，左线隧道贯通与双线隧道贯通地层位移变化曲线趋势基本一致，双线隧道开挖占隧道开挖总体沉降值３４.４１％，如图６所示，其中设地表沉降为负。表４　注浆材料配比表（单位：ｋｇ）Ｔａｂｌｅ４　Ｍｉｘｄｅｓｉｇｎｏｆｇｒｏｕｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ（Ｕｎｉｔ：ｋｇ）水泥粉煤灰膨润土砂子水１００３００～３５０４０６００～６５０６５０（ａ）左线地表沉降（ｂ）右线地表沉降图６　先下后上盾构掘进引起地表纵向沉降曲线Ｆｉｇ.６　Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒ‘ｆｉｒｓｔｌｏｗｅｒｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ，ｔｈｅｎｔｈｅｕｐｐｅｒｏｎｅ’ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ（２）洞周收敛选取先建隧道的中间断面为研究断面，分析地层加固后后建隧道对先建隧道影响，全周注浆加固后洞周位移增量相对减小，洞周收敛位移值见表５，设向隧道轴线变形为正。表５　素混凝土桩及二次全周注浆加固洞周收敛Ｔａｂｌｅ５　Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｉｔｈｐｌａｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅｐｉｌｅａｎｄｓｅｃｏｎｄｆｕｌｌ⁃ｐｅｒｉｍｅｔｅｒｇｒｏｕｔｉｎｇ测点位置ＡＢＣＤＥＦＧＨ洞周位移变化（单线）／ｍｍ－２.１５－０.８４０.０７１.５５１.８８１.７２０.１４－０.８６洞周位移变化（双线）／ｍｍ－２.２－１.０２－０.２３２.３４３.１６３.３２２.７９０.４５位移增量／ｍｍ－０.０５－０.１８－０.３０.７９１.２８１.６２.６５１.３１４.３　素混凝土桩＋半周注浆加固首先采用素混凝土桩加固地层，在隧道掘进过程中，同步进行注浆加固（注浆材料及注浆工艺同上），对先建隧道管片下半圆弧注浆孔、后建隧道管片上半圆弧注浆孔进行注浆。然后在洞内管片背后３ｍ范围内及相距盾尾４环位置处进行二次强化注浆加固。（１）地表隆沉图７为左线及双线叠加地表纵向沉降变化曲线（地表沉降为负）。二次注浆加固后，采用先下后上的施工顺序，在单线隧道及双线隧道贯通后，沉降槽最大值都有不同程度的降低，左线隧道开挖后，监测断面地表最大沉降为－６.３０ｍｍ，双线隧道开挖后最大沉降为－９.３７ｍｍ。可能存在后建隧道二次注浆加固对先建隧道及周边地层产生扰动的情况，导致后建隧道开挖后较先建隧道地表沉降未出现显著变化。地表沉降的纵向位移曲线与加固前相似。随着隧道开挖，地表纵向沉降变化逐渐增大。加固且双线隧道贯穿后，地表最大沉降量由－１４.１９ｍｍ降至－１１.６ｍｍ，降幅约１８.２％。注浆加固后重叠隧道叠加区的地层性能得到改善，地表沉降也有一定程度减小。图８为二次注浆加固后盾构隧道掘进

卵石层中长距离大直径盾构换刀地面加固研究

卵石层中长距离大直径盾构换刀地面加固研究

２０１２年２月　第２期（总１６１）　铁道工程学报　Ｊ０ＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＳＯＣＩＥＴＹ　Ｆｅｂ　２０１２　ＮＯ．２（Ｓｅｒ．１６１）　

文章编号：１００６—２１０６（２０１２）０２—００１９—０６　

卵石层中长距离大直径盾构换刀地面加固研究　

唐伟料张继清吴劭吻　

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，　天津３００２５１）　

摘要：研究目的：卵石层中长距离大直径盾构掘进是盾构施工的世界性难题。某工程采用一台６１２　ｍ的大直　径盾构独头掘进５．２　ｋｍ，卵石地层中盾构掘进，刀具（盘）磨损严重，须有计划地设置盾构停机点和对盾构刀　盘进行全面检修并更换刀具，为确保施工安全，需对配套的地面加固措施进行研究。　研究结论：无论是带压进仓作业，还是常压进仓作业，为确保施工安全，都需采取辅助的地面加固措施，以　提高盾构机周围地层的稳定性和密实性；带压进仓换刀，可采用后退式分段注浆地面加固措施；常压进仓换　刀，可采用钻孔桩＋桩问注浆地面加固措施。　关键词：卵石层；盾构；进仓换刀；地面加固措施　中图分类号：Ｕ２３１＋３　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｒｅｐｌａｃｉｎｇ　Ｃｕｔｔｅｒｓ　ｆｏｒ　Ｌｏｎｇ—－ｄｉｓｔａｎｃｅ　

ａｎｄ　Ｌａｒｇｅ　Ｄｉａｍｅｔｅｒ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｄｒｉｖｉｎｇ　ｉｎ　Ｐｅｂｂｌｅ　Ｌａｙｅｒ　

ＴＡＮＧ　Ｗｅｉ．ＺＨＡＮＧ　Ｊｉ—ｑｉｎｇ，ＷＵ　Ｓｈａｏ—ｙａｎｇ　

（Ｔｈｅ　Ｔｈｉｒｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００２５　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｔｈｅ　ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｓｈｉｅｌｄ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｅｂｂｌｅ　ｌａｙｅｒ　ｉｓ　ａ　ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ