地面出入式盾构法隧道新技术与工程示范

G-1 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 地面出入式盾构法隧道新技术与工程示范地面出入式盾构法隧道新技术与工程示范 Ground Penetrating Shield Technology (GPST)综述报告综述报告 上海隧道工程有限公司 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司 上海盾构试验研究中心有限公司 2017年4月 上海市重点科技创新计划项目（项目编号11231202700）G-2 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 一、工法原理 二、技术难点 三、核心技术 四、示范工程 五、结论展望 汇 报 内 容 G-3 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 工法原理工法原理 一 G-4 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 一、工法原理 建设工程不社会矛盾突出点：建筑物拆迁、地面交通疏解、地下管线搬迁 急需一种施工方法缓解矛盾 G-5 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 GPST新方法 传统施工方法 一、工法原理 需要始发到达工作井 覆土丌宜小于0.6D 暗埋段需要明挖施工 无需工作井 无需明挖施工暗埋段 G-6 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 无需深大工作井 一、工法原理 GPST技术优势 缩短建设工期 减少施工风险 传统施工方法 隧道类型 深度/m 工期/月 造价/万元 轨道交通6.2m 12 8 1000 公路隧道11m 20 10 2500 公路隧道15m 26 12 4500 G-7 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 盾构掘进替代暗埋段明挖 减少明挖施工场地 减少对交通的影响 减少建筑弃土方量 一、工法原理 GPST新技术 传统施工方法 G-8 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 减少施工场地 缩短建设工期 降低环境影响 减少拆迁、翻交 减少地面构筑物拆迁 减少管线搬迁 减少道路翻交 减少河道翻浇改道 节能减排 减少大型设备使用 减少噪音 土方量降低 降低CO2排放 显著的社会效益 符合国家战略需求 满足业主要求 一、工法原理 GPST技术优势 G-9 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 技术难点技术难点 二 G-10 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 隧道上浮 轴线偏离 隧道渗水 结构变形 在无覆土和超浅覆土下进行盾构隧道建设，面临结构变形，隧道上浮、接缝渗漏、轴线偏离等难题。科研攻关组通过理论计算、三维仿真和模型试验等方法进行深入研究，形成了四大核心关键技术。二、技术难点 核心核心技术技术 三 G-16 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 三、核心技术 研究内容 国内外GPST资料调研高效施工设备研制盾构机整体设计管片稳定装置设计刀盘设计HE同步注浆技术研究与有土体改良技术研究示范工程选定试验段掘进施工方案制定与家评审示范工程实施形成规程、工法、成果固化、鉴定调研阶段研发阶段应用阶段结构变形隧道上浮隧道防水轴线偏离整环管片结构试验-0.3DD覆土锚杆试验结构破坏试验管片防水试验无压状态盾构机开口率掘进进土试验无工作井隧道设计技术研究隧道受力分析和管片结构设计研究导坑围护结构设计盾构进出导坑段施工技术研究进出地面段土体加固措施隧道质量控制技术盾构掘进技术超浅覆土盾构施工地层扰动影响研究理论试验研究管片试验数值仿真分析隧道抗浮设计研究盾构始发支撑体系G-17 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 关键技术一 关键技术四 关键技术二 关键技术三 结构变形控制技术 隧道抗浮技术 隧道防水技术 盾构姿态控制技术 GPST新技术 三、核心技术 GPST四项核心关键技术 G-18 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 设计-管片结构与项设计 装置-管片稳定装置研制 施工-隧道变形防治技术 试验-整环管片结构试验 技术成果一 隧道变形控制技术体系 三、核心技术 通过荷载模式及计算模型适应性分析，结合管片结构试验，形成GPST管片结构设计新方法，研发管片稳定装置和施工防治措施，控制隧道变形量。G-19 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 技术成果一 隧道变形控制技术体系 1 管片结构与项设计 工况 荷载模式 计算模型 备注 负覆土 土弹簧抗力模型 粱-弹簧模型（平面）壳-弹簧模型（空间）正覆土 三角形抗力模型 修正惯用法（折减系数如右）刜步 设计 土弹簧抗力模型 粱-弹簧模型（平面）壳-弹簧模型（空间）施工图 设计 梁梁-弹簧计算弹簧计算模型模型 壳壳-弹簧计算弹簧计算模型模型 覆土 施工阶段 使用阶段 通缝 错缝 通缝 错缝 负覆土 00.5D 0.40 0.65 0.80 0.90 0.5D以上 0.60 0.70 0.65 0.75 G-20 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 技术成果一 隧道变形控制技术体系 1 管片结构与项设计 斜螺栓：增加接头刚度 定位棒：增加拼装精度 定位销：增加拼装精度 定位销孔 定位棒 接头三维精细化模型 纵缝接头三维精细化模型及加载示意图纵缝接头三维精细化模型及加载示意图 G-21 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 2 管片结构整环试验 技术成果一 隧道变形控制技术体系 弯矩等效法模拟工况载荷；重点测试了-0.3D0.3D覆土下管片变形和内力；试验结果不计算结果基本吻合，为壳-弹簧模型提供了基础。0D覆土隧道变形、弯矩、轴力 050100150200250300350400-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0 壳弹簧竖向变形 均值圆环竖向变形 试验竖向变形竖向变形（mm）角度050100150200250300350400-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0 壳弹簧水平变形 均值圆环水平变形 试验水平变形水平变形（mm）角度-40-20020400306090120150180210240270300330-40-2002040 壳弹簧弯矩 均值圆环弯矩 试验弯矩-600-400-20002000306090120150180210240270300330-600-400-2000200 壳弹簧轴力 均值圆环轴力 试验轴力G-22 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 3 管片稳定装置研制 设计支撑8环的管片 采用撑靴板外圈加滚轮形式 每块管片保证一个滚轮支撑 间距700mm，考虑锚杆施工空间 最大支撑直径5500mm 滚轮向外调节50mm 隧道刚度 设置稳定装置后刚度提高 横向刚度 26%纵向刚度 22%技术成果一 隧道变形控制技术体系 01020304050607080901000.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.014 管片底部竖向位移/mm盾构开挖距离/环 -0.3D 0 m 0.1D 0.5DG-23 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 防治措施：（覆土0.3D范围内）管片预埋钢板连接、接头焊接和内钢支撑等措施 4 隧道变形防治技术 技术成果一 隧道变形控制技术体系 G-24 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 技术成果二技术成果二 隧道抗浮技术体系 设计：抗浮与项设计 施工：施工期抗浮措施 工艺：GPST与用同步注浆技术 通过隧道上浮机理分析，提出抗浮临界覆土厚度。针对丌同隧道直径，提出最优化抗浮措施。研发与用同步注浆浆液，控制施工阶段隧道上浮。提出多项防治措施，进一步稳定隧道。三、核心技术成果 G-25 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 技术成果二 隧道抗浮技术体系 1 抗浮与项设计 抗浮覆土 设地下水位为地表 国内常用断面盾构隧道为例：施工阶段理论抗浮覆土0.450.58D 使用阶段理论抗浮覆土0.390.50D 隧道覆土低于抗浮理论值时需采取相应技术措施 0.450.560.570.580.5700.10.20.30.40.50.60.7地铁(6.2)西藏南路(11.36)迎宾三路(13.95)虹梅南路(14.5)北横通道(15.0)临界覆土/隧道外径施工阶段临界覆土 0.390.450.490.50.3900.10.20.30.40.50.6地铁(6.2)西藏南路(11.36)迎宾三路(13.95)虹梅南路(14.5)北横通道(15.0)临界覆土/隧道外径使用阶段临界覆土 常规段 浅覆土段 浮力 水位 地表 h G-26 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 1 抗浮与项设计 使用阶段 隧道直径 覆土厚度（D）6.2（地铁盾构隧道）H2=00.39 H10.39 锚杆/微型桩等 抗浮满足 11.36（两车道盾构隧道）H2（0.13）H1H2（0.130.45）H10.45 断面填充+锚杆/微型桩等 断面填充 抗浮满足 15.0（三车道盾构隧道）1.90 200 25 1822 0.03 0.10 0.40 砂砂 粉煤灰粉煤灰 石灰石灰 膨润土膨润土 水泥水泥 外掺剂外掺剂 水水 1030 350 40 80 40 3.5 330 同步注浆配合比及关键性能参数表 2 研发GPST与用同步注浆技术（HE砂浆）验证HE型同步浆液的施工可操作性 获取HE型同步注浆浆布置最佳位置 适应工法要求的同步注浆施工参数 技术成果二 隧道抗浮技术体系 G-28 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 地表压重 采用降水、地面和隧道内压重等措施控制隧道上浮。施工降水 3 施工期抗浮技术 隧道内压重 技术成果二 隧道抗浮技术体系 G-29 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 设计：隧道纵向刚度提高技术 材料：低围压下管片接缝止水密封技术 工艺：隧道防水施工技术 技术成果三技术成果三 隧道防水技术体系 依据管片接缝最小压紧力原则，通过防水密封垫试验分析，提出最佳密封垫结构形式和材料参数。结合纵向长螺栓预紧不刚性连接，实现隧道无渗水。三、核心技术成果 G-30 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 技术成果三 隧道防水技术体系 1 低围压下管片接缝止水密封技术 研发新型止水密封垫，保证低围压下管片防水 通过防水试验，优化止水条的形式和材质。将装配力由56kN/m降为38kN/m，密封垫橡胶硬度55度，满足相应的耐水压值。G-31 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 一字缝试验 T字缝试验 1 低围压下管片接缝止水密封技术 张开量4mm，错台8mm时 防水能力0.31MPa，安全系数2.6 张开量4mm，错台量8mm时 防水能力0.25MPa，安全系数2.1 技术成果三 隧道防水技术体系 G-32 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 2 隧道纵向刚度提高技术 长螺栓 连接螺母 连接螺栓 垫圈 设计：斜螺栓、纵向长螺栓提高纵向刚度 施工：预埋件连接 盾构覆土盾构覆土0D0D时时，仅考盾构与土体虑摩擦，仅考盾构与土体虑摩擦F/(F/(DD)=)=34.5kN/m34.5kN/m，不满足防水要求。纵向长螺栓提供，不满足防水要求。纵向长螺栓提供20kN/m20kN/m，满足要求。，满足要求。盾构顶部存在覆土时，盾构顶部存在覆土时，F/(F/(DD)=68kN/m)=68kN/m，满足防水要求。，满足防水要求。技术成果三 隧道防水技术体系 G-33 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 创新研发后端止水材料和工艺 3 隧道出入地面端的防水施工技术 高流动度、早强性能特种砂浆材料进行斜坡面快速封堵。型号 骨料粒径 流动度 抗压强度 密度 1天 3天 28天 秀朴-J40 08mm 25 cm 10 MPa 20 MPa 40 MPa 2.0 g/cm3 技术成果三 隧道防水技术体系 A底板盾构管片支撑U形结构底板加固土体G-34 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 装备：低围压盾构进排土设计 材料：GPST与有土体改良技术 施工：施工参数高精度控制技术 技术成果四技术成果四 盾构姿态控制技术体系 研发大开口率刀盘结构，以及土体改良技术，实现低围压条件下的盾构顺利进排土。采用高精度土压控制系统，将土压波动范围精度由10%提高到5%，确保GPST盾构机精准性控制。根据丌同的覆土，形成施工参数优化组合。三、核心技术成果 G-35 地面出入式盾构法隧道综合技术研究 技术成果四 盾构姿态控制技术体系 1 低围压盾构进排土设计 刀盘开口率 通过试验研究和理论分析，确定适应于GP