专题讲座--组段划分&始发到达

北京地铁建设安全风险技术管理体系江华博士北京城建集团中国矿业大学（北京）2012年8月9日盾构/TBM施工应具备的土木工程知识专题讲座盾构法施工安全风险评估施工准备期施工过程3盾构及其重要配套设备适应性评估4盾构法施工组织合理性评估2盾构法加固设计方案实施安全风险识别与分析1盾构区间隧道组段划分3盾构法施工周边环境监控、评估与预警4盾构施工参数监控、评估与预警2盾构施工现场监控、评估与预警1盾构始发/到达、联络通道等施工评估5盾构换刀施工安全风险评估6施工组织管理及作业状况监控、评估与预警体系规定北京市轨道交通工程建设盾构法施工一般包括盾构整体筹划、组装调试、盾构始发、盾构隧道掘进、盾构到达、盾构解体吊出等过程。盾构法施工安全风险评估可分为以下两阶段内容：组段划分的概念目的与意义考虑因素及等级规定组段划分步骤组段划分成果组段划分在体系及盾构系统中的应用一.盾构隧道组段划分组段划分的概念？即依据盾构穿越的地层条件，结合隧道沿线的地面/地下环境风险状况，综合分析地层、环境风险与盾构施工的相互影响，按照影响程度、危险系数的不同将区间隧道划分为若干个安全风险等级不同的组段，进而合理确定各组段的盾构施工参数控制范围，以有针对性的进行监控管理，实现盾构施工的规范化和施工管理的标准化。一.盾构隧道组段划分考虑因素及等级规定？(1)隧道穿越的土层性质：盾构施工参数确定的基本原则综合考虑项目初勘、详勘、补勘资料中盾构隧道穿越的地层特性，对盾构穿越的地层进行划分如下：A段：粘土、粉质粘土、粘质粉土和粉土以及这四种土层组成的复合地层；B段：沙层，包括粉沙、细、中、粗沙；C段：砾石（卵石）层；D段：土与沙的复合土层；E段：土、沙、砾石（卵石）复合地层；F段：土岩混合地层。一.盾构隧道组段划分考虑因素及等级规定？(2)盾构施工环境条件的组合影响因素及级别：①隧道的埋深；②地面和地下环境条件；③特殊地质情况；④上覆土层性质。I级：盾构下/上穿既有轨道线路，或下穿/临近重要建（构）筑物、重要市政管线和河流工程，或土层中有漂石、孤石等特殊地质情况，或埋深＜9m的浅埋隧道，或以上两种以上情况的组合。II级：埋深＞9m，或隧道上方地层中有一般的市政管线，或隧道临近/下穿一般建筑物，或下穿重要市政道路，或地层中的不良地质情况对盾构施工影响较小并没有特殊地质情况。III级：埋深＞13m，或隧道上方地层中无管线或者只有对沉降不敏感的管线且埋深较浅，或隧道与建筑物基础和重要市政道路距离较远，或地层中无不良地质情况等。一.盾构隧道组段划分组段划分综合等级？盾构施工区间隧道组段的综合划分是在盾构穿越土层组段划分的基础上按照盾构施工环境的组合安全风险级别对各个组段进行更详细的划分，将A、B、C等六个土层组段划分为AI、AII、AIII、…FI、FII、FIII等18个组段，即将每个土层组段按照盾构施工环境安全风险级别划分为I、II、III三个组段。对任何一个盾构区间隧道而言，都是由以上18种组段中的一种或几种组段组合而成。一.盾构隧道组段划分III组段FII组段FI组段FIII组段EII组段EI组段EIII组段DII组段DI组段DIII组段CII组段CI组段CIII组段BII组段BI组段BA组段IIIA组段IIA组段I组段F组段E组段D组段C组段BA组段盾构施工区间隧道组段划分土沙复合层D段土沙复合层D段土沙复合层D段粉细沙层B段粉质粘土层A段埋深13m埋深9m特级风险工程I级环境风险一级风险工程I级环境风险二级风险工程自身风险浅埋隧道二级风险工程II级环境风险全断面沙层B段组段划分成果？结合组段划分和盾构设备具体情况，设定土压力、推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速、贯入度、注浆压力、注浆量等主要参数控制范围，用以监控盾构施工过程中的推进状态。一.盾构隧道组段划分序号里程长度环号隧道穿越地层上覆地层隧道埋深特殊地质地下水施工环境综合等级1DK15+800.6～DK15+758.6421351~1385土沙复合层（中部为粉细沙层）杂填土、新近沉积沙层、粉质粘土与粉土互层、中粗砂、粉质粘土14.0~14.5无地下水位距隧道底板约4~6m下穿河流：1351~1356环，接近干涸下/侧穿住宅：1360~1385环，六层砖混结构，独立基础，基础埋深3.5mDⅡ2DK15+758.6～DK15+728.6301386~1410全断面粉细沙新近沉积沙层、粉质粘土与粉土互层、中粗砂、粉质粘土、粉细沙13.5~14.0距隧道左线净距5m处局部土质疏松地下水位距隧道底板约5~6m下/侧穿住宅小区：1386~1400；下穿民房区：1386~1410，砖混结构BⅡ3DK15+728.6～DK15+714.214.41411~1422土沙复合层（上部为粉细沙层）新近沉积沙层、粉质粘土与粉土互层、中粗砂、粉质粘土、粉细沙13.0~13.5无地下水位距隧道底板约4.5~6.2m下穿京沪高铁；侧穿民房区、化学储存罐；DⅠ4DK15+714.2～DK15+698.615.61423~1435土沙复合层（上部为粉细沙层）新近沉积沙层、粉质粘土与粉土互层、中粗砂、粉质粘土、粉细沙12.5~13.0无地下水位距隧道底板约4~5m侧穿民房区、化学储存罐；DⅡ5DK15+698.6～DK15+656.6421436~1470粉质粘土层杂填土、新近沉积沙层、粉质粘土与粉土互层、中粗砂、粉质粘土（局部）11.5~12.5无地下水位距隧道底板约4~6m下穿京山、京九铁路（12股道）；接触网塔（分别位于1441环、1466环）AⅠ6DK15+656.6～DK15+537.8118.81471~1569土沙复合层（粉质粘土层中部夹杂粉细沙，局部结构顶板处为中粗沙）杂填土、新近沉积沙层、粉质粘土与粉土互层、中粗砂、粉质粘土（局部）9~12.5无地下水位距隧道底板约6m下穿京山、京九铁路：1471~1490环通信发射塔：1495环车站派出所、站房：1496~1520环，2~5层，基础埋深3m热力管线：1453环，埋深3m灯塔：30m高，1531环DⅠ7DK15+537.8～DK15+488.649.21570~1610全断面沙层（上部中粗沙、下部粉细沙）杂填土、新近沉积沙层、粉质粘土与粉土互层、中粗砂8.4~9.0无地下水位距隧道底板约5.5~7m盾构到达（1602~1610）BⅡ将组段划分结果录入盾构系统，实现盾构施工的实时监控和施工参数的自动报警。一.盾构隧道组段划分区间线形、长度、风险工程位置、进度等刀盘参数螺旋机、铰接油缸、盾尾密封、VMT参数材料消耗统计基本情况报表输出施工参数单/多环分析1.为什么要进行端头加固？2.端头加固的理论计算方法是什么？3.端头加固的基本要求是什么？4.常用的加固方法及其优缺点和适用范围。二、盾构始发与到达端头加固端头加固的目的与意义⑴满足土体强度的要求⑵满足土体稳定性的要求①加固土体的静态稳定，包括施工期稳定性和长期稳定性。②加固土体的扰动影响，破洞门振动过大对土体的扰动等。⑶满足加固（土体）的渗透性要求（特别是水+沙+压力的情况）⑷满足加固（土体）的变形特征的要求（土压建立前和土压消失后）1、为什么要进行端头加固？需要注意的问题强度和稳定性⑴参数的选取，特别是土体的抗拉强度和水土压力；⑵稳定性验算只适合于粘性土（滑移失稳理论）；⑶长期稳定性问题没有解决；⑷加固土体的扰动问题没有解决；渗透性问题⑴渗透系数10-7的根据？⑵水+沙+压力对加固长度的要求变形特征保持在土压建立起来之前（盾构始发）和消失之后（盾构到达）的一段时间里，上覆土体变形的可控。1.为什么要进行端头加固？传统的端头加固计算方法新的研究结果2.端头加固的理论计算方法加固土体强度要求：薄板弯曲理论计算加固体厚度传统端头加固的理论计算方法土压水压简化薄板理论计算模型图加固土体强度计算公式国外:日本JETGROUT协会（JJGA）规范的计算公式，加固厚度为：其中：P:洞门中心处的水土合力；D：封门直径；σt：加固土体的极限抗拉强度；安全系数KO取1.5～2.0，计算系数β取1.2。20124tkPDt传统端头加固的理论计算方法国内：（静力学理论）最大弯曲应力（中心处）：最大剪力（支座处）：2max211.3238tpDtkmax24cPDtk传统端头加固的理论计算方法强度验算要求整体稳定性验算图θ传统端头加固的理论计算方法稳定性计算公式纵向加固范围（粘性土滑移失稳理论）抗滑安全要求：其中：M：滑动力矩；M抗：抗滑力矩；C：加固前土体的粘结力；△C：加固后土体的粘结力；H：上覆土体的厚度；P1：地面荷载31.5MkM抗32()sinkMMradcDtD抗传统端头加固的理论计算方法横向加固范围（土体扰动极限平衡理论）式中R:松动圈半径；a:盾构隧道半径。传统端头加固的理论计算方法2sin1sin1cotmRaC松动圈隧道arcos()()42acaH横向加固范围计算公式()cosLaHa1HkRa传统端头加固的理论计算方法3、端头加固计算方法的新结果计算模型水土合力梯形荷载矩形均布荷载三角形反对称荷载弹性薄板理论弹性薄板理论叠加后梯形荷载作用下加固土体内力加固土体纵向加固厚度剪应力理论拉应力理论荷载等效内力叠加加固计算示意图：端头土体纵向加固厚度：331122123max,,,,1616ttckkktttt梯形荷载加固土体ayxρφoatxzqabq极坐标转化端头加固计算方法的新结果最大拉应力理论径向弯曲应力当时，取纵向加固厚度：端头加固计算方法的新结果2111111042BBACA1021122max133(5)16abbaaqqaqqta11116tkt最大拉应力理论环向弯曲应力当时，取纵向加固厚度：端头加固计算方法的新结果202222222042BBACA2222222222max35133(13)(15)16163abbaqqaqqatata22216tkt最大剪应力理论当时纵向加固厚度：端头加固计算方法的新结果2max35416243babaabqqqqaqqaattt0a333ckt端头土体纵向加固长度要求盾构始发⑴无水⑵有水（特别是水+沙+压力）盾构到达⑴无水⑵有水（特别是水+沙+压力）端头加固基本的设计要求管片帘布橡胶板车站内衬围护结构加固土体长度同步注浆液满足条件：强度+稳定性+变形特征（土压建立前）盾构始发端头加固长度（无地下水）无水始发加固土体长度挡土墙车站内衬帘布橡胶板管片盾构长度+1.5-2管片帘布橡胶板车站内衬挡土墙加固土体长度沙子+水同步注浆液同步注浆液满足条件：强度+稳定性+变形特征（土压建立前）+渗透性（水+沙+压力）盾构始发端头加固长度（有地下水）有水始发管片挡土墙车站内衬帘布橡胶板加固土体长度满足条件：⑴地层条件较差：必须加固端头土体，加固土体满足强度+稳定性+变形特征要求（土压消失后）。⑵地层条件较好：可以不加固或者局部加固端头土体，但必须采取相应措施，如合理控制盾构到达时掘进参数，增加封门处喷射混凝土厚度，待盾构刀盘顶至围护桩时再破除洞门等。盾构到达端头加固长度（无地下水）无水到达管片挡土墙车站内衬沙子+水沙子+水帘布橡胶板帘布橡胶板车站内衬挡土墙管片加固土体长度盾构长度+1.5-2满足条件：强度+稳定性+变形可控特征（土压消失后）+渗透性（水+沙+压力）盾构到达端头加固长度（有地下水）有水到达直径/m范围/mD＜11＜D＜33≤D＜55＜D