盾构隧道施工技术现状及展望 ( 第2讲)

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1、编者按:随着我国大规模地铁建设逐步开展,城市地下工程施工技术的研究开发已成为一个重要的课 题。盾构隧道施工法以其具有绿色环保的特点已广泛受到了各方面的注目。为了使广大的规划、 管 理、 设计、 施工人员对盾构隧道技术有较为全面的认识,本刊以讲座的形式刊登留日博士、 河海大学岩 土工程研究所朱伟教授的论文 盾构施工技术现状及展望 。希望能够通过本讲座普及盾构隧道技术 并促进其应用和发展。讲座分3次刊登。 第1讲:盾构隧道基本原理及在我国的使用情况;第2讲:盾构隧道技术问题和施工管理;第3讲: 盾构隧道应用前景及发展方向。盾构隧道施工技术现状及展望(第2讲) 盾构隧道技术问题和施工管理朱 伟1 陈

2、仁俊2(1.河海大学岩土工程研究所,南京 210098 ;2.中国冶金地质勘查工程总局,北京 100029) 摘 要 对我国在盾构隧道技术上所遇到的主要技术问题进行了阐述。根据国外的 经验对这些技术问题的解决方法进行了讨论。明确了在盾构技术发展中必须解决的关 键技术问题,指出了技术开发、 研究的主要方向。 关键词 盾构技术 关键技术 开挖面稳定 衬砌管片设计盾构隧道施工的成功与否是由人、 机械、 土的三个方面 所决定的。人是指管理规划、 设计人员、 施工监理人员对盾 构技术的理解程度,对机械操作、 控制的熟练程度等;机械是 指机械设计的合理性,盾构机选型与围岩的适应性等;而土 是指应仔细考虑围

3、岩的自立稳定、 软硬、 透水性、 颗粒的大小 及粒组、 地下水的情况、 周围建筑物的情况等条件,只有充分 满足这三个条件才能够顺利、 成功的完成盾构隧道的施工。 而作为具体的盾构技术具有基本的三要素,其一是进行开挖 的盾构机;其二是能进行安全施工的盾构选型;其三是承受 隧道周围土压力、 水压力的衬砌管片,将3个要素有机地进 行结合是盾构技术的基础。如前文所述,在1996年以前我 国盾构技术的经验积累主要集中在上海软土地基之上,采用 的机型、 施工围岩、 工程参加单位都有一定的局限性。近5 年盾构技术在全国各地得到采用,人、 机械、 土三个方面都有 了较大的变化,因此盾构技术也必然遇到各种各样的

4、问题。 本文根据国内近几年的应用情况和国外盾构技术的经验,对 我国盾构发展中必须解决的一些技术问题进行论述。1 盾构隧道工程中的技术问题虽然我国在盾构隧道施工技术应用方面已经有了不少 的经验。但至今为止的研究开发主要还是以掌握施工技术, 解决具体施工问题为主要内容。为了能够使盾构技术更加 适合于我国工程实际的具体情况,一些基础性、 理论性的研 究也是必不可少的。1)隧道管片设计问题 作为盾构施工的最终产物,隧 道衬砌结构主要是由管片构成。而管片所形成的结构物是 永久性的,因此管片的设计是非常重要的环节。虽然我国的 一些地区性规范中已涉及到一些盾构隧道管片的设计方法, 但目前尚无系统、 完整的盾

5、构隧道设计规范。因此,系统地 进行盾构隧道管片设计理论的研究就成为当务之急。 管片的设计要考虑隧道断面上的问题和轴线方向上的 问题。除了地基可能发生较大不均匀沉降或特殊部位需要 进行地震时轴线方向的计算以外。隧道管片主要还是根据断面上的受力进行计算。而断面上的设计计算主要涉及两 个问题,一个是管片设计荷载的设定问题,另一个则是管片 环的结构计算模型的问题。对于这两个问题,各国均有自己 习惯的处理方法,但是由于各国围岩条件有较大的差异,设 计思路也有所不同。在此对一些常见的方法进行介绍。 (a)荷载的设定 首先,荷载可以分为表1的3类。主 荷载是长期作用于隧道的荷载。次荷载是施工时或隧道竣 工后

6、的作用荷载,可以根据隧道的使用目的和性能要求进行 考虑。特殊荷载是根据施工条件和围岩条件进行考虑的荷 载。 表1 设计荷载的分类主 荷 载1.垂直及水平土压力 2.水压力 3.自重 4.上覆荷载 5.地基抗力次 荷 载6.内部荷载 7.施工荷载 8.地震的影响特殊荷载9.相邻隧道的影响 10.近接施工的影响 11.地基沉降的影响 12.其他在垂直土压力的设计计算中,主要存在一个是否考虑松 弛土压力的问题。一般来说,对于非常软弱的粘土地基或覆 土厚度小于隧道直径的工程,考虑到隧道开挖后难以在隧道 顶部产生拱效应,多不考虑松弛土压力。除此之外的情况 下,一般根据太沙基的松弛土压力公式进行计算。 而

7、对于水平土压力,则存在水压力和土压力分别计算 (土水分离)或者水压力和土压力一起计算的(土水一体)两 种方法。在不能明确其属于哪一种情况时,最好对两种情况 都进行计算,选取对安全不利的计算结果进行设计。还有一 个问题就是侧向土压力系数的取值问题,一般考虑取主动土 压力与静止土压力之间的数值。根据围岩的性质,围岩较好41岩土论坛GEOTECHNICAL ENGINEERING WORLD VOL. 4 No. 12时取靠近主动土压力一侧,而围岩较差时则取靠近静止土压 力一侧的土压力系数。各国规范均对各种土有一些经验性 的建议值,其范围在0. 350. 80的范围之中。为了以后的设 计能够合理的取

8、值,我国也应加强这一方面的积累。 对于水平地基抗力,存在两种处理方法,一种是将地基 抗力计算为三角形分布荷载进行考虑如图1(a) ,另一种是 考虑为地基弹簧进行计算如图1(b)。欧美国家多采用在管 片环全周考虑弹簧的全周弹簧模型,而日本此前采用的是只 将半径方向的弹簧考虑为有效弹簧的部分弹簧模型,最近在 铁路隧道的设计中也采用全周弹簧模型进行考虑。无论采 用哪一种方法,都需要根据经验性的地基抗力系数计算荷载 的大小或弹簧系数。由于地基抗力系数对设计计算影响较 大,各国规范都提出一些经验性的参考系数。这些经验性系 数多是根据大量工程实测数据,通过逆算统计而得。(b)结构计算模型 管片环是由刚度较

9、大的管片和刚 度相对较小的接头所组成,根据拼装的方法产生错接头和顺 接头两种接头方式。在管片设计时,最为普通的方法是把管 片环作为完全等刚度的圆环或平均等刚度的圆环来考虑(图 2(a)。作为单环,无论是采用错接头还是顺接头,单环的刚 度是相同的。但如果考虑相邻管片环的相互影响,顺接头和 错接头的刚度则有所不同。顺接头由于相邻环的接头都在 同一位置,环与环之间不存在剪应力的传递,只要考虑单环 的均匀刚度即可。此时使用一个刚度降低系数(小于1的 值) ,用EI来表达环的刚度。 错接头由于环之间相邻部位 (管片与接头)的刚度不同,会发生剪应力的相互传递,此时 需根据环间接头来考虑均匀刚度。 一般除用

10、EI来表达环的 刚度以外,使用一个弯矩减少率(小于1的值)来表达错接 头的应力传递效应。 在相邻管片环接头部位,管片由于承受 接头所传递的剪应力,其计算弯矩加大为(1+) M ,而在接 头部位则减小为(1+) M来考虑。由此也可看出,错接头 在结构上是比较有利的。一般来说,顺接头多在围岩条件较 好的欧洲国家使用,日本由于围岩软弱则很少采用顺接头。 多铰圆环模型(图2(b)是在围岩条件很好的情况下使 用。在英国和苏联有所使用,由于是非静定结构,以可以从 围岩得到较大的地基抗力为前提进行计算。如果是软弱围 岩的话会产生很大的变形,使用时应慎重。 梁-弹簧模型(图2(c)是比较能够反应管片实际工作

11、状态的计算模型。除全周考虑地基弹簧以外,将管片之间的 接头用旋转弹簧、 环间接头考虑为剪切弹簧,用两环为单元 可比较合理地计算管片及接头的内力。由于是对管片、 接 头、 围岩分别模拟,所以不但可以进行管片、 接头的结构计 算,还可进行变形的计算,可使用于各种软硬围岩。这一方法需要通过实验来确定接头的弹簧系数,也可使用一些理论 方法求解弹簧系数。2)开挖面的稳定问题 盾构法的主要原理就是尽可能 在不扰动围岩的前提下完成施工,因此其施工的关键就是维 持开挖面的稳定性。泥水加压式盾构与土压平衡式盾构在 维持开挖面稳定性方面机理稍有不同,主要区别于其控制开 挖面的压力时分别采用了泥浆和流塑性土体。 (

12、a)泥水加压式盾构 泥水加压盾构是通过压力舱内泥 水的压力、 泥水的特性来控制开挖面维持稳定的。泥浆对开 挖面的稳定作用主要有: 通过一定压力注入到开挖面的泥 浆会在开挖面上形成一个难透水的泥膜或渗透壁,在泥膜两 侧围岩内的水压力、 土压力通过泥浆压力得到平衡从而有效 地维持开挖面的稳定性。 泥浆微粒子向开挖面前方渗透 可增加土的粘聚力,对开挖面的稳定有利。因此首先选择最 佳的泥水压力对开挖面的稳定性是至关重要的。如果泥水 压力过小时,开挖面在围岩土压力、 水压力的作用下就会发 生破坏。而压力过大时,泥水会在透水性良好的砂土中渗透 逸散,泥水压力超过土的抗剪强度就会在地基中形成劈裂裂 隙而造成

13、冒浆。其次选择合适的泥浆特性也很重要,泥浆的 比重、 粘性、 稳定性和过滤特性决定泥膜形成的快慢和泥膜 的质量。一般来讲泥浆的比重越大越有利于开挖面的稳定 性。但是在长距离隧道开挖中,过大的比重不但会引起泥浆 输送泵的超负荷,还会增加泥水处理的难度。比重过小就会 出现大量逸泥而增加泥膜和渗透壁形成的难度。在透水性 良好的饱和砂土中,泥水的过滤特性尤为重要,泥水中微粒 子的大小与土中孔隙大小的相对关系直接决定了泥膜形成 的难易程度。微粒子过小使得泥水只在地基中渗透而不形 成泥膜,微粒子过大又会造成在送泥管和压力舱内的沉淀和 淤堵。因此研究泥浆压力的控制和泥浆成膜机理是发展泥 水加压盾构的重要问题

14、。(b)土压平衡式盾构 土压平衡式盾构需要在压力舱 内充满开挖泥土,通过对开挖土体施加压力来平衡开挖面上 的土压力和水压力。一般将压力舱内开挖土的状态称为” 塑 性流动状态”,从土力学的角度分析,这种状态包括3个方面 的含义: 土体不易固结排水。当推力通过隔板传递到压力 舱内土体时,如果土体迅速排水固结,就会在压力舱内形成 固结” 土饼”,土水分离会影响压力舱内土体的循环和排土, 因此土体要保持为不易固结排水的状态。 土体处于流塑 状态。压力舱内的土体应处于高含水率,土的强度较低而易 于翼板的搅拌。这一流塑状态可保证土体受到挤压时向螺51岩土工程界 第四卷 第12期 岩土论坛旋排土器内发生塑性

15、流动,而顺利完成排土,就是所谓的” 挤 牙膏” 效应。 土体具有不透水性。只有压力舱的土体具有 足够的不透水性,才能保证维持开挖面上的水压力,同时也 能防止从排土口发生喷涌现象。 一些淤泥质粘土、 粘土、 粉 质粘土在天然状态下通过开挖搅拌后即可满足以上3个条 件,这是最为适合于土压平衡式盾构的围岩。但是在很多情 况下,天然状态的土体很难满足这些条件,象饱和砂土地层、 风化花岗岩地层、 砂砾石地层、 卵石地层等均为易于固结、 土 水分离、 易于水的渗透、 不易于形成塑性流动。这时,土体在 刀盘、 压力舱内形成 “土饼”,造成压力舱闭塞致使旋转扭矩 上升、 排土不畅。或由于排土口水压力过大而发生

16、喷涌,最 终使开挖面失稳。饱和砂土围岩一旦发生开挖面失稳,严重 时会导致开挖面前部产生流砂最后发生地面坍陷。对于这 种地层,一般通过向刀盘、 压力舱或螺旋式排土器内添加泥 浆等添加材料改善土体的性质,以满足以上的三个条件。添 加材料各种各样,要根据地层的土质条件进行选择。3)盾构姿势和线路控制问题 盾构机是一个由盾构千 斤顶驱动、 在地中运动的庞然大物。而隧道设计对盾构机行 走轨迹的要求非常严格。这是由于 盾构机的过大偏移会 造成隧道的偏移而影响使用。 盾构机的偏移会造成施工 操作上的困难。由于围岩的不均匀性、 曲线段施工、 推力的 偏心、 刀盘旋转的反作用,盾构机的姿势易发生左右偏移、 上 下偏移(所谓的 “抬头” 和 “磕头”)。盾构机姿势的偏移直接 造成线路的偏移,同时造成管片拼装困难,有时也会由于不 得不偏心推进而对管片产生过大的施工荷载造成管片开裂。 盾构机的偏移可以说是难以避免的,但是最重要的是要 将偏移量始终控制在较小的范围之内。这就需要对千