wgf-强差异风化强差异球状风化地层预处理盾构隧道施工技术.doc

附件1：（一式三份）2012年度总公司科技研究开发计划课题申请表项目名称盾构水平穿越古桥河流保护技术单位名称中铁十一局集团有限公司单位地址湖北省武汉市武昌区中山路347号邮编430071申请人姓名性别 年龄职称电话申请经费（万元）起始年度结束年度专业类别隧道及地下工程组项目性质A-重大研 究 内 容 提 要昆明地铁三号线省博物馆站文化宫站盾构区间，出省博物馆站后，沿东风西路敷设，向东下穿正义路口、近日隧道、南屏街、到达东风东路、下穿护国路口、青年路口，穿越盘龙江及江上的南太桥到北京路交叉口附近连接文化宫站止。盘龙江与区间隧道正交，相交区间隧道中心里程YDK15+785。盘龙江河道宽35m，河床深约8m，河流流向由北至南。2010年3月中铁二院对南太桥盘龙江地质进行勘察，勘察在旱季，该河水深12m，水位高程1886.726m，流量较小，水流缓慢。南太桥与隧道区间平行，南太桥始建于1952年，原基础情况不明，推测为石砌拱桥，1978年后扩建的桥桩为250250钢筋混凝土预制桩，桩长约5.5米，承台2米高，承台顶标高为1889.5米，桥面高程为1896.5米。现区间隧道采用高程为1987年昆明城建高程，实测桥面高程为约1892.6米。盾构区间下穿的南太桥修建于上世纪五六十年代，桩基因修建年代比较早，基础比较陈旧且持力深度较浅，盾构通过时有可能会因为喷涌、超挖造成基础的不均匀沉降，最终影响桥体的安全。因此，本课题以昆明市轨道交通3号线二工区土建工程为依托，围绕盾构水平穿越古桥河流保护技术展开，针对本工程的以上特点和难点，通过示范、验证、研究和总结提炼，掌握盾构安全有效快速的穿越古桥和河流技术，通过数值模拟与理论计算分析，结合现场实践经验，研究古桥保护支架的稳定性分析，优化掘进时保护措施等。研究成果有望为以后同类工程的建设提供借鉴与指导。 申报单位审查意见： 盖章2013年3月6日7一、国内外现状1、球状风化体研究在国外，RUXTON和BERRY对香港地区的花岗岩球状风化现象进行了长期的调查和研究，并将花岗岩球状风化的形成过程分为孤石阶段一碎砂砾阶段一高岭土阶段一红土阶段，将风化球体划分为未风化强烈锈染弱锈染、弱锈染强锈染弱锈染、弱锈染未锈染强锈染弱锈染三种形式，并认为随着风化作用的进行风化球体外部物质逐渐被剥蚀和淋熔掉，风化球体因此越来越小；BROCK教授在对香港地区花岗岩球状风化现象进行分析时则主要采用化学分析手段，从元素迁移的角度对球状风化的形成机理进行了研究，并指出花岗岩的风化与主要矿物的抗风化能力及矿物的相对含量是有十分重要关系的。郭庆华，李彦提出了盾构穿越球状风化体的措施有:加强对可能存在孤石的沿线区域进行补充地质勘探，减少勘探点间距，尽可能的将孤石的存在范围及大小形状等在推进前确定下来，一旦在推进过程中遇到孤石，立即停止推进，并锁定千斤顶，防止盾构机后退;在推进过程中遇到孤石，可通过开仓的方式将其人工处理掉，具体的做法可采用洞内静态爆破、炸药爆破以及特殊工具(液压分裂机)将孤石清除;采用无压方式开仓处理前，应当对掘进面土体进行加固后再开仓，确保开仓的安全;可从地面钻孔爆破或冲孔清除;优化掘进参数，包括推力、刀盘转速、土仓压力、泡沫剂加量等;经常性进行刀具检查和更换。古力通过岩土受力分析得出了盾构机破碎孤石的条件，认为孤石直径埋深越大，岩石强度与周边土体强度相差越小，孤石越容易被破除。并提出了对孤石周边风化土层进行地面或洞内预加固，以提供盾构机破岩和人工破岩的条件;洞内静态爆破或火药爆破孤石;地面钻孔爆破或冲孔破除孤石:压气作业条件下人工破除孤石的措施。靳世鹤提出了对开挖面前方进行加固处理后，进舱在孤石中间打孔，采用高压空气或液压锤进行孤石破碎处理;在土仓中，通过压气稳定开挖面，然后进舱在孤石中间打孔，采用高压空气或液压锤进行孤石破碎处理。2、开挖面稳定与破坏研究现状盾构隧道技术已成为近年来城市地下工程施工对周围地层扰动最小的施工方法，但由于地质条件和施工工艺的限制，尤其是渗流作用下多层土的复杂地质条件下，很难避免盾构推进对周围环境的扰动，当隧道开挖面失稳破坏时，导致地面塌陷，造成过大的地面沉降，给周边的环境带来了很大的破坏，严重地影响了施工进度和施工工期，造成巨大的经济损失，同时也妨碍了交通的正常运行，极其严重地影响了人们的生活。在广州地铁，深圳地铁，南京地铁的施工过程中都曾经发生过开挖面失稳。在国外，日本这方面事故较多，而这种环境的破坏主要取决于盾构隧道法施工开挖面的稳定性。为此盾构掘进过程中开挖面稳定性的研究将会越来越受到重视。然而目前，国内盾构支持力的确定仍然处于过分依赖工程经验的阶段，对盾构施工开挖面稳定性研究在国内相对较少。因此，盾构隧道开挖面稳定性成为该领域的重要课题，开挖面极限支护压力则是盾构隧道施工的一个重要参数，对其研究相对紧迫。3、盾构法施工对邻近建筑物影响研究现状在盾构施工过程中，不可避免地会对上覆土体产生扰动。由于土体损失、周围孔隙水压变化及衬砌变形等，土体原始应力将重新分布，遭到破坏，续变形等。导致地表发生下沉变形、倾斜变形、曲率变形、原有的土体平衡状态水平移动变形及非连地表产生的移动和变形较大时，往往又会引起地上或地下邻近结构物的开裂、沉降、倾斜等问题。盾构施工引起的土体变形己成为现今研究的热点，但研究土体变形的目的仍然是为了控制其对邻近建筑物的危害。所以，在研究土体变形的过程中，有必要对盾构施工与邻近建筑物的影响进行探讨和总结。Jenck等运用三维有限差分软件FLAC3D对盾构施工和建筑物进行了数值模拟，在模拟过程中对盾构施工进行了简化，考虑了地层损失，并研究了建筑物刚度对地表位移的影响。结果表明，在建筑物存在的区域，地表沉降有着明显的变化，有必要对这一区域进行防护措施。国内学者如于宁等运用有限元法对双线平行隧道施工进行了数值模拟，结果表明，隧道开挖后，对于建造在隧道上方的天然地基上的建筑物有较大影响，并且右边隧道由于建筑物的作用而产生较大的内力，需要采取一定的加固措施。但其在模拟分析中并没有考虑基础的存在，使得建筑物的内力变化明显过大，与实际情况不太相符。刘丽等运用三维有限差分软件FLAC3D对盾构掘进对单根桩基的影响进行了数值模拟，考虑了盾构机掘进位置、注浆压力、土仓压力等因素，得出了桩基位于隧道上方和侧面两种不同方位时的位移规律，但没有考虑隧道纠偏和盾尾空隙的影响。李坤采用了有限元软件ABAQUS对隧道开挖进行了二维有限元分析，模型中考虑了土和衬砌、土和桩体之间的接触面作用。研究内容主要包括无桩情况下隧道工程施工对于周围土体的影响和有桩情况下隧道工程施工对邻近桩体的影响，并把用有限元分析得到的结果与用弹性解析解得到的结果进行了比较，但其把盾构掘进的三维过程简化成二维平面状态，且没有考虑注浆等因素的影响。由于目前盾构法隧道施工建造地铁只在我国少数几个城市实行，还没有相关的沉降控制标准，也没有关于建筑物的评价标准，目前大多数国家都采用英国在Jubile。延长线施工中对建筑物的评价原则和标准，但此标准中没有把土体损失和建筑物损坏程度相结合，不能较好的指导工程实践。因此，针对东莞土质制定盾构隧道施工的相关评价标准对隧道的设计、施工以及正常运营都具有很重要的意义。4、复合地层盾构法施工及其对周围环境影响研究现状尹吕超(1999)总结了日本盾构隧道的新技术，并给出了各类不同地层条件下适用的盾构机类型。张凤翔 (2004)在盾构隧道一书中总结了盾构机的种类，以及各种盾构机使用的地层条件。白中仁(2003)介绍了适应广州特定复合地层特性的地铁3号线盾构选型技术，以及相应的刀盘、刀具配制方案。何其平 (2004)论述了适应南京的地层条件盾构类型，以及相应的盾构工作参数的选择。袁敏正(2004)通过对广州地铁一、二号线盾构机复合地层适应性有关的刀盘扭矩等主要技术参数和刀具布置型式的分析和研究，对其合理性进行了评价。竺维彬、鞠世健等(2006)通过在广州地铁施工中的实践总结出版了复合地层中的盾构施工技术，系统的总结和论述了盾构机在复合地层中施工的技术。张厚美(2004)结合广州市轨道交通三号线天河客运站一华南师大站1盾构区间隧道工程的施工，应用正交试验技术对土舱压力、推力、刀盘转速等主要掘进参数对掘进速度、刀盘扭矩的影响进行现场试验研究，并建立了土压平衡式盾构在软土中的掘进速度数学模型和刀盘扭矩数学模型。张良辉(2005)结合广州地铁的建设，总结了广州地区复合地层的特点以及广州地区复合地层施工的难点，并对各方面的困难提出了相应的解决方案。杨书江(2006)发表的盾构在硬岩及软硬不均地层施工技术研究，对盾构机在上软下硬的复合地层中掘进时盾构机刀盘的设置、掘进参数的选取做了系统分析，对掘进的各个环节给出了具体方法。综上所述，开展强差异球状风化地层预处理盾构隧道施工技术研究，对城市盾构隧道施工技术的发展具有重要意义，研究成果对以后同类工程的建设具有重要的指导意义。二、主要研究内容及研究方法（一）主要研究内容：1、强差异球状风化地层预处理盾构隧道施工技术（1）强差异球状风化地层复合预处理技术研究地表注浆预加固、人工挖孔桩深孔爆破、冲击钻破碎、隧道内注浆固定孤石以及带压开舱人工处理等各种强差异球状风化地层复合预处理技术，改善土压平衡盾构地层适应性，确保盾构安全高效掘进。（2）构（建）筑物和地下管线保护技术针对建筑物基础形式的不同，对邻近建筑物工况下的盾构施工进行数值模拟分析，通过地面变形分析、建筑物受力分析和衬砌受力分析来反映隧道、土体和建筑物三者之间的相互作用，结合现场实际，提出盾构掘进过程中对周边建筑物影响的主动控制和被动控措施，结合实时监测，将盾构掘进对邻近建筑物的影响减到最小。（3）矿山法先行盾构空推过球状风化层技术研究强差异风化地层，先采用矿山法开挖并施工隧道初期支护，然后再利用盾构空推，实现强差异球状风化地层段快速掘进。2、强差异风化层盾构施工风险识别、评价及规避技术采用多维程式风险辨识法识别强差异球状风化地层盾构施工的主要风险因素，采用层次模糊综合评价法对强差异球状风化地层盾构施工的主要风险源进行分析与评价，提出针对性规避措施。3、强差异风化地层盾构隧道开挖面的稳定性与掘进参数优化研究（1）掘进面稳定性分析利用FLAC3D计算稳态地下水流条件下隧道掘进面附近水头分布，综合考虑作用于土骨架的有效支护压力和渗透力，对隧道掘进面稳定性进行分析，并将理论分析结果、数值模拟结果与工程数据相对比，给出渗流条件下支护压力与掘进面变形的关系。（2）掘进参数优化根据施工现场收集的掘进数据，对盾构机总推力、土舱压力、掘进速度、刀盘扭矩、刀盘转速等重要参数进行数理统计分析，研究地层变形与盾构掘进参数的相关关系，并利用Peck公式法与三维数值分析预测盾构掘进引起的地层位移，总结各掘进参数与地层变形的影响规律，结合遗传算法对掘进参数进行优化。（二）研究方法：本课题围绕强差异球状风化地层复合预处理盾构隧道快速施工技术，拟采用以下研究方法：1、收集资料。对国内外盾构法隧道工程的施工技术进行调研，提出项目创新点，明确研究技术路线。2、结合工程实践，研究各种强差异球状风化地层复合预处理技术。3、建立渗流场与应力场耦合的FLAC3D计算模型，综合考虑作用于土骨架的有效支护压力和渗透力对隧道掘进面稳定性进行分析。将理论分析结果、数值模拟结果与工程数据相对比，确定渗流条件下支护压力与掘进面变形的关系。4、利用Peck公式法与三维数值分析预测盾构掘进引起的地层位移，总结各掘进参数与地层变形的影响规律，结合遗传算法对掘进参数进行优化。5、基于上述理论分析，总结提出强差异球状风化地层复合预处理盾构隧道快速施工技术。三、要达到的目标、成果形式及主要技术指标（一）目标1、掌握强差异球状风化地层复合预处理技术。2、提出强差异风化层盾构施工风险识别、评价及规避技术。3、掌握强矿山法先行盾构空推过球状风化层技术。（二）成果形式及主要技术指标1、专利1项。2、专业核心期刊论文12篇。3、研究报告1篇。 4、省部级工法1部：强差异球状风化地层复合预处理盾构隧道快速施工技术四、前期工作基础（一）组织机构集团公司成立了科技攻关小组，以集团公司总工为组长，以集团公司技术中心为研发平台，带领多名具有丰富施工经