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軟弱地層地鐵盾構綜合施工技術研究.docx

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?技術研究報告zhiyi軟弱地層地鐵盾構綜合施工技術研究中鐵十局集團第三建設有限公司二○一六年九月軟弱地層地鐵盾構綜合施工技術研究1 緒論1.1 研究目的與意義進入21世紀以來隨著國民經濟和社會生產力的快速發展,發展中國家城市化進程不斷加快,城市人口聚集與城市地面交通基礎設施落后之間的矛盾日益凸顯,為了緩解這一矛盾?,F代化的城市建設逐漸開始發展立體式交通使得城市地下空間的開發和利用越來越多地受到人們的關注和重視。如今在土木與建筑工程領域的人們常說,19世紀是橋的世紀,20世紀是高層建筑的世紀,21世紀將是地下空間的世紀。尤其是城市地下空間的開發與利用,將會得到空前的發展。盾構工法因其具有機械化程度高、掘進速度快、對周圍環境影響小、施工安全性相對較高等優點,在城市地鐵、市政、電力等地下隧道修建過程中得到了廣泛應用。今后相當長的時期內,國內的城市地鐵隧道、水工隧道、越江隧道、鐵路隧道、市政管道等隧道工程將需要大量的盾構,中國將成為世界上地下工程使用隧道掘進機最多的國家。因此,隧道盾構施工技術在我國的發展前景非常廣闊。如何在地鐵盾構區間的建設過程中保證周圍環境的安全,無疑是地鐵盾構區間設計與施工過程中最重要的內容。而實際在項目的實施過程中,由于城市用地的緊張,往往需要突破上述規定。由于特殊情況,往往地鐵暖道要在已建大型建構物邊上穿越,或者在地鐵隧道邊上建設大型基坑甚至超深基坑,再或者在以建地鐵陵道近距離處施工另一地鐵隨道,以上這些工程實施均存在許多未知風險,如何控制風險,保證安全是急需解決的問題。盾構法隧道施工技術經過一百多年的發展,己經有了很大的進步,因盾構施工引起的周圍建筑物的損壞也在減輕,但是盾構施工還是會不可避免地引起地層的擾動,引起地表沉降,特別是在軟土盾構隧道中尤甚。當地層位移和變形超過一定的限度時就會危及周圍鄰近建筑物及其基礎和地下管線的安全,引起一系列巖土環境工程問題。如何減少施工對周圍土體的擾動程度,最大限度地減少施工對周圍壞境以及居民生活的影響一直是大家所關心的問題。因此在軟土地區對盾構施工技術研究意義是重大的。一方面,可以保證盾構區間隧道施工的安全。另一方面,對于類似在建的盾構區間的設計起到指導作用。1.2 國內外研究現狀1.2.1 軟土地層盾構機姿態控制技術國內外研究現狀近些年來,隨著自動化技術的迅猛發展與廣泛應用,國內外一些學者對盾構機掘進姿態的自動控制進行了研究。目前這些研究還主要集中在少數盾構技術發達的國家,如德國、日本、法國等。由于我國盾構設計和制造起步較晚,盾構技術的發尚處于研發與逐步國產化階段,國內學者對位姿控制理論的系統研究成果還相對較少。1.2.1.2 基于模糊理論的盾構機姿態控制理論由于盾構在掘進過程中隨時受到掘進工況和掘進機運行工況等不確定因素的影響,盾構推進的軌跡實際上會像蛇行走一樣時起時伏,左右偏差地前進,稱作“蛇形”。由于難以準確地建立盾構在推進過程中的數學模型,傳統的控制方法難以在盾構的姿態控制中得到應用但是,模糊控制擺脫了對精確數學模型的依賴,模仿人的邏輯推力和決策過程,把專家或熟練操作者的操作和控制經驗程序化。因此,隨著盾構施工經驗的累積和模糊控制理論的發展,模糊控制便廣泛應用于盾構機姿態控制這一類難以建立精確數學模型的過程。L.A.Zadeh于1964年提出了模糊控制理論,桑原洋等1988年首次在盾構機方向控制上應用該理論,提出了卑向推進度的概念。采用單推度來定量表征盾構千斤項工作模式,定義如下:式中的單推度與工作千斤頂的條數無關,與糾偏總推力有關。桑原洋等采用這種方向模糊控制器進行了實例試驗,使用該方法的結果與從實驗結果確認的熟練操作員的控制規律基本吻合。驗證了模糊控制在盾構掘進控制中的適用性。倉兩豐1991年在日本福市高速鐵道1號線延伸部施上中應用了模糊自動控制進行掘進管理,取得了比較滿意的效果。奧村等人 發了應用模糊神經網絡(FNN)控制盾構機掘進方向的系統系統由自動測量系統和控制系統組成。在控制系統設計中,為了謀求不失適應土質等掘進條件變化的全部自動化,所以設計為可以自動調整隸屬函數的形式。浦澤儀、江良嘉宏等介紹了應用于某深長隧道施工中的基于人工智能和模糊理論的控制系統。在國內此課題的研究比較少,現有研究大多數都是集中在怎么樣用好國外的設備,保證施工質量和效率方面。目前,掘進裝備的姿態控制主要由操作人員根據掘進裝備當前的位姿偏差進行人上調整來實現,糾偏效果取決于盾構司機的經驗。所以控制效果勢必受到操作者個人技能、身體條件、情緒狀況等因素的影響,使控制效果難以保障。胡瑕等研發了上海地鐵二號線隧道軸線控制系統,該系統也采用了模糊控制,其中的推理法采用的是管野模糊推理法,但該系統僅是一個咨詢系統,并沒有參與對系統油壓的實時控制。李惠平等對盾構機的姿態控制進行了模糊方法的研究。針對盾構控制的特點,提出一種“先分后和”的模糊控制器的設計方法,這一方法可以大大減少控制規則的數量,從而極大的減少了確定這些規則的工作量,而且使控制器的性能于調節,仿真結果表明了方法的有效性。但是,只是理論上的研究,并沒有應用于具體的實際施上中。周奇才等結合模糊控制理論,設計出了盾構智能化的姿態控制器。該控制器在理論推導千斤頂推力的基礎上,尋求工程歷史數據的規律,得出地質條件與盾構千斤頂壓力的關系。從而,在實際施工程中,根據探測和測量的實時數據,給出直觀的輸出控制量,使得盾構機位姿的控制更為及時、準確,有效的提高了盾構施上的精度。楊宏燕等建立了盾構方向控制模型,并且基于現有的盾構機掘進方向的模糊糾偏控制不能適應各種不同的工況條件而導致無法達到糾偏線形漸近性和糾偏過程緩慢性的要求的問題,提出了兩種控制方法:a、發明了一種利用虛擬軌跡對地下盾構機掘進方向控制的方法;b、發明了一種將盾構機方向誤差和方向誤差變化作為糾偏控制器輸入的方法在提出控制模型基礎上開發了盾構機掘進方向計算機輔助控制軟件,并且成功麻用于工程。這對提高國產盾構信息化施上水平具有一定的參考價值。周奇才等設計了盾構施工中的遠程監控系統的硬件軟件,并且成功應用于,并且成功應用于施工實踐建立基于遠程監控技術及其現代計算機技術相結合的全新的遠程監控系統,實現施工參數的監控與控制、3D動畫顯示等功能,極大地提高了施工信息化程度和管理化水平。沈斌等建立了盾構推進姿態實時監測和控制系統一 “盾構一號軟件”。軟件使用數控的思想和方法,設置了系統編組庫和修正參數庫,對盾構姿態偏差實行區位劃分,通過智能計算,提供糾偏力矩的控制參數,最終實現盾構推進姿態的控制。但是,實現數控盾構推進系統必須得到“硬件驅動”模塊的支持,從而,開發通用的盾構“硬件驅動”模塊意義重大。1.2.1.3 基于建模方法的盾構機姿態控制理論盾構掘進姿態的高精度控制一直是隧道工程施工的重點,它直接關系到隧道質量與施工成敗。要實現高水平的姿態實時控制,除必須具備高精度的盾構姿態測量手段外,如何實施高精度控制手段是關鍵。從而,基于姿態精確測量的基礎上建立推進過程的姿態控制模型,并且基于模型的基礎上提出相應的控制方法己經成為盾構機位姿實時控制的必然趨勢。雖。省略部分。護50*80環1942隧道2014年4月20日8大油脂桶243隧道2014年4月20日9雙頭螺栓M20×110套288洞門2014年2月15日10橡膠簾布板厚度17mm㎡75洞門2014年2月15日11翻板套4洞門2014年2月15日12水泥P.O42.5t1038同步注漿2014年4月20日13粉煤灰t2076同步注漿2014年4月20日14黃砂t10410 同步注漿2014年4月20日15膨潤土t1001同步注漿2014年4月20日16油性聚氨酯桶10洞門應急2014年2月10日17水玻璃t2洞門應急2014年2月10日18水泥P.O42.5t30洞門應急2014年2月10日表2-8 聯絡通道主要材料使用計劃表序號材料名稱規格型號單位數量使用部位供應時間1鎖腳錨管φ42m1126聯絡通道2014年10月10日2M24螺栓、螺母及相應墊圈套1501聯絡通道2014年10月10日3超前小導管φ42X3.25 熱軋鋼管m554聯絡通道2014年11月8日4初襯鋼筋混凝土C40 P10m3159聯絡通道2014年11月10日5初襯鋼筋制安t24聯絡通道2014年11月7日6襯砌背后注漿小導管φ42m104聯絡通道2014年11月1日71.5mm厚EVA防水板土工布緩沖層>400g/m2m2453聯絡通道2014年11月1日8外貼PVC止水帶m142聯絡通道2014年11月12日9鍍鋅鋼板止水帶4mm厚m142聯絡通道2014年11月10日10中置式高分子止水帶(帶注漿管)m142聯絡通道2014年11月10日11緩膨型遇水膨脹止水橡膠條m222聯絡通道2014年11月1日表2-9 盾構區間主要周轉材料使用計劃表號材料名稱規格型號單位數量使用部位供應時間1始發架個2盾構始發2014年3月1日2走道板2.98×0.5m套979盾構隧道2014年4月25日3鋼軌43kg/mm2915盾構隧道2014年4月25日4電纜120mm2m3000盾構隧道2014年3月1日5軌枕套903盾構隧道2014年4月20日6反力架套2盾構始發2014年3月1日7接收架個2盾構接收2014年9月20日8通風管Φ1000mmm2915隧道通風2014年6月10日9道岔單開個2軌道變線2014年7月20日2.2.8.4 主要機械、設備配置根據本工程合同工期要求及施工實際情況、工程具體施工內容、工程量,重點配備盾構掘進、地基加固等工程所需的主要機械設備,同時配備符合工程施工需要的運輸、起重等方面的設備。本工程主要機械設備配置見下表:表2-10 機械設備計劃表序號設備名稱型號規格/功率數量計劃使用時間1盾構機及后配套輔助設備1)土壓平衡盾構機Φ63402臺2014年3月2)電瓶車45t4臺2014年3月3)井下運土車18m316輛2014年3月4)管片運輸車30t8輛2014年3月5)砂漿攪拌機8m31臺2014年3月6)攪拌站JS75012014年3月7)裝載機ZL2012014年3月8)門式吊車45t2臺2014年3月2端頭井加固1)三重管高壓旋噴樁機GXP-5022013年12月2)漿液攪拌機HJ-2001臺2013年12月3)灰漿集料斗0.7m32臺2013年12月4)高壓注漿泵xpb-90d2臺2013年12月5)注漿泵(雙液漿)KBY-50/701套2013年12月3排水通風設備1)潛水泵7.5kw2臺2014年5月2)潛水泵3kw2臺2014年5月3)泥漿泵25kw2臺2014年5月4)軸流風機50KW2臺2014年5月盾構機選型:根據設計和工程的地質條件、水文條件得知:區間隧道主要穿越地層為,隧道主要淤泥質土、黏土和粉質黏土夾粉砂土層。地層細顆粒成分足夠,碴土易于改良,適用于土壓平衡盾構掘進,故選用土壓平衡盾構。(二)核心技術與創新點1 核心技術(1)軟弱地層盾構機掘進姿態控制技術;(2)軟弱地層盾構施工引起地表沉降控制技術;(3)盾構施工地表沉降監測及分析技術2 創新點針對武漢地鐵6號線軟弱地層的特點,課題摸索出一套軟弱地層條件下盾構機姿態控制技術及盾構機姿態不良時的糾偏方法,該技術能夠很好的解決軟弱地層中盾構掘進施工問題。從盾構施工引起地表沉降的機理分析軟土地層中盾構法開挖對地表及建(構)筑物沉降的影響,總結出一套不同盾構施工階段軟土地層盾構施工引起地表和建(構)筑物沉降的控制技術。(三)項目研發階段及項目完成已取得或預期取得的主要技術成果本課題以武漢市軌道交通6號線第4標段老關村站~博覽中心站土建工程盾構施工為背景,通過現場調研、理論分析、工程試驗并參考國內相關工程經驗,對軟弱地層盾構機姿態控制技術、軟土地層盾構施工引起地表沉降的控制技術進行研究,并將相關研究成果應用于盾構施工工程實踐中,具體階段性成果如下:(1)在對盾構機姿態控制影響因素進行詳細分析的基礎上,提出軟土地層條件下不同盾構施工階段盾構機姿態控制方法及盾構機預偏值確定,并分析探究盾構掘進姿態不良情況下的糾偏方法。(2)從盾構施工引起地表沉降的機理分析軟土地層中盾構法開挖對地表沉降的影響,研究不同盾構施工階段軟土地層盾構施工引起地表沉降的控制技術。(3)相關研究成果應用于盾構施工工程實踐后,在整個盾構施工過程中,表面收斂、地表沉降等技術指標均符合相關規范和設計要求,并且在整個施工過程中,沒有出現任何安全、質量事故,證明項目部在施工過程中開發和總結的“軟弱地層地鐵盾構綜合施工技術”具有一定的科學性和實用性,能夠滿足同類地層條件下,地鐵盾構施工的要求,該技術成果對我國城市軌道交通建設工程具有重要的典范作用及實踐指導意義。92
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