《城市地下空间建设新技术》第9章

城市地下空间建设新技术,2014年11月19-22日 合肥,全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材,第九章盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制技术,9.1 概述9.2 盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则9.3 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法9.5工程实例轨道交通10号线下穿越虹桥机场飞行区工程,提 纲,城市地下空间的大规模开发利用,地铁、铁路路网以及市政、高速公路路网等的大规模建设,穿越重要地带的地下穿越工程大量出现,城市地下工程下穿越的现状穿越需求,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状技术需求,超近间距/交叉穿越城市密集建构筑物群中施工城市生命线及机场飞行区的高风险穿越,面临的技术难题：净间距、空间立体交叉高风险穿越,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,郑开快速路下穿京港澳高速公路部分采用超大断面斜穿越顶进技术，该工程具有：大断面、超薄覆土、斜穿越的特点。大断面：箱涵宽23.4米、高9.3米，顶板和侧壁厚1.3米、底板厚1.4米。超薄覆土：上覆高速公路平均厚度2m，最薄处仅有1.3m。斜穿越：箱涵轴线与高速公路斜交夹角114.228度。,技术措施：箱涵分三节，分别为17m、18m、17m，采用中继间法预制顶进施工；路面土体采用大管棚支护、钢网格刃脚分割土体支护技术，稳固掌子面。,施工现场,通车运行,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,上海世博电力电缆隧道与轨道交通交叉情况,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,虹桥机场周边轨道交通原规划图,根据虹桥综合枢纽交通枢纽的总体规划方案，规划引入六条轨道交通线路：2号线、5号线、10号线、13号线、青浦线和磁浮虹桥浦东连接段，其中2号线、10号线从机场飞行区穿越，现已顺利完成穿越。,虹桥机场周边道路系统规划图,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,虹桥机场地下穿越工程现规划图,10号线线路优化：穿越机场跑道段线路均采用直线，以减少因曲线施工导致的土体损失。2号线线路优化： 1号工作井原位于机场西侧新建滑行道内，妨碍新建滑行道的施工，现移至土坪区内。,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,上海市轨道交通10号线15标空港一路站虹桥枢纽东站区间隧道是上海市重点工程，单线长度为1826m，整个区间设有联络通道一座。 本工程采用二台土压平衡盾构从空港一路站始发，先后穿越运行中及建设中的停机坪、飞机滑行道、主跑道及航站楼，最后到达虹桥东站。,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,穿越机场主跑道在国内无先例可循，施工难度极大，因此对盾构推进段按区域进行划分，把整个盾构穿越主跑道划分为四个施工控制阶段，即试验段、穿越前控制段、穿越段和穿越后控制段。,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例介绍,9.1 概述,城市地下工程下穿越的现状国内外相关案例汇总,9.1 概述,9.2 盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则,9.2.1 盾构穿越对土体的扰动,岩土体应力状态的改变,盾构推进前方土体分区图和土体扰动区对应的摩尔圆图,基坑开挖中的应力状态和典型应力路径,9.2 盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则,9.2.1 盾构穿越对土体的扰动,孔隙水压力的改变,开挖扰动土体孔隙比变化,9.2 盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则,9.2.1 盾构穿越对土体的扰动,本构关系的变化,砂土的主应力差应变曲线,9.2 盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则,9.2.2 工程岩土体的复杂性,复杂的自然特性,复杂的力学特性,复杂的环境,施工过程中复杂的物质、能量交换,9.2 盾构穿越工程的难点与微扰动施工的基本原则,9.2.3 微扰动施工力学的基本原则,应采用新的微扰动施工方法；尽可能少扰动工程周围地层；并强调基于现场监测的信息化动态施工反馈技术的应用；开展新的理论方法研究，提高工程行为的预测手段和预测精确度。,技术可行经济合理对环境影响尽可能小,目的,将技术、经济、环境三者结合的，实现隧道及地下工程的可持续发展,9.3 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系,盾构施工扰动指标体系的框架,建筑物扰动指标,土体扰动指标,盾构穿越既有建（构）筑物扰动指标,9.3 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系,9.3.1 建（构）筑物扰动指标体系,隧道开挖引起建筑物变形图,隧道施工对建筑物的影响方式：地表不均匀沉降(倾斜)地表曲率地表水平变形,隧道施工引起建筑物损害程度：外观损害：影响建筑物外表，包括倾斜和裂缝功能损害：即影响结构的使用及其功能的实现结构损害：即影响稳定性和安全性,9.3 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系,9.3.2 土体扰动指标体系,土体受施工扰动的主要影响因素有：应力状态的改变；含水量及孔隙比的变化；土体结构性部分破坏；化学成分分离与混合；土体成分分离与混合；土体压密状态或固结状态的改变；其它参数的改变，如压缩系数、压缩模量、黄土的湿陷性参数等。,9.3 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工技术指标体系,9.3.3 盾构穿越既有建（构）筑物扰动指标体系,相对于建筑物的既有变形，因临近施工引起的变形是变形增量。考虑建筑既有变形的建筑物变形控制标准并不直接用于控制已有变形，而是基于既有变形发展而来，用于控制变形增量。,ITA（国际隧道协会）定义：,建筑物变形发展全过程示意图,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,引言,施工扰动控制是建立在对工程岩土性质的认知、扰动预测、扰动监测数据及控制指标的基础上的。通过提出建筑物的空间变形控制指标及建筑物变形的增量与总量双控控制标准，建立砌体建筑物盾构穿越的控制指标体系。通过对盾构穿越全过程的分析，认为穿越施工控制应分五步进行，包括确定建筑物的损害等级、确定建筑物的容许变形值、制定相应的加固措施并实施、施工过程监测、控制措施效果评价等。在控制措施方面，认为应从三个方面进行控制，包括：控制扰动源头、控制传递路径及建筑物自身加固等。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.1 微扰动施工技术控制流程,地下工程下穿越微扰动施工控制包括：施工工法的选择、辅助加固工法的确定、施工参数控制等几个方面。,施工控制原理与方法,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.1 微扰动施工技术控制流程,微扰动施工控制是基于现场监测的信息化动态反馈施工技术的应用，其原理和方法与地下工程信息化施工具有一定的相似之处。,动态反馈施工控制原理,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.1 微扰动施工技术控制流程,对穿越阶段的施工过程要实施分时、分阶段控制。目标：数字化实现电力隧道前期评估、穿越控制、后期观测。,穿越过程中的阶段控制,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.2 微扰动施工参数及其影响,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.2 微扰动施工参数及其影响盾构尾部间隙的扰动影响,盾构超挖对地表长期沉降的影响,地表最大沉降随超挖系数的变化,地表沉降槽随超挖系数的发展变化,地表最大沉降随超挖系数的增加而几乎成线性增加，地表最大沉降和超挖系数之间的比例系数达到0.036。盾构超挖会增加隧道的工后地表长期沉降。,当盾构超挖量较大时，地表的工后长期沉降值增加而沉降槽也变的比较“陡峭”。沉降的这种变化形式将因为其变形曲率过大而对位于其中的构筑物产生不利影响。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.2 微扰动施工参数及其影响盾构尾部间隙的扰动影响,盾构超挖对超孔隙水压力的影响,隧道下半部分周围土体中的超孔隙水压力较上半部分显著；随着超挖系数的增加，盾构施工产生的超孔隙水压力在隧道下半部分周围土体中不断增加，而在隧道上半部分周围土体中却不断减小；超挖系数每增加5，最大超孔隙水压力就增加3左右；由于较大的超挖系数会带来较大的超孔隙水压力，超孔隙水压力消散而产生的长期沉降也就相应增加。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.2 微扰动施工参数及其影响盾构尾部间隙的扰动影响,注浆对地表长期沉降的影响,注浆不仅能有效减小地表沉降，同时还使沉降的分布变得相对“平缓”；注浆对地表长期沉降的发展并没有产生影响，不注浆情况下长期沉降增加的1.5倍来自于短期沉降；虽然注浆不会减小地表长期沉降的发展，但却对短期沉降有显著的补偿作用。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.2 微扰动施工参数及其影响盾构开挖面的稳定性与扰动影响,开挖面稳定性计算方法,正面超载系数法（Broms）,式中：PZ开挖面中心处土体垂直压力；Pi施加于开挖角的侧向压力；n折减系数；Su土体的不排水抗剪强度。,此公式土压平衡盾构中普遍应用，同样可适用于泥水盾构。,上海地区,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.2 微扰动施工参数及其影响盾构开挖面的稳定性与扰动影响,开挖面稳定性计算方法,滑动面法,式中：q垂直土压力；Pd开挖面上的全部土压力；P考虑安全系数后的开挖面上的全部土压力。,修正式计算复杂，且计算结果的差值是包含在因施工技术以及土质波动等引起的误差范围内，在施工中已足够满足要求。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.2 微扰动施工参数及其影响盾构开挖面的稳定性与扰动影响,不同土层开挖面稳定性,粘性土层,砂性土层,Hcr=H，开挖面稳定。,判断准则,判断准则,粘土,砂土,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.2 微扰动施工参数及其影响盾构开挖面的稳定性与扰动影响,开挖面稳定的施工控制方法,（1）掘削土砂量控制：对泥水平衡推进中不同地段计算出不同土层在开挖面所占比例，按式获得理论计算掘削干砂体积量，对比实际掘削干砂体积量，便可以统计盾构推进中发生超挖、欠挖的各段，并为确定其他有关施工参数提供依据。（2）偏差流量的控制：偏差流量为正时，盾构处于“超挖”状态，干砂量比标准值（即理论掘削量）大；偏差流量为负时，盾构处于“溢水”状态，干砂量比标准值小。（3）地表沉降反馈控制：若地表隆起严重，则表明盾构推力、推进速度太大或泥水太浓，刀盘正面土体不能有效地进入泥水舱内；若地表沉降严重，则表明盾构推力太小、泥水压力设定过小或泥水浓度太稀而没能形成优质泥膜。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.3 微扰动施工工法与参数控制盾构施工及变形控制参数,盾构的主要施工参数可拟定为：开挖排土量、超挖/欠挖量；掘进速度；盾构千斤顶推力；舱压力；管片后背同步充填注浆和二次压密注浆的浆压和浆量；盾构每次纠偏量和总的纠偏量等。 变形控制的各有关参数可拟定为：地表总沉降(隆起)量；差异沉降；地层内土体竖向位移、沿盾构周向土体位移、盾构侧向土体水平位移；管片变形与走动(移位)等。 变形控制的要求为：从上述变形控制各指标值预测、预报工程险情与环境土工危害及其严重程度，确定是否需要在下一施工步序对上述若干施工参数作出必要的调整，并能定量化各参数调整后的修正值。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.3 微扰动施工工法与参数控制配套工法与措施,掘进工法,施工实践表明，盾构机偏转导致的挤压及空吸、盾壳摩阻剪切及土体粘附牵拉，以推力和速度等形式及对上部线路的隆沉变形均有明显的影响。通过整理分析和计算：盾构机圆柱型壳体与周围土体的相互作用（包括盾构机壳与土体的摩阻力、盾构机曲线掘进时对周边土体的挤压力等）在地面沉降的变化中有明显的比重，盾构头部的影响、纠偏和侧摩擦力的影响与后续隆起的影响大约的比例是0.55：0.24：0.2。 盾构壳体、盾构机迎土面和壁后注浆共同组成了影响沉降的多元系统，应采取与之相适应的考虑多元因素的“区域分控掘进法”。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.3 微扰动施工工法与参数控制配套工法与措施,正面土压力预测与仓压控制,控制舱压使与前方自然水土压力相平衡；控制排土量和掘进速度，以维护开挖面的稳定；减少前方土体挤压(欠挖时)与松动(超挖时)，防止前方土体塑性破坏和塌方；对舱压（或排土量）进行监控，以保持开挖面的稳定；进行盾构初推试验，在初推段内对地表沉降、土层变形走动、土压力和孔压等做测定；通过参数优化，按测试结果实时调整、修正盾构时的施工舱压（或排土量）；改变开挖面泥浆参数，使形成的正面泥膜更利于开挖面的稳定。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.3 微扰动施工工法与参数控制配套工法与措施,注浆施工控制,（1）同步注浆：严格控制同步注浆量和浆液质量，减少施工过程中土体的变形；注浆量的大小应该在盾尾空隙量的基础上，考虑地层性质、线路及掘进方式等因素综合确定；合理控制注浆压力，尽量作到填充而不是劈裂；注浆压力应控制在注浆孔位置的地层压力值附近效果最佳。（2）二次注浆：弥补同步注浆的不足，同时也是保护跑道的有效措施；一般应遵循少量多次的原则，尽量减少对隧道周围土体的扰动。,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.3 微扰动施工工法与参数控制配套工法与措施,盾构姿态控制,改正纠偏的主要措施如下：1) 调整分组千斤顶推力；2) 沿纵缝和环缝，垫贴一定厚度的楔形软木；3) 校正定位管片的倾斜度；4) 改进注浆方式和浆液性质；5) 减小一次纠偏的幅度等等。,盾构掘进姿态改变对周围土体的影响,9.4 盾构穿越建（构）筑物微扰动施工控制方法,9.4.3 微扰动施工工法与参数控制配套工法与措施,拼装千斤顶回缩控制,在每环掘进结束时，通过减少出土量使前仓土压力略高于设定土压力；缩短拼装管片的时间。,盾构穿越监测,盾构穿越前，在跑道的穿越影响区段内布设自动监测系统，通过连接电缆将监测数据传输到监控室，进行实时、精确的监测；根据盾构与跑道的接近程度，分段分时加密设置地表监测点，增加监测频率；遇变形超过报警值，将进行跟踪监测。,应急预案,地铁盾构从运营中的跑道下方穿越，风险高，因此必须制定必要的应急措施。在穿越段隧道上方预设注浆管，必要时向隧道上方注浆。,虹桥交通枢纽是目前世界上规模最大、交通方式最复杂的交通枢纽；集航空、磁浮、高铁、轨道交通、长途客运、市内公交等多种交通方式于一体；虹桥交通枢纽项目提出了地铁10号线、2号线、仙霞西路、迎宾三路隧道等4处飞行区穿越需求，其中10号线盾构从跑道中部穿越，在世界上尚属首次。安全运行压力大，沉降变形要求严，不停航施工限制条件多，软土地层穿越风险高；由于穿越难度巨大，国内外也仅有少数机场实施过地下穿越工程，软土地区在不停航条件下穿越跑道中部尚无先例。,9.5 工程实例轨道交通10号线下穿越虹桥机场飞行区工程,工程背景,9.5 工程实例轨道交通10号线下穿越虹桥机场飞行区工程,虹桥商务区是建设上海国际贸易中心的重要载体，上海重要的现代服务业集聚区。虹桥商务区分东西区，需要高效、安全的地面交通和轨道交通连接。,9.5 工程实例轨道交通10号线下穿越虹桥机场飞行区工程,地下穿越是虹桥综合枢纽规划建设的关键技术难题,虹桥综合交通枢纽是目前世界上规模最大、交通方式最复杂的交通枢纽；集航空、磁浮、高铁、轨道交通、长途客运、市内公交等多种交通方式于一体；设计人流量110万人次/日。,9.5 工程实例轨道交通10号线下穿越虹桥机场飞行区工程,虹桥综合交通枢纽提出并实施了地铁10号线、2号线、仙霞西路、迎宾三路隧道等4处飞行区穿越工程，其中10号线盾构从跑道中部穿越，在世界上尚属首次。,9.5 工程实例轨道交通10号线下穿越虹桥机场飞行区工程,机场穿越建设特点与难点,在此背景下，指挥部把科研工作放到突出的战略位置，得到上海市科委大力支持，开展科研课题攻关。,9.5 工程实例轨道交通10号线下穿越虹桥机场飞行区工程,机场建设指挥部和同济大学分三个阶段对机场飞行区下穿越前期的可行性、下穿越关键技术，及最终穿越方案的实施进行了研究。,9.5 工