北京地鐵盾構隧道設計施工要點

地鐵盾構隧道設計施工要點城建設計研究總院仁摘：鐵號首在區(qū)用構修地隧，構驗工已取成。于構道設計施在大度依于質件而和地條差較，此通盾試段程設計和工行系的究。一、程背及構道基情1、地五線概地鐵五號線起豐臺區(qū)的宋家，北至昌平區(qū)的太平莊。線路全長，四環(huán)南北別采用了地下和地面、高架線路型式，南段的地下線16.9km北部的面和高架線。設22座車站，其地下站座高架和面站座。1地鐵五號線工程線示意圖。圖地鐵五線工程線路示意圖在地五號工程下線段，分線受環(huán)條件制，道基在現狀矮破的建筑下通，對地沉降要求高，加工程質和水地質件復雜地面降水條，因采用構法工。采用盾法施的區(qū)為宋家～家地段、單～平里北地段。2、盾構驗段況由于往沒采用構法施地鐵道的工經驗且本地的地條件與其他用過構法工的城有比大的別，為確保鐵五號正式工能夠利進，首先擇正典型地段展試驗段施以摸索和掌握區(qū)特條件下盾構道設施工術。試段選北新站～和宮區(qū)間路的（西，試隧道度約688m。試驗段路平面圖2，由圖可以看出，試驗段隧道基本在現狀建物下方穿過。圖平面圖3、試驗段工程地質及水地質條件(1)工程地條沿線道通的地均為四紀洪積層，表層填土，主有粘、粉、砂卵石地層，其中石的大粒為250mm。圖為試驗段地質縱斷面。(2)水文地條根據程察告地中存上滯、水承水上層水水埋在～7.0m之間潛在右。潛水具有弱承壓性，水位高出含水層頂板為～2.8m承壓水：含層的頂板埋深為21.0～25.0m水頭高含水層板為～3.0m。4、試驗段盾構隧道有關設計參數隧道直徑構區(qū)間道采用圓形結構道管片設計凈5400mm中考慮隧道施誤差、測量誤差隧道變形等因素周邊預留的裕量保限界徑的要求管片度300mm，隧道片砌徑為6000mm(2)管片的型及構造(見圖：管片環(huán)寬，環(huán)分6塊即塊標準塊（中心角）2塊接塊（心），一封頂塊（中角）。片間用彎螺栓連（栓直徑24mm環(huán)向縱6接縫環(huán)向螺2個端面共縱向螺16封塊個它管端面?zhèn)€(3)管片與環(huán)間采錯縫裝方。管端面用平式，在設防水條處有溝槽(4)管片有3種類型，即標準環(huán)、左轉環(huán)和右轉環(huán)。二、盾構試驗段工程的主要研究容盾構道的計與工在大程上依于地條件我國和已采用盾法成實施了少工，也過不少究，但兩地區(qū)地質條與差異較大。區(qū)的地為淤泥地層，常松軟，自穩(wěn)力差，側力比較且分布勻；地的地層在淺表有一層較薄的層外，本為強化～中風化～風巖，圍巖強度模高，自能力好而河網發(fā)育，下水充，時有造斷裂現在工程線路；地表層從～基本為第四紀洪積地，既有層的松回填土層，又從粘土粉土～種粒徑砂層～石層～石層等層交替合形成的地層從性質與地區(qū)然不同而與地區(qū)的地也較的區(qū)別。試段工程設計、片生產施工等面進行了系統研究，要開展研究項有：1．盾構隧道片地層相互作和管片接頭剛研通室模型驗、管接頭試、管片彎試驗和現場量的實測試，結合理分析，探索特有地條件下盾構隧管片與層的相作用形式及規(guī)。提出有地層件下，構隧道周圍地荷的布、變規(guī)律和值方法基于研成果提出的土分布規(guī)，對管設計進優(yōu)化；2．管片生產術的研究為保混凝管片的量，對性能混土配合比、混土構件動蒸養(yǎng)統、盾管片生產工藝及試設施、工機具進行研，并編了管片生產企標準和制混凝盾構管操作質量標準。3．盾構施工術的研究在驗段施過程中對盾構發(fā)技術開挖面穩(wěn)定措、管片裝技術地表沉控制技術、壁后注技術、構施工測技術盾構施測量技術等進研究。三、特有地層件下盾構工法道襯砌計與施工通開展上各項研，初步握了特地層條件下盾工法隧襯砌設和施工術。1、管接頭研究管片接頭作用力的大小，將直接影響到整環(huán)隧道的受力，一般情況下螺栓的作用越強，隧道的力就越大，另外，螺栓對隧道的變形有一定的限制作用。我們從兩個方面研究了采用彎螺栓連接的管片接頭。（）測試研究我們在試驗段隧道埋設了螺栓應力計，以測試管片拼裝后到推出盾尾一段時間螺栓的受力行為和螺栓應力值，每組測試斷面由兩環(huán)管片組成，相互驗證。試驗段只進行了向栓力試，螺栓應力隨時間化律圖圖示，其應力變化過程要有初始階段、推階段、應力維持階段和應力上升階等。l始階段對栓先行定然插入到螺栓中在栓緊前其力持較的平。栓擰緊分兩實現，一次先行預，施總緊力的％～30％，二次固到，從圖上以明看出其過程擰緊栓后，管片位于尾部，螺栓力一維持緊固力的水。l階段隨著構推，襯管被出盾尾，此過，栓應均勻降其下幅很有些部甚栓力接近這一過程顯示出螺的暫時“失效現象。初步分析其要原因是：隨著構管片推出盾尾，具有一定壓力同步注漿漿液逐充滿管片襯砌周圍，產生徑的壓力，使各管之間的橡膠止水帶被進一步擠密導致螺栓松弛。l力維階段盾構出尾螺栓應力松馳，一時間螺繼續(xù)持低應力水，量增不。般況下一段可續(xù)～個時右，與漿液的固時間本一致。初分析其要原因：盾尾漿漿液固并達到強度前，對道襯砌作用仍本類似液體作用方，管片以軸力主，與一階段似。l力上升段應維階后隨時推移螺的力呈性升直維與期固力相水平。應力升段時間般續(xù)30天左步其主要，管片與地層間形成了硬性接觸地的變形在管上，又的不同破持的周勻作，使管片接螺受到程度地一個對平衡受體，穩(wěn)。根以上各情，步歸納下盾階段主是將，前襯砌環(huán)的穩(wěn)并持襯的形狀；盾尾注漿液的固時間定了盾隧道與層作用直接作）的早，地鐵號線盾試驗段隧道的一時間8～小。有條件的情況，應盡量縮短液的凝時間；由地層具比較好自穩(wěn)能，對圓盾構隧道而言隧道與層相互用達到定的時間比較長約30天；隧道與層的受平衡作要靠隧襯砌的形來形，一般況下螺應力上階段的間比較長，建施工期在管片出盾尾后天右對螺進行二緊固，樣可以對提早隧道與層間形成受力衡關系地鐵五號盾構試段螺栓初始緊應力為50～100MPa左。（2管片接頭剛度試驗研究根據對不同接頭剛度的管片環(huán)的力學分析，接頭剛度大小對管片的受力有較大影響，而管片接頭剛度由于接觸面受力和變形的復雜性僅靠理論分析無法準確給出因此我們開展了管片接頭剛度室試驗研究，采用原型管片進行測試。試驗主要想達到以下幾個目的：研究管片環(huán)向接頭彎曲變形特性；研研研試7。圖試驗加（加載為狀，頂部加量值軸力施加側力。軸力由25t～175t，側力值由0開始一直加至件破壞試驗得Mθ曲線圖圖接頭破環(huán)式基為管邊緣皮的層剝。試驗基本結論：l通過試發(fā)現在一定的軸力作用下管片開角度與彎矩基本呈直變化但當矩超過某一特定值時其線關系斜率增大。該特定值已經大大超過管片的實際限值l由于管片螺栓布置對截面的不對稱，剛度（向彎曲剛度）一般相當于外剛度（向外彎曲度）值的倍。l在驗段道力作下轉角基本上可下述公式描（不軸條件也同樣以類似公式描述：向彎曲：由上述公式可以推導出地鐵五號線盾構試驗段管片的向和向外彎曲的接頭剛度為：Kθ＝34000kN·m/radKθ＝17000kN·m/rad考慮地區(qū)層具一定自穩(wěn)力，設計實數據一定減后用，建取值：Kθ＝30000kN·m/radKθ＝15000kN·m/rad2、盾構隧道與地層的相互作規(guī)律研究為研究盾構隧道施工過程中地層荷載作用的化規(guī)律以荷載分布規(guī)律，我們進行了現場測試、室模型試驗和理論分析等方面的研究。（1現場測試研究在現場進行了大量的結構力、隧道與地層的觸應力和形測試。經過現場測試發(fā)現，無論管片與地層的接觸力還是鋼應力均呈現與前述螺栓軸力基本相似的變化狀態(tài)和規(guī)律。接觸應力發(fā)展規(guī)律（見10：l始階段當片裝成仍留盾尾部時，于未到圍荷作，此觸力小。l段管逐步出尾并同步注漿接應呈線逐增。要是片推后由注漿液壓形了對片的作用。過程般1～2小。l段在片推尾同步漿成后其觸力能維一定值，直注漿液固l發(fā)接觸應力在盾構剛剛推出盾尾時在隧道周邊的分布是比較均勻的反映出半流體作的特（見圖1）。當漿液凝固后，周邊的接觸應力發(fā)展則呈現出不平衡的狀態(tài)，上大下?。ㄒ妶D）初分其因在片剛進同回注時，時的土力本現受液流體力用形，在道邊分布較勻其值注壓基本一，漿力使圍體與管之產一的壓預），此段土力大。充反映出注壓是片土用發(fā)的一個最關鍵因素。當漿隨著層重布和超壓減土力布發(fā)了微變化漿造周邊地壓逐減甚消使周邊地土力減。時由于部超壓減后地層在一圍的塌落作用在道拱兩成馬鞍形的壓分，側力也基本上下小的形式布。之所以出現這種現象初分是由地好，頂部土層弛載能全遞到隧底最終的壓呈出倒梯形或矩形的態(tài)。根據盾構試測試果研究示隧道拱部載相于部定超消失成土卸載拱力映出土有部自承用卸載高視隧的埋和質條件不同本在～1.6D之（為隧道徑）。由于初注漿預壓力的用，實側壓力遠較理側壓力大，在試驗段條下，其值接近隧道頂的壓力。側壓力高度方的分布本為頂偏大，部偏小但考慮隨時間移而產的土體變還將成底部壓力逐步上升，因此，設計時基本可按照矩形分布考慮。鋼筋應力的發(fā)展規(guī)律基本相似，本文不再贅述。根據研究的管片接頭及土壓力分布規(guī)律，我們對隧道進行了優(yōu)化計算和重新設計，大的配筋。優(yōu)化前后的鋼筋用量見下表：3、管片構造方面需要注意的問題（1管片的鋼筋構造形式與受力在盾構試驗段實施過程中，我們開展了管片鋼筋構造式有關的試驗研究，進行了原型管片的彎曲驗。一般情況下，管片鋼筋可采用網片式分布和肋形分布方式。網片式分布是在管片的外各設一層由主筋和附加筋組成的網片，兩層網片間設拉結鋼筋；肋型布是將管片的鋼筋按照一榀一榀鋼筋骨架的方式布置，類似一條條小梁的鋼筋骨架，鋼骨架之間采用箍連接。我們采用原型管片進行了純彎實驗，以測試構件的抗能力。由于肋形布筋方式外側鋼筋的整體聯系牢靠，一般情下其承載能力較網片布筋方式高，因此，建今后設計時宜采用肋式布筋方式。（2管片的細節(jié)構造設計應注的問題l管片螺栓手和注漿孔位設置強。由于管片螺手孔較大（長度能達到上），對管片結構混凝土有明顯的削弱，設計時應考慮設置加強筋，這樣除補強外，還可以起到避免螺栓的緊固力對孔口混凝土的破壞的作用。在管片安裝時，基本是利用管片注漿孔兼作起吊孔，拉拔試驗顯示的破壞形態(tài)證明比較容易產生埋周圍混凝土的拉脫，因此孔周應設螺旋狀加強筋。這樣可以有效提高埋件的抗拉拔能力。管片邊角應設至少的角；螺栓空洞的周倒角，栓穿入。注漿孔埋件在迎土側應?！幕炷翆?，防止同步注漿液流入，注漿孔的滲有積極作用，需由管片注漿可用鋼釬擊預留混凝土。4、關于管混土配合盾構隧道管一般采用高能混凝土。性能混凝土耐久性、工性、適應性強度、體積定性等方面均有高的要求。構試驗段管高性能混凝的主要要：l塌落40-60m，易于澆和振；l抗壓度于C50；l抗?jié)B級；l低堿料應性即每立方混土的堿量3Kg；l低收性即28天收縮絕值小于（目的是保證管片的尺寸精度）；l硬化混土觀要求無裂，泡，色勻在上要中強和滲標比較容易滿的但裂收要對凝配比要很滿，通過種合的驗究最采用的管片凝配比下采用配比產管除度滿足要求外也有好外質。地鐵號盾試段程片養(yǎng)護采用自研的自控溫控濕的養(yǎng)，有地止了混凝土溫度因產生開裂。5、掌子面穩(wěn)定、壁后注漿和沉降預測在施工過程中，為確保地層的穩(wěn)定，有效控制沉降，采取了一系列的措施。經過驗證，取得了比較的效果，施工完成的隧道，其上方地表沉降基本控制在以，有效防止上方地面筑物的破壞本文僅簡要闡幾個主要的果。掌子面的穩(wěn)、壁后注漿沉降控制為輔相成的三方面，只有個方面都得保證，才能到目的。（1掌子面的穩(wěn)定不同地層條下，應采取同措施穩(wěn)定子面。粘質粉土粉質粘地層土的粘結力較大，在構掘進工過程，易造成粘性附著于盤上造刀盤扭增大，或者土體進入土倉后被壓密固，造成挖、排均無法進行的況。此應通過盤上的注漿孔刀盤前的土體注入泡沫，在增加體流動的同時降低其粘著性防止開土附著刀頭或室壁。b)粉砂砂礫層卵石層由于滲透性大，流性差，對刀具磨大，施期間僅泡沫的滑和地層良用已不完全滿施工的求。在進過程除了使泡沫以外還輔以膨土漿液，加刀具的滑、冷，改善作狀態(tài)同時起補充地土體微顆粒的不，高土體動性水性的作。掘進束時倉的水泡沫容通過地流失，成土倉力的消散給壓力維穩(wěn)定帶來定困難。時，在構掘進結束，需較長時間停機時，應向土倉注入膨潤土漿液并用刀盤充分攪拌，改善土倉土體的密閉性，防止開挖面坍塌。粉土層砂質地層由于粉土與砂土在土較好地和，粉中的粘粒成分善了土土的流性，因此在通這類地層時，刀盤的扭矩較小掘進速接近與質粉土粉質粘層中的度，唯比較困難的是壓力的持相對較難，土倉壓力散較快，機需向入膨潤土漿液以維持壓和開面穩(wěn)定盾構密閉艙的土壓力小是保前方土穩(wěn)定的重要因。根據驗段經，密閉艙的土力一般宜保持在開挖面理論土力的1.3倍左右。圖是工中閉艙壓力開挖理論壓力較，中壓力水平高的分是構始段，階段確保挖面的定，為加了密艙的壓力。（2）砌背后漿管片砌從尾推時，片與層間空隙用注漿辦法充。據地的地條件、程特以及有盾機的式，液應備以性能：具有良好長期定性流動，并保證當的凝時間以適盾構工以遠距輸送的求。b.具填性在漿漿體材料來源豐富、濟，施工管理方便，并能滿足拌合集運、壓注等施工自動化技術要求漿液無害，價便宜。根據上要求，本可以定應采惰性漿。我們實驗室惰性漿的成分配比進了大量實驗后定了漿的成分凝結時。漿液的要成分生石灰粉煤灰細砂、潤土（土）和等材料凝結時在10小注是～4bar在砂質或砂卵石地層中漿液的擴散快因此注入壓力可其它地層的注入壓力適當減小。一般每環(huán)管的漿液注入量為，施工中如發(fā)現注入量持續(xù)多時，必須檢查超挖、漏失等素。而入量低于預定注入量時，可以考是注入漿液的配比、注入時期、盾構推進速度過或出現故障所致，須認真檢查采取相應的措施（3沉降預沉降控主要是通過施工中的開挖面穩(wěn)定隧道背后注漿實現。但在施工過程中應根據不同地質條件對地沉降進行初步的預測，以指導施采取措施。盾構試段工程作了大量的地表沉降觀測拱頂下沉觀測，這些實測數據反映了盾構隧道推過程