并联式泥水/土压双模式盾构施工技术与冷冻刀盘开舱技术的创新与实践

针对盾构施工过程中经常遇到的2大问题:1)盾构在复杂地层中掘进遇到的盾构选型难问题,如盾构区间一段适合土压盾构掘进,另一段适合泥水盾构掘进,而采用单一掘进模式的盾构都无法应对较大的地层变化; 2)盾构在复杂地层、长距离掘进施工时,开舱检查并更换刀具不可避免,盾构在上软下硬/软弱地层/含水砂性地层开舱存在极大的工程安全风险。在原有盾构的基础上,通过采取改造盾构内部结构、搭载冷冻设备、改进设备系统等手段,研制出并联式双模式盾构及搭载冷冻刀盘式盾构。通过广州地铁9号线、广州地铁21号线、220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程案例,总结出双模式盾构施工技术与冷冻刀盘技术。并联式泥水/土压双模式盾构兼具土压平衡盾构和泥水平衡盾构的功能及施工优势,可根据隧道沿线地表环境条件和隧道穿越地层条件,合理划分采用泥水或土压模式施工的地段,且盾构施工环境适应性强,可在不拆装任何部件的情况下安全、快速地实现掘进模式的切换。将冷冻法与盾构刀盘结合在一起,使盾构刀盘具备冻结地层的功能,通过冷冻刀盘在隧道内对土舱外土层冻结加固,使其达到常压开舱的要求,与双模式盾构相结合,兼容性好,不存在功能上的冲突。     

基岩破碎带与软硬不均等不良地层盾构掘进技术分析

为了解决并进一步研究盾构在基岩破碎带或上软下硬等不良地层中掘进时易出现的问题和盾构设备的适应性问题,针对广深港客运专线狮子洋隧道和长株潭城际铁路湘江隧道2个不同的工程项目和盾构形式,在硬岩地层掘进中出现的坍塌受阻情况和处理技术方案进行了阐述和总结。分析2个工程的地层特点、掘进时采取的措施和施工中存在的问题,论证泥水和土压平衡2种盾构在相关不良地层中的适应性和掘进技术的观点,并对双模盾构和常压刀盘的应用提出了质疑和建议,以期对今后类似工程的盾构选型和掘进施工有一定的借鉴意义。     

水底隧道上软下硬地层超大直径盾构掘进技术难点与对策探讨

为了解决水底软硬不均地层超大直径盾构施工技术问题,以某水底盾构隧道工程为依托,对超大直径盾构在水底上软下硬地层掘进中面临的技术难点、盾构机选型、施工方案选择、试验段掘进效果、方案可行性以及掘进管理控制等进行了分析和探讨。结果表明,采用有针对性设计功能的盾构机,在低刀盘转速、低掘进速度下,超大直径盾构直接掘进通过水底上软下硬地层的施工方案具有很高的可行性,并得到了成功实施。     

土压平衡盾构掘进施工中泡沫改良工艺的研究

为适应土压平衡盾构在复合地层中施工,需将盾构开挖地层中的土体改良成具有良好的塑性流动性、较低的渗透性,以及较小的内摩擦角,通常采取在开挖面及土仓内注入土体改良剂。现对土压平衡盾构掘进施工中的泡沫改良工艺进行叙述,对泡沫改良机理、泡沫使用参数、盾构机改良系统等方面进行了研究。     

EPB隧道掘进对软岩地层地表影响分析

以城际快速轨道南京南站至禄口机场站1号盾构井工程为依托，分析土压平衡盾构模式掘进对软岩地层地表影响，减小城市环境下土压平衡盾构模式掘进对下穿建筑物影响，确保隧道施工安全。为此，运用FLAC显式有限差分软件进行建模，通过对土仓压力、同步注浆效果和出碴量等影响因素的分析，研究了土压平衡盾构模式掘进对软岩地层地表沉降的影响，确定了合理的掘进控制参数。     

土压平衡盾构在砂层中掘进的渣土改良技术

渣土改良技术是土压平衡盾构在砂层中掘进的关键。结合南昌、郑州和西安地铁区间隧道盾构施工实例,对土压平衡盾构砂性地层改良技术的应用进行系统的调查研究,采用膨润土泥浆、泡沫剂、聚合物等添加剂对不同的砂性地层进行渣土改良,分析膨润土泥浆、泡沫剂、泥浆与泡沫剂相结合、泥浆与聚合物相结合等对砂性地层改良的作用机制和特点,总结盾构在不同砂性地层中掘进采取的渣土改良技术措施,指出渣土改良技术目前的使用及研究现状,以期为今后类似工程提供参考和借鉴。     

盾构施工新型防结泥饼泡沫剂的研制与应用

针对黏性土层内摩擦角小、黏聚力大、渗透系数低等特点所导致的土压平衡盾构掘进中易发生土体黏附刀盘、土舱结饼堵塞等难题，研制黏土地层专用分散型泡沫剂DCA，并在高液限、强塑性黏性土地层盾构区间进行应用。通过对新型泡沫剂应用期间盾构掘进参数分析以及与同种地层其他泡沫剂的使用情况对比，对泡沫剂的应用效果进行评价。应用结果表明： 1）分散型泡沫剂DCA的碴土改良效果与现场使用的某进口泡沫剂相当，产品性能优于国内同类产品，满足强风化泥岩地层及砂卵石夹泥岩复合地层盾构施工对碴土改良的要求； 2）使用分散型泡沫剂DCA每环可节省10%~15%的材料用量，成本较优，经济效益明显，具有广泛的推广应用价值。     

盾构隧道渣土改良理论与技术研究综述

土压平衡盾构在掘进过程中常遇到结"泥饼"、喷涌、刀具磨损等难题，需要对渣土进行合理改良，方可确保隧道顺畅掘进。常用的渣土改良剂有水、泡沫剂、分散剂、黏土矿物和絮凝剂，其中水和泡沫剂适用于各种地层，分散剂适用于黏性较大的地层，黏土矿物适用于缺乏细粒的颗粒土地层，而絮凝剂则适用于富水粗颗粒土地层，改良剂能够改变渣土的塑流性、渗透性、磨损性、黏附性、抗剪强度、压缩性等力学性质。针对盾构渣土改良难题，从渣土改良剂类型及技术参数、渣土改良评价指标及确定方法、改良黏性渣土力学行为、改良非/低黏性渣土力学行为、渣土改良下盾构掘进力学行为等5个方面，详细剖析了国内外盾构渣土改良理论和技术发展动态，总结既有研究不足之处。最后，提出了渣土改良研究方向建议：①水环境和温度对渣土改良效果影响；②黏性地层防"泥饼"新型改良剂的开发；③粗颗粒渣土改良技术；④渣土改良评价指标和体系的建立；⑤渣土改良作用下盾构掘进精细化数值模拟；⑥智能化渣土改良技术。     

上软下硬复合地层地铁盾构隧道设计及施工探析

在上软下硬复合地层,地铁盾构隧道设计、盾构选型及施工均存在不少困难和问题。对这些困难和问题进行详细地介绍和分析,结合国内大量工程的实施情况和经验,从设计、盾构选型及配置、施工措施等方面,提出处理方案及措施:1)设计方案合理绕避上软下硬地层,有针对性措施及对应概算;2)盾构选型和刀盘配置需适应硬岩掘进和软弱层保压;3)给出全面可行的施工技术措施和应急预案。     

以色列地铁粉砂地层盾构连续穿越河道和铁路施工技术

为解决土压平衡盾构连续下穿河道和铁路的施工技术难题，结合以色列Tel Aviv地铁红线盾构隧道施工实例，研究土压平衡盾构在浅埋粉砂层中2次连续切削钢筋混凝土桩基并穿越河道、运营铁路施工控制技术。综合采用深层旋喷桩加固技术、建（构）筑物自动化监测系统、盾构切削钢筋混凝土桩基试验、盾构掘进施工沉降控制施工技术，顺利实现2台盾构安全穿越河道、铁路、桩基等危险区域。通过实时监测数据对沉降、盾构切割桩基试验数据、近距离下穿河道和铁路整个过程进行调查、研究与分析，得出以下结论: 1）提出盾构下穿河道和运营铁路时沉降控制的有效技术措施； 2）总结形成一套土压平衡盾构在辅助工法配合下穿越河道、铁路等危险建（构）筑物工法，拓宽土压平衡盾构的使用范围； 3）验证盾构不同刀具配置与有效切割钢筋混凝土桩基的关系，为类似工程提供技术支撑和经验。     

土压平衡盾构机下穿胶济铁路沉陷控制技术的应用

通过优化土压平衡盾构机掘进参数及采用自动化监测系统对地面胶济铁路进行监测,实现在闪长岩、易喷涌、上软下硬地层中安全快速高效掘进实现沉陷控制。     

土压盾构在富水粉砂地层中浓泥渣土改良技术研究

为解决土压盾构在富水粉砂地层掘进过程中存在的刀盘转矩过大、开挖面稳定难以控制及排土困难等问题,提高该地层盾构施工的安全性及稳定性,以无锡地铁3号线富水粉砂地层盾构区间为依托,提出土压盾构浓泥渣土改良技术,并开展土压盾构浓泥渣土改良现场试验,研究掘进过程中开挖面前地层中孔隙水压力、盾构掘进参数及地层沉降的变化规律。结果表明： 1）向开挖面注入4 m3/环泥浆后,能够将渣土的坍落度由原来的7.5 cm提高至14.5 cm,降低盾构闭舱和喷涌风险,且能减小土压、推力及转矩的变化波动; 2）浓泥浆在开挖面形成泥膜效应,可以有效降低掘进过程引起的孔隙水压力,最大可减小20 kPa。掘进完成地层稳定后,与未添加浓泥渣土改良掘进的地层相比,地表沉降值减小26.7%。     

土压平衡盾构的土力学模型与土压平衡控制

根据土压平衡盾构的特点及施工原理,结合隧道设计、施工的具体经验,建立了土压平衡盾构的土力学模型,并采用朗肯理论计算了掘进土压力,提出了土压平衡盾构掘进土压平衡控制策略,确定了土压平衡盾构施工土压力的设定原则和方法,为土压平衡盾构掘进机的设计和开发提供科学的理论依据.     

TBM和EPB双模式可转换盾构施工技术在复合地层中的应用

针对南京地铁机场线1号风井-禄口机场区间隧道,在长距离高强度岩层兼上软、下硬复合地层中穿越重要建(构)筑物的施工环境下,采用TBM和EPB双模式可转换盾构掘进施工,既能满足在高强度硬岩中掘进效率,又能保证盾构穿越上软、下硬复合地层时建(构)筑物的安全。     

无水砂层土压平衡盾构长距离掘进施工技术

在石家庄典型地质全断面无水砂层及无水粉质黏土与砂层组成的复合地层,土压平衡盾构掘进施工中易出现“盾构推力扭矩大、盾构出土不顺利、地表沉降量较大、刀盘螺旋输送机磨损严重、盾构掘进姿态控制不易控制”等施工难点。以石家庄市轨道交通1号线和平医院站-烈士陵园站区间施工为背景,通过盾构选型、掘进参数统计及分析,得出盾构在全断面砂层中掘进时必须向改良土体注入膨润土泥浆和泡沫,以达到改良和建摩的作用;盾构在粉质黏土和中粗砂组成的复合地层中掘进时,单独使用泡沫改良土体就能满足掘进要求,膨润土泥浆将不以改良渣土为第一目的,而以润滑为第一目的;在这种地层掘进时,不应只注重掘进是否顺利,还应保护盾构构件,因此在黏土地层和砂层的复合地层掘进时,加入水或膨润土泥浆是必要的。     

上软下硬地层盾构隧道围岩应力释放率研究

为解决盾构隧道在上软下硬地层中掘进时开挖面应力释放率难以确定的问题，基于一种既有的体积损失率迭代求解应力释放率的方法，依托广州地铁21号线盾构穿越上软下硬地层实际工程，通过数值模拟研究掌子面不同软硬岩比例、不同埋深条件下的应力释放率变化趋势，并结合现场实测资料进行对比分析。研究结果表明： 1）在盾构隧道掘进穿越上软下硬地层分界面的过程中，围岩的初次应力释放率范围基本保持在24%~36%，且随掌子面硬岩比例的增加呈线性增加趋势； 2）相对于围岩条件而言，埋深对应力释放率的影响更小。此外，在盾构隧道穿越上软下硬地层的全过程模拟中，根据围岩变化情况随不同开挖步动态调整应力释放率这一做法较全程取一固定应力释放率值更为合理。     

兰州地铁砂卵石地层土压平衡盾构刀具使用寿命延长技术

为了降低刀具的磨损,延长刀具的使用寿命,以兰州地铁工程施工案例为背景,对土压平衡盾构在砂卵石地层中掘进刀具磨损的问题进行了跟踪研究。通过理论计算与工程实际对比分析得出刀具的磨损规律,在刀盘设计和刀具组合等研究成果的基础上,对渣土改良、盾构掘进参数、盾构姿态和一般欠土压模式掘进等控制措施进行了系统的研究和实践,成功地延长了刀具使用寿命,减少了刀具更换的次数,加快了工程进度并降低了工程成本;同时,解决了土压平衡盾构在砂卵石地层掘进刀盘被卡、地面沉降控制等技术难题。     

浅埋EPB盾构土舱压力研究

基于Rankin土压力理论,分析浅埋EPB盾构土舱内土体与掘进面上土体之间的相对位移关系,建立盾构前方及其上覆土体处于弹性平衡、主动极限平衡和被动极限平衡三种状态下的土舱压力计算模型,推导得出了地表处于无变化、沉陷和隆起所对应的土舱压力界限值,得出了盾构施工土舱压力取值区间的理论解。结合某盾构施工实例,验证了该理论解的有效性,为盾构施工时土舱压力这一施工参数的选取提供了理论依据。     

砂性地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构在砂性地层中施工时,土舱内的土体很难形成塑性流动状态,土舱压力平衡难以建立,易导致开挖面失稳崩塌、排土不顺畅、地表变形过大等影响盾构推进的问题。为确保盾构顺利推进,找出适应于该地层的改良剂及改良参数,对砂性地层土体改良进行研究。针对砂性地层采用添加泡沫剂和膨润土等方法进行改良,分析泡沫半衰期及发泡倍率随泡沫浓度变化的规律,膨润土泥浆黏度及相对密度随泥浆浓度变化规律,找出泡沫剂最优发泡浓度及膨润土最佳浓度,通过坍落度试验确定改良剂注入比,通过现场掘进试验分析改良效果,研究出适用于砂性地层的渣土改良方案。     

盾构开挖方式与地层条件适应性研究

盾构施工的土层条件及掘进环境等越来越复杂多样,在复杂的地层开挖如何根据不同地层条件高效率地利用盾构施工技术进行开挖,成了现今盾构施工界普遍关注的问题。采用三维有限差分数值分析方法,针对土压平衡式盾构在砂性土地层及风化岩地层掘进施工中,开挖面支护压力不足所引起的极限平衡破坏状态进行了分析研究,探讨了地层条件对盾构开挖方式的影响,得出砂土不推荐使用敞开式开挖,而在风化岩地层中开挖时,为了提高施工效率,在一定条件下可以采用敞开式开挖。