S624盾构机超越S623盾构机方案汇编.docx

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S624盾构机超越S623盾构机方案汇编

一、工程概况

广深港客运专线香港段826标是连接深圳皇岗和香港米埔的区间隧道，盾构采用两台泥水加压平衡盾构从深圳皇岗始发施工，盾构隧道衬砌外径9.6m，盾构机开挖直径9.96m。

按施工组织安排，两台盾构按左线盾构机先始发，右线盾构后掘进施工，即左线先行、右线后行的施工安排。

由于左线盾构机地面不明钻孔引起冒浆，导致掌子面失稳，压力无法保持，无法进仓更换刀具，需要盾构机停机换刀。

为保证施工进度，尽快完成隧道施工，右线盾构机需超过左线盾构机，最终形成右线盾构在前、左线盾构在后的施工顺序。

根据泥水盾构施工的特点，本评估主要对右线盾构近距离超越左线盾构期间隧道结构、地面沉降及掌子面稳定等进行了分析，最终编制完成本报告。

二、隧道工程建设环境

（一）地面环境

该段隧道下穿香港米埔湿地保护区。

米埔自然保护区已被正式列入国际重要湿地保护名录，地面环境保护要求高，下图为隧道穿越段水塘平面布置。

图2-1隧道穿越段水塘平面布置

（二）工程地质条件

隧道穿越地层主要为冲积砂层、粘土层等，下部为全风化大理岩。

地面分布有填土和湖泊沉积层、海洋沉积层，下图为盾构超越段地质纵断面图。

图2-2隧道超越段地质纵断面图

（三）工程主要设计参数

盾构隧道采用钢筋混凝土管片衬砌，衬砌内径8.7m，衬砌外径9.6m，管片厚45cm。

衬砌环分成一块封顶块、两块邻接块和五块标准块。

衬砌环标准环宽2.0m，管片间采用斜螺栓连接。

三、盾构超越施工对隧道结构的影响

（一）影响分析思路

泥水盾构施工时对周边地层扰动相对较小，具体见相关计算结果。

但从泥水盾构施工的特点看，施工对周边地下水的影响较大，下图为盾构掌子面平衡的示意图。

图3-1盾构掌子面平衡示意图

泥水盾构掘进时在刀盘与掌子面间过注入泥浆，在泥水压力作用下水分子渗透进地层，粘土颗粒聚集在泥水与地层的交界面上。

经过不断渗漏、积累，最终渗透压力达到平衡状态，形成掌子面泥膜。

因此泥水施工时必然导致泥水压力与地下水之间产生一定压力差，进而造成周边地下水压力增加。

当后发盾构超越前发盾构时，后发盾构的施工引起周边地层地下水压变化，并传导至前发盾构已经施工完成的隧道衬砌结构上。

当水压力均匀施加在已经施工完成的隧道结构上时，衬砌结构仅轴力明显增加，弯矩增加较小，对结构安全基本没有影响。

由于前发盾构注浆施工，周边地层状况发生了明显变化：

同步注浆对于盾构周边土层有着明显的改善作用，有利于降低周边地下水对隧道衬砌的超载作用；隧道开挖导致隧道顶部土层破坏、裂隙发育，且顶部同步注浆层往往向下或周边扩散，同步注浆难以起到改善隧道顶部土层的效果状况，隧道开挖完成后，顶部土层裂隙往往较隧道两侧及底部地层发育的多。

当后发盾构注浆产生的水压力超载传导至前发盾构衬砌时，水压力主要作用于隧道衬砌顶部，导致结构荷载增加，对已施工的结构不利。

本次评估考虑水压力超载作用于隧道顶部的不同范围，并根据同步注浆层不同的凝固状态进行了对比分析。

（二）主要计算参数

盾构施工时，考虑泥水压力与掌子面的水土压力平衡。

取盾构中心位置进行计算，掌子面的水土压力合计约448KPa。

故泥水压力在平衡以后与原地下水的差值约为128KPa。

考虑两台盾构间土层对于水压力的削弱，根据相关工程经验，本评估取超载作用在隧道结构上的压力为40KPa。

由于超载作用于隧道顶部的范围难以确定，本评估分别对超载状态进行了假定：

超载状态一：

超载作用于隧道顶部45°范围；

超载状态二：

超载作用于隧道顶部60°范围；

超载状态三：

超载作用于隧道顶部90°范围；

隧道周边地层的弹性抗力系数取30MPa/m。

考虑同步注浆层的凝固效果，分别按完全凝固、75%凝固、50%凝固、25%凝固进行计算。

在未完全凝固的情况下，隧道周边地层的抗力尚未达到原地层的抗力系数，本次计算根据不同的凝固程度对地层的抗力系数进行折减，并考虑周边地层荷载的时空效应。

（三）主要结算结果

计算采用修正惯用法，具体计算模型不做详细介绍。

计算分以下工况：

1、工况一：

同步注浆层完全凝固；

2、工况二：

同步注浆层凝固75%；

3、工况三：

同步注浆层凝固50%；

4、工况四：

同步注浆层凝固25%；

由于无超载作用时，不同凝固状态情况管片衬砌受力差别不大，本次计算仅列出了同步注浆完全凝固时盾构弯矩。

根据不同的计算工况，不同超载状态计算结果为：

工况一：

同步注浆层完全凝固

图3-1右线盾构未超越时左线盾构弯矩图

图3-2超载状态1时左线盾构弯矩图

图3-3超载状态2时左线盾构弯矩图

图3-4超载状态3时左线盾构弯矩图

工况二：

同步注浆层凝固75%

图3-5超载状态1时左线盾构弯矩图

图3-6超载状态2时左线盾构弯矩图

图3-7超载状态3时左线盾构弯矩图

工况三：

同步注浆层凝固50%；

图3-8超载状态1时左线盾构弯矩图

图3-9超载状态2时左线盾构弯矩图

图3-10超载状态3时左线盾构弯矩图

工况四：

同步注浆层凝固25%；

图3-11超载状态1时左线盾构弯矩图

图3-12超载状态2时左线盾构弯矩图

图3-13超载状态3时左线盾构弯矩图

（四）计算小结

从上述不同计算工况看，在地下水超载作用于既有隧道顶部时，结构受力有一定变化，具体为：

工况

超载状态

最大正弯矩/KPa

最大负弯矩/KPa

工况一：

同步注浆层完全凝固

未超载

334

328

超载状态1

397

333

超载状态2

405

339

超载状态3

413

343

工况一：

同步注浆层凝固75%

超载状态1

424

362

超载状态2

429

370

超载状态3

435

375

工况一：

同步注浆层凝固50%

超载状态1

438

387

超载状态2

443

396

超载状态3

447

401

工况一：

同步注浆层凝固25%

超载状态1

461

431

超载状态2

464

441

超载状态3

467

448

注：

图中数值为每延米管片弯矩，同时未考虑错缝拼装导致的管片应力增强因素。

从上面计算看，随注浆层凝固程度的降低及隧道周边抗力的减少，隧道结构呈现逐步增加的趋势。

从结构受力看，盾构超越施工宜在前发盾构注浆层凝固达到75%以后，且最好在超越施工前对前发已经施工的盾构管片周边补充注浆，将周边地层填充密实，尽量降低水压力超载作用。

四、盾构超越施工对地表沉降的影响

（一）盾构超越施工地表沉降影响分析模型

当前后两台盾构相差一定距离施工时，前发盾构引起的地层变形会逐渐稳定。

当盾构超越施工时，受后发盾构扰动，地表变形进一步加大。

由于盾构地处湿地保护区，环境影响较敏感，为评估盾构超越施工的影响，建立三维有限元模型进行模拟分析。

参考已有的计算经验，有限元模型取左右边界为隧道外径的3倍左右，隧道底部取隧道外径的3倍左右。

根据相关工程经验，隧道轴向影响范围主要为盾构开挖面前后各2~3倍洞径范围，因此模型尺寸为80m×100m×60m（X×Y×Z）。

X轴（横向）为盾构左右隧道圆心的连线，Y轴（纵向）与盾构推进方向重合，Z轴（竖向）以向上为正，坐标原点位于隧道圆心连线中点处。

本计算利用midas/GTS岩土有限元软件建立三维模型，进行数值计算。

模型中采用二维结构单元模拟管片，地层及注浆层采用实体单元进行模拟。

三维有限元模型见图4-1，管片结构单元见图4-2。

图4-1三维有限元模型

图4-2管片壳结构单元

（二）盾构模拟方法

实际工程中，前方盾构掘进速度较慢，后方盾构掘进速度较快，为了便于计算，本次模拟假定超越期间前方盾构停止掘进。

推进时由于周围土体是相对静止的，将盾构的推进作为一个非连续的过程。

计算中假设盾构一步一步跳跃式向前推进，每次向前推进的长度（纵向）为两个衬砌单元宽度。

为简化计算，模型中忽略盾构机的长度，采取交替钝化隧道单元和激活衬砌单元进行模拟隧道开挖过程。

同时考虑到盾构施工过程中盾构机的支撑及支护的及时性，开挖应力释放系数取0.2。

由于采用泥水盾构，所以每个进尺开挖以后，在掌子面施加水平均布压力。

考虑到衬砌接头对衬砌结构刚度的影响，将衬砌管片结构刚度折减30%。

（三）计算工况

盾构开挖前，岩体在重力作用下沉降完成，随后计算根据盾构施工顺序展开，先开挖左侧盾构隧道至模型中部（y方向40m处），停止左侧盾构隧道的掘进，然后进行右侧盾构隧道掘进及超越计算，最终形成7个工况（负值标示右线盾构超越左线盾构距离）：

工况1：

左侧盾构隧道至模型中部（y方向40m处）；

工况2：

右侧盾构隧道开挖至距左线盾构20m处；

工况3：

右侧盾构隧道开挖至距左线盾构10m处；

工况4：

右侧盾构隧道开挖至距左线盾构0m处；

工况5：

右侧盾构隧道开挖至距左线盾构-10m处；

工况6：

右侧盾构隧道开挖至距左线盾构-20m处；

工况7：

右侧盾构隧道贯通。

（四）初始地应力场分析

模型初始地应力仅考虑自重应力场的影响，建模后，得到三维模型的初始地应力场。

图4-3模型初始竖向应力云图

图4-4模型初始水平应力云图

从图可知，模型竖向及水平应力随埋深逐渐增大呈梯度变化，整个模型范围内的初始地应力量值和矢量分布规律正常。

（五）左线盾构顶部地表纵向沉降分析

根据工程需要，取左线盾构（先发盾构）轴线方向剖面计算结果，得出盾构顶部地表纵向沉降结果：

图4-5工况1左线盾构纵向地表沉降

图4-6工况2左线盾构纵向地表沉降

图4-7工况3左线盾构纵向地表沉降

图4-8工况4左线盾构纵向地表沉降

图4-9工况5左线盾构纵向地表沉降

图4-10工况6左线盾构纵向地表沉降

图4-11工况7左线盾构纵向地表沉降

图4-12左线盾构纵向地表沉降汇总

从图4-12可以看出，随着右线盾构开挖，左线盾构顶部地表沉降逐步增大，其中拱顶最大沉降值为29.8mm。

（六）左线盾构顶部地表横向沉降分析

为了分析右线盾构超越左线盾构所引起的地表横向沉降，左线盾构机所处位置取横向剖面。

图4-13工况1左线盾构横向地表沉降

图4-14工况2左线盾构横向地表沉降

图4-15工况3左线盾构横向地表沉降

图4-16工况4左线盾构横向地表沉降

图4-17工况5左线盾构横向地表沉降

图4-18工况6左线盾构横向地表沉降

图4-19工况7左线盾构横向地表沉降

图4-20盾构横向地表沉降汇总表

计算结果小结：

从上述工况可以看出，随着两台盾构的间距减少，盾构施工引起的地表沉降逐步增大。

左线盾构开挖后，顶部地表沉降最大值为10.72mm，位于左线盾构顶部。

随着右线盾构开挖，拱顶地表沉降迅速增加，地表沉降最大值逐渐向右线盾构拱顶偏移，最终地表沉降达到26.7mm。

右线盾构在左线盾构各20m范围时，右线盾构开挖对地表沉降的影响尤为明显。

为减少超越施工对地表沉降的影响，建议在右线盾构超越施工时，左线盾构可停机等待，避免两台盾构前后较小间距的长时间施工。

五、既有盾构超越施工案例

（一）狮子洋隧道的施工案例

广深港客运专线狮子洋隧道采用四台盾构分别从进出口工作井施工，施工过程中进出口标段均发生过后发盾构超越前发盾构的情况，进出口标段发生该施工特例的时间不一，但发生的地层基本类似。

狮子洋隧道进口标段采用两台盾构分别施工左右线，其中右线盾构机始发时间是2008年2月18日，左线盾构机从工作井始发的时间是2008年8月20日。

在右线盾构机掘进了1815环后，因设备故障导致停机维修，左线盾构机与2010年4月27日超越右线盾构机，两台盾构机调整为左线盾构机在前右线盾构机在后的掘进顺序，直到掘进结束。

狮子洋隧道出口标段同样采用两台盾构机分别施工左右线，其中左线盾构机于2007年11月先始发，右线盾构机于2008年4月25日后始发。

后左线盾构机在下穿虎门港掘进施工过程中破碎机损坏，盾构推进困难，地层扰动，出现坍塌，造成盾构机停机。

左线盾构机在掘进完1354环后，盾构停机整修。

右线盾构机于2009年7月13日超越左线盾构机，形成右线盾构机在前，左线盾构机在后的施工时序，并坚持到掘进完成。

狮子洋隧道盾构衬砌外径10.8m，盾构开挖直径11.187m，采用泥水加压平衡盾构施工。

发生后发盾构超越前发盾构的原因均为前发盾构发生机械故障、设备维修、地层加固等情况，以出口标段的实例看，该段地层为全风化、强风化泥质砂岩，岩石风化较强烈，节理裂隙发育，岩芯破碎。

左线盾构机施工时地层发生坍方，在地面形成陷坑。

塌方后为固结坍方体、防止地层进一步坍塌，对坍方体及掌子面前方地层进行了注浆加固。

右线盾构机超越左线盾构时地层加固已基本完成。

右线盾构超越左线施工时严格控制切口压力，快速通过，加强对左线已施工隧道结构的监测。

从施工过程看，左线盾构泥水仓压力发生波动，隧道结构未发生异常。

（二）南京长江隧道盾构超越施工案例

南京长江隧道采用两台德国海瑞克公司生产的泥水平衡盾构施工，隧道衬砌外径14.5m，管片厚60cm，隧道全长约3200m。

该隧道施工初期是右线盾构在前，左线盾构落后三个月始发。

右线隧道在掘进500环后进入砾砂地层掘进，刀具磨损严重，经评估需要在689环高压进仓检查维修。

因检修时间较长，左线盾构迫近，需左线盾构超越右线盾构机继续掘进。

盾构超越施工时隧道位于长江水下，盾构顶部实际覆土厚度为18.62m和水深为22.46m，隧道主要位于粉细砂、砾砂层。

在超越施工前，对盾构超越施工进行了分析评估，认为风险可控。

左线盾构超越右线盾构时间为2008年11月23日~2008年12月22日左线盾构在两盾构机净距离为17m，且地层（地层主要为粉细砂、砾砂、卵砾石地层）稳定性较差的情况下顺利实现超越，实施超越过程中在30m以外通过对成型管片隧道测量结果显示无变化，在0距离时靠近左线侧管片实测数据显示仅为2-3mm，由于隧道之间地层为强透水地层，左线盾构机超越右线盾构时，右线盾构舱内压力左线泥水压力变化发生变化，且两台盾构机泥水压力基本保持一致。

六、主要结论及对策

（一）主要结论

从对已拼装完成的隧道结构及地面沉降的分析看，盾构超越施工主要的影响可有以下方面：

1、根据泥水盾构掌子面平衡的原理，泥水盾构施工会造成地层水压力发生变化。

当水压力超载作用于隧道顶部时，随同步注浆层凝固程度的降低，结构内力增加较大；

2、后发盾构超越前发盾构时，因地下水已受前发盾构影响，后续施工盾构泥水压力需适当调整；

3、当两台盾构间距较小（小于20m）施工时，地面沉降将较正常施工工况增加明显。

（二）盾构超越施工对策

从计算分析看，泥水盾构超越施工有一定的规律存在，施工影响基本可控，且有类似实例。

为确保超越施工安全，可有针对性的采取如下对策减少施工干扰：

1、从隧道同步注浆层凝固程度与结构内力的关系看，盾构超越施工时应避免同步注浆未凝固的情况。

根据同步注浆层凝固的时间合理安排前发盾构施工，超越施工前对前发盾构已施工的隧道补充注浆，超越施工前后3天左线盾构暂停掘进施工，等待右线盾构超越。

2、从超越施工对周边地层的影响及地面沉降看，两台盾构应尽量避免长时间的近距离施工，应一次穿越，后发盾构在超越施工后应继续往前，两台盾构间的间距不应小于50m。

3、当水压力增大时水压力超载相互叠加，可能引起泥膜内外水压减少，泥浆渗透作用减弱，进而造成泥浆成膜效应降低。

故为保证施工安全及后续盾构施工掌子面稳定，需适当提高泥水压力，同时考虑前发盾构成膜减弱，建议超越施工时，前发盾构保压待后续施工通过。

4、为了确保超越施工顺利，需要在超越前停机更换磨损超限的刀具，同时全面检查维修右线盾构设备，保证超越过程中设备的完好性超越施工中左右线都应采用高性能的泥浆来维护刀盘掌子面，控制泥水压力，确保压力稳定，左线停止所有掘进及进仓维修作业，右线选择合理的掘进参数，加强掘进姿态控制，减少纠偏量以尽量减少对地层的扰动，确保超越一次完成。

5、施工中将严格控制掘进参数，减少地层不正常损失所形成的地层位移，具体措施为：

1）严格控制盾构切口泥水压力

在超越左线隧道时，左右线切口泥水压力均选取静止土压力和主动土压力的平均值，以保证土体稳定及左右线泥水压力均衡，防止压力渗透造成土体位移变形

2）控制推进速度，杜绝较大纠偏

盾构推进速度对地层扰动固结变形有明显的影响，推进速度应该综合考虑盾构设备性能开挖仓正面土压力及土体性质等因素，为减少对地层的扰动，超越期间盾构保持低速平稳掘进，不进行大幅度纠偏操作。

推进过程中每隔50cm测量1次盾尾间隙，并结合监测数据及时调整施工参数，以减少地层损失和对周围土体的扰动，降低对左线停机盾构的影响，待盾构超越后再进行调整

3）调配高性能泥浆，维护刀盘开挖面。

为了在超越过程中保证刀盘开挖面的稳定，左右线均应采用比正常掘进性能更优良的泥浆对开挖面进行维护。

操作人员应做好泥水漏失量及掘进出碴量统计，避免在超越过程中出现开挖面冒浆及超欠挖现象

4）合理选用注浆工艺，有效控制地面沉降

（1）同步注浆

为确保盾构穿越后管片稳定，避免地层长时间持续变形，施工中同步注浆必须及时充分同步注浆应均匀的填满管片脱出盾尾后与土体间出现建筑空隙”，限制成型隧道管环的上浮及下沉。

（2）二次注浆

由于惰性浆液早期强度低，隧道受侧向分力影响大的问题，在管片脱出盾尾5环后，结合监测数据，及时调整注浆量及注浆参数，必要时对管片壁后进行二次注浆。