一种富水砂质粉土及淤泥质黏土地层榫卯型管片隧道成型方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体为一种富水砂质粉土及淤泥质黏土地层榫卯型管片隧道成型方法。


背景技术：

2.盾构施工技术始于1823年，布鲁尔以英国泰晤士河水底隧道工程为背景。二十世纪初期，美国、英国、法国、德国也开始应用盾构施工技术，20世纪60年代，盾构施工技术在日本得到极大发展，用途不仅限于水底隧道工程，还在山岭隧道、地铁施工中得到广泛应用。我国最初在二十世纪中页采用盾构施工，经过70余年的发展，从最初的小直径单一地层盾构施工，到现在的超大直径复合地层泥水平衡盾构施工，盾构施工技术在中国省会城市地下隧道工程建设中成为首选方案。
3.管片受理变形方面，国外的一些学者做了相关的研究工作，并取得一系列成果。在研究隧道管片结构受力特点方向，张等、李等、燕等、朱等、燕等、kim,hyun-su等、周等、董等、zhao,t.s.等、谭等、杨等、nabipour,mostafa等、yoseph,byun等通过数值模拟及理论分析的方法，对中国隧道盾构在特殊环境下，管片设计、椭圆度及管片的力学结构进行了研究，为今后盾构隧道管片的设计、生产、加工和质量检验提供参考。王等、lee,gyu-phil等、谢等、胡等通过现场监测及理论分析方法，分别采用激光雷达等技术及施工风险评价，分别对中国、韩国地区及隧道及管片安全性检验标准和质量控制方法进行了分析和总结。
4.spagnuolo,simone等、meda,a.、等、avanaki,m.j.、conforti,a.等、tengilimoglu,o.等、王等通过试验研究及数值模拟的方法，分析了在隧道管片中使用玻璃钢(gfrp)、钢纤维(sfrc)、合成纤维(mssf)代替钢筋及聚丙烯(pp)组合钢筋加固的结构性能，提出对gfrp、sfrc、mssf加固隧道管片有较好的效果。kwak,changwon等、in,jang，dong等通过振动台试验及数值模拟的方法，分析了隧道管片在陆地及海底环境下地震荷载作用的变形特点，提出了隧道管片最佳拼装位置。heo,seung-mu等、施等分析了隧道管片止水带及密封垫及管片上浮规律，提出亲水橡胶止水带有良好的阻水作用，接缝的密封性能与渗流性呈负相关。郑等通过数值模拟的方法，探讨了隧道坍塌机理，提出通过与管片和接头破坏准则的比较，可以评估相邻隧道管片的安全性。an,j.s.等通过有限元软件对盾构提出了一种基于应力和位移的隧道管片反分析方法，提出地面弹性模量、黏聚力及摩擦角对管片位移产生较大影响。rastbood,a.等、张等、梅等分别提出神经网络模型、混合结构分析法、预测地下建筑损伤模型能很好地预测隧道管片的结构应力和位移。雷等、刘等在系统分析隧道管片接头截面应力状态的基础上，分析了管片接头破坏机理，提出了隧道管片结构的非均匀等效梁模型(heb)。程等通过现场监测及数值模拟的方法，结合混凝土拉裂引起的截面非线性和实际有效惯性矩，研究了钢筋混凝土构件的弯曲特点。nomoto等通过研究隧道建筑空隙及隧道成型的关系，提出了盾构施工中建筑空隙是影响隧道成型的关键。imamura通过模拟实验，对管片脱离盾尾进行了深入研究，提出上覆土厚度、建筑空隙，均会造成管
片受力不同而上浮不同的情况。
5.国内有些学者对管片变形做了相关研究，同时得到一些成果。魏纲等通过理论分析的方法，对隧道管片上浮机理进行了研究，提出动态上浮对管片产生较大影响的结论。王发民等以汕头海湾隧道为工程依托，在土-岩-孤石复合地层条件下，对超大直径泥水盾构掘金过程中针对道具刀盘、冲刷系统、主驱动等进行针对性设计，控制了管片上浮。谢录科等对盾构穿越河底黏土层、粉质黏土层条件下的管片上浮控制问题进行了研究.得出以下结论：(1)印证了粘士、粉质黏土地层条件下注浆扩散跨过渗透注浆阶段，直接进入压密注浆阶段的结论，(2)在河底土层为黏土、粉质黏土地层条件下，管片上浮以局部管片上浮为主，局部管片上浮控制的决定性因素为壁后注浆动态上浮力和连接螺栓抗剪力，控制局部管片上浮的根本性方法是控制壁厚同步注浆压力，(3)盾构穿越新开河河底时，控制管片上浮的注浆压力不超过0.25mpa。沈征难分析了地质条件、注浆条件、盾构姿态对盾构掘进过程中管片上浮的影响，提出了管片上浮的主要影响因素。肖明清等、职洪涛等通过有限元分析的方法，对影响管片上浮的物理学性质因素进行了分析，并提出了相关防治措施。王选祥基于maag球面扩散公式，对管片背后注浆进行了分析，并从注浆方式、浆液选择等方面提出控制管片上浮的措施。陈亮等以北京地铁亦庄线为工程背景，研究了管片上浮规律，提出了控制管片上浮的对策和措施。袁威等通过现场监测实验及理论分析的方法，分析了管片在各方面因素影响下的结构受力情况，找出了管片上浮的发展规律。刘占威等以苏埃通道为工程背景，分析了在隧道工程前期设计及掘进参数控制两方面对管片上浮的影响，并提出了相应的措施。汤扬屹等基于云模型与d-s证据理论的方法，对隧道管片上浮进行了风险评价，针对各因素提供了相应的处理措施。吕乾乾等以珠江狮子洋为工程背景，通过数值模拟及现场监测的方法，分析了隧道管片的结构受力特点，结合工程实际对比研究管片上浮规律。黄仁东等以中国湖南某盾构隧道为工程背景，通过模糊变换对全部底层指标进行量纲一化处理，建立管片上浮致伤诊断模型，分析了管片上浮的影响因素，提出有效评估管片上浮的模型。沈鑫国等[54]通过理论分析的方法，研究了地质条件、盾构工法特点、施工参数等对管片上浮的影响，提出了控制管片上浮的对策和措施。戴志仁通过理论分析的方法，分析管片在同步注浆条件下的变形规律，提出提高浆液屈服强度对抵抗管片上浮有积极作用。赵永明等以上海轨道交通2号线为工程背景，结合现场监测及结果分析，对管片上浮发展规律进行了研究，提出了控制管片上浮的相应措施。谢录科等[57]以天津地铁3号线为工程背景，分析盾构穿越软土地层条件下管片上浮的发展规律，同时研究了同步注浆浆液对管片结构受力特点的影响，提出了穿越河底隧道最佳注浆压力不超过0.25mpa。王其炎等以杭州某地铁为工程背景，通过有限元分析的方法，分析了管片在不同工况下上浮规律，提出管片上浮的三个阶段：激增段、平缓段、稳定段。王明胜以广州轨道交通4号线为工程背景，分析了水下盾构掘进过程中管片的上浮规律，研究了地质条件、掘进参数、同步注浆等对管片在特殊环境下的影响，提出了控制管片在复杂地层的上浮控制措施。田华军等以武汉长江隧道为工程背景，通过现场监测分析，研究管片在外界影响条件如同步注浆、盾构掘进参数等对管片上浮规律的影响，提出控制管片上浮的响应措施。魏鑫以广州地铁4号线为工程背景，分析了地质、机械、水泥砂浆对管片上浮的影响特点，并提出了控制管片上浮的措施。杜闯东等分析了管片上浮及错台规律问题，同时研究了管片环间抗剪方式、传力衬垫设计及止水条硬度等对管片结构受力特点的影响，提出了控制管片错台的措施，为其他隧道工
程施工和管片设计提供了参考意义。郑中刚等以杭州地铁8号线为工程背景，通过数值模拟的方法，分析在不同水头高度、注浆参数工况下，管片的上浮情况，同时结合理论分析，研究了管片的变形机理。梁永钊等以广州地铁3号线为工程背景，分析了隧道管片上浮的变形规律，并提出了控制管片上浮的措施。董赛帅等以南京地铁3号线为工程背景，分析了盾构掘进过程中管片的上浮机理，结合现场实测，提出管片上浮两个阶段及控制管片上浮的措施。杨延栋等以广州地铁7号线为工程背景，通过理论分析的方法，研究了在全断面硬岩地层中管片的上浮规律，并从盾构施工和设计两个方面为管片上浮提出了控制措施。徐俊等通过管片上浮模拟试验的方法，研究了管片受力情况及其时变特性，提出了浆液对管片上浮起决定作用。张君等以成都地铁7号线为工程背景，分析了管片的受力特点，得出以下结论：(1)管片上浮四个阶段：管片封闭成环、盾构掘进顶推、同步注浆、浆液初凝后；(2)管片脱出盾尾后至浆液初凝前上浮计算方法；(3)管片上福控制措施。梁禹等以长沙市南湖路湘江隧道为工程背景，通过理论分析的方法，分析了地质条件、浆液质量、螺栓剪力及千斤顶残余分力对管片上浮的影响，最后结合工程实际提出了响应控制措施。殷明伦等以某软土地层盾构隧道工程为背景，分析了盾构机掘进参数、同步注浆等方面对管片上浮的影响，提出了控制隧道管片上浮的技术措施。
[0006]
综上所述，盾构隧道施工阶段衬砌上浮的研究方法有数值模拟法、实测分析法、试验分析法。但以上方法均存在不足之处，数值模拟法参数取值模糊，计算结果难以收敛；实测分析法测量方法难以确定，影响因素考虑不够完善；试验分析法虽然能还原部分实际情况，但盾构掘进难以模拟，与实际情况还是地质条件、外界扰动等不符。待系统的理论及实验研究。


技术实现要素：

[0007]
本发明所解决的技术问题在于提供一种富水砂质粉土及淤泥质黏土地层榫卯型管片隧道成型方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0008]
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种富水砂质粉土及淤泥质黏土地层榫卯型管片隧道成型方法，包括以下步骤：
[0009]
步骤(1).调查收集施工数据，分析研究施工方案，其包括管片上浮分析、管片拼装分析，具体运用数学方法对上浮进行理论分析，得出管片上浮简化计算公式，并把理论分析结合实际工程；
[0010]
步骤(2).施工资源准备，编制施工方案；
[0011]
步骤(3).盾构机施工掘进，并对掘进过程进行控制，通过测量系统，随时掌握正在掘进中盾构机的位置和姿态，并通过计算机将盾构机的实际位置和姿态与设计轴线进行比较，找出偏差数值后调整盾构机千斤顶的模式，使盾构机前进曲线和设计轴线尽可能接近；
[0012]
步骤(4).对隧道管片进行安装固定，并实时监测施工过程，对现场进行实测与统计分析，研究监测区段隧道管片的上浮过程、实际分布状况和变化发展规律。
[0013]
所述管片上浮分析包括以下步骤：
[0014]
步骤(1).分析富水砂质粉土及淤泥质黏土地层榫卯型管片受力参数，得到ff＝g1+g2+fn+f
j-f
t
，其中：浮力ff、地基回弹力f
t
、管片重力g1、浆液重力g2、粘滞阻力fn、上覆土压力fj；
[0015]
步骤(2).分别计算步骤(1)中上浮力ff分为静态上浮力和动态上浮力
[0016]
步骤(3).计算整环管片受到的地基回弹力式中：f
t
为地基回弹力；k0为静止土压力系数；r为注浆层外径；γ为地层平均重度；
[0017]
步骤(4).分析计算管片重力g1、浆液重力g2，，式中：g1为管片重力；g2为浆液重力；γc为管片的重度；r1为管片环内径；
[0018]
步骤(5).分析计算上覆土压力为步骤(5).分析计算上覆土压力为式中：fj为上覆土压力；b
t
为滑落土体的一半；c为土的粘聚力；k1为滑动面上的侧压力系数；为摩擦角；p0为地面荷载；h为上覆土厚度；
[0019]
步骤(6).分析浮力ff、地基回弹力f
t
、管片重力g1、浆液重力g2、粘滞阻力fn、上覆土压力fj作用大小，控制施工过程中各因素影响量。
[0020]
所述静态上浮力式中：为注浆浆液产生的静压力；r0为管片外径；b为管片宽度；γj为浆液容重；所述动态上浮力为：
[0021]
式中：为注浆浆液产生的动压力；b为动态上浮力的作用宽度；p为施工采用的注浆压力；θ为注浆浆液也跑分布区域边界与竖向的夹角。
[0022]
所述步骤(2)中通过提高浆液的稠度及固体物质含量，来可能提高浆液的粘结力，抵消一部分上浮力浮力ff。
[0023]
所述步骤(5)中通过工程类比、理论计算、数值模拟、模型实验四个方面考虑合理覆土厚度，分析计算上覆土压力。
[0024]
所述管片拼装分析包括以下步骤：
[0025]
步骤(1).运用最小二乘法确定榫卯型管片的选型及安装点位；
[0026]
步骤(2).软木衬垫增加环缝间距，增加管片错位空间，减少管片破损，同时增强了弹性密封垫防水压力要求；
[0027]
步骤(3).管片壁后注浆，管片壁后注浆包括试注浆、正常注浆；
[0028]
步骤(4).螺栓连接及复紧，将螺栓安装在预留孔处，严格进行管片螺栓复紧，当后续盾构掘进至每环管片拼装前，对相邻已成环的3环范围内管片螺栓进行全面检查并复紧。
[0029]
所述步骤(1)的具体方法包括设某一里程下隧道设计轴线三维坐标为(x0,y0,z0)，榫卯型管片的姿态有16种，榫卯型管片环末端环面中心三维坐标为(xi,yi,zi)(i＝1,
…
,16)，采用最小二乘法原理使坐标残差的加权平方和目标函数最小：
[0030]
δ(i)＝(x
0-xi)2+(y
0-yi)2+(z
0-zi)2[0031]
根据最小时的参数i(i＝1,
…
,16)，从而得到最佳拟合的榫卯型环管片姿态。
[0032]
所述步骤(1)的最佳拼装点位选择方法为：计算
[0033][0034]
……
[0035][0036]
从16组三维坐标找到距离隧道设计轴线最近的一组坐标，来确定最佳拼装点位。
[0037]
所述试注浆的注浆时详细记录注浆时压力的大小和注浆量，观察是否冒浆，墙顶标高有无变化，以此作为正常注浆时的调整依据。
[0038]
所述常注浆根据试注浆的记录，同时参考地质情况，及时分析并调整浆液性能，调整注浆压力和注浆量，进行注浆。
[0039]
所述监测控制首先通过盾构操作人员填写盾构机基本参数表，然后是土建工程师依据初始数据分析计算后填写盾构机关键参数表，过程中技术负责人指标进行分析判断，如果指标在范围类较好，则无需调整，经讨论后实施，如果在正常范围类，则技术负责人需要结合实际现场工况以及参数，进行分析讨论后提出方案，如果超出预警范围，则需要提交指挥部，由施工单位组织专家论证会议，结合盾构掘进现场实际情况和专家签署的意见书，形成专项施工方案，并严格按照方案实施。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明分析得出管片上浮大部分归咎于存在建筑空隙和地下水及浆液的浮力，而管片在浆液初凝后的一段时间上浮量占总浮动量较少，因此对浆液初凝前这一关键时间段控制成为重点，可以有针对的在施工过程中进行控制，提高施工精度，保证施工安全。
附图说明
[0041]
图1为本发明的方法流程示意图。
[0042]
图2为本发明的管片受力模型示意图。
[0043]
图3为本发明的用最小二乘法确定榫卯型管片的选型及安装点位的流程示意图。
[0044]
图4为本发明的管片环缝凸榫槽结构示意图。
[0045]
图5为本发明的监测控制方法流程图。
具体实施方式
[0046]
为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以两个元件内部的连通。
[0047]
如图1～5所示，一种富水砂质粉土及淤泥质黏土地层榫卯型管片隧道成型方法，包括以下步骤：
[0048]
步骤(1).调查收集施工数据，分析研究施工方案，其包括管片上浮分析、管片拼装分析，具体运用数学方法对上浮进行理论分析，得出管片上浮简化计算公式，并把理论分析结合实际工程；
[0049]
步骤(2).施工资源准备，编制施工方案；
[0050]
步骤(3).盾构机施工掘进，并对掘进过程进行控制，通过测量系统，随时掌握正在掘进中盾构机的位置和姿态，并通过计算机将盾构机的实际位置和姿态与设计轴线进行比
较，找出偏差数值后调整盾构机千斤顶的模式，使盾构机前进曲线和设计轴线尽可能接近；
[0051]
步骤(4).对隧道管片进行安装固定，并实时监测施工过程，对现场进行实测与统计分析，研究监测区段隧道管片的上浮过程、实际分布状况和变化发展规律。
[0052]
对于盾构管片上浮的原因，(1)管片上浮的前提是存在上浮的空间，而在实际掘进过程中，建筑空隙的存在为管片上浮提供了前提条件，(2)还未初凝的注浆浆液和地下渗水的共同作用下对管片产生向上的浮力，而浮力往往是管片所承受的所有力中最大的，所以管片发生向上位移的情况；(3)盾构千斤顶的上下不均匀力对管片产生受力不均的情况，也就是盾构在纠偏过程中，产生的“蛇形”运动，也有可能造成管片上移；(4)盾构在掘进过程中震动较大，未凝结的浆液中的颗粒下沉至管片底部，延长的管片浆液初凝时间，所受浮力持续时间增长，管片下方土体回弹等都会造成管片上浮。
[0053]
对管片进行竖直方向受力分析，发现管片上浮的主要因素包括浮力ff、地基回弹力f
t
、管片重力g1、浆液重力g2、粘滞阻力fn、上覆土压力fj等，如图2管片的受力模型。当管片处于平衡状态时，其受力特点为
[0054]ff
＝g1+g2+fn+f
j-f
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3-11)
[0055]
管片上浮是一个过程，所以其上浮力分为静态和动态两种，主要受浆液凝固状态决定，还受到盾构掘进过程的震动等影响。根据文献知道管片上浮过程中浮力的公式为：
[0056][0057]
式中：为注浆浆液产生的静压力；r0为管片外径；b为管片宽度；γj为浆液容重。
[0058]
浆液在扩散中包括填充阶段、渗透阶段、压密阶段、劈裂阶段四个阶段，压密阶段产生的上浮称为动态上浮，动态上浮力的大小受浆液泡与管片的接触面积影响，当浆液在盾构机震动的同时，注浆浆液在管片下部聚集，产生的分布力称为动态上浮力。根据文献知道管片动态上浮力的公式为：
[0059][0060]
式中：为注浆浆液产生的动压力；b为动态上浮力的作用宽度；p为施工采用的注浆压力；θ为注浆浆液也跑分布区域边界与竖向的夹角。
[0061]
对管片环微元体竖直方向的分力进行整环积分，得到整环管片受到的地基回弹力
[0062][0063]
式中：f
t
为地基回弹力；k0为静止土压力系数；r为注浆层外径；γ为地层平均重度。
[0064][0065][0066]
式中：g1为管片重力；g2为浆液重力；γc为管片的重度；r1为管片环内径。
[0067]
粘滞阻力是一个变动值，其大小与上浮位移量和浆液性质相关。由下表可得到，当采用单液惰性浆液时，粘滞阻力fn偏小，注浆管不易堵塞，注浆效果好，但是浆液初凝时间长，管片长期浸泡在浆液中，再加上富水软土地层渗流水的稀释作用，使管片上浮增大；单液硬性浆液的粘滞阻力适度，注浆管堵管时有发生，注浆效果一般，初凝时间可控，管片上
浮可控；双液瞬凝性浆液的粘滞阻力偏大，注浆管极易堵塞，但是数秒内就可初凝。
[0068]
常用浆液的特性比较：
[0069][0070][0071]
由于全区段覆土厚度10m～18m，监测区间覆土厚度取12m，由太沙基松弛理论得到上覆土压力为
[0072][0073]
式中：fj为上覆土压力；b
t
为滑落土体的一半；c为土的粘聚力；k1为滑动面上的侧压力系数；为摩擦角；p0为地面荷载；h为上覆土厚度。
[0074]
管片上浮计算参数：
[0075][0076]
管片上浮计算参数：
[0077][0078]
将混凝土和土的重度以及工程案例数据带入式上面各式，则可得
[0079]ff
+f
t
＝38970.94kn (3-18)
[0080]
g1+g2+fj＝8629.89kn (3-19)
[0081]ff
+f
t
》g1+g2+fj+f
n (3-20)
[0082]
由此可见，管片上浮大部分归咎于存在建筑空隙和地下水及浆液的浮力，而管片在浆液初凝后的一段时间上浮量占总浮动量较少，因此对浆液初凝前这一关键时间段控制成为重点。
[0083]
根据以上分析计算得出抗浮措施包括：合理控制建筑空隙：掘进过程中，提前测得隧道建筑空隙，确保建筑空隙复合设计要求，盾尾和衬砌不顶触。焊接组装的盾尾需要提前对盾尾进行矫圆，满足设计规范才能控制建筑空隙合格。
[0084]
改善浆液配合比：在施工前，对同步注浆配合比进行多次实验，浆液的凝胶时间调整至30～150s,使用初凝时间较短，初期强度较大的惰性双液浆，通过提高浆液的稠度及固体物质含量，来可能提高浆液的粘结力，抵消一部分上浮力。但其也会出现注浆管堵塞现象，这是因为浆液稠度较大时，期初凝时间也较短，可以通过配合使用清洗机，同步注浆完成一环，清洗一环注浆管，形成流水作业。杭州轨道交通七号线施工时，通过现场试验，在富水淤泥质黏土地层注浆需要加入早强剂，以达到缩短胶凝时间，达到更好的加固效果。经过试验，固结体强度：一天大于0.3mpa，28天大于4.5mpa，固结收缩率小于5％，液稠度12.5～13cm，静置沉淀后上浮水体积与总体积之比小于5％。因为建筑空隙体积准确无法测量，极大可能出现同步注浆浆液不充分的现象，通过二次注浆可以进行弥补，采用水泥加水玻璃双液浆。二次注浆使得在建筑空隙形成一个止水环，有效的隔离了密封土舱、工作面以及隧道背后的积水，缓解了螺旋输送器喷涌。二次注浆需要在同步注浆浆液初凝前完成，判断需要二次注浆的依据是通过地质勘察报告及渣土成分测定，在管片和围岩间的建筑空隙充填密实性差。注浆压力是通过对地质勘察报告、掘进中实际渣土特点、管片拼装位置等进行分析，然后对盾构机进行参数设置，实施的动态控制。本工程实践中衬砌顶部注浆孔注浆压力比底部要大，且注浆压力不宜超过4kg/cm3。控制底部注浆压力对衬砌底部的干扰尤为重要，同时要减小顶部和底部的压力差，若压力差过大，可以通过打开衬砌底部注浆孔以达到泄压的目的。在渗透性较好的地层注浆时，浆液扩散模式将会是渗透扩散，而动态上浮力计算模型采用半球面或弧面扩散模型；渗透性较差的地层注浆，可采用压密扩散模型，此时可通过该模型抗浮计算，且在管片设计阶段，对管片结构进行安全计算，防止注浆压力过大对管片产生破坏，以控制管片位移，避免错台。一环衬砌的注浆孔位置不同，也会对管片上浮产生影响，施工时需要考虑上覆土物理特征，选择合适的浆液扩散模型，避免地面冒浆、地表隆起。
[0085]
严格控制千斤顶纠偏：盾构掘进过程中，盾构机是呈蛇形运动，主要是通过控制盾构机施工参数进行调整，关键在于如何调整盾构机施工参数。理想施工状态下，盾构机掘进路线沿隧道设计轴线，虽然辅助有地质勘察报告，但地质条件复杂，不可控因素(上软下硬地层，上硬下软地层，富水地层)较多，若按照既定设计参数掘进，难免出现盾头偏离，盾头一旦偏离设计轴线，盾尾管片亦产生挤压、破损、上浮、错台等影响。假设盾头刚偏离设计轴线瞬间，盾构机刀盘较原设计轴线刀盘位置出现微量位移，不改变掘进参数的情况下，位移量逐渐扩大，正常掘进时每环行程差≤20mm，这时需要快速调整盾构参数，对土舱压力、刀盘扭矩、盾构掘进速度进行动态控制，并且考虑土体变形，合理选择施工参数，进行优化组合控制管片上浮，纠偏时掘进行程差≤30mm，每环纠偏量≤5mm。而盾尾管片已经拼装且受到了影响，需要在管片壁后注浆调整浆液性质为大于土体容重的硬性浆液。
[0086]
减少盾构震动：施工中发现管片上浮严重，可以降低盾构机姿态，通过数据分析方
法，得出管片上浮平均值，盾构机姿态降低的数值根据管片上浮均值调整，从而保证隧道形成能够满足设计轴线。虽然通过增大盾构机掘进坡度以达到管片不再上浮的目的，但操作难度较大。
[0087]
控制舱内压力：土压平衡式盾构机的刀盘旋转切削泥土，通过刀盘开口被压进土舱，然后经螺旋机转到皮带上面，最后输送到渣土里面。盾构机靠推进油缸提供动力向前掘进，盾构机机体外壳对形成的隧道空洞起到临时支护的作用，盾壳承受土压及水压。其中盾构千斤顶通过承压隔板传递到土舱内的泥土浆，再由泥土浆作用在开挖面，以抵消开挖面水压和土压合力，保持稳定。经过研究发现，开挖面稳定是一种动态平衡，由于它影响因素(千斤顶推力、排土量、推进速度)较多，盾构机的土舱压力是一定范围内的波动值，所以在实际工程中，仅仅设计唯一的土舱压力是不安全的，为了保持开挖面稳定，可以从两个方面入手：控制盾构排土量来反推其土舱压力以及盾构参数的合理性，还可以控制土体压力和泥土压力差来保持动态平衡。实际施工中控制排土量来反推的方法很少采用，因为过程中很难运用，而控制土体压力和泥土压力来保持动态平衡的方法是切实可行的。在盾构掘进时，可以监控土舱压力，运用计算机辅助控制开挖面压力。开挖面的土压控制，需要根据地质勘查报告对不同地层特点设计土压，可采用盾构停止施工时测定的开挖面土压力，设计土压力可以通过单位时间排土量来反推其合理性。并且过程中监控实际排除土壤特征及压力传感器来判断土压力变化情况，若产生变动，及时按既定程序通过调节螺旋输送机的转速来维持设计土压平衡。土舱压力过小会导致地表沉降，土舱压力偏大会引起地表隆起，开挖面的稳定可以减少盾构掘进对土体产生的扰动。减少土体扰动，可以再盾构掘进时，使土舱压力等于作用于刀盘的土压力及水压力合力。经过施工总结土压平衡式盾构机掘进压力为600kpa，舱内土压力与理论土压力的差值应小于21～42pa。
[0088]
改善上覆土厚度：上覆土厚度是影响管片位移的重要因素，浅覆土造成的工程事故严重程度较大，可以通过工程类比、理论计算、数值模拟、模型实验四个方面考虑合理覆土厚度。工程类比是根据参考文献，研究各工程案例地质勘察资料，分析实例覆土厚度，合理确定工程覆土厚度的方法；数值模拟是结合工程实例地层物理参数及管片实际分布，通过有限元程序分析合理覆土厚度的方法；理论计算是本文第三章运用的计算方式，其实质是通过文献回顾法，结合工程实例特点，计算合理覆土厚度；模型实验是将工程实例缩小，从实验设计到分析的过程，以研究合理覆土厚度的方法。盾构掘进时，适当增加上覆土厚度或进行地面注浆加固改善上覆土性能可以有效抵抗管片上浮，因为盾构开挖后，隧道拱顶上覆土发生应力松弛，同时盾构机震动极易使隧道拱顶土壤发生位移。盾构掘进过程中对土体扰动较大，但这一现象会导致隧道管片和土体之间的建筑空隙位移，这一复杂的应力作用最终影响到隧道管片位移的强度。本工程可以从以下几个方面考虑：(1)盾构掘进时，刀盘对前方土体进行切削，控制盾构参数以达到控制对地层的摩擦和剪切。(2)控制盾构机切口水压，切口水压稳定才能保证前方土体稳定，避免发生隧道质量事故。(3)掘进时防止地面冒浆，加强对正面土体支护，富水淤泥质黏土地层掘进时，由于含水量偏大，采用重浆推进，加强泥浆测试频率，根据地质特点及时调整泥浆质量。(4)控制盾构机掘进的技术参数：总推力、掘进速度、注浆压力等，减小地层扰动，低速掘进，加强出土质量监测，防止超挖。(5)在设计的浅覆土施工段掘进时，严格控制注浆量及注浆压力，避免压力过大导致地表隆起，本工程注浆量控制在建筑空隙体积的1.5倍左右，同时通过注浆机中的压力限位阀
来控制注浆压力。盾构保持低速均匀掘进，不宜频繁纠偏，保持在设计轴线范围内，减小对上覆土的影响。(6)在地质勘察阶段，采用先进的勘察设备，采用文献回顾法，选择先进的勘测技术，还原真实地质特征，为最合理的隧道盾构选型及管片设计提供依据，为控制隧道成型质量提供前期控制保障。
[0089]
加固管片接头：盾构管片接头对抵抗管片位移的重要作用，螺栓的结构形式和数量对相邻两环衬砌间的错台影响极大，其表现为螺栓抗剪和断面摩擦。加强管片抗浮措施重要的是改善接头本身形式及数量，可以从以下几个方面考虑：管片设计阶段，在富水严重区间适当增加衬砌环螺栓数量，加大螺栓直径，提高其抗剪能力；盾构施工阶段，加强对螺栓紧固及复紧力度，增大相邻衬砌环间约束力，增大衬砌抗弯刚度。根据参考文献可知，隧道纵向抗弯刚度变化与环向抗弯刚度变化呈正相关关系，加强相邻衬砌环间抗剪力能有效增强隧道纵向刚度及隧道整体抗浮能力。
[0090]
所述管片拼装分析包括以下步骤：
[0091]
步骤(1).运用最小二乘法确定榫卯型管片的选型及安装点位；
[0092]
理论上，相同里程的隧道设计轴线三维坐标，仅一组和你和目标坐标相同或相近，而榫卯型管片的末端环面中心三维坐标，由于榫卯型环管片的不同姿态可有若干组，从不同的末端环面中心三维坐标中找出距离最近的一组，用于拟合隧道设计轴线三维坐标。
[0093]
设某一里程下隧道设计轴线三维坐标为(x0,y0,z0)，榫卯型管片的姿态有16种，榫卯型管片环末端环面中心三维坐标为(xi,yi,zi)(i＝1,
…
,16)，采用最小二乘法原理使坐标残差的加权平方和目标函数最小：
[0094]
δ(i)＝(x
0-xi)2+(y
0-yi)2+(z
0-zi)2[0095]
根据最小时的参数i(i＝1,
…
,16)，从而得到最佳拟合的榫卯型环管片姿态。
[0096]
最小二乘法优选：
[0097][0098]
……
[0099][0100]
从16组三维坐标找到距离隧道设计轴线最近的一组坐标，来确定最佳拼装点位；在盾构掘进过程中，榫卯型管片拼装前，通过对之前管片环末端进行数据搜集与分析，同时利用bim技术进行场景模拟，以形成实际管片拼装形成的空间位置，再利用bim附属参数化平台dynamo，按照实际设定的管片长宽厚重新生成下一环管片的位置，得到的16组管片末端环面中三维坐标再利用最小二乘法，得到距离设计轴线最近的一组，同时排除通缝拼装点位。
[0101]
步骤(2).软木衬垫增加环缝间距，增加管片错位空间，根据盾构管片拼装规范，拼装管片环向错台允许误差6mm，成型管片环面错台允许误差15mm，采用凹凸型榫卯管片，榫卯拼装贴合后每侧余量为4mm，而实际拼装中，环缝错台量超过4mm极可能产生管片破损。榫卯型管片环缝采用4mm厚丁腈软木橡胶片贴合，不连续粘贴，减少管片破损，同时增强了弹性密封垫防水压力要求；
[0102]
步骤(3).管片壁后注浆，管片壁后注浆包括试注浆、正常注浆；工中采用的速凝浆液是管片抗上浮注浆材料(简称ab料)及与材料配合使用的全自动注浆设备。ab料是包含a、
b两种组分，其中a组分作用是促凝促强(水玻璃、水泥)，b组分作用是活性激发。
[0103]
使用时：a组分在拌制砂浆时加入预拌砂浆中，b组分在注浆时同步注入拌有a组分的砂浆，b组分的注入口设置在中盾同步注浆管处，安装三通管并设置电磁开关。施工中间隔固定环数进行注入，特殊情况进行调整。抗上浮材料及配套设备的使用一方面能够快速凝结固定管片，减小上浮量，另一方面能够减小作业量及堵管的情况。浆液性能指标如下：
[0104][0105]
步骤(4).螺栓连接及复紧，将螺栓安装在预留孔处，严格进行管片螺栓复紧，当后续盾构掘进至每环管片拼装前，对相邻已成环的3环范围内管片螺栓进行全面检查并复紧。合理确定管片拼装点位，避免盾尾硬性拖拉管片。管片拼装的点位要综合考虑隧道轴线要求和盾尾间隙，在两者不能同时满足时，优先考虑盾尾间隙，保证隧道衬砌的质量。
[0106]
所述试注浆的注浆时详细记录注浆时压力的大小和注浆量，观察是否冒浆，墙顶标高有无变化，以此作为正常注浆时的调整依据。
[0107]
所述常注浆根据试注浆的记录，同时参考地质情况，及时分析并调整浆液性能，调整注浆压力和注浆量，进行注浆。注浆时采用压力和注浆量三控，即注浆压力未达到0.35mpa，注浆量已达2.0m3；或注浆压力已达0.35mpa，注浆量未达到2.0m3；或发现地下连续墙墙顶上抬超过10mm时，均可停止注浆。若出现浆液已冒出地面也可停止注浆。
[0108]
监测控制首先是通过盾构操作人员填写盾构机基本参数表，然后是土建工程师依据初始数据分析计算后填写盾构机关键参数表，过程中技术负责人指标进行分析判断，如果指标在范围类较好，则无需调整，经讨论后实施，如果在正常范围类，则技术负责人需要结合实际现场工况以及参数，进行分析讨论后提出方案，如果超出预警范围，则需要提交指挥部，由施工单位组织专家论证会议，结合盾构掘进现场实际情况和专家签署的意见书，形成专项施工方案，并严格按照方案实施。
[0109]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。