土压平衡盾构施工关键技术与风险控制要点-2013-07-06

土压平衡盾构施工关键技术与安全风险控制要点中国矿业大学（北京）江玉生Tel:13601257487Email:[e-mail]目录盾构法施工简述1一施工准备期盾构施工关键技术与安全风险控制要点1二施工期盾构施工关键技术与安全风险控制要点三回顾与展望四一、盾构法施工简述我国自1950年开始将小型盾构运用于下水道工程，经过60多年的不断发展，盾构法今已成为我国隧道施工中一种重要的施工工法。一、盾构法施工简述城市盾构法地铁工程受周边环境限制与工程、水文地质条件影响，存在大量的工程建设安全风险。在目前地铁工程建设高速发展的背景下，安全风险控制形势日趋严峻。一、盾构法施工简述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。土压平衡盾构施工关键技术与安全风险控制可分为以下两个阶段：组段划分；始发/到达端头加固设计；盾构设备适应性评估；施工组织设计。始发与到达施工；盾构施工参数的设定与控制；施工质量。施工期施工准备期一、盾构法施工简述目录盾构法施工简述1一施工准备期盾构施工关键简述与安全风险控制要点1二施工期盾构施工关键简述与安全风险控制要点三回顾与展望四二、施工准备期盾构施工关键简述与安全风险控制要点1、盾构隧道组段划分：组段划分的概念？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。二、施工准备期盾构施工安全风险控制1、盾构隧道组段划分：隧道穿越的土层性质：盾构施工参数确定的基本原则，A~F共六级。考虑因素盾构施工环境条件的组合影响因素：Ⅰ~Ⅲ三级。隧道的埋深；地面和地下环境条件；特殊地质情况；上覆土层性质。二、施工准备期盾构施工安全风险控制1、盾构隧道组段划分：隧道穿越的土层性质：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、细沙、中沙和粗沙；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）的复合地层；F段：土岩混合地层。盾构施工环境条件的组合影响因素：I级：盾构下穿或上穿既有轨道线路，或下穿或者临近重要建（构）筑物，或下穿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，或隧道埋深小于9m的浅埋隧道，或以上两种及以上情况的组合。II级：隧道埋深大于9m，或隧道上方地层中有一般的市政管线，或隧道临近或者下穿一般建筑物，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：隧道埋深大于13m，或隧道上方地层中没有管线或者只有对沉降不敏感的管线（如电力管线、电信管线、广播管线等）且管线埋深较浅，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特殊地质情况。二、施工准备期盾构施工安全风险控制1、盾构隧道组段划分：综合等级综合等级：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，共可划分为18种等级。对任何一个盾构区间隧道而言，都是由18种组段中的一种或几种组段组合而成。二、施工准备期盾构施工安全风险控制1、盾构隧道组段划分：案例（北京地铁八号线二期某区间）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Ⅱ级环境风险一级风险工程I级环境风险二级风险工程Ⅱ级环境风险土沙复合D段土沙卵石复合E段土沙复合D段埋深均大于13m二、施工准备期盾构施工安全风险控制1、盾构隧道组段划分：案例序号里程长度（m）环号隧道穿越土层隧道埋深h(m)隧道上覆土层特殊地质情况地下水位情况施工环境综合等级1K17+943.394~K17+913.394300~25粉土、粘土、粉质粘土、粉细砂18.2~18.5粉土填土、房渣土、圆砾-卵石填土、卵石、细粉砂、粉土无无盾构始发(0~8环)DⅡ2K17+913.394~K17+792.194121.226~126粉土、粘土、粉细砂、卵石、粉质粘土14.4~18.5房渣土、粉土填土、圆砾-卵石填土、细粉砂、粉质粘土、粉土盾构下穿鼓楼立交桥及既有M2鼓楼大街站及其风道（52~77环）、下穿北护城河（97~122环）、临近旧鼓楼桥（91~126环）、下穿平板房（117~126环）EⅠ3K17+792.194~K17+670.113122.4127~228粉土、粘土、粉细砂、卵石、粉质粘土14.4~18.5房渣土、粉土填土、圆砾-卵石填土、细粉砂、粉土盾构下穿大量平瓦房（127~228环）EⅡ4K17+670.113~K17+309.913360.2229~528粉土、粉质粘土、粉细砂17~18.8房渣土、粉土填土、粉土、粘土、细粉砂、粉质粘土盾构下穿大量平瓦房（229~315环）、联络通道（338~344环）、临近工人出版社综合楼宿舍（459~515环）DⅡ5K17+309.913~K17+270.14039.6529~561粉细砂、粉质粘土14.6~17房渣土、细粉砂、粉质粘土临近北京教育学院（529~552环）、下穿北中轴1号过街通道（542~561环）DⅠ6K17+270.140~K17+076.060194.4562~723粉细砂、粉质粘土14.6~17房渣土、粉质粘土临近11层居民楼（604~673环）、六铺坑#8楼（692~723环）、盾构到达（715~723环）DⅡ结合组段划分和盾构设备具体情况，设定盾构主要施工参数控制范围，并将其录入“盾构施工实时管理信息系统”，可实现盾构施工的实时监控和施工参数的自动报警（在施工期安全风险控制部分将进行具体讲述）。二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：始发端头土体失稳到达端土体被推出到达端地表塌陷到达端涌水流沙盾构始发/到达过程中，当端头地层为自稳能力差、透水性强的松散砂土或饱和含水黏土时，破除封门后，开挖面土体将完全暴露，端头土体在侧向水土压力作用下，地层受力平衡状态被打破，如果不预先对盾构始发/到达端头土体进行加固，或者端头土体加固效果不好，很可能会导致开挖面由于支护强度不足而发生失稳破坏，随之大量土体和地下水可能会向工作井内塌陷，严重时会发生塌方、透水等事故，危及地下管线和附近周围建筑物，导致盾构始发与到达的失败。二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：目的满足土体强度的要求满足稳定性的要求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，破洞门时振动过大对土体的扰动等。满足加固(土体)的渗透性要求(特别是水+沙+压力的情况)满足加固土体的变形特征要求(土压建立前和土压消失后)满足土体扰动极限平衡理论（横向加固）二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：风险原因始发/到达端头加固风险原因简析：端头加固工法的选择不合理；端头加固范围不足；端头加固质量未能达到设计要求；水平或垂直抽芯的方法不合理导致效果判断有误。二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：评估指标始发/到达端头加固设计的评估主要内容：加固后土体的强度（如c、φ、单轴抗压强度等）；加固范围（主要为纵向加固长度、加固宽度、上方及下方加固高度）；加固后土体的渗透性（主要评估指标为土体的渗透系数）；设计采用的加固方法。二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：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10-7m/s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。二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：加固土体的强度要求（板理论）强度验算示意图二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：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：20124tkPDt其中：P：洞门中心处的水土压力合力；D：封门直径；：加固土体的极限抗拉强度；安全系数K0取1.5～2.0，计算系数取1.2。t二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：强度计算公式国内（静力理论）最大弯曲应力（中心处）：最大剪力（支座处）：2max211.3238tpDtkmax24cPDtk二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：整体稳定性要求（滑移失稳理论）整体稳定性验算图二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：稳定性计算公式抗滑安全要求：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抗二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：端头土体纵向加固范围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）二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：始发端头土体加固长度无水始发满足条件：强度+稳定性+变形特征（土压建立前）二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：始发端头土体加固长度有水始发满足条件：强度+稳定性+变形特征（土压建立前）+渗透性（水+沙+压力）二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：到达端头土体加固长度无水到达当盾构到达端头地层条件较好，且无地下水时，可以不用对端头土体进行加固，但是必须采用相应的辅助措施当盾构到达端头地层中虽然无地下水，但土层条件较差时，主要为软土、淤泥质地层时，基于强度与稳定性的考虑，必须对端头土体进行预先的加固处理端头土层自我稳定性较好，但端头地层结构较为复杂时，必须采用采取相应的辅助措施，必要时必须进行预先加固二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：到达端头土体加固长度有水到达满足条件：强度+稳定性+变形可控特征（土压消失后）+渗透性（水+沙+压力）二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：端头土体横向加固范围)24()cos(1Haaar1()cosBaHa二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：端头土体横向加固范围直径范围/mD＜11＜D＜33≤D＜55＜D＜8简图B1.01.01.52.0H11.01.52.02.5H21.01.01.01.0根据理论分析和工程实践经验，孔洞口周围土体的最小加固宽度和高度可参考下表：土体横向加固最小尺寸表二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：案例（北京地铁大兴线某区间）前期污水管线改移至盾构接收洞口上方，右线到达端头无法按设计进行加固，导致端头加固效果较差盾构到达推进过程中施工参数控制不当（土压未降至0，刀盘前方凌空，主动土压为0，而舱内被动施加过大压力）桩间土部分失稳、管线爆裂接收端地面坍塌土体从洞门涌入车站二、施工准备期盾构施工安全风险控制2、始发/到达端头加固设计：案例（北京地铁大兴线某区间）鉴于右线发生的坍塌事故，左线进行了二次端头加固.下部1/3洞门未喷浆补喷下部洞门刀盘距围护桩2环时面层被挤破所幸支护较到位，且迅即采取了小导管注浆等措施，左线安全到达。二、施工准备期盾构施工安全风险控制3、盾构设备适应性评估：盾构选型合理的盾构选型是保证盾构法安全施工的必要条件。盾构选型