《城市地下空间建设新技术》第章四

城市地下空间建设新技术住房和城乡建设部执业资格注册中心2014年10月24-26日2014年10月第九章盾构穿越建（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下穿越工程概述

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下穿越工程概述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地铁10号线下穿越虹桥机场跑道工程

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下穿越的现状——国内外相关案例例介绍地铁10号线下穿越虹桥机场跑道工程穿越机场主跑道道在国内无先例例可循，施工难难度极大，因此此对盾构推进段段按区域进行划划分，把整个盾盾构穿越主跑道道划分为四个施施工控制阶段，，即试验段、穿越前前控制段、穿越越段和穿越后控控制段。试验段穿越前控制段穿越段穿越后控制段9.1概述城市地下工程下下穿越的现状——国内外相关案例例介绍地铁2号线下穿越虹桥机场飞行区工程9.1概述城市地下工程下下穿越的现状——国内外相关案例例介绍地铁2号线下穿越虹桥机场飞行区工程9.1概述城市地下工程下下穿越的现状——国内外相关案例例介绍地铁2号线下穿越虹桥机场飞行区工程9.1概述城市地下工程下下穿越的现状——国内外相关案例例介绍仙霞路穿越虹桥机场飞行区9.1概述城市地下工程下下穿越的现状——国内外相关案例例汇总下穿越案例主要土层信息穿越工法备注台北松山机场市政道路穿越工程内摩擦角在30°左右；不排水剪强度26-38kPa明挖法+管幕箱涵的组合工法103.5m的管幕穿越跑道，滑行道采用盖挖法施工。台北松山机场捷运系统穿越工程同上。盾构法施工长度2950m，盾构外径6m，埋深24m。北京首都机场L滑行道穿越工程主要为粉土以及粉质粘土。管棚箱涵法穿越长度142m，分节顶进，从两端分别顶进。虹桥机场（仙霞路、2，10号线）④层灰色淤泥质粘土，⑤层粉土及粉质粘土盾构法仙霞路盾构直径为11.36m，最浅覆土为9m。郑开大道下穿越高速公路工程砂质粉土，粉质粘土管棚箱涵法结构斜穿高速路，穿越长度52m，分节顶进。上海中环线下穿越工程③灰色淤泥质粉质粘土，④灰色淤泥质粘土管幕箱涵法穿越长度126m，结构为矩形，7.85m×34m。北京首都机场（在建穿越工程）主要为粉土以及粉质粘土。管幕法穿越长度115m，结构为矩形，采用分区开挖。港珠澳大桥拱北隧道工程淤泥土、粘土及含淤泥的中、细砂层。管幕法穿越长度220m，结构近似为马蹄型20.8m×18.7m。港珠澳大桥拱北隧道:管幕法仙霞路隧道:盾构法平面图纵剖面上海中环线:管幕箱涵工法郑开大道工程:管棚箱涵法北京首都机场:管棚箱涵法北京首都机场:管棚箱涵法虹桥机场:盾构法9.1概述9.2盾构穿越工程的的难点与微扰动动施工的基本原原则9.2.1盾构穿越对土体体的扰动岩土体应力状态态的改变盾构推进前方土土体分区图和土土体扰动区对应应的摩尔圆图基坑开挖中的应应力状态和典型型应力路径9.2盾构穿越工程的的难点与微扰动动施工的基本原原则9.2.1盾构穿越对土体体的扰动孔隙水压力的改改变开挖扰动土体孔孔隙比变化9.2盾构穿越工程的的难点与微扰动动施工的基本原原则9.2.1盾构穿越对土体体的扰动本构关系的变化化砂土的主应力差差~应变曲线9.2盾构穿越工程的的难点与微扰动动施工的基本原原则9.2.2工程岩土体的复复杂性复杂的自然特性性复杂的力学特性性复杂的环境施工过程中复杂杂的物质、能量量交换9.2盾构穿越工程的的难点与微扰动动施工的基本原原则9.2.3微扰动施工力学学的基本原则应采用新的微扰动施工方法；尽可能少扰动工工程周围地层；并强调基于现场场监测的信息化动态施工工反馈技术的应用用；开展新的理论方方法研究，提高高工程行为的预测手段和预测精确确度。技术可行经济合理对环境影响尽可可能小目的将技术、经济、、环境三者结合合的，实现隧道道及地下工程的的可持续发展9.3盾构穿越建（构构）筑物微扰动动施工技术指标标体系盾构施工扰动指标体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（构构）筑物扰动指标9.3盾构穿越建（构构）筑物微扰动动施工技术指标标体系9.3.1建（构）筑物扰扰动指标体系隧道开挖引起建建筑物变形图隧道施工对建筑筑物的影响方式式：地表不均匀沉降降(倾斜)地表曲率地表水平变形隧道施工引起建建筑物损害程度：外观损害：影响建筑物外表表，包括倾斜和和裂缝功能损害：即影响结构的使使用及其功能的的实现结构损害：即影响稳定性和和安全性9.3盾构穿越建（构构）筑物微扰动动施工技术指标标体系9.3.2土体扰动指标体体系土体受施工扰动动的主要影响因因素有：①应力状态的改改变；②含水量及孔隙隙比的变化；③土体结构性部部分破坏；④化学成分分离离与混合；⑤土体成分分离离与混合；⑥土体压密状态态或固结状态的的改变；⑦其它参数的改改变，如压缩系系数、压缩模量量、黄土的湿陷陷性参数等。9.3盾构穿越建（构构）筑物微扰动动施工技术指标标体系9.3.3盾构穿越既有建建（构）筑物扰扰动指标体系相对于建筑物的的既有变形，因因临近施工引起起的变形是变形增量量。考虑建建筑既有有变形的的建筑物物变形控控制标准准并不直直接用于于控制已已有变形形，而是是基于既既有变形形发展而而来，用用于控制制变形增增量。ITA（国际隧隧道协会会）定义义：建筑物变变形发展展全过程程示意图图倾斜总量mm/m扭曲总量rad/m倾斜增量mm/m扭曲增量rad/m<20<4E-2<1<2E-39.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法引言施工扰动控制是建建立在对对工程岩岩土性质质的认知知、扰动动预测、、扰动监监测数据据及控制制指标的的基础上上的。通过提出出建筑物物的空间变形形控制指指标及建筑物物变形的的增量与总总量双控控制制标准，，建立砌砌体建筑筑物盾构构穿越的的控制指指标体系系。通过过对盾构构穿越全全过程的的分析，，认为穿穿越施工工控制应应分五步进行，包包括确定建筑物的的损害等等级、确定建筑筑物的容容许变形形值、制定相相应的加加固措施施并实施施、施工过程程监测、控制措施施效果评评价等。在控制措措施方面面，认为为应从三三个方面面进行控控制，包包括：控制扰动动源头、、控制传传递路径径及建筑筑物自身身加固等。9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.1微扰动施施工技术术控制流流程地下工程程下穿越越微扰动动施工控控制包括括：施工工法法的选择择、辅助助加固工工法的确确定、施施工参数数控制等几个方方面。施工控制制原理与与方法9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.1微扰动施施工技术术控制流流程微扰动施施工控制制是基于于现场监监测的信信息化动动态反馈馈施工技技术的应应用，其其原理和和方法与与地下工工程信息息化施工工具有一一定的相相似之处处。动态反馈馈施工控控制原理理9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.1微扰动施施工技术术控制流流程对穿越阶阶段的施施工过程程要实施施分时、、分阶段段控制。目标：：数字化化实现电电力隧道道前期评评估、穿穿越控制制、后期期观测。。穿越过程程中的阶阶段控制制9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.2微扰动施施工参数数及其影影响微扰动施工参数影响盾构尾部间隙的扰动影响盾构开挖面的稳定性与扰动影响9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.2微扰动施施工参数数及其影影响——盾构尾部部间隙的的扰动影影响盾构超挖挖对地表表长期沉沉降的影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大沉降随随超挖系系数的增增加而几几乎成线性增加加，地表最最大沉降降和超挖挖系数之之间的比比例系数数达到0.036。盾构超超挖会增增加隧道道的工后后地表长长期沉降降。当盾构超超挖量较较大时，，地表的的工后长长期沉降降值增加加而沉降降槽也变变的比较较“陡峭峭”。沉沉降的这这种变化化形式将将因为其其变形曲率过大大而对位于于其中的的构筑物物产生不利影响。9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.2微扰动施施工参数数及其影影响——盾构尾部部间隙的的扰动影影响盾构超挖挖对超孔孔隙水压压力的影影响隧道下半部分分周围土体体中的超超孔隙水水压力较较上半部部分显著；随着超挖挖系数的的增加，，盾构施施工产生生的超孔孔隙水压压力在隧隧道下半半部分周周围土体体中不断断增加，，而在隧隧道上半半部分周周围土体体中却不不断减小小；超挖系数数每增加加5％，最大超超孔隙水水压力就就增加3％左右；由于较大的超超挖系数数会带来较大的超超孔隙水水压力，超孔隙隙水压力力消散而而产生的的长期沉沉降也就就相应增增加。超孔隙水压力随超挖系数的发展9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.2微扰动施施工参数数及其影影响——盾构尾部部间隙的的扰动影影响注浆对地地表长期期沉降的的影响注浆不仅仅能有效效减小地地表沉降降，同时时还使沉降的分布变得相对对“平缓”；注浆对地地表长期期沉降的的发展并并没有产产生影响响，不注注浆情况况下长期期沉降增增加的1.5倍来自于于短期沉沉降；虽然注浆不会减小小地表长长期沉降降的发展展，但却却对短期沉沉降有显著的的补偿作用。注浆对地表长期沉降的影响9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.2微扰动施施工参数数及其影影响——盾构开挖挖面的稳稳定性与与扰动影响开挖面稳稳定性计计算方法法正面超载载系数法法（Broms）式中：PZ———开挖面中中心处土土体垂直直压力；Pi———施加于开开挖角的的侧向压压力；n——折减系数数；Su———土体的不不排水抗抗剪强度度。此公式土压平衡衡盾构中普遍应应用，同同样可适适用于泥水盾构构。上海地区区9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.2微扰动施施工参数数及其影影响——盾构开挖挖面的稳稳定性与与扰动影响开挖面稳稳定性计计算方法法滑动面法法式中：q——垂直土压压力；Pd———开挖面上上的全部部土压力；P——考虑安全全系数后后的开挖挖面上的的全部土土压力。修正式计算复杂杂，且计算结果果的差值值是包含含在因施施工技术术以及土土质波动动等引起起的误差差范围内内，在施施工中已已足够满足要求求。9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.2微扰动施施工参数数及其影影响——盾构开挖挖面的稳稳定性与与扰动影响不同土层层开挖面面稳定性性粘性土层层砂性土层层Hcr<H，开挖面面不稳定定；Hcr>=H，开挖面面稳定。。判断准则则判断准则则粘土砂土9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.2微扰动施施工参数数及其影影响——盾构开挖挖面的稳稳定性与与扰动影响开挖面稳稳定的施施工控制制方法（1）掘削土砂砂量控制：对泥水平平衡推进进中不同同地段计计算出不不同土层层在开挖挖面所占占比例，，按式获获得理论论计算掘掘削干砂砂体积量量，对比比实际掘掘削干砂砂体积量量，便可可以统计计盾构推推进中发发生超挖挖、欠挖挖的各段段，并为为确定其其他有关关施工参参数提供供依据。。（2）偏差流量量的控制：偏差流量量为正时时，盾构构处于““超挖””状态，，干砂量量比标准准值（即即理论掘掘削量））大；偏偏差流量量为负时时，盾构构处于““溢水””状态，，干砂量量比标准准值小。。（3）地表沉降降反馈控制：若地表隆隆起严重重，则表表明盾构构推力、、推进速速度太大大或泥水水太浓，，刀盘正正面土体体不能有有效地进进入泥水水舱内；；若地表表沉降严严重，则则表明盾盾构推力力太小、、泥水压压力设定定过小或或泥水浓浓度太稀稀而没能能形成优优质泥膜膜。9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.3微扰动施施工工法法与参数数控制——盾构施工工及变形形控制参参数盾构的主主要施工参数数可拟定为为：开挖挖排土量量、超挖挖/欠挖量；；掘进速速度；盾盾构千斤斤顶推力力；舱压压力；管管片后背背同步充充填注浆浆和二次次压密注注浆的浆浆压和浆浆量；盾盾构每次次纠偏量量和总的的纠偏量量等。变形控制制的各有关关参数可可拟定为为：地表表总沉降降(隆起)量；差异异沉降；；地层内内土体竖竖向位移移、沿盾盾构周向向土体位位移、盾盾构侧向向土体水水平位移移；管片片变形与与走动(移位)等。变形控制制的要求求为：从从上述变变形控制制各指标标值预测测、预报报工程险险情与环环境土工工危害及及其严重重程度，，确定是是否需要要在下一一施工步步序对上上述若干干施工参参数作出出必要的的调整，，并能定定量化各各参数调调整后的的修正值值。9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.3微扰动施施工工法法与参数数控制——配套工法法与措施施掘进工法法施工实践践表明，，盾构机机偏转导导致的挤挤压及空空吸、盾盾壳摩阻阻剪切及及土体粘粘附牵拉拉，以推推力和速速度等形形式及对对上部线线路的隆隆沉变形形均有明明显的影影响。通通过整理理分析和和计算：：盾构机机圆柱型型壳体与与周围土土体的相相互作用用（包括括盾构机机壳与土土体的摩摩阻力、、盾构机机曲线掘掘进时对对周边土土体的挤挤压力等等）在地地面沉降降的变化化中有明明显的比比重，盾盾构头部部的影响响、纠偏偏和侧摩摩擦力的的影响与与后续隆隆起的影影响大约约的比例例是0.55：0.24：0.2。盾构壳体体、盾构构机迎土土面和壁壁后注浆浆共同组组成了影影响沉降降的多元元系统，，应采取取与之相相适应的的考虑多多元因素素的“区域分控控掘进法法”。9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.3微扰动施施工工法法与参数数控制——配套工法法与措施施正面土压压力预测测与仓压压控制控制舱压压使与前前方自然然水土压压力相平平衡；控制排土土量和掘掘进速度度，以维维护开挖挖面的稳稳定；减少前方方土体挤挤压(欠挖时)与松动(超挖时)，防止前前方土体体塑性破破坏和塌塌方；对舱压（（或排土土量）进进行监控控，以保保持开挖挖面的稳稳定；进行盾构构初推试试验，在在初推段段内对地地表沉降降、土层层变形走走动、土土压力和和孔压等等做测定定；通过过参数优优化，按按测试结结果实时时调整、、修正盾盾构时的的施工舱舱压（或或排土量量）；改变开挖挖面泥浆浆参数，，使形成成的正面面泥膜更更利于开开挖面的的稳定。。9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.3微扰动施施工工法法与参数数控制——配套工法法与措施施注浆施工工控制（1）同步注浆浆：严格控制制同步注注浆量和和浆液质质量，减减少施工工过程中中土体的的变形；注浆量的的大小应应该在盾盾尾空隙隙量的基基础上，，考虑地地层性质质、线路路及掘进进方式等等因素综综合确定定；合理控制制注浆压压力，尽尽量作到到填充而而不是劈劈裂；注浆压力力应控制制在注浆浆孔位置置的地层层压力值值附近效效果最佳佳。（2）二次注浆浆：弥补同步步注浆的的不足，，同时也也是保护护跑道的的有效措措施；一般应遵遵循少量量多次的的原则，，尽量减减少对隧隧道周围围土体的的扰动。。9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.3微扰动施施工工法法与参数数控制——配套工法法与措施施盾构姿态态控制改正纠偏偏的主要要措施如如下：1)调整分组组千斤顶顶推力；；2)沿纵缝和和环缝，，垫贴一一定厚度度的楔形形软木；；3)校正定位位管片的的倾斜度度；4)改进注浆浆方式和和浆液性性质；5)减小一次次纠偏的的幅度等等等。盾构掘进进姿态改改变对周周围土体体的影响响9.4盾构穿越越建（构构）筑物物微扰动动施工控控制方法法9.4.3微扰动施施工工法法与参数数控制——配套工法与措措施拼装千斤顶回回缩控制在每环掘进结结束时，通过过减少出土量量使前仓土压压力略高于设设定土压力；；缩短拼装管管片的时间。。盾构穿越监测测盾构穿越前，，在跑道的穿穿越影响区段段内布设自动动监测系统，，通过连接电电缆将监测数数据传输到监监控室，进行行实时、精确确的监测；根据盾构与跑跑道的接近程程度，分段分分时加密设置置地表监测点点，增加监测测频率；遇变形超过报报警值，将进进行跟踪监测测。应急预案地铁盾构从运运营中的跑道道下方穿越，，风险高，因因此必须制定定必要的应急急措施。在穿穿越段隧道上上方预设注浆浆管，必要时时向隧道上方方注浆。虹桥交通枢纽纽是目前世界界上规模最大大、交通方式式最复杂的交交通枢纽；集航空、磁浮浮、高铁、轨轨道交通、长长途客运、市市内公交等多多种交通方式式于一体；虹桥交通枢纽纽项目提出了了地铁10号线、2号线、仙霞西西路、迎宾三三路隧道等4处飞行区穿越越需求，其中中10号线盾构从跑跑道中部穿越越，在世界上上尚属首次。。安全运行压力力大，沉降变变形要求严，，不停航施工工限制条件多多，软土地层层穿越风险高高；由于穿越难度度巨大，国内内外也仅有少少数机场实施施过地下穿越越工程，软土地区在不不停航条件下下穿越跑道中中部尚无先例例。9.5工程实例—轨道交通10号线下穿越虹虹桥机场飞行行区工程工程背景9.5工程实例—轨道交通10号线下穿越虹虹桥机场飞行行区工程虹桥商务区是是建设上海国国际贸易中心心的重要载体体，上海重要要的现代服务务业集聚区。。虹桥商务区分分东西区，需需要高效、安安全的地面交交通和轨道交交通连接。9.5工程实例—轨道交通10号线下穿越虹虹桥机场飞行行区工程地下穿越是虹虹桥综合枢纽纽规划建设的的关键技术难难题虹桥综合交通通枢纽是目前前世界上规模模最大、交通通方式最复杂杂的交通枢纽纽；集航空、磁浮、高铁、轨道交通、长途客客运、市内公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号线下穿越虹虹桥机场飞行行区工程虹桥综合交通通枢纽提出并并实施了地铁铁10号线、2号线、仙霞西西路、迎宾三三路隧道等4处飞行区穿越越工程，其中中10号线盾构从跑跑道中部穿越越，在世界上上尚属首次。。9.5工程实例—轨道交通10号线下穿越虹虹桥机场飞行行区工程机场穿越建设设特点与难点点在此背景下，指挥挥部把科研工工作放到突出出的战略位置置