（岩土工程专业论文）考虑渗流影响的软土盾构隧道出洞灾害机理研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 软土地区盾构法隧道出洞施工中，包括洞门涌水涌砂等各类灾害事故发生几 率较高，并可能造成较严重后果。总结了盾构出洞施工中常见的灾害类型，分析 了灾害发生机理，将灾害控制研究分为三个内容，并具体从经验法、解析法和数 值法等研究方法的角度加以归纳，指出了各个研究内容的特点及不足之处，提出 了目前该领域需要重点研究的课题和一些新的研究思路。 对地下水渗流在盾构出洞时发生涌水涌砂灾害的影响问题作了分析，建立了 地下水绕加固土体下卧层及井壁间隙渗流计算模型，利用半承压含水层渗流理论 进行研究，结果表明：在假定井外加固土体完全隔水情况下，洞门涌水涌泥沙灾 害是否发生与土体加固范围、井外地下水位及井壁间隙宽度等因素有关；土体加 固长度的增加对工程安全有利，但成本较高；土体加固深度应根据具体工况经计 算后确定，过深并不合理；井壁与加固土体之间的间隙控制是工程安全的关键。 各因素相互制约，需结合工程安全性、经济性和工期等来综合考虑，确定合理的 施工参数。 建立了地下水渗流路径上水压力递减模型，基于模型推导了水压力与涌水 量、水力梯度的变化关系，用于揭示洞门开挖后盾构机推进过程中地下水突涌发 生的机理。在此基础上，明确了突涌的影响因素及权重。 采用二维有限元方法对盾构出洞工况进行了模拟，并与理论解进行比较，得 出黏土层的存在状况及井壁间隙的处理是影响地下水渗流的关键因素之一，验证 了理论解中得到的地下水位降低和加固土体长度增加对盾构出洞安全会产生积 极影响的结论。 关键词：盾构出洞；渗流；灾害机理；水力梯度；土体位移；土体加固 l i 浙江大学硕t 学位论文 a b s t r a c t t h ep r o b a b i l i t yo fd i s a s t e rd u r i n gd e p a r t u r ea n dr e c e p t i o no fs h i e l dt u n n e lw a s n o tl o w , m a y b ec a u s i n gs e v e r ee v e n t 。s u mu pt h ec o m l t l o nd i s a s t e rt y p eo fd e p a r t u r e a n dr e c e p t i o n ，a n a l y s i st h em e c h a n i s mo fh a z a r d s ，t h r e ea s p e c t sw e r ed i v i d e da b o u t d i s a s t e rc o n t r o lr e s e a r c h ，f e a t u r ea n di n a d e q u a c i e sw e r ea l s op o i n t e do u t ，s o m en e w r e s e a r c hi d e a sa n di s s u e si nt h ef i e l dh a sb e e np u tf o r w a r dt os t u d y t h ec a u s e so fp i p i n ga n ds a n db o i l i n go fs h i e l dl a u n c h i n gi sa n a l y z e d ，t h em o d e l t h a tg r o u n d w a t e rp e r m e a t e sf r o mr e i n f o r c e ds o i lp e r v i o u su n d e r l y i n gl a y e rt ow a l li s e s t a b l i s h e d u s i n g s e m i c o n f i n e da q u i f e rs e e p a g et h e o r y , ae x a m p l ei s g i v e nt o d e m o n s t r a t et h a t ，s u p p o s et h er e i n f o r c e ds o i li si m p e r v i o u s ，t h ea c c i d e n tt h a tw a t e r a n ds a n di n f l o w sf r o mt u n n e lp o r t a li si n f l u e n c e db yr a n g eo fs o i lr e i n f o r c e m e n t ， g r o u n d w a t e rl e v e la n dt h eg a po fw a l l ；t h ec o s ta n ds a f e t yo fe n g i n e e r i n gh a v et h e p o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h el e n g t ho f r e i n f o r c e ds o i l ；t h ed e p t ho fr e i n f o r c e m e n ti s n t s od e e pb u tr e a s o n a b l e ；t h eg a po fw a l la l s op l a y sak e yc o n t r o l l i n gr o l et os h i e l d l a u n c h i n g ss a f e t y t h ef a c t o r sa r em u t u a lc o n s t r a i n t ，c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s a r e i n f l u e n c e db ys e c u r i t y , e c o n o m ya n dt i m el i m i tf o rap r o j e c t t h er e l a t i o nm o d e lb e t w e e nw a t e rp r e s s u r ea n df l o w ，h y d r a u l i cg r a d i e n ti sb u i l t t oe x p l a i nt h es p e w i n gm e c h a n i s mw h e np o r t a le x c a v a t i n ga n ds h i e l da d v a n c i n g c o n s e q u e n t l y ，t h ec r i t i c a lc o n d i t i o n so f t h es p e w i n ga r ep u tf o r w a r d u s i n g2 df e ms o f t w a r et o m a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dc o m p a r ew i t h a n a l y t i cs o l u t i o n ，t h e nt h et r e a t m e n to fw a l lg a pa st h ek e yf a c t o ri sa c k n o w l e d g e d d u r i n gi n f l u e n c i n gg r o u n d w a t e rs e e p a g e ，t h ea g g r e s s i v e i n f l u e n c eo fd e c r e a s i n g g r o u n d w a t e rl e v e la n dl e n g t h e n e dr e i n f o r c e m e n ts o i lt oc o n t r o la c c i d e n ti sv e r i f i e di n t h ea n a l y t i cs o l u t i o n k e y w o r d s ：s h i e l dl a u n c h i n g ；s e e p a g e ；a c c i d e n tm e c h a n i s m ；h y d r a u l i cg r a d i e n t ； s o i ld i s p l a c e m e n t ；s o i lr e i n f o r c e m e n t i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝堑太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 i 、 学位论文作者签名：却各商。 签字日期： 仞o 年吗月，l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名：却i 签字目期：1 。f o 年d 月f 乙日 2 导师签名：墨雾“址 签字日期：z d 口年。明f 乙日 浙江火学硕士学位论文 致谢 本文从选题到最终定稿都是在我的导师魏新江教授的悉心指导下完成的，两 年多来，无论在学习、生活还是在工作上，魏老师都给我很大的帮助和指导，使 我能够顺利地完成硕士阶段的学习和研究工作。魏老师的严谨的治学态度，开阔 的视野和博大的胸怀深深的影响着我、感染着我，使我感受到上一代土木人的优 良作风，也激励着我努力走好人生的每一步。在这里，对魏老师的关爱表示衷心 地感谢! 感谢魏纲副教授在百忙之中给予我的指导和帮助，他平易近人的作风使我感 受到源自内心的关怀，忘不了魏纲老师给我耐心的找资料、对我论文中出现的问 题的悉心指导。在这里对魏纲老师表示深深的感谢! 感谢课题组的夏唐代老师、张忠苗老师、韩同春老师、张世民老师在生活上 和学业上给予了极大的关心和帮助。感谢我的授课老师龚晓南老师、陈云敏老师、 谢康和老师、王立患教授、王奎华老师、刘国华老师等! 感谢丁智师兄，邓志秋师兄，洪杰博士，师弟陈伟军、余银、周洋，师妹李 晓珍以及周围的同学朋友们平日无微不至的关心、指导与帮助! 感谢包括t a m m y 在内的我的家人对我的关怀，你们是我最坚强的后盾。感 谢我所有的亲人和朋友们，你们的支持是我今生得到的最有价值的东西! 郭志威 2 0 1 0 年3 月于浙大紫金港 第l 章绪论 l 绪论 1 1 引言 改革开放三十多年来，我国经济规模迅速壮大，人口向城市快速集中，城 市化率迅速提高，随之而来的城市交通拥挤问题也越来越突出。全国各大城市 市区的“行路难”制约了城市经济的发展，为缓和交通拥挤的状况，各大城市的 交通网络纷纷向空中和地下发展。地下铁道运输由于具有快速、便利、运输量 大、无污染、无噪声及不占用地面空间等优点，正迅速成为缓解城市交通拥挤 问题的首选方案。地铁的建成不仅可以缓解市区公交客运的紧张局面，而且能 推动市区内快速立体客运交通网络的建设，促进地铁沿线地段的经贸及文化事 业的发展，在市区公共交通中占有重要的地位，对城市的发展具有十分重要的 作用。 目前，世界上大多数国家和地区采用盾构法来修建城市地下隧道。盾构是 一种钢制的活动防护装置或活动支撑。它借助于支撑在已经完成衬砌管片上的 千斤顶的推力不断向前顶进。在盾壳的支护下，刀盘可以安全地开挖地层，尾 部可以装配管片、砌块或者现浇钢筋混凝土，迅速形成隧道的永久性衬砌。 用盾构法修建隧道开始于1 8 1 8 年，至今已经有近2 0 0 年的历史，当时由法 国工程师b r u n e lm a 研究，并取得了发明盾构工法的专利。1 8 2 5 年在英国泰晤 士河下首次用矩形盾构建造隧道，但因地层下沉，工程被迫停止，直至1 8 4 1 年 该隧道才得以贯通。1 8 6 9 年英国工程师b u r l o w 和g r e a t 成功地应用了新开发的 圆形盾构，直到隧道掘削结束未发生任何事故，从此盾构得到了普遍的关注【l 】。 1 9 世纪末到2 0 世纪中叶盾构工法相继传入美、法、德、日、苏，并得到 了不同程度的发展。详细的盾构工法发展状况如表1 1 所示。 盾构法在我国起步较晚，但随着我国城市建设的飞速发展，城市规模的不 断扩大，近年来发展迅速。我国自2 0 世纪5 0 年代采用盾构法修建隧道以来， 已建成了几十条直径2 0 1 5 4 4 m 的隧道，如上海的打浦路越江隧道、北京地铁 隧道、上海地铁隧道、广州地铁隧道等。大量的盾构法隧道工程建设使盾构法 技术在我国得到了飞速发展。 就浙江省而言，杭州地铁一号线初步设计方案已于0 7 年1 月9 日获得浙江 省发改委审查通过，并于3 月2 8 日正式动工兴建，首批开工工点为九堡东站、 第1 章绪论 滨江站、文泽路站( 下沙) 等6 个站点( 包括钱江新城地下空间连接工程3 个 站点) ；地铁二号线也已于2 0 0 8 年9 月底开工建设。根据规划，2 0 1 0 年将有3 条地铁线穿过主城区；2 0 5 0 年，杭州城市快速轨道将建成总长度为2 7 8 公里的 1 0 条线路，总投资高达1 0 0 0 亿元人民币，具体线路规划如图1 1 所示【2 1 。 表1 1 盾构工法发展状况 年份国家地点盾构及辅助工法 1 8 9 2 美国的巴尔摩 首次使用封闭式盾构 1 9 1 3德国易北河首次使用马蹄形盾构 1 9 1 4 美国克利夫兰 首次使用钢筋混凝土管片 1 9 4 8 前苏联列宁格勒 首次开发列基机械盾构 1 9 5 3日本首次采用半圆盾构 1 9 6 0 英国伦敦 首次使用滚筒式掘削机 1 9 6 4 日本 最早使用泥水盾构 1 9 6 5日本首次使用挤压盾构 1 9 7 2 日本 首次开发土压盾构 1 9 7 4 日本 首次提出粱弹簧模型管环荷载计算法 1 9 8 9日本最早使用双圆断面扭转分岔盾构工法 1 9 9 3日本东京首次使用n o m s t 工法 1 9 9 4 日本神奈河 球体盾构横掘进成功 1 9 9 6日本直角分叉盾构工法问世 1 9 9 7日本p c e c l 工法开发成功 2 0 0 2 日本 电蚀法盾构机直接出井成功 ，。 2 0 0 3 德国 易北河 1 4 2 m 复合盾构建成 2 0 0 3日本摆动式矩形盾构机 2 0 0 3 日本 地中分离母子盾构工法 一一一一 2 0 0 3 日本 双模盾构机的开发及实用化 在盾构法施工技术在我国得到飞速发展的同时，盾构隧道在施工过程中却 经常会遇到各种各样的灾害问题，尤其是出洞阶段：如上海地铁- _ g - 线某盾构 出洞时由于水的渗流造成洞门土体坍塌，导致下方施工人员受伤，又上海地铁 2 第1 章绪论 一号线所有7 台盾构机在出洞过程中均遇到了不同程度的由于水的渗流所造成 的土体坍塌等问题，所造成的经济损失巨大”。 田1 1 杭州= i 电铁线蓐规划田 这种盾构隧道出洞阶段灾害频发的现状除因为国内在盾构实践起步较晚有 关外，与地下结构工程的特性也有密切的关系与结构工程的其他领域相比， 地下结构工程所赴环境更加复杂：其一，土的形成和堆积过程十分漫长而复杂， 并在该过程中受到各种各样因素的影响，因此，土体内部应力场，土层的重度- 土层的分布、土层的厚度、地下水水位地表水深度、土的含水量，土的侧压 力系数、土的抗力系数等等具有较大的高散性；其二，地下工程的施工过程是 一个人为的不断调整的过程，就盾构出嗣施工而言，盾掏机姿态，洞口土体 随盾构机掘进的稳定性、承受盾构推力的临时管片的安装等的情况都在不断变 化，因此盾构隧道针对不同地质条件的土层施工单位采用不同的施工工艺和 不同的施工持虑也会对加固土体的性质和盾构出洞精确度造成很大的影响；其 三，在地质勘察过程中，受到各种因素、施工条件的限制，勘察结果不可避免 地与现场情况有一定的差距。例如盾构出嗣时基座中心线的校正会受到下卧土 层的影响等等 盾构出洞施工是盾构隧道修建中常见的工况，如盾构法地铁施工中，每个 第l 章绪论 地下车站盾构一般出洞两次，出洞施工频繁。以上海隧道工程股份有限公司承 建工程为例，2 0 0 8 年就承建1 2 9 个盾构出洞工程。另一方面，由于盾构出洞工 期较短、出洞段土体加固质量难以保证、城市环境保护使得工作井井外降水受 到限制等，施工中稍有不慎就可能引发事故，造成较大或重大损失。 例如2 0 0 8 年1 月4 日上海轨道交通1 2 b 标盾构施工进入耀华路隧道接收 井时，发生加固区地面沉降，通过紧急注浆和围填3 6 0 0 方，达到地层土体流失 的平衡，随后经过冻结施工，恢复并完成盾构水中出洞施工。南京地铁某盾构 标段，曾发生多起因始发端头地层加固不当而造成的事故，教训极为深刻。 浙江省是深厚软黏土分布最广的地区，地下水埋藏浅，水量丰富，隧道的 施工几乎都要在地下水位以下进行，地下水将成为软土地区隧道施工特别是盾 构出洞中最不利的影响因素。由于地下水对土体的作用，软土地区隧道施工中 极易发生流沙、管涌等相关灾害。隧道变形也与地下水水位、水压的改变有着 密切关系，地面沉降亦可由地下水位下降等因素引起。杭州地区的地层特点表 明，盾构出洞阶段，在地下水渗透力的作用下，土体失稳等灾害很有可能发生。 如果在盾构出洞的设计和施工中，不考虑由地下水渗透力作用带来的灾害，也 不采取相应的预警措施，则将影响工程的进展和设施的安全，甚至威胁到人民 的生命财产，损失将不可估量。杭州地铁l 号线试验段秋涛路站基坑施工中曾 出现两次涌水事故，给正在建设的杭州地铁敲响了警钟。 一旦灾害发生，严重时会造成井下无法施工，地面沉陷影响附近地下管线 和地面建筑物的安全使用等。事故发生原因一般是封门外侧土体加固方案不当 或加固效果欠佳，土体自立性达不到封门拆除所需的施工时间，或者加固不均 匀，隔水效果差；地下水位过高，土体软弱自立性差；洞口密封装置安装不好 或强度不高，导致止水橡胶帘带内翻或经不起较高的土压力等。 目前针对盾构法隧道出洞灾害控制问题研究较少，且大多基于施工经验， 缺乏理论依据降7 1 。 1 2 盾构出洞灾害问题研究现状 1 2 1 盾构出洞段土体加固研究 1 2 1 1 经验方法 秦爱芳【3 】等( 2 0 0 4 ) 探讨了人工土层冻结法在盾构出洞施工中的加固应用，相 4 第1 章绪论 对其他常见的地基加固方法，冻结法加固土体厚度小、强度高、均匀性好、尤 其是隔水性好，地下水位下可避免出洞时的涌水。但冻结法对施工技术要求较 高，其加固土体冻涨、融沉后产生地面隆起、沉降，管线开裂，甚至盾构叩头 等事故也较常见，目前无成熟的防护措施。 王东【8 1 ( 2 0 0 6 ) 总结了盾构工作井常见的形式、临时封门的结构形式、洞口降 水措施和软土地基加固措施。但大多为经验型结论，特别是出洞阶段地下水渗 流情况缺乏理论研究。 胡新朋【9 1 ( 2 0 0 6 ) 根据现场施工经验得出软土盾构出洞段加固土体的范围和 加固强度的参考值，砂性土进洞时端头土体加固注意事项和防渗漏水检测标准。 根据国内盾构始发端头地层加固经验，加固范围的确定主要有以下三种观 点：( 1 ) 不论盾构主机长度多少，其端头地层纵向加固长度均应为8 m ；( 2 ) 由 于始发端洞门有防水板存在，考虑它和盾构的共同作用，可以将始发端地层纵 向长度定为3 5 m ；( 3 ) 当盾构隧道位于地下水位以下时，端头地层纵向加固长 度应为盾构主机长度加一定厚度的保护层( 一般为l ，5 2 m ) 。同时加固土体长度 与盾构机主机长度之比也是需要考虑的因素。 1 2 1 2 解析方法 日本j e tg r o u t 协会【1 0 。1 1 i ( j j g a ) 运用弹性力学薄板弯曲理论模型给出了计算 加固土体厚度的参考公式： j l z ：k 。舢：坳痒 1 - 1 式中：p 为洞口中心处的水土压力合力；d 为洞门直径；吼为加固土体的 极限抗拉强度；k 。为安全系数，取1 5 2 o ；计算系数1 3 取1 2 。 吴韬【1 2 1 ( 2 0 0 6 ) 、韦良文【1 3 】等( 2 0 0 6 ) 运用黏性土滑移失稳模型给出了软黏土地 层盾构出洞段加固土体厚度的确定方法，运用土体扰动极限平衡理论给出了大 直径盾构隧道出洞加固土体横断面尺寸确定方法，并给出了端口- 土体的加固原 则。 朱学银【1 4 1 ( 2 0 0 8 ) 将盾构出洞冻结法加固拱棚结构简化为结构力学上的平面 单心固定无铰拱和直墙拱两种计算模型，利用实例工程对结构进行内力计算和 验算，比较安全系数，并与实测压力结果对比，为冻结法施工参数的确定提供 第l 章绪论 了理论依据。 1 2 1 。3 数值模拟 辛振省【1 5 】等( 2 0 0 7 ) 牙4 用三维有限差分程序对不同范围加固土体盾构始发掘 进进行了模拟分析，从破坏场、应力场、位移场并结合工程经验等确定出土体 的加固范围，并用曲线定性的表述了土体加固范围和加固效果之间的关系，提 出了最佳加固范围的概念。 吴韬【1 2 1 ( 2 0 0 6 ) 使用a n s y s 软件对盾构出洞施工进行了三维有限元数值模拟， 将出洞段加固土体视为弹塑性体，采用d r u c k e r - p r a g e r 模型分析了其受力机理 和变形规律，并与黏性土滑移失稳理论的理论解相比较，得出了一些施工建议。 土体加固主要包括：加固工法的选择、加固范围和加固强度的确定，这也 是当前盾构出洞灾害控制方面研究最多的内容。针对不同土质、隧道埋深、工 期等的要求，加固工法主要有注浆法、深层搅拌桩、冻结法和其他非常用出洞 工法( 如双重钢板法、开挖回填法等) 。作为盾构出洞安全施工的重要基础，一 个合理有效的加固方案的确定需要综合考虑安全性、造价、工期等多方面影响 因素。然而目前的方案大多基于施工经验，工程参数的离散性较大，缺乏理论 依据；近几年开始采用理论方法和零星的数值模拟，但是研究的深度及系统性 还比较欠缺。 1 2 2 盾构出洞时地下水封堵研究 地下水的参与是盾构出洞灾害发生的重要因素：工作井内外地下水位的较 大差异直接影响到盾构刀盘穿越加固区后掘进面的稳定；较大的水力梯度有可 能使地下水携带大量泥沙、流塑形软土通过盾构机外壳与加固土体的间隙流入 工作井内，导致盾构前方地面沉陷危及地下管线和周围建筑物的安全；由于施 工工艺或加固工法本身的缺陷，致使加固区地层仍存在不均匀性，地下水会沿 着加固地层的薄弱地带渗流并最终流入工作井，严重的会导致井下事故无法施 工。盾构法隧道又大多位于市区，井外降水受到严格限制，因此，地下水的成 功封堵是盾构出洞顺利的重要一环。 目前针对基坑的地下水渗流稳定问题研究较多，盾构法隧道出洞施工与基 坑工程不同，它涉及到地下水、盾构机、工作井井壁、加固土体和末加固土体 等的相互作用，然而针对此类问题的研究报道极少见到。当前工程措施和建议 6 第l 章绪论 主要来自施工经验或未涉及地下水的简单的数值模拟研究。 1 2 2 1 经验方法【1 6 2 1 】 除了上文提到的土体加固措施有较好的止水措施外，常见的堵水方法还有： 设置在出洞口的环状橡胶密封件；盾尾进入开挖面土体后，开启盾尾油脂系统 为盾尾注入足量的盾尾油脂；通过管片预留注浆孔对洞口圈压注双液浆等。 特别是对泥水加压平衡盾构，由于泥水压力比较大，出洞时可采用多道气 囊密封；进洞时由于洞口土体的流向与密封件同向，各工程常采用可径向调节 的眉毛板，用电焊固定在洞1 2 1 环板与衬砌洞口环外弧面的预埋钢板间，当洞口 在渗漏条件下较难封住时，只能采用埋管引流封堵，再由引流管压入浆液完成 洞1 ：i 间隙的密封，但易产生地面变形的不良后果，因此，可采用气囊环及洞圈 填料盒进行密封。 此外，针对特殊工况常常需要采取综合工法引堵地下水来确保安全施工， 例如盾构进洞时，遇到地下水压、隧道埋深、盾构直径较大，通常待盾构到达 前拆除临时墙，再用钢板等设置隔墙之后用水泥拌合土或贫水泥混凝土等填充 开口部位，在这种状态下令盾构掘进并到达隔墙处，待盾尾处进行止水后，拆 除隔墙，该法可堵住到达口将盾构推进到所定的位置，另外盾尾的止水注入材 料不会流到竖井内，又可以有效提高止水效果。 1 2 2 2 解析方法 村山式【2 2 1 等( 1 9 6 6 ) 根据二维试验及施工时的塌方状况，假设盾构开挖面前 面的土体滑动面形状为对数螺旋线，提出了考虑地下水渗透力的稳定安全系数 求解公式。 l e eim 【2 3 , 2 4 等( 2 0 0 1 、2 0 0 4 ) 研究了盾构施工时地下水渗流引起的渗透力对隧 道及隧道开挖面稳定性的影响，定量的指出了地下水防治对隧道安全施工的重 要性。 秦建设瞄1 ( 2 0 0 4 ) 、朱伟t 2 6 1 ( 2 0 0 4 ) 通过建立地下水在土压平衡式盾构机内的渗 流计算模型，提出了判别地下水通过盾构机排土器渗出发生与否及其出渗量大 小的方法，对影响出渗发生的各相关参数进行了分析，为施工前出渗的预防提 供了计算依据。 k y u n g h op a r k 2 7 1 ( 2 0 0 8 ) 运用解析函数中的保形映射法对不同埋深、直径的 第l 奄绪论 隧道开挖面地下水渗流压力作了计算，给出了特定工况下描述渗流压力变化的 定量曲线，并与b o u v a r da n dp i n t o e 2 8 1 ( 19 6 9 ) ；s c h l e i s s t 2 9 1 ( 19 8 6 ) ；f e r n a n d e za n d a l v a r e z 3 0 1 ( 1 9 9 4 ) 等的方法比较了相互特点。 目前国内外针对隧道开挖面地下水渗流引起正面土体失稳的风险研究比较 多。但对于盾构出洞施工这一特殊阶段，洞口与盾构、洞口与隧道结构之间总 有一个圆环间隙存在，若不作密封处理或密封处理不当，洞口外地下水就可能 携带泥沙从此间隙流入工作井内，使洞口处土体流失，引起地层沉降变形、环 境破坏，影响极大，然而至今未见考虑地下水渗流的该问题的理论研究。 1 2 2 3 数值模拟 b u h a npd 【3 1 1 等( 1 9 9 9 ) 利用有限元法对土中的渗流场进行分析，同时考虑地 下水渗透力的正面稳定安全系数，进而研究了不同的隧道埋深及土层渗透系数 对隧道正面稳定系数的影响，为盾构出洞时正面土体在地下水渗流力影响下的 稳定施工给出了指导意见。 廖少明一f 9 1 1 等( 2 0 0 8 ) 采用有限差分法求解江底隧道盾构法开挖引起的隧道周 边土层的孔隙水压力、总水头和渗透力的大小及分布情况，提出了二维情况考 虑地下水渗流的正面稳定系数的计算方法，研究表明：渗透力的存在是导致隧 道开挖面失稳的主要因素之一，此外压力仓压力还是控制盾构周边超静孔隙水 压进而维持整个盾构及邻近隧道环稳定的重要措施。 当涉及到洞口外大水力梯度的影响时，当前盾构出洞的数值模拟研究集中 于隧道开挖面稳定性方面，考虑盾构机外壳与加固土体间隙地下水的渗流状况 的研究未见报道，该过程涉及到复杂地质条件下地下水、盾构机和洞门外土体 等的相互作用，是一个伴随封门拆除、土体应力释放和盾构推进的动态过程。 1 2 1 3 新盾构出洞方法的选择研究 盾构出洞灾害频发，传统的洞口外土体加固方法与地下水封堵研究现状难 以满足当前盾构隧道建设高标准的要求，新的盾构出洞方法研究近年来也取得 了较大进展，盎矗韵衔s t 工法、e w 工法等 1 】o n o m s t 工法即盾构直接切削新型材料墙体( 加强筋一般为碳纤维棒材，粗 骨材为石灰石等) 出洞的工法，该工法的优点是可以略去以往必须的盾构进发、 到达部位的挡土墙外侧土体的加固，这是由于新型墙体材料不仅具有高止水性 第1 章绪论 能，同时对盾构刀具的寿命影响很小，该工法1 9 9 3 首先在日本东京的隧道出洞 工程中取得成功，目前国内只在个别工程中使用过。 e w 工法也称电蚀直接进发到达工法，它利用电容效应溶蚀竖井挡土墙钢 筋芯材，使其芯材劣化达到盾构机刀具直接切削的程度，然后盾构机可顺利的 掘削井壁，使盾构直接进发或到达。该工法由日本向谷常松等人提出，在国内 尚无采用。该工法最突出的优点为：( 1 ) 略去人工挖掘井壁的危险作业；( 2 ) 略去 或减少辅助工法加固；( 3 ) 由于挡土墙芯材电蚀后刚性无存，盾构掘削变得容易； ( 4 ) i n 应力材为钢材，故可适应大深度竖井盾构进发。 此外，聚氨酯等新型止水材料的应用；s p s s ( s u p e rp a c k i n gs a f e t ys y s t e m 尼 龙纤维加强环形橡胶管) 等堵水工法的采纳；盾构出洞动态实时监测，分级报警 和远程监控系统的建立，对事故的控制及隐患的早期发现都将起到重要作用， 并可较大程度的降低事故损失。 综上所述，洞口外土体加固方案的确定是综合考虑安全性、造价、工期等 多方面因素的结果，各种方案特点各异，但大多基于施工经验，理论研究相对 滞后，难以满足实际需求。针对地下水渗流对盾构出洞安全施工的影响未见相 关研究报道。当前最主要的工程措施和建议还是来自于施工经验或未涉及地下 水的简单的数值模拟研究。 总体上讲，目前对盾构出洞相关灾害的问题研究还较少，特别是涉及理论 解，有地下水参与的工况等，而这些又是盾构出洞亟需解决的问题。预计今后 将在以下几个方面开展相关研究： ( 1 ) 传统的洞口外土体加固方案的研究仍是盾构安全出洞的重要一环，需 进一步加强理论研究和现场监测，建立灾害的预警报警系统。 ( 2 ) 开展数值模拟和缩尺寸模型研究，考虑洞口外高地下水位的影响，使 研究内容更接近实际工况，为现场施工提供技术指导。 ( 3 ) 开展新的更安全、快速的出洞工法的研究，以减小或避免传统工法的 吝种缺点，如工期长、对周围交通管线影响大，需拆迁周围建筑物等。 ( 4 ) 针对大直径盾构隧道、深埋隧道、沼气较多等特殊工况，开展有针对 性的理论研究和数值模拟，加强安全监控与施工管理，有效预防事故发生。 9 第l 章绪论 1 3 本文研究的主要内容 基于以上分析可以得出：盾构出洞作为软土盾构法隧道施工中的重要一环， 各类灾害发生概率却异常高。以往的研究，要么多偏重于施工工法选择与完善， 缺乏理论的指导，要么多偏重于洞口土体的稳定性研究，建立各种土体力学分 析模型。本文试图通过对影响因素的分析和研究，把握其中的主要矛盾，尽量 采用简单明晰的方法考虑各种影响因素，基于现有的常见施工数据对各种因素 的影响规律进行研究，对基本机理进行分析讨论及数值试验、解析推导研究， 得出基本规律和基本结论。因此本文的主要研究内容为： ( 1 ) 总结、分析、比较各类常见的盾构出洞灾害及防治方法； ( 2 ) 运用半承压含水层地下水渗流理论对常见的盾构出洞灾害进行理论分 析，揭示灾害发生的影响因素，从加固土体长度，井壁间隙宽度、工作井外地 下水位等角度考虑地下水渗流对软土盾构隧道出洞灾害发生的影响程度； ( 3 ) 建立盾构机外壳与加固土体间隙内水压力递减模型，基于模型推导出 水压力与涌水量、水力梯度的变化关系，用于揭示洞门开挖后，盾构机推进过 程中地下水突涌发生的机理。在此基础上，突涌的影响因素得以明确； ( 4 ) 针对典型工况，采用正版m i d a s g t s ( v 2 6 0 ) 数值模拟软件，模拟洞门 开挖后洞口周围土体的二维变形与安全性，从加固土体前方原状土体变形、加 固土体下卧土层安全性、工作井外地下水位和土体加固长度变化等因素考虑其 对软土盾构隧道出洞灾害发生的影响程度，- 9 理论解进行相互比较、验证； ( 5 ) 在上述研究的基础上，针对不同工程水文地质条件、隧道埋深、隧道 直径等分析盾构出洞施工的安全性和可靠度，提出有效的隧道出洞设计和施工 建议，以确保盾构机安全、高效出洞，降低事故发生率。 1 4 本文的创新之处 ( 1 ) 紧密结合“地下水渗流”和“土体破坏机理”的基本理论，探讨一个地下 水、土层应力、洞门开挖及盾构机推进的施工过程共同作用下的软土履构出洞 灾害发生机理问题； ( 2 ) 首次将半承压含水层地下水渗流理论引入到对盾构出洞施工过程分析 中，揭示灾害发生的影响因素； ( 3 ) 首次建立了盾构机外壳- 9 加固土体间隙内水压力递减模型，基于模型 第l 章绪论 推导了水压力与涌水量、水力梯度的变化关系，用于揭示洞门开挖后盾构机推 进过程中地下水突涌发生的机理； ( 4 ) 首次在考虑地下水渗流情况下，采用数值模拟软件，模拟洞门开挖后 洞口周围土体的二维变形与安全性，并与理论解进行相互比较、验证。 第2 章较十月构罐道m 洞常见灾窖敷防治方法 2 软土盾构隧道出洞常见灾害及防治方法 2 1 常见的软土盾构隧道出洞灾害 盾构出洞时常见的灾害包括p 2 州： ( 1 1 洞口封门拆除后，由于加固土体强度不足、盾构机未及时上靠洞口或 未采取有效地封堵井外地下水措施，导致洞门前方土体坍塌，泥水等从封门问 隙涌入工作井，如图2 1 所示； 圉2 1 嗣门誊除后，洞口正面土体局部坍塌且密封田外翻 ( 2 ) 受工作井开挖井壁应力释放、洞口封门凿除振动、盾构顶进反力等田 素影响，加固土体与井壁之间会存在一定宽度的间隙。由于密封圈失效，盾构 穿越出洞段加固土体范围时，泥水沿盾构机外壳与加固土体的间隙封门与加 固土体的闻隙等通过洞口周圈涌入工作井，如图22 ； ( 3 ) 盾构机推进时，由于盾构姿态控制不好、负管片破坏或盾构穿越加固 土体后遇到下卧软黏土等原因导致盾构机产生叩头、后靠支撑变形或位移，盾 构基座变形等其他问题； ( 4 ) 洞口土体加固强度太高，招气、一氧化碳等有毒有害气体富集均成为 事故危险辣 其中，洞口土体的流失和失稳坍塌是软土盾构隧道出洞时最主要、最常见 的灾害问题之一，这是因为由于土质的不均匀性和土体应力状况的复杂性，发 生事故时，出洞段水土流失，工作井受淹，造成洞口周围太面积地表下沉，进 第2 $ 软t 盾构隧遭m 利常见灾害厦防口方法 一步危及地下管线及附近建筑物。由于盾构在隧道内只能前进 旦在出洞阶段出现土体坍塌，泥水渗流等问题，就有可能产生 针对常见的后构出洞灾害，当前的主要防治方法如下 田2 0 某工地盾构出河时发生地下水喷涌 2 2 常见盾构隧道出洞灾害防治方法总结及理论分析 针对盾构隧道出洞段事故多发的特点，当前的主要防治措j 出洞段土体加固，目前国内盾构法施工中常用的洞门端头土体 旋喷桩，深层搅拌桩或s m w s - 法、冻结法、注浆法等：( 2 ) 洞r 构出洞时采用密封圈等；( 3 ) 降低地下水位，加强周围环境监测 2 21 洞门端头土体加固方法 2 2 11 高压旋喷桩法 该工法的优点：( 1 ) 浆聩注入的部位和范围是可以控制的， 参数以获得满足设计需求的( 强度和抗渗性) 固结体；( 3 ) 与 比，除高压泵和特殊喷嘴不同外，其他设备基本相同。即该工 便，施工方法简单，操作客易，施工所需空问小等优点 第2 章软十盾构隧道m 洞常见灾害及防治方法 该工法也有其不足之处：在砂质不均匀的土层中就会产生问题，相同的压力 下，高压旋喷桩在不同的砂层中形成的情况相差悬殊，可能会造成桩之间的搭接 质量不好，此外旋喷桩对周围土体有挤压作用，可能会对周围地下管线和构筑物 产生影响。 2 2 1 2 深层搅拌桩或s m w 工法 图 2 3 深层搅拌桩和s m w _ t _ 法加固土体示慈图 如图2 3 所示，该工法主要特点有：( 1 ) 对周围地基影响小。对临近土体扰动 较小，不致产生临近地面下沉，房屋倾斜，道路裂损或地下设施破坏等危害；( 2 ) 高止水性，随着钻掘和搅拌反复进行，可使水泥系强化剂与土体得到充分搅拌， 而且桩体全长无接缝，具有可靠的止水性；( 3 ) 环境污染小。废土运量比其他工 法少，施工时噪音小，震动小，无泥浆污染。 2 - 2 1 3 冻结法工法t 4 4 1 冻结法工法是利用钻孔机械对土体钻孔，布置一定数量的垂直冻结孔，利用 氨、氮或盐水压缩调节制冷，通过媒介热传导原理进行冻结。媒介在热交换中不 断循环，冻结管周围地层的冻土圆柱体直径不断扩展变大，并与相邻冻土圆柱体 相交，在冷冻土体范围内形成完整的屏蔽，成为具有一定厚度和强度又能防渗的 挡土墙或拱形体( 如图2 4 ) 。 人工地层冻结使地层中的水变成冰，冰与土颗粒共同形成冻结连续体，使不 稳定的含水地层形成强度很高的冻土体，一般可达到8 1 0 m p a 。冻结加固区是个 1 4 第2 章戟盾构隧道m 嗣常见灾害麈防清方法 完整，均匀连续的区域，冻结体在洞门处形成扳状冻土帷幕和完整的防水屏蔽， 起到隔水作用，防止土层塌落和泥水涌入工作井内同时能起到良好的挡土墙作 用，以承受外来荷载( 如图25 ) 冻结适用干大深度、高水压，大土压存在漏水 塌方危险的地层，以及其他恶劣复杂的地质条件 冻结管 ，一 ，7、 田2 4 盐水冻结法加固出洞土体示意图 田2 5 最氟璩结法加固出涓土体现场施工图 辈，；j | | 蕊荨爿i 1 雷 翼00。阀v，卜lo 第2 章软士盾构隧道日j 洞常见灾害及防治方法 2 2 1 4 注浆法 注浆法是用压送的手段使浆液渗入地层土体颗粒间隙或填充地层中的裂隙， 浆液固结后地层的物理和力学性质得以改善。浆液及浆液注入到地层中的方式是 该工法的关键。该工法有以下优点：( 1 ) 施工设备简单；( 2 ) 规模小，耗资少； ( 3 ) 占地面积小，狭窄的场地、矮小的空间均可施工，对交通影响小；( 4 ) 工期 短，见效快；( 5 ) 施工中产生的噪声和振动小，对环境的影响小。 但该工法也存在不足，因浆液是沿着土层中的裂隙流动，故浆液的流动方向 以及浆液的注入量不能很好的控制，因此土体加固质量的可靠性不高，在土质较 差的土层中单独使用时易发生事故。 2 2 1 5 常用土体加固工法的对比4 5 1 综上所述，现将工程中常见的盾构出洞土体加固工法的综合性能( 工法特 点，适用性及对环境影响，安全性，工期，造价) 作统一对比，详见表2 1 。 2 2 2 洞门密封措施 洞口密封是为盾构在始发时防止洞口泥砂、背衬注浆浆液外泄所用，主要有 压板式、气囊环及洞圈填料盒等进行密封。 压板式由帘布橡胶板、圆环扳、固定板、翻板组成洞1 ：3 防水密封装置，施工 分两步进行，第一步是在车站结构的施工过程中，做好始发洞门预埋件工作，要 特别注意的是，在预埋的过程中预埋件必须与车站结构的钢筋连接在一起；第二 步在盾构正式始发之前，应先清理完洞口的渣土，再完成洞口密封的安装。对洞 口上的密封装置采取必要的保护措施：盾构向洞门靠拢。为避免刀盘上的刀头损 坏洞口密封装置，在刀头和洞口密封装置涂抹黄油以减少摩擦力，盾构机刀盘通 过时有专人保护，防止盾构机刀头损坏橡胶板。 气囊环密封是在洞口的圈板面上安置气囊，当盾构进入洞1 ：3 ，向气囊内加充 压力气体，使气囊膨胀，嵌于盾构与洞圈之间，封堵间隙，密封洞口。气囊用 1 6 遒 心 辎 皿o 、 $喾霞 蝮 暄冬 划 球 罂 辚 瑙 i 黑 踩竣嫂壕 业 h郴餐 睦 鞯武掣h 辎。嚣 。纂嫒 署f - - 虫 。 兹- k 蔷基楼 谢辖勺裂谈 娶掷裂h 杈 ：避罐h 掣塑嫒蛊挺辎留掣譬 措匿烬q警辎接捌竣q p舷诖s 柱l账嚣舷 髫赵 蜊 熏骥留喇蜒楼辎 蛐：暴骥1 世淑 枷巡羞 赳蜒辞s嫩 叫掷嵌妪 骥 意 心固世 匠辎百。嘏迁 舷最喇h虫最姆避谈蜒_ h喇 暖 蟪 巡 幽 螂髯器耀精 皇 耋 探褂 蜷氡 式 曝涩 乓 坂暝 絮 世h 登 察 矮眯 - 3 , - 3 坷 - h 省饕 掣蠢 蜒 七蜒 汝瓣 搭垣暖 害刮 式篁菩帮 醯长 留 杈 麝 麒 樱堪 端 耀 长 蓉 耀 裂面 埘 氡 i 器 嵌 监 岳 喧 h 壶 唑 舞 犁 囝 爆剌 晋 害 妞球 耀 藿 “如 鼍 篓 董“ 餐 叫 蓐 嘏 仁 暄 一磕墨 零 令磐 舔 1 逛 耄 曼善 鞘 望嗣 虫辚 爆 蜒垣 温嘲 p鬟絮拳苌 薛 1 降 黼 长巷 谪雌 、 苌如 食 掣 赵 辎牿 叫巾 掣 暴p罨夸簧 暌 罡 蛔 趟 喊 如 幄喇 斟1 峰 萋萋主羹 霎羹警羹 蜊 寸 划 j l 雪回 霎妻薹 谁景 枣 螂$ 划 墨 ， 4 h叫 童辎垂采 耀 函 二蓄日楼l苌垂要裂鸷 “ i h _ ，、 一蜒 懊 羹 | | 罄 长螳 蜒蠼 匿裂碴镯蠼 趟好 最媸媾巢h幢堪婚 茁靛如辑嵌-工凰畏世叫瞑蒴霉璺f一心嵌 燃忙涎超越狮联武挺熙；捌型霉垦爿餐料n援 第2 章软十盾构隧道出洞常见灾害及防治方法 橡胶浇制，一块圈板上可设多道环形气囊，提高密封效果。气体的压力应根据洞 i = i 处土体侧向压力通过计算设定。当盾构脱出气囊环，则气囊环嵌于衬砌与洞圈 间，成为施工间隙的临时密封设施。 2 2 3 洞口土体稳定性理论分析与加固长度的确定方法 1 2 , 4 6 - 5 3 】 2 2 3 1 板块理论 假定加固土体为整体板块，根据日本j e tg r o u t 协会【1 1 1 ( j j g a ) 规范中所采 用的计算公式，加固体厚度应为： ： k o f l p d 2 1 ； ( 2 1 ) 4 0 - ， 、7 式中：尸一封门中心处的水土压力合力； d 一封门直径； 盯，一加固土体的极限抗拉强度； 安全系数k 。取1 5 2 0 ，计算系数取1 2 。 2 2 3 2 黏性