城市地铁盾构机工作原理及其关键技术

盾构机工作原理及其关键技术浙江大学岩土工程研究所软弱土与环境土工教育部重点实验室主要内容盾构机应用背景盾构机构造及工作原理掘进界面失稳机理及掘进载荷域控制盾构掘进引起的围岩变形盾构隧道管片上浮规律及控制标准盾构隧道长期沉降评估方法及控制技术管片分类及设计分析方法盾构机应用背景盾构机发展历程Brunel爵士通过观察到蛀船虫在树木中钻孔，用排泄物来涂抹孔壁，提出了对隧道周壁进行支护就可以安全地在地下挖掘隧道的构想。

1818年，Brunel爵士设计了第一台“盾构机”，将该项技术用于Thames隧道的修建。盾构机应用背景盾构机发展历程1825年，Brunel爵士采用自己设计的盾构机在Thames河底修建隧道，工人在右边的小工作室里进行挖掘1880年，为防止河水涌入隧道，J.Dickinson和G.Brunton采用改进的气压式盾构在纽约Hudson河底进行掘进，这是第一台采用机械挖掘土体的盾构机。盾构机应用背景盾构机发展历程进入到二十世纪，盾构机在科技大发展的背景下飞速发展，从手掘式发展到机械式盾构，从插板式、挤压网格式到土压平衡盾构、泥水平衡盾构，并发展到多种断面形式（双圆、三圆、矩形等）的盾构。盾构机分类——按开挖面平衡形式插板式和挤压网格式盾构将岩土体分隔成多个小块体单元，靠土自身强度来稳定，掘进效率低，现已基本不采用。土压式泥土加压式泥浆式泥水式盾构机分类——按开挖面平衡形式盾构机分类——按断面形式双圆盾构矩形盾构球形盾构三圆盾构盾构机分类城市地铁施工中最常采用的盾构机土压平衡盾构泥水平衡盾构盾构机应用背景国内盾构发展历程1951年上海阜新输水隧道Ø2.6m手掘式盾构1966年上海打浦路隧道插板式盾构1994年上海延安路南线隧道土压平衡式盾构2008年浙江制造首台西子号盾构2006年武汉过江泥水平衡式盾构从引进世界先进水平盾构机到自主研发是我国盾构机发展的整体趋势。广州地铁5号线大文区间路面塌陷盾构机典型施工事故——地表沉陷密封舱内支护压力过小导致主动失稳，表现为开挖面塌方的局部失稳和上覆土层塌陷的整体失稳事故分析：

北京地铁十号线广桥区间地面塌陷盾构机典型施工事故——泥浆泄露事故分析：西安盾构施工涌出地面的泥浆密封舱内支护压力过大导致被动失稳，表现为地面的隆起过大，在泥水盾构中还表现为泥浆溢出地表密封舱压力过大导致盾构冒顶城市地铁经过建筑物密集、地下管线众多且交叠频繁的城区，地表沉降控制极为严格，开挖掘进对既有隧道、周围建筑物及地下管线的影响问题十分突出。规范要求盾构掘进引起的地表变形隆起不超过10mm，沉降不超过30mm.面临环境条件复杂—建（构）筑物密集分布城市地铁中盾构应用背景盾构机典型施工事故——对周围建筑物的影响盾构开挖导致了地层损失、应力释放和地基土的固结，地基发生沉降变形广州二八线盾构施工导致房屋倾斜主要内容盾构机应用背景盾构机构造及工作原理掘进界面失稳机理及掘进载荷域控制盾构掘进引起的围岩变形盾构隧道管片上浮规律及控制标准盾构隧道长期沉降评估方法及控制技术盾构机构造盾构机总成图盾构机构造刀盘推进液压缸螺旋输送机盾壳刀盘驱动电机推进油缸盾构机剖面图盾构机构造及工作原理切削系统推进系统排渣系统衬砌系统盾构机系统构成盾构机构造及工作原理切削系统——刀盘切削系统包括刀盘面、刀具和刀头旋转器；切削系统主要功能：

-开挖功能(切削土体)-稳定功能(稳定开挖界面)

-搅拌功能(改变土体性质)刀具布置方式关系到盾构掘进效率、刀盘刀具及大轴承的工作寿命，是盾构制造的关键技术之一。盾构机构造及工作原理刀盘分类开口面板

式刀盘辐条式刀盘盾构机构造及工作原理切削系统——刀盘驱动电机带动刀盘转动刀盘后的法兰盘，直接向刀盘施加扭矩和推力盾构机构造及工作原理切削系统——刀具刀具用来切削岩土，有切削刀、刮刀、齿刀、滚刀、纺形刀（超挖刀）、中心刀和铲刀；刀具须适应于地层来设计，其形式选择与设计、选材和布局都对其工作寿命和切削能力有重大影响。切削刀用于切削剥离较软的土体，分布在刀盘开口两侧滚刀启动转矩大，用于破碎坚硬岩石，卵砾石盾构机构造及工作原理刮刀安装在刀盘周边，用于刮削土体，岩石地层中用于刮渣刮刀中心齿刀和正齿刀，适用于土层和软岩地层，属超前刀。超前将土体切割分块，利于主切削刀切割和减小磨损切削系统——刀具盾构机构造及工作原理土层中掘进，中心刀一般采用鱼尾刀，超前所有其他刀具切削土体；中心土体流动性差，大尺寸的中心刀利于改善土体的流动性盘圈贝形刀，超前插入地层，用于松动、切削砂卵石切削系统——刀具盾构机构造及工作原理切削系统——刀具布置辐条式刀盘和面板式刀盘刀具布置

硬岩掘进滚刀磨损风化岩层中掘进困难，刀具磨损严重广州地铁三号线某区间风化岩层中掘进，刀具磨损严重，换刀频繁，最小换刀间距11环，一次性换刀17把盾构机构造及工作原理

残积土层易结泥饼刀盘结泥饼滚刀受泥饼包裹广州地铁三号线某区间残积土层掘进，结泥饼频繁，最小开仓处理间距8环盾构机构造及工作原理盾构机构造及工作原理推进系统提供盾构机及后备系统前进的推力，盾构机的推进采取推进油缸顶推已安装的管片所产生的反力进行推进推进系统盾构机构造及工作原理推进系统为盾构机提供前进推力，由反力装置、推进千斤顶及微调千斤顶组成。推进系统通过大轴承和刀盘向开挖面施加正向力。一端顶住已安装的管片，另一端则与盾体联结在一起。推进系统——推进油缸推进油缸管片盾体推进油缸大轴承盾构机构造及工作原理推进油缸一般分为四个区域，调节各个区域油缸推力大小可以调整盾构机掘进方向，以实现隧道的转弯。推进系统——推进油缸推进及铰接油缸的分区布置盾构机构造及工作原理土压平衡盾构采用螺旋出土器进行排土。刀盘切削下的岩土体，通过刀盘上的开口进入刀盘背后的密封舱内，再由螺旋出土器将土运送到渣土传送带上，之后或全程由传送带运送，或由运渣轨车运走排渣系统——土压平衡盾构排土螺旋出土器密封舱盾构机构造及工作原理排渣系统主要将土仓中土体输送到拖车上，通过排土速度控制土压，主要包括螺旋输送机、拖车等。计算设定初始螺旋机速度掘进，同步测量土仓压力分析土仓压力根据分析改变螺旋机转速排渣系统决定密封仓土渣排量，通过控制螺旋输送机的转速来调整排土速度。排土速度直接影响到土仓压力：排土速度大于切削土速度，则土仓压力减小，若过小则会不利于开挖面的稳定；排土速度小于切削土速度，则土仓压力增大，若过大则会引起地面隆起变形过大。排渣系统——土压盾构排土盾构机构造及工作原理排渣系统——泥水盾构排土泥浆补充渣土排出注入泥浆通过刀盘开口渗入到开挖面，在开挖面形成渗透性差，具有一定表面张力的泥膜，一方面阻止泥浆大量渗入地层，造成泥浆大量流失，另一方面可以起到稳定开挖面的作用。盾构机构造及工作原理衬砌系统在盾构机推进一个进程之后进行管片安装，并注浆从而提供支护。它主要包括管片自动安装机、环形保持器、实时回填注浆管、管片供应系统、管片起重机和堆放传送带。盾构机施工衬砌采用预制管片作为永久性衬砌，预制管片制好后由轨道车运送至管片堆放处，再由管片拼装机将管片一片片拼装成封闭的环形衬砌结构衬砌系统——管片拼装盾构机构造及工作原理衬砌系统——注浆盾壳管片管片安装同时进行壁后注浆，填充由盾壳产生的环状空隙，二次注浆是填充盾壳与管片之间的空隙，注浆是控制地表沉降的必要措施。盾构配套设施监控室浆液站龙门吊管片厂盾构机构造及工作原理盾构配套设施管片堆放场水平运输系统出碴场通风、水、电系统盾构机构造及工作原理盾构机构造及工作原理液压油缸总推力刀盘扭矩土舱压力掘进速度刀盘转速螺旋出土器转速注浆压力及注浆量盾构机主要施工参数盾构机构造及工作原理盾构机施工为进程式循环施工，一个进程完成后再重复进行下一进程。盾构机刀盘切削土体，保持土仓压力，渣土外运，管片安装，管片背后回填注浆。如此往复，隧道由一环一环管片连接起来。以下以泥水盾构为例来说明盾构施工的进程方式。

上海长江盾构隧道施工模拟动画.wmv39盾构机施工进程主要内容盾构机应用背景盾构机构造及工作原理掘进界面失稳机理及掘进载荷域控制盾构掘进引起的围岩变形盾构隧道管片上浮规律及控制标准盾构隧道长期沉降评估方法及控制技术研究背景

复杂地层掘进参数地层适应性研究背景42刀盘扭矩过大总推力过大刀盘卡死推进系统故障

管片破损刀盘扭矩、总推力是盾构掘进的控制参数盾构推进系统故障推力过大导致管片破损掘进界面与刀盘受力分析—盾体摩阻力—界面土压力—界面水压力

—密封舱压力

—刀盘推力

—刀盘扭矩顶推系统刀盘系统出渣系统盾构操控指标刀盘推力刀盘扭矩密封舱压力界面力学指标围岩应力场围岩变形场围岩监测指标界面力学指标是确定盾构机操控指标的主要依据。围岩的受力变形规律取决于界面力学指标。盾构与岩土相互作用推力和扭矩计算公式44推力扭矩存在问题：仅给出较大载荷预测范围经验系数值缺乏明确依据缺乏载荷分布规律难以描述核心参数对载荷影响规律日本规范公式总推力理论公式总推力：刀盘正面阻力、刀盘开口处阻力、盾壳四周摩阻力6.3%28.9%64.8%

占百分比1194550912361大小(KN)其它类别—盾体摩阻力—刀盘正面阻力—刀盘开口阻力硬残积土层盾构推力构成地质情况一定时，值基本保持恒定。掘进过程中，的取值影响开挖界面的稳定性。总推力组成覆土厚度14.6m，土重度为19.8kN/M3

,内摩擦角15.5。,粘聚力23.5kPa。

土压平衡盾构外径6.26m，主机长9.4m，主机重量368吨。F1F2+F3总推力理论公式考虑了刀盘挤土效应刀盘正面阻力盾构正面的附加接触压力(王洪新，2009)：盾构正面阻力计算：总推力理论公式高透水性地层中，采用有效应力指标计算考虑了土舱内压力传递刀盘开口阻力盾壳四周摩阻力掘进界面压力密封舱观测面压力开挖面压力≠密封舱等效压力刀盘扭矩本身产生的扭矩与土作用产生的扭矩刀盘自重产生的抗旋转的扭矩T1刀盘密封装置抵抗旋转的扭矩T2刀具切削土体所需的扭矩T3刀盘正面推力所产生的抵抗旋转的扭矩T4刀盘正面的摩擦扭矩T5刀盘周边的摩擦扭矩T6刀盘背面的摩擦扭矩T7刀盘开口处切削渣土所需的扭矩T8刀盘在密封舱内搅拌渣土所需的扭矩T9刀盘扭矩组成硬残积土层刀盘扭矩构成类别T1T2T3T4T5T6T7T8T9大小(KN.M)5.313.82721.511201029897573908占百分比0.1%0.3%0.6%0.5%24.3%22.4%19.5%12.5%19.8%盾构本身产生的扭矩通常比较小，而且相对固定；T5－T9构成刀盘扭矩的主要部分，T3和T4在总扭矩中所占比例亦很小。刀盘扭矩组成比例刀盘摩擦扭矩及搅拌渣土扭矩51高透水性地层中采用有效应力指标计算；不考虑地层粘聚力的影响。刀盘侧面上的压力与盾壳上压力计算相同刀盘正面摩擦扭矩考虑了刀盘挤土效应（与总推力计算相同）高透水性地层中采用有效应力指标计算刀盘侧面摩擦扭矩刀盘扭矩理论公式深圳地铁二号线深圳地铁二号线香蜜湖北站～香梅北站区间总长度为1483m，隧道拱顶埋深为8.84m～11.14m，地表为侨香路，地表交通繁忙，福田外国语学校、香蜜湖1号小区多栋房子在隧道影响范围以内。福田区外国语学校香蜜湖1号小区隧道范围内主要分布的土层有：砾砂、残积层砾（砂）质粘土、全、强、中、微风化花岗岩层。第一段：素填土、粉质粘土、砂质粘土，标贯锤击数9-16击，素填土成分复杂，力学性质较差，对隧道的稳定性影响较大，易造成洞顶塌陷事故；第二段：强风化花岗岩，标贯锤击数37-52击，可能存在花岗岩不完全风化体；第三段：砂质粘土，标贯锤击数20-25击；第四段：全风化花岗岩，标贯锤击数28-34击。

整个区间范围内土体均处于地下水位以下，且均为强透水性土层，同时普遍存在软硬不均、上软下硬的现象。深圳地铁二号线开挖直径6300mm，刀盘开口率28%，最大推力36000kN，脱困扭矩6305kNm，刀盘转速0～3.75rpm，最大掘进速度80mm/min。深圳地铁二号线沈重盾构机9—16击37—52击20—25击28—34击55深圳地铁二号线37—52击9—16击20—25击28—34击56深圳地铁二号线9—16击37—52击20—25击28—34击57深圳地铁二号线9—16击37—52击20—25击28—34击掘进载荷参数反应了地层变化深圳地铁二号线59总推力与贯入度的比值随管片环号变化图隧道洞身范围内标贯锤击数随管片环号变化图提出了表征围岩软硬程度的推力因子

：：总推力：掘进贯入度深圳地铁二号线提出了表征围岩与刀盘摩擦作用的扭矩因子

扭矩因子平均值与土体内摩擦角正切值关系图刀盘扭矩及扭矩因子随管片环号变化图：总扭矩：总推力深圳地铁二号线基于推力因子和扭矩因子实现了围岩定性分类土层分类示意图某区间载荷空间分布图为盾构掘进载荷控制提供了依据砂层风化岩层粘性土深圳地铁二号线盾构施工引起土体变形的三维解

1、正面附加推力、盾壳土体摩擦基于mindlin解开挖过程土体不排水荷载均匀分布考虑推力和扭矩盾构施工引起的土体变形控制盾构施工引起的土体变形控制3、盾尾损失-采用修正sagaseta法4、地表变形2、刀盘正面摩擦、侧面摩擦盾构施工引起的土体变形控制地表隆起由盾壳摩擦、界面附加推力和盾尾空隙组成，其中界面附加推力主要影响地表隆起的大小；盾构施工引起的土体变形实测值与计算值吻合较好。地表隆起构成土体变形实测与计算对比盾构施工引起地层变形分析通过实测数据反算地层损失率VL隧道轴线处的最大沉降量Smax沉降槽宽度系数i沉降槽体积VsPeck经验公式i=KZ0，软粘土K=0.5-0.7，硬粘性土K=0.4-0.5，砂性土K=0.2-0.3。对于粘性土地层VL=1%-2%，砂性土VL≈0.5%。沉降槽系数K和地层损失率VL均可有地层变形监测数据综合分析得到。横向沉降槽盾构施工引起地层变形分析iy是纵向沉降槽拐点到开挖面的距离，iy是相对于整条沉降发展曲线而言的，Attewell和Woodman等认为通常可取iy=ix。纵向沉降槽

地表纵向沉降曲线应符合累积高斯概率曲线，如下式所示：

Sv(y)x=0=Sv,maxΦ(y/iy)其中，Φ(y/iy)为累积概率密度函数，其定义如下：Φ(y/iy)=

试验目的盾构施工所引起的土体性质变化规律盾构施工所引起的环境变形规律为盾构施工控制参数和设计提供依据土质主要为砂质粉土盾构机直径D=6.34m，长L=8.4m隧道轴线埋深19m双隧道掘进试验条件施工期监测实例1杭州地铁1号线施工期监测实例1—传感器布置监测频率：分层土体沉降和土体水平位移，1次/8h；土压孔压1次/10min右线盾构先掘进施工期监测实例1—密封舱压力右线盾构掘进时左线盾构掘进时上土压力：200~210kPa中土压力：230~260kPa下土压力：280~310kPa上土压力：190~210kPa中土压力：200~240kPa下土压力：270~300kPa施工期监测实例1—孔隙水压力右线盾构掘进时左线盾构掘进时盾构掘进盾构停机孔压上升孔压下降盾尾吐环孔压最大左线盾构掘进锯齿变化不明显右线盾构锯齿形变化注浆改善土质57kPa76kPa掘进1h停机1h持续4d掘进1h停机1h持续6d地基固结变形施工扰动变形地基固结变形施工扰动变形施工期监测实例1—土体分层沉降（右线）施工期监测实例1—沉降与孔压协调变化发展孔压上升地表隆起孔压达到最大值沉降速率达到最大孔压消散沉降趋于稳定沉降与孔压协调变化发展孔压锯齿形上升土体先隆起后沉降孔压消散沉降稳定10m0m-8m-45m沉降逐渐增大沉降迅速减小刀盘位于监测面刀盘顺时针旋转沉降非对称分布沉降最大区域施工期监测实例1—土体分层沉降（右线）FC4左线盾构掘进时沉降发展规律与右线掘进时类似；在双线盾构隧道中间区域处土体沉降最大。沉降最大区域地基固结变形施工扰动变形施工期监测实例1—土体分层沉降（左线）施工期监测实例1—土体水平位移后掘进隧道一般能减小先掘进隧道所产生的土体水平位移，但会在双线隧道中间区域引起更大的沉降。CX3-右线盾构掘进CX3-左线盾构掘进鼓起变形反向弥补拱顶上方中间区域水平位移减小施工期监测实例1—土体中各点运动矢量水平位移逐渐减小竖向位移逐渐增大轴线处水平位移最大竖向位移迅速减小隧道拱顶上方沉降发展稳定后水平位移最大隧道拱顶下方盾构穿越监测面水平位移最大盾构隧道、朝晖小区38#房屋平面位置图38幢盾构隧道施工导致朝晖小区38#建筑沉降过大施工期监测实例2—朝晖小区建筑物沉降朝晖小区土层分布朝晖小区土层特性层位序号原状土不排水抗剪强度Cu（kpa）重塑土抗剪强度Cu’（kpa）灵敏度St范围值平均值范围值平均值范围值平均值④18.00～32.2922.871.58～2.111.7555.00～15.9212.98④215.42～34.6623.591.05～2.111.608.36～21.9215.04④38.57～48.3726.390.13～4.881.797.33～89.0026.56⑥17.64～72.3643.530.26～8.442.6611.33～52.0020.76⑥26.72～65.5039.730.53～5.672.7111.23～37.0017.94杭州淤泥质粉质粘土强度低、灵敏度高，受扰动后强度降低，压缩性增大，在附加荷载下地层发生再压缩，地层沉降增加施工期监测实例2—朝晖小区建筑物沉降盾构隧道施工导致朝晖小区38#建筑沉降过大A38-10A38-9A38-8A38-7A38-6A38-5A38-4A38-3A38-2A38-1

38#为5层砖混结构建筑，建于1980年左右，上部为多孔板砖混结构，基础采用条基或整板基础。盾构右线先施工，通过38#建筑物的时间2010.4.13~4.15；盾构左线通过时间为2010.7.11~7.13。施工期监测实例2—朝晖小区建筑物沉降朝晖小区38#建筑沉降监测2010.4.12-14右线通过2010.7.11-13左线线通过盾构右线通过后沉降很快稳定，但是左线盾尾通过后沉降即迅速增大。采取注浆措施处理，连续注浆3次，总注浆量达理论注浆量的3倍，但控制沉降效果不明显。施工期监测实例2—朝晖小区建筑物沉降朝晖小区盾构隧道施工引起的地表变形横断面图盾构施工所致地表沉降槽施工期监测实例2—朝晖小区建筑物沉降最大沉降5.1cm，不均匀沉降明显，房屋出现多处“八”字形裂缝考虑土体扰动，计算总沉降值6.5cm盾构隧道施工导致朝晖小区38#建筑沉降过大12.53mm35.55mm40.31mm35.51mm22.15mm13.10mm33.41mm51.50mm51.07mm31.14mmA38-10A38-9A38-8A38-7A38-6A38-5A38-4A38-3A38-2A38-1施工期监测实例2—朝晖小区建筑物沉降宁波轨道交通盾构掘进引起的地层变形调研分析施工期监测实例3—宁波地铁1号线地表沉降宁波轨道交通2号线桃渡路-鼓楼区间地层分布桃-鼓区间隧道初始部分地表沉降监测布置地表实测变形——地表横向沉降槽施工期监测实例3—宁波地铁1号线地表沉降盾构掘进引起的地表沉降与高斯沉降曲线吻合良好。上覆土层为砂质粉土层较上覆土层为软粘土层区段的地表沉降槽宽度ix及沉降槽宽度系数K均更大。地表实测变形——沉降槽宽度参数及地层损失率施工期监测实例3—宁波地铁1号线地表沉降上覆土层为厚层砂质粉土时，地表沉降槽宽度ix=3.78~5.44m，宽度系数K=0.3~0.4上覆土层为软粘土层时，ix=5.69~10.1m，K=0.45~0.55前220环地层损失率VL=0.60%~1.90%，平均地层损失率为1.15%；后750环地层损失率VL=0.22%~1.22%，平均地层损失率为0.52%软粘土层砂质粉土沉降槽宽度参数：K和ix盾构掘进引起地层损失率地表实测变形——盾构掘进参数沿里程分布施工期监测实例3—宁波地铁1号线地表沉降盾构隧道初始段，盾构推力N、注浆率δ和土压舱支护压力Ps均较大，然而在引致较大的的地表沉降和地层损失，而随着N、δ和Ps逐步调整至相对较低水平，地表沉降和地层损失率反而小。这一现象表明，在盾构施工过程中，并非开挖面支护力越大，盾尾注浆率越高，越有利于减小地表沉降和地层损失率。鉴于此，掘进参数与地层损失率之间的相关关系对确定施工参数控制原则和控制范围非常重要。支护压力与界面稳定性的关系支护压力与界面稳定性的关系

支护压力与界面位移关系支护压力为地层初始水平压力

时，界面位移为零；支护压力由开始减小时，掘进面土体向靠近密封舱方向运动，支护压力达时，掘进面前方土体局部主动失稳，此后随着土体位移的逐渐增大，支护力达时，掘进面前方土体整体主动失稳。支护压力由逐渐增大时，掘进面土体将向远离密封舱方向运动，当支护压力达到时，掘进面前方土体局部被动失稳；随着土体位移的逐渐增大，支护力达时，掘进面前方土体整体被动失稳。

界面稳定载荷域上限值S被动（被动失稳）上警戒值（稳定余度）理想支护力=静止土压力下警戒值（稳定余度）下限值S主动（主动失稳）根据被动失稳极限支护力确定支护力的上限值根据主动失稳极限支护力确定支护力的下限值理想支护力=静止土压力

盾构机施工控制关键技术研究界面支护力下限值确定模型试验离散元模拟界面失稳分析模型模型盾构

支护装置试验参数①试验材料：干砂②开挖面直径D=1m③盾构埋深C=0.5m，1m和2m，即C/D=0.5，1，2三种工况④大型物理模型试验槽尺寸：4m×5m×6m盾构模型包括：盾壳，支护板，密封条，支撑架，导轮，球接，螺旋千斤顶，反力梁，传动控制装置（1）干砂中模型试验测量装置地表沉降LVDT布置土中土压力盒布置图标定曲线试验材料w=0.3-0.4%D50=0.33mm砂雨法标定试验Dr=0.55f=37°制样平均密度1.65g/cm3落砂高度1.8m砂雨法标定试验直剪试验颗粒分析试验100t烘干河砂试验过程砂雨法制样埋设土压力盒安装LVDT试验采用位移控制。支护板每级后退位移为0.1mm，当轴力计读数变化小于0.1kN/h，认为荷载已稳定，读取土压力盒和LVDT读数，每级间隔时间不小于40min，不大于2h；当开挖面荷载位移曲线中，出现明显拐点后，且连续3级荷载变化值小于前一级荷载变化值10%后，逐渐增加每级位移量；开挖面位移达到60mm后停止位移，试验结束。安装调试模型装置砂雨法制样埋设土压力盒安装地表LVDTs开始试验开挖面荷载位移曲线

开挖面荷载位移曲线

d=0mm开挖面荷载分布图（单位：kPa）d=2mm(Pcr)达到临界位移后，支护板刚度大的地方荷载相对集中初始状态极限状态Smax=51.05mm(C/D=0.5)Smax=21.91mm(C/D=1)Smax=2.89mm(C/D=2)地表沉降发展(C/D=0.5)

埋深比越大，沉降槽中心点沉降值越小，沉降槽范围越大。最大沉降点大约位于开挖面前方0.2-0.3D处地表沉降

沉降最大点与开挖面位移关系曲线

开挖面荷载位移曲线

盾构施工中地表沉降监测对开挖面稳定性判断存在滞后性地表沉降

土压力盒布置破坏区(A线）断面A-A、B-B土中土压力盒布置

破坏区土压力(C/D=2)竖向土压力X向水平土压力竖向土压力：随着d增加，sv沿埋深由下至上依次减小，最终达到稳定；水平土压力：随着d增加，sh沿埋深由下至上依次先增大后减小，最终达到稳定。土拱区域截面B-Blv截面B-Blh

截面A-Alv截面A-Alh应力集中系数：拱脚区：破坏区：拱顶区：未扰动区：失稳模式初始状态局部失稳整体失稳极限支护力Pu局部失稳临界沉降Scr整体失稳P=Pf破坏区土体强度变化破坏区CPT探头阻力约为原状土的1/4。说明破坏区域土体密度减小，内摩擦角减小，体积膨胀；松动破坏区逐渐扩展至地表，最终形成整体失稳破坏。离散元模型颗粒接触采用线性接触模型开挖面失稳采用位移控制式考虑三种埋深比C/D=0.5,1,2模型几何尺寸（2）掘进界面稳定性的离散元模拟颗粒尺寸颗粒接触参数接触参数的确定——标定长江河砂的室内直剪试验结果长江河砂的物理参数室内直剪试验(DST)与离散元直剪试验(DEM_DST)几何尺寸标定获得的接触参数支护压力与开挖面位移关系第一阶段：P0→Pu第二阶段：Pu→Pf失稳区(C/D=2)两种情况:PointA:极限支护压力(S/D=0.0425)PointB:残余支护压力(S/D=0.269)开挖面前方土体渐进失稳，失稳区逐渐扩展到到地表；离心试验结果(ChambonandCorté,1994)较接近于极限支护压力下的失稳区。失稳区颗粒间接触力明显减小之前确定的失稳区初始初始PointAPointBPointAPointB颗粒接触力矢量开挖面前方土压力竖向土压力(x=0.25D,y=0,R=1.5m)水平向土压力(x=0.25D,y=0,R=1.5m)竖向土压力:initialstate→pointA,在失稳区不断减小；pointA→pointB,在失稳区同样减小；水平土压力:initialstate→pointA,在失稳区下部减小,在失稳区上部增大；pointA→pointB,结果类似initialstate→pointA。开挖面前方土体在失稳过程中表现出“土拱效应”开挖面前方孔隙率失稳区孔隙率增大，土体出现“松动”现象；（3）掘进面稳定性的分析模型充分考虑失稳过程中土拱效应；考虑砂土剪胀性的影响；计算局部失稳对应的极限支护压力和整体失稳对应的残余支护压力。模型计算公式

其中：支护压力(kPa)楔形体顶面平均压力(kPa)楔形体顶面周长(m)楔形体顶面面积(m2)棱柱体边缘土体侧压力系数土体摩擦角失稳区高度(m)棱柱体顶部超载(kPa)楔形角楔形体边缘土体侧压力系数假定：滑动区土体为无粘性土，且土单元体均达到了极限平衡状态，破坏面竖直。破坏区域内最大主应力形成的拱形曲线为一条向上拱起的圆弧线所示。整个水平土条中主应力恒定。大主应力拱分析模型棱柱体侧压力系数考虑土拱效应的侧压力系数

1g模型试验及FLAC3D数值模拟获得的土压力分布规律棱柱体侧压力系数（续）摩擦角密实砂直剪试验极限支护力计算→峰值摩擦角残余支护力计算→残余摩擦角失稳区高度局部失稳整体失稳局部失稳区包络图(ChambonP&CortéJF,1994)

C/D较大时(C/D=1,2)，失稳区高度H为拱顶上方1D；C/D较小时(C/D=0.5)，失稳区高度H为埋深C失稳区扩展到地表，高度H为埋深C离心机试验验证极限支护力计算模型模型试验验证极限支护力计算模型周围环境影响评估隧道沉降控制标准针对不同覆土深度，地面变形允许值不同。(DGTJ08-2041-2008上海市工程建设规范—地铁隧道工程盾构施工技术规范)盾构顶部覆土深度(m)最大允许沉降(mm)最大允许隆起(mm)备注43010其它不同深度处的最大沉降、最大隆起值采用内插法计算确定8196.312144.716113.72093建构筑物变形控制：暂时没有成熟可靠的标准，与建构筑物龄期、结构形式、基础形式及埋深、与盾构相对位置等因素密切相关。周围环境影响评估隧道沉降控制标准《上海市地面沉降监测与防治技术规程》（征求意见稿）建议地表沉降监测频率应：隧道工程隧道掘进施工过程中每周监测1次，之后逐步减少频率隧道掘进施工结束后每半年至少监测1次，沉降敏感区域加密监测,沉降相对稳定后，每年监测1次预警与沉降稳定判别：建构筑物变形监测项目的累计变化量超过预警值，累积沉降达到5-7mm时，应适当加密观测；隧道工程连续3年的地面沉降年平均变化量小于1.0mm时，可停止监测。土体变形与周围建(构)筑物的变形的关系建(构)筑物承受变形能力的评价及加固措施地下建构筑物健康监测技术D构筑物承受变形能力系数Fs（与地质参数、施工参数和构筑物参数相关）：收集邻近建筑物相关信息和盾构掘进数据评估盾构施工时地表位移(δm)

评估建筑物最大水平位移（δl)

评估建筑物最大竖向位移（δv)由相关参数计算SF判断变形模式：凹陷或者拱曲基于SF值估计建筑物安全水平周围环境