一、项目基本情况
专业评审组: 土木二组评审号: 20104266 中文盾构切削穿越地下障碍物关键技术 项目
名称
英文 A Study on the Key Technologies of Shield Machines Cutting & Passing through Underground Obstacles
主要完成人员略
主要完成单位略
主题词盾构穿越切削地下障碍物桩基托换地下连续墙
推荐单位市建设交通委
奖励类别技术开发类项目水平国际先进
所属学科土木建筑工程施工技术学科代码5605000
相关学科地下工程学科代码5605030
技术领域其它技术出口情况未出口
所属行业建筑业密级非密
任务来源自选保密期限
创新性关键技术或理论有重大创新可否公布可
市成果登记号(每行只填一个成果登记号)
9312008Y0323
9312009Y1752
9312009Y1753
项目研究起止时间2006.01--2008.02
上海市科学技术奖励管理办公室制
二、项目简介
项目所属科学技术领域、主要内容、特点及应用推广情况：
项目属于地下工程技术领域，地铁盾构隧道施工技术专题，涉及盾构掘进机、地基加固、基础托换、信息化施工技术。
针对上海地铁工程建设中区间隧道盾构掘进施工切削穿越桩基、地下连续墙等障碍物的技术难题，采用盾构切削桩基和地下连续墙的模拟试验、数值分析、设备改制、工艺研究、施工参数研究、示范工程应用等技术路线，创新形成盾构切削障碍物桩基和控制构筑物沉降位移以及桩基拔除的成套新技术工艺（包括盾构改制、穿越敏感桩基的微扰动施工技术、自携式加固技术等）、盾构切削穿越桥梁桩基和结构承载体系基础托换新技术工艺。首次采用大型盾构掘进模拟试验平台完成Φ1800mm盾构切削Φ300mm 木桩的掘进试验，提出大直径泥水盾构切削穿越木桩的技术措施（刀盘改制、桩地层加固）、掘进参数（盾构推速、刀盘转速），形成可实施的技术方案，与拔桩方案相比，可节省施工费近3千万元。首次采用盾构掘进模拟试验平台完成Φ400mm盾构切削玻璃纤维筋混凝土和钢筋混凝土的掘进试验，在试验研究分析的基础上针对工程实际提出地铁盾构切削穿越钢筋混凝土桩的技术措施（刀盘改制、桩地层加固、盾构机自携式注浆加固前方土体技术、外加混凝土削解剂技术、微扰动施工技 术、添加润滑泥浆技术等）；形成2项专利技术，解决了土压盾构直接切削厂房10根钢筋混凝土桩的技术难题，沉降位移控制在1cm以内。
结合地铁10号线盾构切削穿越沙泾港桥桩基工程，采用三维有限元分析技术，在上海软土地层首次完成既有桥梁结构承载现状评估方法理论、老旧桥梁桩基施工过程中安全稳定性分析、结构体系托换过程中荷载传递机理分析、以及地基加固稳定性分析。经技术经济比选，提出特定条件下基础托换、地基加固、结构补强、盾构切桩等成套技术工艺流程，形成技术专利《隧道穿越河流上方桥梁桩基的箱-筏承压式基础托换及施工加固技术》。技术成果应用于10号线盾构切削穿越沙泾港桥33根钢筋混凝土桩基施工，确保了桥梁和四平路交通的安全。结合轨道交通7号线盾构隧道穿越中山北路高架道路B32号墩桩基拔桩施工，进行了四项拔桩技术的研究，解决了三项技术难点，总结出一套新的拔桩工艺，可为以后类似的工程借鉴或采用。本课题的研究成果"钻进式钢套管拔桩工艺" 应用与实际工程顺利拔除桩基，保证了邻近范围内敏感管线和重要建筑物的安全。课题研究成果成功应用于上海轨道交通7、9、10号线等多个盾构施工区间段，首次在软土地区盾构穿越河流上方桥梁桩基这一施工实践中，做到了不拆除及有桥梁结构、保障交通功能的前提下顺利地进行切削桩基和盾构推进。工程实践表明该技术具有对交通和周边环境影响小、经济、施工方便安全、盾构刀具磨损小的实效，整套技术的研究与应用取得了良好的经济效益和社会效益，在环境友好与资源节约上具积极示范效应。盾构切削穿越障碍物试验研究和专项施工技术成果水平达国际先进。
（不超过800个汉字）
三、项目详细内容
1.主要科技创新内容（采用的技术原理与方案；关键技术创新点；必要的图表数据）
1 立项背景和总体技术研究思路：
1.1国内外现状及立项背景：
随着城市地铁线网的加密与隧道数量的增加，地下空间资源在逐渐减小，隧道的位置将受到许多因素的制约。上海地下在役与废弃的管线、基础桩、构筑物等分布“量大面广”，构成现有盾构隧道施工的地下障碍物，增加施工的难度。国外盾构施工中遇到障碍物的常用处置技术主要是在盾构通过前预先拆除或隧道线路变更，而直接切削穿越障碍物的工程实例只有切削碳纤维混凝土洞门，还缺少直接切削钢筋混凝土障碍物的系统理论分析和专项技术。因此，进行盾构直接切削穿越障碍物的施工关键技术研究，对于缩短盾构隧道施工工期、节省工程投资、保护环境有十分重要的意义。
1.2研究内容和技术路线：
课题研究主要内容有：（1）盾构穿越地下连续墙施工技术研究；（2）盾构穿越桩基施工技术研究；（
3）盾构机自携式加固技术研究；（4）盾构穿越敏感桩基的微扰动施工技术研究；（5）桥梁桩基托换技术研究；（6）上海地铁盾构穿越障碍物工程应用研究；（7）复杂地段桩基拔除施工技术研究。
课题研究采取理论研究、室内模拟试验、数据分析、专项施工关键技术研究、工程应用研究相结合的方法。在分析国内外相关资料的基础上，针对工程特点和难点进行盾构穿越地下障碍物的技术方案研究，包括盾构穿越地下连续墙施工技术、盾构穿越桩基施工技术、盾构机自携式加固技术、盾构穿越敏感桩基的微扰动施工技术、桥梁桩基托换技术研究、工程应用研究。技术路线如下：
图1.1 总体研究技术路线
2 盾构切削地下障碍物的模拟试验
2.1 盾构切削桩基试验
上海新建路隧道Φ11.5m盾构施工必须穿越大片木桩，有2种方案选择，拔桩或切削木桩。拔桩为成熟的常用技术，费用高；盾构切削木桩没有先例。为取得盾构刀盘切削木桩的可行性、刀盘结构的优化、掘进参数及对地层的影响，采用自主研制的大型盾构掘进模拟试验平台完成Φ1800mm盾构切削Φ300mm木桩的掘进试验，研究盾构机的驱动功率、推进速度、推力、刀盘转速、刀盘扭矩、木桩位移变化和桩周土体的扰动情况以及木桩切削下碎片的大小、木桩的位移，从而形成一套科学合理的大直径泥水盾构切削桩基的施工方案。
图2.1 试验流程
2.1.1盾构机切削周边无土的木桩试验
将木桩固定在特制的铁架上，模拟理想的加固状态（在周边土体嵌固作用下，木桩不发生位移，同时土体能提供足够的切削反力）。通过对不同刀具切削能力的测试，比选、优化出1～2组适合木桩的切削的刀具形式与配置。试验过程中，盾构推进速度先慢后快，同时改变不同的刀盘转速。
图2.2 大型盾构掘进模拟试验平台切削木桩实景图
图2.3切削加固土体中的木桩示意图表2.1 盾构切削土体中木桩的参数表
试验参数
工况简介土体强度
（MPa）刀盘转速
（rpm）
推进速度
（mm/min）
不加固土体中的木桩土体不加固 0.45/1.45/2.89
2～5 6～8
不同加固强度土体中的木桩弱加固（0.5）
强加固（0.8）
0.45/1.45/2.89 2～5 6～8
2.1.2 盾构切削加固土体中的木桩试验
将木桩埋置在未加固及加固强度不同的土体中，模拟施工时木桩嵌固在土体中的状态，然后用Φ1800模型盾构进行切削试验。试验工况设计时，考虑桩段全部伸入盾构开挖范围和桩段局部伸入盾构开挖范围两种情况。通过调节刀盘转速实现与实际盾构相同的切削线速度，推进速度控制在1cm/min以下。试验中主要测试盾构在不同强度土体中切削木桩时，木桩的位移，以选择合适的地基加固强度。
2.1.3 试验分析总结和盾构切削木桩施工技术方案
对盾构切削土体中的木桩试验数据分析研究发现，随着土体强度的提高，木桩位移逐渐减小，由未加固的原状土中的1.7cm（纵向）、2.3cm（横向），降低为强加固（0.8MPa）土中的0.6cm（纵向）、0.75cm（横向）。
1）先行刀和主切削刀的组合，可满足切削不同强度土体中木桩的要求；
2）三种不同强度土体内的木桩均能被盾构切削，切削下的木桩呈碎屑状，未加固土体中木桩碎块较大，加固土体中木桩碎块相对较小，且和渣土胶结在一起。
3）加固桩周土体，对于减少木桩位移的效果明显。为保证施工的安全，建议采用强加固土体，加固强度不应小于0.8MPa；加固方式采用旋喷高压灌浆方式，在摸清桩位的基础上灵活采用喷口旋转和摆动两种施工方式。水灰比可采用1：1，水泥（425普通水泥）掺量20%，确保加固体强度。
4）实际施工中，为避免盾构切削前排木桩后给切削后排木桩带来不利影响，建议在切削完一排木桩后，盾构可进行刀盘正反转、加快泥水循环和逆洗等措施，清理刀盘中
的残留碎木块。
5）施工中，应采取较慢的推进速度，建议控制在1cm/min。
通过盾构切削木桩模型试验，初步形成了大直径泥水盾构切削木桩的施工方案。若采用盾构直接切削木桩的方案，必须对桩周土体进行加固，最小加固强度为0.8MPa，才能保证木桩位移在可控范围内。加固方式建议采用旋喷高压灌浆方式；试验中盾构切削下来的木桩长度稍大，为保证泥水盾构泥水输送系统畅通，必须设计制造和试验排木块装置。该施工方案与通过地面拔除木桩方案比较，可节约工程投
资约3000万元。
2.2盾构切削穿越地下连续墙试验
采用直径为Φ400mm模型盾构机，切削配置有钢筋和玻璃纤维筋、强度为C20和C30的混凝土试件，观测盾构机的切削状态，记录有关盾构机的驱动功率、掘进速度、顶进推力、刀盘转速、刀盘扭矩、刀盘刀具磨损情况、切削下碎屑的大小等。盾构机刀盘开口率设置30%，主要配置中心刀、超前保护刀和切削刀，刀具材料采用硬质合金刀头，进刀角和退刀角均设计得较大（15°）。
由于混凝土一般具有一定的强度和耐磨性，会将盾构刀具磨损，因此，试验中采用了一种混凝土削解剂，将混凝土表面强度降低，减小盾构机切削混凝土时的刀具磨损。削解剂性能指标为：PH值为2～2.5，颜为淡黄液体，密度为1.0 g/cm3。研究添加削解剂和不添加削解剂情况下，总推力、推进速度、刀盘转速、刀盘油压的变化情况。
图2.4添加混凝土削解剂时的盾构机及管路示意图
图2.5 钢筋的切削断面和切削轮廓图
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