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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,复杂条件下盾构隧道,施工（管理）技术,工学博士 袁大军,北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心 北京,Beijing JiaoTong University Research Center of Tunneling and Underground Works,，,Beijing,北京交通大学隧道中心 教授 副主任,国家,973,计划,“,高水压越江海盾构隧道工程安全,”,首席科学家,2015,年,8,月,3,日 深圳,-3,、,高水压小覆土大直径泥水盾构掘进,上海上中路隧道地质纵断面图,南京长江隧道工程纵断面示意图,一、高水压小覆土盾构掘进泥水劈裂特征分析,1,）地表,(,江底面,),较平坦，盾构机掘进水平。江中段覆土小，水压大。地层稳定性差，需对泥水压力审慎设定及控制，对泥水特性有要求。,A,： 一般掘进形式,2,）地表较平坦，盾构机掘进朝下方向。在初始掘进段属于该种情况。从小覆土条件讲是相对安全地段，但需注意的是，泥水压力按盾构切口位置设置，在盾构中部或尾部，覆土厚度小，劈裂有可能在盾构中部或尾部发生。需对泥水压力审慎设定及控制，对泥水特性有要求。,B,： 地表平坦盾构朝下掘进形式,3,）地表向下倾斜，盾构机掘进朝下方向。在盾构进入水中后属于该种情况。从小覆土条件讲是相对安全地段，但需注意的是，水压增高，需对泥水压力审慎设定及控制，对泥水特性有要求。,C,： 前期水中初始掘进形式,4,）地表向下倾斜，盾构机掘进朝下方向。在盾构进入水中后属于该种情况，与,3,）基本相同。但有小的浅槽出现，水压力大，需注意对泥水压力的设定及控制，防止劈裂的发生，对泥水特性几掘进参数有要求。,D,： 前期水中初始掘进形式（有浅槽）,5,）地表向上倾斜，盾构机掘进朝上方向。在盾构进从江底改变掘进方向后属于该种情况。水压虽然渐渐减小，但覆土厚度也在较小的范围内，且开挖面稳定难以控制。需注意对泥水压力的设定及控制，防止劈裂的发生，对泥水特性有要求。,E,： 过江底后水中掘进形式,6,）江底面呈上坡，盾构机掘进上坡；与,5),基本相同。但经过小冲槽。容易发生泥水劈裂。地层稳定性差，泥水压力难以设定。施工难度较大，需对掘进参数及泥水压力、泥水特性。审慎设定及控制，是较最危险地段。,F:,较大风险区域江中冲槽掘进形式,7,）江底面呈上坡，盾构机掘进上坡；且由覆土小地段向突变覆土大地段掘进。泥水压力难以设定。容易发生泥水劈裂，必须同时满足小覆土劈裂及高覆土开挖面稳。施工难度大，地层稳定性差，需对掘进参数及泥水压力、泥水特性。审慎设定及控制，是最危险地段，也是本研究的重点。,G,：最大风险区域江中冲槽掘进形式,二、关于盾构泥水劈裂的基础研究,1),高水小覆土盾构掘进问题，主要是泥水劈裂地层,冒浆问题。国内外这方面研究成果很少。可借鉴的好的施工案例没有。日本早稻田大学有过些初期研究成果。东京湾海底隧道在小覆土处采用了加固措施。,2),大直径高水压盾构开挖面稳定问题，一直是困扰着盾构界的难题，特别在高水压下的透水性大稳定性差的地层中掘进，没有很好的固定模式和方法。,室内三轴劈裂实验,劈裂发生压力,泥水劈裂的基本概念,1,）泥水劈裂发生压力,泥水盾构劈裂现象室内试验研究结果表明，劈裂压力与泥水的黏性和土层强度有关系，即,:,式中：,3,为小主应力，,q,u,为无侧限抗压強度，,为系数。,系数,是与泥水黏性等相关的系数。,小缝隙,开裂,2),砂土地层,泥水劈裂发生压力,砂土的劈裂发生压力可用下式表示：,m:,系数数，,:,有効侧圧,t,:,抗拉強度，,R:,亀裂伸展抵抗,压力计,排气阀,泥水箱,加压管,地表压力计,阀门,混凝土砂浆,钢管,50.0,先端压力计,劈裂泥水加压孔孔,实验孔构造及实验用仪器简图,3,）现场泥水劈裂试验,4,）泥水劈裂伸展压力,5,）室内盾构模型掘进泥水劈裂试验,i,土槽；,ii,刀具；,iii,刀盘；,iv,刀盘马达；,v,掘进马达；,vi,排土器；,vii,压力计；,viii,泥水罐；,ix,排土槽；,x,上部水压,盾构模型试验装置,盾构模型机,土槽人工黏土配比,Mixture proportions of gypsum cohesive soil ground,人工黏土配比,/g,q,u,/kPa,高岭土,石膏,粉质黏土,水,3 000,2 000,2 000,4 000,6 000,10,140,所用泥水是,10%,的膨润土拌和而成。为观察劈裂面情况，把泥水着色成了红色。泥水黏度约,20,25 s,。试验分两种形式进行。一种是在有上部荷载的情况，以模拟覆盖层较大的情况；另一种是无上部荷载的情况，以模拟覆盖层较薄的情况。盾构模型机以,1 mm/min,掘进，并以一定的泥水加压速度使地层劈裂破坏,(,泥水喷发,),。试验也进行了在掘进,20 cm,后停止，以一定的泥水加压速度使地层劈裂破坏的情况。,试验,编号,无侧限抗压强度,q,u,/kPa,上部荷载,/kPa,劈裂发生压力,/kPa,劈裂发生,角度,/(),1,69.5,0,71.3,45,2,114.0,0,92.3,38,3,132.1,0,108.5,30,4,134.3,0,190.0,35,5,101.2,10,175.0,铅直,6,78.3,10,148.1,铅直,7,60.5,10,126.0,铅直,8,68.0,10,157.6,铅直,9,19.0,10,55.7,铅直,盾构模型试验结果,Results of model shield tests of shielding models,劈裂状况,(,有上部荷载,),Fracture situation(with loading,，,Test No.5),6,）劈裂发生方向及宽度,劈裂状况,(,无上部荷载，第一次试验,),Fracture situation(without loading,，,Test No.1),劈裂宽度,Fracture width,掘进中裂缝与劈裂发生过程,Processes of crack and fracture during shielding,advancing(Test No.9),该图是第九次试验的泥水压力与盾构推进距离的试验结果。试验结束后，挖开盾构模型机通过的土层，观察结果表明图中,A,区间没有发现异常，在,B,区间发现如图所示劈裂发生前的裂缝,(,由于在泥水中加入了着色染料，所以可以清楚的识别裂缝,),。这些裂缝都是从壁面开始呈放射状伸展，其劈裂发生深度距离泥水喷发处越近就越深。从图还可以看出，裂缝发生时的泥水压力比泥水喷发发生压力,(,劈裂,),小的多。,7,）劈裂发生过程描述,裂缝与劈裂状况,Situation of fracture and cracks observed in experiment,刀具前端到盾壳前端的距离,L,示意图,Schematic diagram of distance,L,from cutter point to,skin plate point,8,）是否发生泥水喷发的判定方法,斜向上劈裂形状,Shapes of up-direction fracture,将,t,s,与,t,0,进行比较，就可判断是否能发生泥水喷发现象。即,t,s,t,0,时，泥水喷发现象；,t,s,t,0,泥水喷发现象将不会发生。,三、,开挖面稳定的基本概念,泥水压力的设定与开挖面稳定密切相关,太小开挖面稳定难以维持,太大,泥水会劈裂地层发生泥水喷发。,村山氏等学者根据二维试验及施工时的塌方状况提出了二维法村山公式。考虑开挖面前方土体的平衡,作为滑动力有开挖面前方的滑动土块重量,(W,f,),和它上部的松动土压,(Q),；作为阻力有泥水过剩压力,(,在顶部的泥水压和地下水压的压差,P,f,) ,将以上三个力对滑动中心点,O,点的力矩平衡。根据设定的泥水过剩压力可以求出开挖面稳定的安全系数,Fs,。,三维筒仓开挖面稳定理论计算模型,四、小覆土泥水盾构最佳泥水压力,泥水压力的设定，通常设定在主动土压和静止土压之间，,按经验，用水压,+0.2kgf/cm2,。但这只是一般的情况。在高水,压等过江隧道泥水设定时，最佳泥水压力的设定，必须考虑,影响开挖面稳定等的四个重要问题：,1),首先必须保证开挖面稳定，不使其坍塌破坏；,2),抑制开挖面的移动趋势，在掘进时使地层变形最小；,3),绝对保证不发生泥水压力急剧的降低，开挖面崩坏的泥水的喷发现象；,4),对于砂性土，砾石地层，由于散逸即过滤过多，发生泥水压力的低下和泥水的补给等问题，为了使该种问题不出现，用改变泥水形状的方法基本可以解决。,关于盾构泥水劈裂的初步结论,(1),当盾构掘进位置的主应力差很小,(,相当于无上荷载,),时，劈,裂将从盾构切削面上半圆处发生，并以近似平面形式斜向上,发展。,(2),当盾构掘进位置的主应力差较大时,(,相当于有上荷载,),时，劈,裂将从盾构切削面上半圆处发生，并以近似平面形式铅直方,向发展。,(3),当泥水压力小于劈裂压力时，从切削面圆周向外放射状发生,小的劈裂 缝，劈裂缝发生的间距与刀具前端到盾壳前端的距,离,L,相等。,(4),泥水喷发现象是否发生，与劈裂缝处的泥水压力的作用时,间,t,0,以及劈裂发生后伸展到达水底的时间,t,s,相关。,t,s,t,0,时,泥水喷将发现象发生。,(5),根据模型试验及理论分析结果，覆土厚度为,1,D,范围内，劈,裂发生有可能伸展至水底，可能发生泥水喷发。,(6),在一般情况下，如不是覆土厚度过浅，或者由于长时间停,机或者液压泵误动压力过大，泥水喷发现象不会发生。为,了防止泥水劈裂现象发生，应加大泥水的黏性或加快掘进速度。,五、高水压小覆土南京长江隧道案例,（,1,）江中水压高,南京长江隧道盾构机工作压力约,6.5bar,在同等直径及更大直径泥水盾构项目中是世界最大的。,东京湾海底隧道为最大水压,6bar,荷兰格林哈特隧道最大水压为,5.5bar,；长江上的另外两条盾构隧道，上海沪崇苏和武汉过江隧道，水压为,5,5.5bar,。,1.,基本条件,（,2,）江中段覆土厚度小水压大地层突变,江中段最小覆土厚度小于,1,倍盾构直径，江中,最小覆土厚度,10.2m,。尤其是江南冲槽段覆土,厚度仅,11.49 m,（,0.7D,），其前方以大坡度覆,土厚度增加，切削面稳定和泥水力很难控,制，稍有不慎，就有可能发生泥水劈裂、江,水倒灌事故。,2.,现场泥水盾沟劈裂试验,(1),试验区条件,隧道井出洞中心深为,13.79m(,覆土厚,6.34m),，水头高度为,12.3m,，覆土厚约为,0.43D,。,盾构穿越土层主要为,4,层淤泥质粉质粘土。该土层含水量大，孔隙比非常大，渗透系数小，强度指标小，属于典型的软弱粘土。,水塘气泡情况,泥水加压试验,-1,池塘泥水加压试验,泥水加压试验,-2-,岸上泥水劈裂试验,8,粉细砂,7-1,粉细砂,4-1,淤粘土,13,圆砾,16-1,中风化岩,6,淤粘土夹粉土,冲槽最低点,初始水压分布,选取里程,K6+96.2,断面,进行开挖面稳定分析，该里程,对应,盾构,刀盘刚好处于冲槽坡脚正下方，,为找出维持开挖面稳定的最小支护压力（主动土压）和最大支护压力（被动土压），分析时在开挖面分别施加不同的支护压力进行试算，压力梯度变化取为,0.13bar/m,，以便与泥水密度相对应，模型中,管片和盾体采用壳单元（,shell,）,、弹性材料,模拟，,地层采用实体单元、摩尔库仑材料模拟，查看地层和开挖面的竖向和水平位移变化，分析时不考虑地层中孔隙水压的变化。模型和地层参数如后：,里程,K6+96.2,断面分析建模,泥水仓中心压力,4.1bar,地层竖向位移云图,泥水仓中心压力,4.1bar,开挖面水平位移,泥水仓中心压力,4.1bar,刀盘上方河床地表沉降槽,泥水仓中心压力,4.2bar,地层竖向位移云图,泥水仓中心压力,4.2bar,开挖面水平位移,泥水仓中心压力,4.2bar,刀盘上方河床地表沉降槽,泥水仓中心压力,5.2bar,地层竖向位移云图,泥水仓中心压力,5.2bar,开挖面水平位移,泥水仓中心压力,5.2bar,刀盘上方河床地表沉降槽,泥水仓中心压力,5.8bar,地层竖向位移云图,泥水仓中心压力,5.8bar,开挖面水平位移,开挖面水平位移几乎为零，可认为计算静止土压为,5.8bar,。,泥水仓中心压力,5.8bar,刀盘上方河床地表沉降槽,泥水仓中心压力,10.5bar,地层竖向位移云图,泥水仓中心压力,10.5bar,开挖面水平位移,泥水仓中心压力,10.5bar,刀盘上方河床地表沉降槽,泥水仓中心支护压力和开挖面水平位移的关系曲线,非线性关系，有不收敛趋势,
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