福州地铁2号线盾构施工中的关键技术研究

摘要

随着我国经济的快速发展，各大中城市地铁建设规模以日趋增大，我国城市地下空间建设伴随着一带一路建设战略的实施，又迎来了新的发展高潮。盾构机作为地下工程的施工利器，正发挥着它无与伦比的优势。它不仅有机械化程度高、对地层扰动比较小、掘进速度快和对周边环境影响较小等优点，而且相对于传统的矿山法开挖隧道其安全性更可靠。因此，盾构法施工在我国地下工程中的应用越来越多。但是，因为盾构法在我国起步较晚，技术工法、操作人员的熟练度和管理水平与其它先进国家比还有较大的差距。近年来，地表沉陷、塌方、开挖面涌水和端头土体失稳等工程事故时有发生，造成了人员伤亡和经济损失，引起了学术界和工程界对盾构施工技术研究的高度重视。 通过在福州地铁2号线盾构施工工地的现场实习和调研，针对主要以粉砂土地层为主、富含高水压地层的地质水文条件，开展了为解决盾构法掘进施工过程中所遇到的盾构始发、开挖面稳定性、地面沉降和地下水位的控制等诸多难题的关键技术研究。通过工程实践、理论研究、现场监测和数值分析等相结合的方法开展了相关的技术研究。其主要的研究工作和取得的研究进展如下。 一、主要的研究工作 (1)通过现场技术调研，对该工程的工程概况、工程地质水文条件、盾构施工主要工作内容、流程和总体施工方案等进行详细的分析。对土压平衡盾构法施工中的难点问题进行了研究，并在此基础上探讨了解决相关施工难点问题的技术方案。 (2)通过工程实践和理论分析，针对在全断面砂层中盾构的始发、盾构掘进、盾构端头的加固长度、反力架稳定性、始发架稳定性、掘进参数的控制和盾构洞门密封等关键技术难题，进行了全面探讨和分析。揭示了土压平衡盾构施工的技术机理，论证了相关的技术方案。 (3)通过对盾构施工中开挖面稳定机理的研究，从控制土压力、渣土改良、防水技术等三个方面探明了盾构施工中维持开挖面稳定应采取的技术措施。 (4)通过对该工程施工中的地表沉降、地下管线和建（构）筑物沉降倾斜和隧道三维变形等现场监测数据的分析，探讨了在该工程施工中所采用的沉降控制关键技术，并对该技术的实施效果进行了分析。探明了盾构法施工对起地面和建（构）筑物沉降的影响规律，揭示了相关技术对沉降和变形控制的影响机理。 (5)通过对现场抽水试验数据的分析，探明了抽水过程中地下水位下降对地层沉降的影响规律，确定了三维模型中的初始参数。利用所建立的三维数值模型，对盾构车站基坑的降水方案进行了数值模拟。揭示了盾构法在全断面砂层掘进过程中，降水对地层和周边建筑物沉降的影响机理。并将模型计算结果与抽水试验结果进行对比，验证了数值分析模型的可靠性，最后对降水后的基坑水位变化所引起的周边建筑物的沉降进行了预测和分析。 二、取得的主要研究进展 (1)通过对全断面砂层的盾构始发技术的研究，提出了盾构的端头加固的计算方法。所得到的理论计算结果与实际的加固长度比较接近，实际应用效果较好，证明了理论计算方法的可靠性。通过对盾构始发过程中的掘进参数的分析，提出了在全断面砂层掘进过程中盾构参数的计算确定方法。在此基础上，确定了在盾构始发过程中所涉及的关键技术和施工技术要点。 (2)针对全断面以砂层为主的特殊地质条件，结合已有的理论和工程施工的实际情况，从控制土仓压力、渣土改良、防水堵漏等三个方面提出了维持开挖面稳定的关键技术和方法。并对相关技术的实施效果进行了分析，验证了所提出的施工技术措施的合理性。 (3)通过对工程实际监测的沉降数据的分析，探明了使用土压平衡盾构模式在全断面砂层掘进中地层沉降的变化规律。针对盾构施工过程中出现的沉降异常问题，提出了施工中应采取的沉降控制措施。通过对沉降控制实施效果的分析，验证了所提出的沉降控制技术的合理性。 (4)基于三维渗流分析理论，并结合现场抽水试验结果，建立了三维数值分析模型，对地铁车站基坑的降水方案进行了数值模拟分析。通过数值分析，得到了土层的综合渗透参数和地层的渗透影响半径。应用所建立的三维数值分析模型，对富水砂层的地铁车站的地下水位和周边建筑物的沉降进行了预测分析，为盾构施工中的沉降控制提供了理论依据。并通过对模型计算结果与抽水试验结果所进行的对比分析，验证了所建立的三维渗透模型的可靠性。 综上所述，本文通过对福州地铁2号线桔园洲站至洪湾站盾构施工中的关键技术研究，分析了在城市复杂地质环境条件下，土压平衡盾构法施工中所遇到的难点问题，并探索了解决这些难点问题的关键施工技术。通过对其中的盾构始发、开挖面稳定性、地面沉降和地下水位的控制等关键施工技术的深入研究，提出了解决该工程中施工难点问题的技术思路。这些研究成果不但对推动土压平衡法盾构施工技术和理论的发展具有重要意义，也为后续类似的盾构工程施工提供了可资借鉴的技术储备。同时，也将为推动在全断面砂层中使用土压平衡盾构法施工的规范化和标准化奠定技术基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容和技术路线

2 工程背景研究

2．1 工程概况

2．2 工程地质

2．3 水文地质

2．4 盾构隧道区间内周边建筑物及管线分布情况

2．5 工程地质对盾构掘进的影响分析

2．6 本章小结

3 掘进过程中的盾构始发关键技术研究

3．1 端头地基加固

3．1．1 盾构始发、接收端头加固的理论分析

3．1．2 理论上加固方法的选择

3．1．3 桔园洲站始发端土体加固方案

3．1．4 洪湾站接收端土体加固方案

3．1．5 加固方案分析

3．2 始发架及导台设计

3．3 反力架安装和设计校核

3．4 洞门预埋钢环施工

3．5 洞门凿除方法

3．6 洞门密封技术

3．7 负环管片拼装技术

3．8 试掘进施工参数的理论分析

3．8．1 试掘进参数设定及分析

3．9 反力架、负环管片及始发台拆除计算

3．10 始发掘进技术要点

3．11 本章小结

4 全断面砂层中维持开挖面稳定技术

4．1 保持开挖面稳定的关键技术

4．1．1 通过控制土压力保持开挖面平衡技术

4．1．2 通过渣土改良保持开挖面平衡

4．2 地下防水施工措施

4．3 本章小结

5 沉降监测技术在盾构施工中的应用研究

5．1 重要建筑物和市政管线保护监测技术

5．1．1 地表沉降监测

5．1．2 地下管线监测

5．1．3 建(构)筑物监测

5．1．4 隧道三维监测

5．1．5 监测控制标准(报警值)

5．1．6 监测结果

5．1．7 数据分析

5．2 本章小结

6 盾构隧道车间基坑降水的数值分析

6．1 基坑降水的数值分析思路

6．2 Visual Moldflow软件简介

6．3 三维渗流模型基本理论

6．4 三维模型参数的确定

6．4．1 初始水位观测

6．4．2 帷幕外抽水试验

6．5 模型建立

6．6 模型参数

6．7 基坑降水的水位降深试验结果与模型结果的对比性分析

6．8 模型运算对水位降深的控制和预测

6．9 基坑降水对周边环境的影响分析

6．10 本章小节

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢