1鑒定技術(shù)一：工 作 報 告

鑒定技術(shù)文件之一工作報告鑒定技術(shù)文件之一工作報告工作報告1.任務(wù)來源成都地鐵一號線盾構(gòu)2標線路處于人民北路和人民中路上由北向南，沿人民北路南部和人民中路敷設(shè)，共三個區(qū)間：人民北路站～文武路站區(qū)間、文武路站～騾馬市站區(qū)間、騾馬市站～天府廣場站區(qū)間。盾構(gòu)區(qū)間隧道線路間距為11m～15m，隧道埋深15～20m。左右線區(qū)間隧道各采用一臺直徑6.28m海瑞克土壓土壓平衡盾構(gòu)機掘進，盾構(gòu)隧道采用管片拼裝式襯砌，管片環(huán)寬1.5m，錯縫拼裝。⑴渣土具有不均勻性，卵石含量高⑵流動性差。由于渣土的內(nèi)摩擦角較大（一般都在30°以上），造成了渣土流動性差。⑶對刀具摩擦系數(shù)大。根據(jù)文獻及試驗結(jié)果，該地層和鋼鐵之間的摩擦系數(shù)一般都在0.4之上，最高可達0.7。⑷單塊卵石強度高。根據(jù)單塊卵石的抗壓強度試驗結(jié)果，石塊的單軸抗壓強度可達150MPa，最大可達到180MPa。⑸粘聚力小，或幾乎沒有粘聚力，結(jié)構(gòu)松散，不連續(xù)。因此導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)傳力特征存在差異，地層內(nèi)靠點對點傳力，穩(wěn)定性差。從以上可以看出，地層和一般的軟土地層的物理力學(xué)性質(zhì)都大不相同，在該地層中的盾構(gòu)掘進相關(guān)問題不能采用傳統(tǒng)連續(xù)力學(xué)介質(zhì)的理論進行解釋和研究。砂卵石地層中的EPB施工主要有以下幾個施工難題：⑴刀盤扭矩大，消耗嚴重；⑵在大直徑盾構(gòu)情況下，工作面土壓較難控制；⑶掘進效率低；⑷刀具、刀盤磨損嚴重；砂卵石地層盾構(gòu)施工在國內(nèi)外均沒有成熟的施工經(jīng)驗可借鑒，因此提出了“高富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究”課題，由中鐵十三局集團有限公司和同濟大學(xué)共同承擔完成。2.研究內(nèi)容(1)砂卵石地層土壓平衡控制參數(shù)的優(yōu)化(2)刀具磨損機理研究與預(yù)測(3)砂卵石地層帶壓換刀技術(shù)研究(4)盾尾同步注漿材料與參數(shù)(5)盾構(gòu)穿越施工對建筑物影響研究3.研究工作進展及完成情況本項目結(jié)合成都地鐵一號線盾構(gòu)2標施工，科學(xué)研究與施工生產(chǎn)相結(jié)合，從盾構(gòu)機選型配套到順利完成區(qū)間工程施工，課題組成員一直工作在生產(chǎn)第一線，歷時二年多的努力，取得了良好效果，達到了預(yù)期目標。前期工作主要圍繞盾構(gòu)機選型設(shè)計開展，針對盾構(gòu)2標工程特點，盾構(gòu)機要求能夠切削大的卵石，又能順利排出，還要在富水條件下防止噴涌的發(fā)生。為此，經(jīng)認真比選，選定海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)，配置了3米直徑的主軸承、人閘系統(tǒng)、防噴涌的雙螺旋輸送機、泡沫及膨潤土注入系統(tǒng)等特殊配置。在工作實施過程中，先后進行了以下五個方面的科技攻關(guān)：(1)認真研究了在砂卵石地層中盾構(gòu)掘進施工參數(shù)，逐步形成了降低盈壓比掘進、增強刀具的耐磨保護、碴土改良措施、嚴格控制地層損失、強化同步注漿和二次補充注漿等一整套施工參數(shù)，為工程順利完工提供了重要技術(shù)支持。(2)刀具磨損機理研究采用了離散單元數(shù)值模擬分析，對刀具的磨損情況進行數(shù)理統(tǒng)計分析，有效的解決了刀具配置的不斷優(yōu)化，做到了每300米換一次刀的較理想的狀態(tài)，有效降低了刀具成本，提高了有效掘進效率。(3)由于刀具更換不可避免，為解決換刀難的問題，成功的在砂卵石地層進行了帶壓換刀試驗，成功解決了砂卵石地層換刀難、地面易坍塌的難題，為砂卵石地層盾構(gòu)順利掘進提供了有力保證。(4)由于地層高富水，同步漿液容易被稀釋，經(jīng)過室內(nèi)試驗和工程實踐，優(yōu)化漿液配合比，進行了漿液的快凝和抗水性能試驗研究，經(jīng)實踐證明，砂漿填充度好、可注性強，保證了同步注漿效果，取得了可喜成績。(5)盾構(gòu)正下穿建筑物的保護措施上，通過建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降對建筑物影響的數(shù)值模擬分析，判斷盾構(gòu)下穿對建筑物的影響程度，有針對性的對建筑物實施保護，同時輔以支撐軸力的監(jiān)測等信息化手段，建筑物沉降控制在允許范圍內(nèi)。取得了在砂卵石地層盾構(gòu)掘進建筑物保護的第一手資料，取得了廣泛的社會效益。4.主要研究成果及結(jié)論(1)提出了砂卵石土壓平衡特點及控制方法對土壓平衡式盾構(gòu)來說，關(guān)鍵的就是工作面的土壓力的控制。理想狀態(tài)的工作面的土壓力是均勻的梯形荷載，和地層原有的應(yīng)力平衡。但實際的EPB施工達不到理想的加載形式。因此，本研究提出了EPB土壓平衡相關(guān)參數(shù)，即土倉豎向壓力規(guī)則系數(shù)、土倉前后應(yīng)力比及土壓支撐率。通過離散元模擬，計算了理想平衡狀態(tài)、盈壓狀態(tài)、欠壓狀態(tài)及土倉結(jié)塊這四種工況，并結(jié)合人民北路站至天府廣場站的施工參數(shù)，進行參數(shù)反饋分析，掌握了砂卵石土壓平衡的特點。根據(jù)上述土壓平衡特點，結(jié)合掘進機理，提出該地層主要輔助措施為渣土改良，本研究提出了渣土改良的方法、方案，進行了試驗研究。對于細顆粒含量較大的地層，只要含水率達到18%，流動性等指標已經(jīng)能達到很好，只需要添加適量的泡沫以減小土體與刀盤、刀具及機械之間的摩擦；對于含大顆粒較多的地層，改良的主要目的是解決流動性和抗?jié)B性，建議采用加入礦物材料的方法補充細顆粒；采用硅膠對渣土進行改良，對于富水的大顆粒卵石改良效果不是很明顯，而且存在改良成本過高的不足。建議采用“泡沫+礦物材料”的改良方案對該土體進行改良，發(fā)揮了兩種材料具有互補性，泡沫主要在細顆粒中起到減磨和提高流動性的作用，礦物材料主要起到增加細顆粒含量，提高渣土流塑性，提高抗?jié)B性。在粗顆粒多的地段，減小泡沫注入量，增大礦物添加材的注入量；在細顆粒較多的地段，減少礦物添加量，增大泡沫注入量；在水頭高的地段，盡量減少泡沫用量，增大高濃度粘土的注入率。(2)提出了刀具磨損規(guī)律、原因及預(yù)測盾構(gòu)掘進是依靠刀具和地層相互作用實現(xiàn)，結(jié)合成都砂卵石地層的工程特點，總結(jié)課題依托工程的刀具配置及耐磨策略，發(fā)現(xiàn)4把中心雙刃滾刀、32把單刃滾刀、32把大刮刀以及8+8弧形邊刮刀的組合配置適應(yīng)成都砂卵石地層絕大多數(shù)路段的掘進要求。當在強風化巖層及土層中掘進時，將滾刀(含雙刃)孔位對應(yīng)換成羊角形強刀刮刀滿足掘進要求，且可以降低工程成本。盾構(gòu)機原始的3條Hardox400耐磨條設(shè)計不能滿足成都砂卵石地層的需要，但是其重型刀盤的強度剛度基本滿足要求。原始盤形滾刀刀尖厚度太小，不適應(yīng)砂卵地層的使用要求，滾刀刀圈耐磨和刀轂的剛度也需要提高及改進。滾刀磨損主要以非正常磨損為主，破壞方式一般有三種。一種是刀圈斷裂損壞；一種是滾刀密封、軸承損壞與刀圈偏磨；一種是滾刀殼體變形磨損。對滾刀進行受力分析，發(fā)現(xiàn)滾刀偏磨主要原因為滾刀阻力扭矩大于滾刀的轉(zhuǎn)動扭矩而不能轉(zhuǎn)動，阻力扭矩主要有三部分組成：土倉內(nèi)渣土摩擦阻力力矩、刀箱內(nèi)渣土阻力力矩和滾刀啟動力矩。在盾構(gòu)掘進中防止?jié)L刀偏磨的主要方法為增大轉(zhuǎn)動力矩和減少阻力力矩。進一步研究發(fā)現(xiàn)，雙刃滾刀可增大轉(zhuǎn)動力矩并能保護刀鼓，刀盤弧形側(cè)面裝配雙刃滾刀可比單刃滾刀在受力及減少磨損上更為合理。而通過渣土改良增大渣土流動性可以有效地減少渣土在刀箱里的結(jié)塊以降低磨阻力矩。對于單個刮刀磨損為兩側(cè)磨損大，中間磨損小；刮刀前角面磨損小，后角面磨損大；同一號位置的刮刀磨損量基本一樣；隨號數(shù)增大，刮刀磨損也越嚴重。其中刮刀損壞方式主要磨損變形，刮刀合金齒脫落，固定螺栓斷裂。采用離散單元法（DEM）對刮刀的切削做了計算，研究其受力特點并提出刀具改進的適應(yīng)性建議。研究表明，靠近邊部刮刀應(yīng)加強耐磨性能，單個刮刀兩側(cè)應(yīng)加強耐磨措施。刮刀磨損主要是后角方向，前角方向磨損較小，需要在后角面方向增大刀具的寬度。若采用超硬重型刀具，則在刀具后角方向?qū)嵤┯不押?。根?jù)計算進一步分析，發(fā)現(xiàn)對于刮刀做切削運動來說，具有一定切掉的后角可以有效的減小刀盤扭矩和刀具的磨損。本研究根據(jù)刀具磨損的測量數(shù)據(jù)，計算得到了該地層中刮刀的磨損系數(shù)，可初步對預(yù)測不同部位的刮刀的磨損。計算表明，后角面方向的刀體部分很容易被磨損掉，從而造成對刀具、刀盤面板的磨損。因此，也建議對后角面處的刮刀寬度及厚度進行加強。根據(jù)磨損情況，應(yīng)適當增大刀具厚度。為了合理的利用刮刀，建議面板上按不同位置布置兩種類型的刮刀：輕型刮刀和重型刮刀。盾構(gòu)刀具屬于易耗品，并且價格高，對盾構(gòu)隧道工程造價影響較大，而且頻繁更換刀具直接影響盾構(gòu)機掘進速度。對依托工程中兩臺盾構(gòu)機S365和S366共掘進638環(huán)（957m）時，刀具的成本進行了統(tǒng)計分析。發(fā)現(xiàn)未改良情況下，平均每延米刀具損耗6276元，其中滾刀損耗最多，占總消耗的61%。通過渣土改良，減小刀具與地層之間的摩擦，降低了刀具消耗，將每延米刀具損耗降低20%。通過在刀盤盤圈前端面布置貝殼刀，同樣起到切削砂卵石的作用，且刀具成本能有大幅下降，可在試驗的基礎(chǔ)上適當采用。當盾構(gòu)通過松散路段及粉細砂路段，可以采用加強先行刀在刀盤正面與滾刀交錯安裝，實踐證明既節(jié)約刀具成本，又不降低掘進速度。同樣，本研究對依托工程中天～騾區(qū)間刀具探索性改進進行總結(jié)，主要包括以下幾點：耐磨環(huán)位置用50*80左右的扁鋼間隔開25*25的槽，在槽中堆焊25*25*80的硬質(zhì)合金條耐磨效果理想；滾刀用高合金材料制造，刀尖加厚至24mm，周邊的單刃滾刀均改裝雙刃滾刀，可以有效增加刀具使用壽命；加厚滾刀刀轂，刀轂也采用高合金鋼制造，并通過熱處理使刀轂具有高硬度和高的淬透厚度，經(jīng)實踐檢驗效果理想；在確保母體足夠強度和剛度所需厚度下，加厚刮刀硬質(zhì)合金塊的厚度，以增加刮刀的切割能力和耐磨性能；不改變外形條件，刮刀刀座用基體+耐磨合金做成，增加刀座導(dǎo)流狀背面耐磨性。(3)砂卵石地層下實現(xiàn)了帶壓換刀砂卵石是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，受外界的擾動敏感。原狀土在不擾動的情況下能保持較好的穩(wěn)定性，特別是無水條件下，但一經(jīng)擾動極易坍塌。因此在該地層條件下進行換刀作業(yè)，需要采取合理的輔助措施以保證開挖面的穩(wěn)定。常有的方法有降水加固法、注漿加固法、圍護樁（如人工挖孔樁）加固法、氣壓加固法等，根據(jù)不同的施工條件選用合理的換刀模式。其中氣壓加固不占用地表，而且具有費用較低、效率較高的特點，但其施工工藝要求相對較高，且由于成都地層的特殊性，風險極大。本研究表明，通過合適的輔助手段封閉地層，能夠?qū)崿F(xiàn)帶壓換刀。目前普遍采用的方法是向開挖面及盾構(gòu)周圍注入膨潤土，膨潤土由于具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能。實踐表明，注入的膨潤土在刀盤未轉(zhuǎn)動的前期，可在亂石層面上形成泥膜依附于掌子面，但無助于土倉內(nèi)壓力保持，當?shù)侗P轉(zhuǎn)動和遇水浸泡后，膨潤土變質(zhì)失效。通過氣壓可阻止來自開挖面的涌水，同時對周圍土層起到排水固結(jié)的作用，增強土體的強度，增加開挖面的穩(wěn)定。根據(jù)水位高低，高壓空氣可以起到減緩周邊水流入土倉內(nèi)的速度，一定程度上可以排開土倉內(nèi)地下水，目前水位使用0.5～0.7bar的壓力可保持土倉內(nèi)干燥無水，地層可支撐3-4天時間不塌陷，氣壓小于0.4bar時排水困難。共40m3根據(jù)砂卵石地層帶壓換刀的試驗及實踐經(jīng)驗的總結(jié)，提出兩點建議：建議對刀具檢查更換地點進行合理預(yù)測，對選定換刀地點進行調(diào)查，確定盾構(gòu)機上方的管線，地質(zhì)鉆探孔，降水井等瀉壓通道堵死。建議在選定的加壓地點提前十環(huán)左右進行注入膨潤土對掘進隧道砂卵石地層進行封堵，尤其是盾體外部需要注入膨潤土進行封堵。實現(xiàn)此步有二種方式，一是從刀盤前向里加入膨潤土，二是從盾體四周向里加入膨潤土，兩種方式均能實現(xiàn)。(4)提出了砂卵石地層下同步注漿材料與參數(shù)本課題研究完善了同步注漿要求材料的試驗方法，并對漿液提出了相應(yīng)的要求指標，同時提出了分工況，分段的注漿材料及注漿參數(shù)控制方法，包括盾構(gòu)通過富水地段、水位較低的情況以及穿越建筑物這幾種特殊工況。通過理論分析，并結(jié)合實測注漿參數(shù)的總結(jié)，表明在成都砂卵石地層盾尾同步注漿時，注漿壓力（頂部）控制在0.2～0.25MPa，由于“松散帶”的存在，同步注漿的注漿率不應(yīng)小于180％。同時，應(yīng)以注漿壓力來控制注漿量，注漿壓力達不到時不能停注，這樣才能保證漿液填滿開挖間隙。注漿壓力應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、管片強度、盾構(gòu)機型及注漿材料的特性。防止注漿壓力過大,造成地層劈裂或管片錯臺。同樣，根據(jù)地層情況和實際地層損失調(diào)整注漿填充率，可以較好填充地層，有效控制地表沉降，對注漿不足或注漿效果不好的地方進行補強注漿，以增加注漿層的密實性并提高防水效果。并且，在施工中應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)管片襯砌變形和地表及周圍建筑物變形監(jiān)測結(jié)果進行信息反饋，及時修正注漿參數(shù)和施工方法。本研究總結(jié)了盾尾注漿施工中的常見問題，并提出了相應(yīng)的控制措施。主要包括合理選擇漿液類型；合理選擇注漿壓力、注漿量、注漿位置；加強管片沉浮的監(jiān)測；結(jié)合地面監(jiān)測實時調(diào)整；制定詳細的注漿質(zhì)量控制程序；防止注漿管堵塞。(5)得到了盾構(gòu)穿越施工對建筑物的影響規(guī)律本課題依托項目中，盾構(gòu)隧道穿越多棟既有建（構(gòu)）筑物，包括萬福橋、中銀大廈、天府下穿隧道等。本課題選取盾構(gòu)穿越冶金賓館（樁基）、盾構(gòu)穿越經(jīng)委安監(jiān)局（條基）及盾構(gòu)穿越萬福橋（條基）作為案例，采用數(shù)值模擬方法，對盾構(gòu)隧道施工與上部建筑物的相互影響和施工過程中采用的輔助措施的效果進行了較為系統(tǒng)的研究，并與實測數(shù)據(jù)進行對比分析分析。研究表明，盾構(gòu)穿越冶金賓館施工中所采用的樁基托換、荷載轉(zhuǎn)移和跟蹤注漿等輔助措施在施工時起到了良好的效果，對冶金賓館西樓短樁基框架結(jié)構(gòu)的保護作用明顯。采用樁基托換措施后，盾構(gòu)隧道管片內(nèi)力最大值均有不同幅度減小，對隧道結(jié)構(gòu)的安全有利。同時托換措施可以有效減小隧頂樁基的最大沉降，減小各樁之間的不均勻沉降，較好的控制建筑物傾斜。托換措施也可以減小樁基承擔的荷載，減小由于承載力損失導(dǎo)致的過大沉降。采用荷載轉(zhuǎn)移方法后，可以將中間承臺承擔的荷載轉(zhuǎn)移至兩側(cè)承臺，同時對上部結(jié)構(gòu)起到支撐作用，可增加穿越施工時結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。采用地面跟蹤注漿后，能夠?qū)抖瞬客馏w進行有效的加固，尤其在砂卵石層中，能夠?qū)Χ軜?gòu)同步注漿的效果進行補充，減小由于注漿量不足而導(dǎo)致的樁基過大沉降。為平衡樁基所傳遞的荷載，盾構(gòu)在穿越時應(yīng)適當增加土倉壓力、注漿壓力及注漿量，并保持勻速掘進，避免施工參數(shù)的突變而對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動。對盾構(gòu)穿越經(jīng)委安監(jiān)局辦公樓進行數(shù)值計算，結(jié)果表明在盾構(gòu)通過之后，建筑物內(nèi)力以及建筑的差異沉降均滿足規(guī)范要求，但建筑物最大沉降超出規(guī)范要求。同時，在盾構(gòu)側(cè)穿建筑物情況下，其水平變形較大。因此，為保護建筑物的安全，在盾構(gòu)穿越時需采取相應(yīng)的輔助措施，主要采取地面跟蹤注漿。研究表明，地面跟蹤注漿可以有效地減小盾構(gòu)通過以后發(fā)生的后續(xù)沉降，減小建筑的差異沉降，對所穿越的建筑物起到了較好的保護作用。本研究同樣對穿越段盾構(gòu)施工參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)由于本穿越工點處于砂卵石地層，盾構(gòu)各施工參數(shù)的波動較大，難以將其很好的控制在比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。建議盡力避免各施工參數(shù)在穿越期間出現(xiàn)突變。針對盾構(gòu)穿越施工中發(fā)生突發(fā)情況而停機數(shù)小時，建議在穿越前對盾構(gòu)機進行全面檢修，并針對可能遇到的各種情況做好應(yīng)急預(yù)案，盡量避免在