北京地铁亦庄线 02 标区间隧道 复杂条件下盾构综合技术研究

1. 北京地铁亦庄线02标区间隧道 复杂条件下盾构综合技术研究 完成人:高志刚 何刚 纪德晓 郑永军 李玲 丁志坚 于海亮等 答辩人：高志刚 北京城建中南土木工程集团有限公司 北京城建轨道交通建设有限公司

2. 汇报提纲 一、项目立项背景及工程概况 二、总体研究思路 三、主要技术内容及创新点 四：技术、经济、社会效益分析

3. 一、项目立项背景及工程概况 • 在北京地铁亦庄线02标的区间隧道施工过程中，遇到了三线隧道近距离立体交叉（下行出入线右线隧道下穿试运行上行正线隧道，最近距离2.7m）和180m小半径曲线始发（目前国内最小始发半径为250m）的施工难题。 • 1、三线隧道近距离立体交叉 • 出入段线右线和正线段，平面上存在着交叉，该施工段正线隧道左线先行通过，随后区间正线隧道右线平行通过，最后区间出入线隧道右线下穿正线隧道，形成三线交叉区段，上下隧道最近垂直距离仅2.7m，交叉段正线覆土厚度5～6m（属于浅覆土），且上部隧道与下部隧道之间的地层为砂卵石。在出入线右下穿通过时，正线隧道已施做道床铺设轨道，下穿已是对土体的三次扰动，此情况在北京地区尚属首次出现。且原设计方案在地面进行全断面注浆加固造价高且不能实现，如何保证三线隧道近距离立体交叉施工任务的顺利完成、如何保证既有隧道的安全且处理措施经济合理是本工程面临的难题，也是需要通过技术手段解决的重要问题。

4. 工程概况 • 交叉区域地表为宋家庄车站工地接收井南侧约100m处，其交叉段长度约100米，交叉段地表道路道路两侧房屋均为砖墙结构，地表交通繁忙。该区段地下管线密布，现场调查存在1条燃气管（钢，中压，φ400）埋深2m、1条上水管（铸铁，φ400）埋深1.8m、1条电信光缆沟（DX20，36X25、52X36）埋深1.5m、1条污水管（混凝土，φ200）埋深1.2m。 • 宋家庄出入线右线工程施工的盾构机为日本三菱土压平衡盾构机。 三线交叉处 正线隧道 出入线右线 三线交叉区段地表情况

5. ②粉土 ②粉土 ②1粉质粘土 正线隧道 正线隧道 ③细、中砂 ③1卵石-圆砾 ⑤1粉土 ⑤粉质粘土、 ⑦粉土 出入线右线 三线交叉区段地质剖面图

6. 工程和水文地质 • 隧道结构以上地层主要为①粉土质素填土、①1杂填土、②粉土、②2粉砂-细砂，正线隧道结构主要位于②粉土②1粉质粘土③卵石-圆砾③1细砂-中砂中，出入线隧道结构主要位于⑤粉质粘土、⑤1粉土、⑦粉土，详见三线交叉区段地质剖面图。 • 本区分布的地下水为3层，分别为上层潜水、潜水～承压水、承压水。潜水主要赋存于新近沉积的细砂、粉砂③层中。由于区域地下水水位下降，施工阶段该层地下水水位已降到含水层底板附近或已疏干。层间水在场区呈透镜状分布。主要赋存于第四纪沉积的粉土⑤层中。该层其地下水静止水位埋深为12.50m，静止水位标高为21.85～22.14m。在汛期凉水河河水渗漏会补给地下水位。

7. 出入线右线 （下行隧道） 出入段线右线与正线平面位置关系图

8. 三线隧道交叉段旋喷加固范围平面图

9. 三线隧道交叉段旋喷加固范围断面图

10. 2、小半径曲线始发 • 出入段区间线盾构始发井结构为明挖区间，结构尺寸为8.3m×12.2m，区间始发在一个半径180m的缓和曲线上，而且始发线路纵向纵坡为下坡15‰，极易出现盾构机“磕头”和隧道轴线超限的现象。目前在国内常见的小半径施工为R=400m的曲线线路上，最小曲线始发半径为250m。而本标段180m的小半径曲线始发，尚属国内首次。避免盾构机“磕头”和隧道轴线超限现象的发生，是本工程面临并需要解决的的又一个难题。 • 所以，有必要实施科研立项，解决上述难题，确保工程顺利完成。在此基础上实施本课题研究。 • 本工程开始施工时间是2009年11月，区间完工时间为2010年12月，历时14个月。

11. 工程概况 • 北京市轨道交通亦庄线宋家庄出入段线盾构区间线路由宋家庄站后明挖区间南端顺着宋庄路向东偏，沿着南顶路北向东行进至规划石榴庄七号路与规划郭家庄路交口，到达出入段线明挖区间西端。盾构区间左右线总长1024.628m。左、右线线间距8.84～31m，线路纵坡成“V”字形，覆土6.3m～16.3m。 • 盾构始发位于R=180m的曲线上，始发井结构为明挖结构，结构尺寸为8.3m×12.2m。目前国内盾构曲线始发的最小半径为R=250m，因此盾构在R=180m曲线上始发国内尚属首次，而且始发线路纵向纵坡为下坡15‰，盾构机进洞后就需要进行双向纠偏，给始发增加了难度。与其他小半径曲线始发相比，本工程始发半径更小，难度更大，通过采用预偏离内弦线法、特制混凝土基座、负环特制楔形环、始发内弦侧超挖和外弦侧注浆等方法，成功解决了小半径曲线始发的难题。本科研以左线为例，研究本次始发。 • 用于本工程曲线始发的盾构机为德国海瑞克土压平衡盾构机。

12. 工程水文地质 4粉土 4-1粉质粘土 ⑤1粉土 ⑤粉质粘土 始发端头处土体纵剖面图

13. 二、总体研究思路 • 三线隧道近距离立体交叉总体思路： • 根据三线近距离立体交叉的隧道行走线路的形式、结合本区段地层，预先对上行隧道先做加固处理，并进行地表及上部隧道沉降的三维有限元模拟分析。在下行隧道在交叉段掘进过程中，优化盾构的参数，加强同步注浆、根据上行隧道的沉降监测结果及时对下行隧道多次补浆。 • 研究路线如下：结合工程环境和工程特点，进行地层沉降和既有隧道沉降、偏移变形因素分析（此部分内容详见鉴定材料之二 总结报告中相关内容）→既有隧道周边土体放射性深管注浆预加固技术→地层及既有隧道变形三维有限元模拟分析，进行沉降变形趋势判断→研究针对本工程情况的盾构推进控制技术（包含匀速连续推进技术、动态土压平衡控制技术、同步注浆技术、多次补浆技术）→监控量测技术研究与应用，根据反馈结果调整施工参数，完善施工技术措施→课题总结。根据研究内容，在施工过程中的重要方案、措施要经专家论证实施。 • 研究必要性等内容请参见成果资料。

14. 盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发总体思路盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发总体思路 • 通过调整线路等措施，增大小半径曲线始发的线路半径，降低始发难度。且在此基础上，在盾构始发的辅助措施进行相应调整，综合完成小半径曲线始发。 • （1）按常规始发方式，盾构的转弯半径不能满足始发要求（目前盾构的始发转弯半径最小为250m），施工线路将超出设计线路限界要求； • （2）当盾构前体进入洞门后，盾尾部分易出现由于纠偏过大而被洞门锁死的现象； • （3）转弯半径过小，反力架局部受力过大，易出现反力架被掀翻的情况； • （4）转弯半径过小，加之始发线路纵向纵坡为下坡15‰，极易出现盾构机“磕头”和隧道轴线超限的现象。 • 针对以上问题，必须对盾构始发的线路设计、如何安装始发基座和始发反力架，始发负环拼装方式等内容进行充分研究并制定相应技术措施，以解决180m小半径始发的难题。

15. 三、 主要技术成果及创新点 1、三线隧道近距离立体交叉盾构施工技术成果 • （1）既有隧道周边土体放射性深管注浆预加固技术； • （2）盾构隧道施工地层变形及上部隧道沉降三维有限元模拟分析技术； • （3）开挖面土压动态控制技术； • （4）盾构匀速连续施工技术； • （5）同步注浆浆液改良技术； • （6）后注浆多次补浆技术； • （7）监控量测技术。 2、盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果 • （1）盾构预偏离内弦线法小半径曲线始发技术； • （2）小半径曲线始发混凝土基座和反力架施作技术； • （3）小半径曲线始发施工技术； • （4）外弦侧注浆，内弦侧超挖技术； • （5）小半径曲线始发监控量测控制技术。 多线程 综合性 技术创新+技术措施改进

16. 三线隧道近距离立体交叉盾构施工技术成果 • 1、既有隧道周边土体放射性深管注浆预加固技术 • 根据地层和工程本身的特点分析，为保证下穿时上部既有隧道结构的安全，其上部既有隧道需加固处理。 • （1）确定出入线右线下穿既有正线时，根据土体内摩擦角确立正线被扰动的范围。和下穿时隧道变形分析。 • （2）确立正线的加固方式为内加固方式，即在上行正线隧道内通过管片注浆孔深孔注浆对加固。 • （3）加固的材料选用水泥浆和水玻璃的双液浆。（凝固快，收缩率低，能有效填充原浆液收缩空隙，减小收缩变形） • （4）一环管片设置8个注浆孔，注浆压力为0.3～0.4MPa； • （5）浆液配比为：1 m3 A液配比：水泥735 kg，水735 kg，外加剂(NaH2PO3) 22 kg • B液的配比：水玻璃的比重波美度控制在35左右，A液的搅拌时间不少于10分钟。A液、B液体积比：A：B=1：1。 • （6）每个注浆孔注浆量确定：0.57～3.37m3。

17. 隧道下穿正线示意图

18. 隧道下穿正线隧道变形示意图

20. 三线隧道近距离立体交叉盾构施工技术成果 • 2、盾构隧道施工地层变形及上部隧道沉降三维有限元模拟分析 • 为确保三线隧道立体交叉施工的安全，在研究了上述注浆预加固措施后，采用了三维岩土与隧道有限元分析软件—MIDAS/GTS，对三线隧道近距离立体交叉施工工况进行数值分析，以便真实的反映土体力学性能，分析推进过程导致的地层变形及既有隧道的变形情况。本次分析模拟计算了地面沉降，盾构推进过程中的地层及既有隧道沉降变化情况，并形成不同深度处的沉降、侧向位移云图，地层应力变化等数据，从而对下穿隧道推进对上部土体及既有隧道造成的影响形成趋势性分析。

21. 2、盾构隧道施工地层变形及上部隧道沉降三维有限元模拟分析2、盾构隧道施工地层变形及上部隧道沉降三维有限元模拟分析 • （1）三维建模计算方案 • 本工程初始应力由有限元法计算，即将自重荷载转化为等效节点荷载计算初始应力场。用单元刚度的消失来模拟开挖，用单元刚度的生成来模拟管片衬砌。 • 按实际隧道先后推进完成的顺序，进行建模计算，根据工程实际情况，计算宽度范围长度72米、宽度24米、深度25米。施工阶段划分为初始应力阶段、正线左线隧道开挖、正线左线隧道管片衬砌支护、正线右线隧道开挖、正线右线隧道管片衬砌支护、出入线右线隧道开挖（下穿施工）、出入线右线隧道管片衬砌支护、应力重分布阶段。

22. 2、盾构隧道施工地层变形及上部隧道沉降三维有限元模拟分析2、盾构隧道施工地层变形及上部隧道沉降三维有限元模拟分析 • （2）模型的基本假定及建模说明 • 1）假定地表和各图层均质水平层状分布，初始应力场只考虑自重，各土层描述和计算参数见资料表。 • 2）土体采用弹塑性材料，隧道管片衬砌采用线弹性材料。 • 3）不考虑地下水在开挖过程的影响。 • 4）计算建模时，对隧道及关注的部位加密网格划分。 • （3）在考虑对上部隧道预加固注浆措施后，经有限元模拟分析，该工程施工后地层产生的沉降为6.54mm，既有隧道结构沉降为4.05mm。 • 此结果反映的沉降趋势与设计对地层沉降及既有隧道沉降限制要求比较接近，但已接近限值。所以，除对上述“既有隧道周边土体放射性深管注浆加固技术”实施过程进行严格控制外，另应对下穿隧道的推进过程（包含推进参数、注浆控制等）采取一系列针对性措施，作为沉降控制的加强控制措施，并加强管理，加强监控量测，使施工过程随时受控，确保施工安全。

23. 2、盾构隧道施工地层变形及上部隧道沉降三维有限元模拟分析2、盾构隧道施工地层变形及上部隧道沉降三维有限元模拟分析 盾构周围土体理论应变图 盾构推进地层变形云图

24. 三线隧道近距离立体交叉盾构施工技术成果 • 3、开挖面土压动态控制管理技术 • 为保证既有正线铺轨隧道的沉降，在施工过程中要通过保持开挖土量与排土量的平衡来维持开挖面的土压稳定，利用信息化施工手段得出最佳施工参数。具体管理过程如下： • （1）开挖面土压值采集与控制 • 通过土室内压力传感器显示出土压力的变化，然后控制推进千斤顶的压力和螺旋输送机的排土量，并调节向开挖面的注泥量和注泡沫量以及注入压力，从而使得开挖面土压力的波动控制在允许的范围内，保持土压力的动态平衡。 • （2）目标工作土压力的设定 • 三线隧道近距离立体交叉段下穿正线隧道掘进时土仓上土压计算值为出入线右下上部土体重度加管片的重度乘以侧压力系数，目标土压力计算设定值为1~1.2bar。（通过经验法和半经验公式法确定）

25. 3、开挖面土压动态控制管理技术 • （3）开挖面土压平衡的保持 • 开挖面土压平衡保持工作面稳定至关重要，通过推进速度和螺旋输送机排土量作为桥梁保持平衡，从而保证设定的目标土压力值与开挖面水土压力处于动态平衡状态。 • （4）开挖土量的管理 • 开挖土量与排土量是否平衡对开挖面土压力有比较大的影响，在施工中，通过对开挖土量和排土量的实际测量，得出开挖土量、排土量与土压力的关系；若开挖土量大于排土量，则土压力有升高的趋势；若开挖土量小于排土量，则土压力有降低的趋势。 |p-p0|与螺旋输送机取土量关系图

26. 三线隧道近距离立体交叉盾构施工技术成果 • 4、盾构匀速连续施工技术 • 根据盾构施工一般规律，保证盾构匀速连续性施工是保证施工安全、提高经济效益的手段之一。 • （1）控制土压平衡 • 地下盾构操作是控制地面沉降的关键，要求盾构前进连续、土压平衡，出土顺畅、注浆填充及时饱满。在盾构掘进过程中，掘进参数的测量值通过传感器作为施工信息传递到中央控制室，通过计算机实时处理，编制成图表显示出来。施工过程中加强隧道掘进参数的实时分析，优化施工参数。 • （2）排土的控制 • 土仓压力稳定，推进时控制在1~1.1bar，出土量稳定，每环出土量不多于7斗（约35m3），严禁无故低土压推进，严禁无故增加或减少出土量；

27. 4、盾构匀速连续施工技术 • （3）渣土改良 • 渣土改良的好坏是反映盾构是否能匀速掘进的关键，经过多次实验，泡沫原液和水比例为2.5%~3%，其渣土改良效果甚佳，其流塑性好，能达到手攥成团，坠地散落要求，保证了盾构匀速掘进。 • （4）螺旋输送机转速的设定 • 螺旋输送机使用合理，达到控制土压稳定，出土顺畅，根据掘进速度和土仓上土压值，使其控制在一个稳定合理的转速，确保螺旋匀速排土。 • （5）调整水平运输能力 • 提高牵引车功率以及缩短运输距离等来改善水平运输状态，出入段右线区间采用日本三菱盾构机掘进施工，根据盾构设备尺寸的要求，隧道水平运输设备准备三列车组：二列渣土运输车组，一列管片浆液车组，并配备维修班组随时检修。

28. 4、盾构匀速连续施工技术 • （6）优化岔道方案 • 隧道内运输轨道采用‘Y’形岔道方式，在掘进下穿段前，预先挪动道岔至盾构后配套台车后方，缩短等候车辆的距离，同时派专人对道岔进行管理和检修。 • （7）设备的维修保养 • 改进渣土改良设备（改原自动泡沫装置为手动泡沫装置，泡沫发泡效果得到改善），使土体的塑流性得到改善，即减轻了刀盘、刀具的磨损，减少换刀次数，保证连续性掘进施工。 • 确立设备检修制度，不能因为一些小故障（小电机被烧、管片吊运输、浆液运输车、后配套台车脱轨等）而造成非工序性停工。

29. 三线隧道近距离立体交叉盾构施工技术成果 • 5、同步注浆技术 • （1）根据工程的和盾构机本身特点，选择盾尾同步注浆（原三菱盾构机注浆方式为异步跟随注浆，根据本工程需要改装成外置同步注浆） • （2）根据刀盘的外径，和管片的外径确定同步注浆量。 • 通常可按下式估算：Q=Vα；注入率按175%，因此，一般每环浆液注入量为3.7～4m3。 • （3）同步注浆浆液的压力的确定 • 注浆压力计算值为出入线右线埋深的水土重度和正线隧道管片重度之和，考利浆液的渗透因素、后方来水、开挖面来水的水压，故注浆压力是在注浆处水土压力基础上提高1.2~1.5倍，且应使浆液不进入土仓和压坏管片和不因注浆压力过大造成地表隆起。固注浆压力孔控制在2.5～3bar左右。 • （4）同步注浆浆液改良 • 根据地层，经过多次试验，本工程采用粉煤灰和石灰代替水泥，其配比为：粉煤灰∶石灰∶中砂∶膨润土∶水=300∶80∶80∶800∶600（kg）,浆液粘稠，在2小时内不搅动的情况下不分层离析，初凝时间控制在12h，浆液收缩率小于10%。

30. 注浆压力计算 • 1)主动土压力计算： • =1.89×1.7+1.92×3.3+0.4×6+2.02×1.1+2.1×2.1=18.58g/cm2 • 2)被动土压计算： • 土体的内摩擦角的加权平均值为： • =47.58g/cm2 盾尾注浆孔示意图

31. 三线隧道近距离立体交叉盾构施工技术成果 • 6、后注浆多次补浆技术 • 盾构同步注浆后，由于浆液的脱水，浆液体积收缩会加剧地表的后期沉降量，又由于盾构推力，衬砌和土层间会相互分离，多次注浆能有效地进一步充实背衬空隙和提高止水能力。 • （1）多次补浆的位置选定为下行线隧道上部注浆口。 • （2）确定多次补浆为双液浆，要求双液浆的凝结时间为10～15秒。 • （3）多次补浆的起始位置确定及补浆方量为0.5~0.7m3。 • （4）确定多次补浆压力控制在2.8～3.5bar。 多次补浆示意图

32. 三线隧道近距离立体交叉盾构施工技术成果 • 7、监控量测技术 • （1）地层沉降监测的重要性 • （2）地层沉降影响因素 • 盾构施工影响因素主要包括隧道覆土厚度、地层物理力学性质、盾构外径、开挖面的压力控制、盾尾注浆及壁后注浆配比和填充率、施工技术、施工条件等。主要表现： • 1）地层损失（开挖面土体移动、盾构后退、土体挤入盾尾空隙、改变推进方向、盾构移动对地层的摩擦和剪切、隧道衬砌变形） • 2）受扰动土的固结 • 盾构掘进时对地层周围土体产生附加应力（盾构在掘进过程正面推力和盾构的与土体摩擦力所产生的附加应力对隧道上方的土体产生的影响是最大的。 • （3）监测管理 • 建立专业监测小组，制定监测方案、调试监测仪器、收集监测数据、通过先进可靠的计算软件，快速、及时准确的反馈信息，指导施工。

33. （4）监测点的布置 • 地表的监测每间隔30m布置1个监测断面，每个断面布置7-9个监控量测点，每个监测点的底部在原状土里面10～20cm。 • 轨道监测，纵向5米一个断面，即每断面两个点布置，左右线按影响范围共布置80个点。

34. 7、监控量测技术 • （5）监测方法及频率 • 为保证观测精度和观测成果的连续性，沿隧道的走向在沉降区外布设7个水准基点,水准基点和甲方交付的水准控制点组成附和水准线路，进行二等水准测量，水准基点每星期检测一次。 • （6）监测资料的整理 • 每次观测后及时整理观测成果，计算监测点的本次沉降量、总沉降量、沉降速率，绘制变形曲线。将观测结果及时以日报、周报形式汇报给总工程师及其他相关人员，发现异常及时以书面形式向各相关领导汇报。 • （7）三线交叉段监控量测数据分析 • 监测数据，隧道水平偏移量在2mm以内，竖直偏移量与轨道沉降量基本相符，控制在5mm以内。实测管片结构的水平收敛变形及椭圆度均变化很小，满足成型隧道质量要求。 • 具体监测数据及图表分析见成果中相应内容。

35. 理论沉降分布分析 隧道上部纵向沉降分布曲线示意图 隧道上部沉降槽断面形状示意图

36. 监测点沉降变形量与时间曲线图 交叉区域4断面沉降槽断面形状图

37. 盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果 • 1、始发线路设计研究 • 在盾构井内曲线行进无法实现的条件下，依据结构轴线的设计及规范允许偏差值，利用内弦线比常规切线行进偏离更小的原理，来完成盾构曲线始发；结合盾构脱离始发井后曲线行进时有惯性和甩尾现象，在外弦线处进行预偏离，再与内弦线相交，从而达到综合偏离最小的目的；同时施作特制的反力架和混凝土基座，选用楔形环管片；始发内弦侧超挖和外弦侧注浆等方法来辅助完成小半径曲线始发。 • 与传统小半径曲线始发相比：本工程始发难度更大，始发半径最小，实际偏离轴线最小，质量更高、成本最省、工期也最短。 • （1）线路确定的原则 • （2）确定始发路径研究 • 在始发里程处线路偏离设计结构中线向外弦2cm，在盾构滑行9m处始发线路偏离设计结构中线向内弦1cm，即始发线路基本以内弦线形式布设。采用此种布设形式，在盾构前行9m的过程中始发线路偏离设计轴线最大为2.4cm，满足不大于5cm的规范要求。盾构机刀盘进洞9.5m后与线路重合，夹角为0.63°。

38. （3）盾构预偏离内弦线法小半径曲线始发方法研究（3）盾构预偏离内弦线法小半径曲线始发方法研究 • 1）将盾构机沿曲线的内旋线方向掘进，预偏一定纠偏量，以减小管片因受侧向分力而引起的向圆弧外侧的偏移量。 • 2）适当降低推进速度，推进速度要以较小的加速度递增。 • 3）推进时，要适当调整左右两组油缸的压力差，使曲线内侧油缸压力小于外侧油缸压力。 • 4）开启铰接部分，增加了盾构机的灵敏度，可以在减少推进时超挖量的同时产生推进分力，确保曲线施工的掘进轴线控制。 盾构预偏离内弦线法 小半径曲线始发原理示意图

39. 盾构预偏离内弦线法 小半径曲线始发施工流程图

40. 盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果 • 2、始发基座和反力架设计与研究 • 根据该盾构机盾体结构尺寸,设计制作长9200mm的混凝土基座。在后配套吊入始发位置后,依据隧道洞门中心位置和设计轴线坡度及平面方向定出盾构始发姿态的空间位置,然后推算出基座的空间位置，达到始发要求的精确位置，底板钢板焊接型钢和钢筋，与混凝土连为整体，焊接牢靠。具有刚性好、不侧移和放坡方便等优点。为了防止盾构机磕头,本工程始发混凝土基座的下坡坡度为12‰。 • 反力架需尽量沿混凝土基座中线布设，不产生夹角，以避免始发期间反力架较早产生受力不均现象。由于始发井结构整体式曲线，侧墙很容易影响反力架斜撑的布设，施工时需选择较好的位置来固定反力架。本次始发特制反力架，重新设计了反力架斜撑，避免了斜撑与侧墙的冲突。且安装反力架后进行了加固处理。

41. 盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果 • 3、盾构机始发施工技术 • (1)始发推进参数控制管理 • 盾构始发施工前首先须对盾构机掘进过程中的各项参数进行设定，施工中再根据各种参数的使用效果及地质条件变化在适当的范围内进行调整、优化。须设定的参数主要有土压力、推力、刀盘扭矩、推进速度、排土量、同步注浆等。 • 1）土压力研究 • 根据本标段的埋深条件、地层的土质、地下水及管片衬砌环的特征等条件，参照岩土工程详勘报告，选取可能出现的最不利受力情况的断面进行计算。 • 2）盾构的推力计算 • 盾构的推力主要由以下五部分组成： • F1为盾构外壳与土体间的摩擦力，F2为刀盘上水平推力引起的推力，F3为切土所需要的推力，F4为盾尾与管片之间的摩阻力，F5为后方台车的阻力。

42. 3、盾构机始发施工技术 • 3）刀盘扭矩 • 施工过程中要时刻注意刀盘扭矩变化，刀盘扭矩与总推力和刀具进入土体深度有关。 • 4）推进速度控制 • 盾构进入土体后，在小曲线始发推进速度不宜过快，应控制在10～20mm/min之间。此速度既可以避免因推力过大而引起的侧向压力的增大，又能减小盾构推进过程中对周围土体的扰动。 • 5）排土量的控制 • 本工程使用的管片外径为6000mm，环宽为1200mm。刀盘的直径为6240mm，每环的出土量直接反应了盾构机在掘进施工过程中的超挖情况，当超挖较多时，会使出土量骤增。掘进过程中，时刻注意每环的出土量，并作好记录。 • 6）同步注浆 • 在管片拖出盾尾后及时进行同步注浆，在每环推进时，应监控量测数据，随时调整注浆量及压力，并注意保证浆液质量。一般情况下，泥浆压入量为“建筑间隙”的150%～180%。

43. 3、盾构机始发施工技术 • (2) 盾构机始发姿态控制 • 调整盾构姿态具体指调检盾构切口、盾尾两中心的高程、平面、轴线、纵坡，总的要求使隧道管片轴线和盾构轴线夹角最小，高程、平面偏差最小，盾壳与管片四周的间隙均匀，盾构的姿态优劣对建后隧道质量关系极大，因此在施工中做到勤观察、及时纠偏调整。 • (3)管片拼装控制 • 1）管片选型以满足隧道线型为前提，重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一掘进循环限值,确保有足够的盾尾间隙，以防盾尾直接接触管片。 • 2）管片安装必须从隧道底部开始,然后依次安装相邻块,最后安装封顶块。安装第一块管片时,用水平尺与上一环管片精确找平。 • 3）安装邻接块时，为保证封顶块的安装净空，安装第五块管片时要测量两邻块前后两端的距离，并保持两相邻块的内表面处在同一圆弧面上。

44. 3、盾构机始发施工技术 • 4）封顶块安装前，对止水条进行润滑处理，安装时先搭接700mm径向推上，调整位置后缓慢纵向顶推插入。 • 5）管片块安装到位后，应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，其顶推力应大于稳定管片所需力，然后方可移开管片拼装机。 • 6）管片安装完成后应及时整圆，并在管片脱离盾尾后对管片连接螺栓进行二次紧固。 • （4）铰接控制 • 提前计算出盾构机各铰接形成差的理论值，在盾构机进入土体后，释放铰接装置，并在推进过程中加以引导，在曲线施工过程中逐渐接近理论值。

45. 盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果 • 4、外弦侧注浆，内弦侧超挖技术 • 盾构机曲线掘进时，不仅容易因单侧受力过大而产生“甩尾”现象，而且管片也会由于局部受力过大而偏移，且曲线外侧出土量又大，会必然造成曲线外侧土体的损失，并存在施工空隙。因此在曲线段施工过程中进行同步注浆时必须加强对曲线段外侧的压浆量，以填补施工空隙，外弦侧注浆能很好的稳固管片，解决该问题。针对本次始发，在进洞环的部分管片均进行了外弦侧注浆。 • 在小曲线始发过程中，采用超挖刀进行超挖纠偏。在线路的内弦一侧开启超挖刀，使盾构机向内弦一侧纠偏更加容易。而超挖量越大，曲线施工越容易，同时超挖会使同步注浆浆液因土体的松动绕入开挖面，加上曲线推进时反力的作用，会产生隧道变形增大的问题。因此超挖量应控制在超挖范围的最小限度内。

46. 超挖范围示意图

47. 盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发技术成果 • 5、小半径曲线始发监控量测数据分析研究 • 通过对地表沉降变形监测、反力架变形监测和负环管片变形监测等数据分析，验证了本工程所采取的施工方法是安全可行的。 • 根据监测数据，地表沉降最大值位于距始发洞门24m断面即2断面，该断面最大沉降值在2-5点，为-13.9mm，大大小于允许值。该断面沉降最大点的沉降量-时间关系曲线见图。 • 2断面沉降变形最大点的沉降量与时间关系曲线

48. 反力架横梁变形量与时间关系曲线 负3环拱顶变形量与时间关系曲线 负3环收敛变形量与时间关系曲线

49. 四、技术、经济、社会效益分析 1、综合效益分析 • 北京轨道交通亦庄线的工程难点集中在02标段，风险源数量最多。其中三线隧道近距离立体交叉盾构施工（出入线隧道下穿新近施工的既有正线隧道，隧道最小垂直间距2.7m，下穿时已开始试运行）为北京市地铁施工首例。盾构预偏离内弦线法180m小半径曲线始发施工为北京市地铁首例，亦为国内首例。 • 三线隧道近距离立体交叉盾构施工技术，课题组通过对三线隧道地层三次扰动地层受力及沉降的分析，并考虑盾构下穿对既有隧道的影响，针对本工程总结出既有隧道周边土体放射性深管注浆预加固技术、盾构隧道施工地层变形及上部隧道沉降三维有限元模拟分析、开挖面土压动态控制的技术、盾构匀速连续性施工技术、同步注浆技术、多次注浆技术和监控量测技术等，确保了盾构在此复杂施工条件施工取得成功。

50. 综合效益分析 • 小半径曲线始发在地铁行业屡见不鲜，但在180m以内的小半径曲线始发实属罕见，通过课题研究，本工程采用盾构预偏离内弦线法、特制混凝土基座和反力架、小半径曲线始发施工技术、外弦侧注浆及内弦侧超挖技术和小半径曲线始发监控量测控制技术等，成功解决了小半径始发的施工难题。 • 三线隧道近距离立体交叉施工技术和盾构预偏离内弦线法小半径曲线始发技术的成功。该项技术填补了国内轨道交通行业在盾构近距离下穿既有隧道和小半径曲线线路始发技术上的空白，在主要技术指标上达到国内同行业领先水平，同时将产生良好的社会效益和巨大的经济效益。