随着现代城市的发展,城市轨道交通能有效缓解交通拥堵问题,在城市地铁的建设中,盾构施工技术具有工期短、自动化程度高、安全性好以及对周边环境影响小等优点,在现今地铁的建设中应用最广泛。兰州地理位置独特,呈现东西狭长分布,黄河穿城而过,城市建设沿西岸展开,兰州市轨道交通1号线穿越东西向,其中盾构隧道下穿黄河段(奥体中心~世纪大道、迎门滩~马滩区间)成为全线重点控制工程,盾构隧道下穿黄河富水砂卵石地层,盾构管片受荷机制与普通盾构隧道差异较大、力学特征复杂;卵石含量大,强度高,对刀具磨损大;土体渗透性大、易离析,施工过程中注浆浆液容易遇水稀释,胶凝时间长、早期强度低、注浆效果难评价;施工过程中风险因素多,风险等级不清,相应的防范对策不易提出等问题,针对本文针对上述问题,开展的主要工作如下:(1)通过对盾构刀盘的磨损机理以及刀具的切削机理分析,针对兰州轨道交通区间隧道下穿黄河段所处的富水砂卵石地层条件,刀盘的结构形式应选择复合式刀盘,刀具在砂卵石地层中以滚压破岩为主、切削破岩为辅的破岩方式。并对刀盘扭矩的影响因素进行总结,得到刀盘扭矩的数学模型。(2)对刮刀建立有限元模型,在不同切削速度、切削深度、切削角度、刀间距下的破岩效果进行分析,研究表明:切削速度与刀间距对切削阻力的影响不大;随切削深度的增大水平切削力也不断增加;随切削角度的增大,卵石的等效应力呈现缓慢增大,且在切角为20°时破岩最佳,具备良好的切削破岩效果。对滚刀建立有限元模型,不同滚刀间距下的破岩效果进行分析,得到滚刀间距取值范围为12 cm~16 cm之间,其破岩效果最佳。根据刀具磨损计算公式反推刀具磨损系数,以滚刀允许磨损值取20 mm,建议每掘进220 m左右应进行一次带压进仓检查,对磨损较大的刀具进行更换,每隔770 m应设置一个停机加固点进行所有刀具的检查更换。(3)通过模型假设,对盾构管片环向受力进行分析,建立接头的力学解析模型,通过管片各个阶段的受力特征,推导得到不同受力特征下的管片环向接头的力学表达式;然后对管片接头用ANSYS建立有限元模型,计算不同弯矩和轴力下管片环向接头的转角与张开量,对力学解析解进行验证。结果表明:边界条件相同,力学解析模型与有限元模型的计算规律一致,轴力一定下,接头转角与弯矩呈现正相关,但抗弯刚度随弯矩的增大而减小,并最终趋于稳定,曲线完全退化成为一条近似的直线。(4)在迎门滩~马滩区间隧道布设应变计和测缝仪,对盾构衬砌管片的应变和接缝处的位移进行监测,得到监测点的应变和接缝位移均随着荷载的增加呈现不同程度的增大,这是由于管片背后注浆后,管片受到注浆压力和周围土体荷载的作用,管片发生变形;随着盾构的推进以及浆液的凝结,各监测点的应变和接缝位移随后逐渐降低,由于注浆压力因浆液向土体逸散而逐渐减小,导致作用在管片上的注浆压力减小引起的。随着盾构机的前进管片脱离盾尾,各监测点的应变和接缝位移又发生突增,而后随着盾构机驶离监测断面,盾构机对管片的影响逐渐减小,各特征点的应变和接缝位移也相应减小,60天后各监测点的应变和接缝位移趋于稳定。(5)针对兰州砂卵石富水地层渗透系数大,采用传统的同步注浆材料,注入后会被地下水稀释,并且后期达不到应该有的强度,通过对比选择浆液类型为单液浆,选用水泥、黏土、膨润土、粉煤灰、细砂以及外加剂为原料,通过室内试验得到合适的浆液配合比;用该配合比与现场实际的浆液配合比进行现场试验,通过地质雷达检测,该配合比各个指标优越,值得推广。(6)用有限元软件Plaxis建模,计算盾构隧道不同埋深与不同的注浆压力条件下,得到合理的注浆压力为0.4MPa,砂卵石地层注浆,应以注浆压力来控制同步注浆;借鉴以往工程,注入率控制在130%~180%之间,每环的注浆量为4.3m~3~6m~3。(7)根据盾构领域专家调查(包括高等学校科研人员及现场穿黄施工单位中铁16局及14局的现场管理及施工人员),对调查问卷进行计算,建立了盾构隧道风险指标体系,采用层次分析法与模糊评价法,得到兰州轨道交通1号线盾构隧道下穿黄河风险属于可接受范围,风险可控。