（地质工程专业论文）城市隧道盾构法施工开挖面稳定性研究.pdf

摘要 随着我国改革开放的进步深入，充分开发地下空间成为现代城市可持续发 展的必要手段，是城市空间协调发展的一个新热点。盾构隧道法开挖凭借自身的 优势成为城市地下施工的主要手段，其中土压平衡式盾构目前在国内使用较为普 遍。开挖面的稳定是盾构施工技术的关键问题，直接影响到周边环境。目前，国 内盾构支持力的确定仍然处于过分依赖工程经验的阶段，对盾构施工开挖面稳定 性研究在国内相对比较少。因此，本文的研究具有一定的学术价值和工程实际应 用的指导意义。 本文针对如上所述，主要进行以下研究工作： 1 、通过阐述土压平衡式盾构机工作原理，对盾构掘进过程中所引起的环境效应 进行了详尽地分析，揭示了开挖面的稳定性是影响周边环境的重要因素之一。 2 、根据非线性有限元仿真分析的基本原理及其在a n s y s 软件中的具体实现过 程，阐述了三类非线性问题，探讨了弹塑性分析的基本方程和常用的强度准则， 提出了非线性有限元仿真分析中盾构施工开挖面失稳的判别依据。 3 、根据极限平衡理论，利用前人学者提出的极限平衡计算模型( 筒仓计算模型) ， 推导了盾构支持力的计算公式。针对南京地铁施工条件和施工工艺，应用数学计 算软件m a t a l a b 进行极值计算，并用有限元仿真分析验证了计算结果的正确 性，提出了应用极限平衡法计算盾构支持力的新思路。 4 、在分析开挖面稳定系数计算公式的基础上，应用开挖面稳定系数的计算公式 推导出盾构支持力的计算公式，同时针对南京地铁的施工条件和施工工艺计算盾 构支持力。 本文的着重点在于通过分析开挖面失稳机理，深入探讨影响开挖面稳定的因 素，揭示了埋深比是影响开挖面稳性的最重要因素。从简仓计算模型和开挖面稳 定系数的计算公式推导出盾构支持力的计算公式。在此基础上，基于a n s y s 平 台，编制了计算程序，建立三维d p 弹塑性有限元计算模型，进行非线性仿真分 析。在仿真过程中进行a n s y s 后处理分析，能够针对不同盾构支持力条件下进 行地表变形、士体塑性变形的比较，得出了较为满意的结论。 关键词：盾构隧道法 盾构支持力 土压平衡式盾构 筒仓计算模型 开挖面稳定系数 非线性仿真分析 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n d s p a c eh a sb e c o m ean e c e s s a r ym e t h o do f m o d e m c i t ys u s t a i n i n gd e v e l o p m e n tw i t ht h ea d v a c i n go ft h er e f o r m i n ga n d o p e n i n g i no u rc o u n t r y , w h i c hi san e w t e n d e n c y o f h a r m o n i o u s d e v e l o p m e n t o f c i t ys p a c e s h i e l dt u n n e l i n gm e t h o dh a sb e c o m eap r i m a r ym e t h o di n u n d e r g r o u n de x c a v a t i o n w i t hi t sp r e d o m i n a n c e ，e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l dt u n n e l i n g ( e p b s ) i st h em o s t u n i v e r s a tt y p ei no u rc o u n t r y f a c es t a b i l i t yi sk e y p o i n to f t u n n e ls h i e l d se x c a v a t i o n w h j c hi n f l u e n c e d c i r c u m j a c e n te n v i r o n m e n t s h i e l d sp r e s s u r em o s td e p e n do n e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ea tp r e s e n t ，m o r e o v e r , t h es t u d yo ff a c et u n n e l i n gs h i e l d si n n a t i v ei sr e l a t i v e l yl e s s ，s ot h es t u d yo f t h ea r t i c l eh a sd e t e r m i n a t ea c a d e m i cv a l u ea n d i n s t r u c t i o no f p r a c t i c a le n g i n e e r i n g t h ep a p e rd e v e l o p e dt h ef o l l o w i n gw o r ka n dr e s e a r c ha c c o r d i n gt ot h er e l a t e d e i r c s 1 n ew o r ko f e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l dt u n n e l i n g ( e p b s ) h a sb e e n p u tf o r w a r d a n de n v i r o n m e n to f f e c th a sb e e n a n a l y z e d ，s of a c es t a b i l i t yi so n eo fi m p o r t a n tf a c t o r s o f i n f l u e n c i n gc i r e u m j a c e n te n v i r o n m e n t 2 a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f n o n l i n e a r s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dp r a c t i c a la c t u a l i z i o n c o u r s e ，t h ea u t h o rh a se x p a t i a t e dt h r e ek i n d so fn o n l i n e a rp r o b l e m ，d i s c u s s e dt h e e l a s t i c i t y - p l a s t i cb a s a le q u a t i o na n di n t e n s i t yr u l ea n dp u tf o r w a r dj u d g e m e n tg i s to f f a c ec o l l a p s eo f t u n n e ls h i e l d s 。 3 a c c o r d i n gt ol i m i t - e q u i l i b r l u mt h e o r ya n dl i m i t e q u i l i b r i u mm o d e l ( s i l om o d e l ) ，t h e a u t h o rh a sd e d u c e dt h ep r e s s u r ec a l c u l a t i o nm o d e lf o r m u l a ，c a l c u l a t e dt h ep r e s s u r e a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n so f n a n 2 i n 8m e t r o ，a p p l i e dm a t a l a b s o l h , a r et oo b t a i n e x t r e m u mo fp r e s s u r ea n dh a ss i m u l a t e da n da n a l y s e dt h er e s u l t , p u tf o r w a r dan e w n o t i o no f a p p l y i n gl i m i t - e q u i l i b r i u mt h e o r y 4 b a s e do nt h ea n a l y s i so ff a c es t a b i l i t yi n d e x ，t h ea u t h o rh a sd e d u c e dt h ef o r m u l ao f p r e s s u r ef r o mt h ef o r m u l ao f f a c es t a b i l i t yi n d e x ，a n dm o r e o v e r , t h ep r e s s u r e sh a v e b e e n e dc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ew o r kc o n d i t i o n so f n a n j i n gm e t r o t h ee m p h a s e so ft h i sp a p e rl a yo nd i s c u s s i n gi n f l u e n c ef a c t o rf a c e s t a b i l i t y t h r o u g ha n a l y z i n gf a c em e c h a n i s m o f f a c ec o l l a p s e ，b r i n gf o r w a r dr a t i oo f c o v e ri st h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o r n 埭a u t h o rh a sd e d u c t e dt h ef o r m u l ao fp r e s s u r et u n n e ls h i e l d s a c c o r d i n gt os i l om o d e la n d f a c es t a b i l i t yi n d e x b a s e do no nt h eb a s eo fa n s y s t h e a u t h o rd e s i g n sc a l c u l m i o np r o g r a m s ，u p b u i l d st h r e e d i m e n s i o n a ld pe l a s t i c p l a s t i c a p p l ym o d e lt oc a r r yo nn o n l i n e a rs i m u l a t i o na n a l y s i s i nt h ec o u r s eo fa n a l y s eo f f e m ，t h ea u t h o rh a sc o m p a r e dg r o u n dd e f o r m m i o na n ds o i lp l a s t i cd e f o r m a t i o n ， w h i c h g i v e a s a t i s f a c t o r y c o n c l u s i o n k e y w o r d ：s h i e l dt u n n e l i n ge a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l dt u n n e l i n g ( e p b s ) f a c e s t a b i l i t yi n d e xp r e s s u r e o f s h i e l d ss i l om o d e l n o n l i n e a rs i m u l a t i o na n a l y s i s 第一章绪论 1 1 本文研究的背景和意义 城市是现代文明和社会进步的标志。是经济和社会发展的主要载体。2 0 世 纪下半叶以来，伴随着世界范围内的城市化进程，伴随着我国城市化进程的加快， 城市建设快速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，许多城市不同程度 上出现了用地紧张，生存空间拥挤，交通堵塞，给城市生活带来了很大的影响， 也制约着经济和社会的进一步发展，充分开发地下空间成为现代城市可持续发 展的必要手段。由于流动人口以及道路车辆的增加，城市交通量呈急骤增长的态 势，机动车辆增长尤快，城市道路的相对有限性带来了人口超饱和、交通阻塞、 车速下降、事故频繁、城市绿化面积减少等一系列问题。行车难、乘车难，不仅 成为市民工作和生活的一个突出问题，而且制约着城市经济的发展。另外，道路 上汽车排放废气、噪声等环境污染问题也愈来愈引起人们的重视。纵观当今世界， 发达国家已经把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环：晓三大 危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施城市可持续发展战略的重要途径”“”。 城市地下空间作为新型国土资源受到发达国家越来越多的重视。自1 9 9 7 年以来， 己召开多次以地下空间为主题的国际会议。通过了不少呼吁开发利用地下空间的 决议、宣言和文件。在工程实践方面瑞典、挪威、加拿大、美国、法国、日本和 芬兰等国在城市地下空间利用领域已达到相当规模和水平。城市地下空间的利用 和开发，已成为世界性发展趋势，并作为衡量城市现代化的标志。向地下要土地、 要空间己成为城市发展的历史必然。实践表明，它是提高土地利用率与节省土地 资源，缓减中心城市密度、人车分流、疏导交通、扩充基础设施容量、增加城市 绿地、保持城市历史文化景观、减少环境污染、改善城市生态的最有效途径。因 此国际上不少学者提出“2 1 世纪是地下空间开发利用的世纪”。城市向三维空间 发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造的唯一现实的途径。发达国家 的大城市区如纽约、巴黎都曾出现过由于向上部畸形发展而后呈现“逆城市化” 的教训。“逆城市化”表明，以高层建筑和高架道路为标志的向上部发展模式不 是扩展城市空间的最合理模式。在对城市中心区的改造和再开发过程中，逐渐形 成了地面空间、地下空间与上部空间的协调发展的城市空间构成的新概念，即城 市的立体再开发。地下空间的充分利用是城市立体化开发的重要组成部分。立体 化的开发结果，扩大了空间的容量，提高了城市集约度，交通顺畅，商业更繁荣， 绿化面积增加。 在这样的背景下，世界各国纷纷开始采用立体化的快速轨道交通来解决日益 恶化的城市交通问题大城市逐步形成了目前以地下铁道为主体，多种轨道交通 类型并存的现代城市轨道交通新格局。地下铁道具有运量大、速度快、噪音小、 污染轻、能耗低等优点。从1 8 6 3 年英国伦敦建成第一条地下铁道至今，世界上 已有3 5 个国家和地区的8 0 多个城市修建了约5 0 0 0 公里的地下铁道。不少城市 如伦敦、巴黎、纽约、东京、莫斯科已形成四通八达的地铁线网，运量占交通量 的5 0 以上。 根据预测和分析，2 1 世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会 伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任 务“。北京地铁建设规划总里程要达到6 0 0 公里；广州拟建1 4 条地铁线；南京 拟建7 条地铁线；成都、苏州、青岛、杭州、沈阳等城市都正在筹建地铁线，预 计在本世纪初，可能要建造大约3 3 条地铁和轻轨线路，总长在原有地铁线的基 础上增加6 5 0 公里。至2 0 3 0 年，我国地铁通车里程将达到1 0 0 0 公里，将大大促 进城市轨道交通的发展。 盾构隧道开挖是城市地下施工的主要手段，它的作业面在地面以下，避免了 开槽明挖的一些缺点，具有以下优点： ( 1 ) 大部分施工作业竣工均在地下进行，对环境影响小，其施工一般不受深 度因素和覆士深度影响； ( 2 ) 盾构推进、出土、拼装村砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工 人员少，施工速度快： ( 3 ) 土方量较少； ( 4 ) 穿越河道时不影响航运： ( 5 ) 施工不受气候的影响； ( 6 ) 在建造隧道穿越水域、沼泽等特定条件下，盾构法也具有较高的经济优 越性。 盾构隧道技术已成为近年来城市地下工程施工对周围地层扰动最小的施工 方法，但由于地质条件和施工工艺的限制，很难避免盾构推进对周围环境的扰动， 当隧道开挖面失稳破坏时，导致地面塌陷，造成过大的地面沉降，给周边的环境 带来了很大的破坏，严重地影响了施工进度和施工工期，造成巨大的经济损失， 同时也妨碍了交通的正常运行，极其严重地影响了人们的生活。在广州地铁，上 海地铁，深圳地铁，南京地铁的施工过程中都曾经发生过开挖面失稳。在国外， 日本这方面事故较多，而这种环境的破坏主要取决于盾构隧道法施工开挖面的稳 定性。为此盾构掘进过程中开挖面稳定性的研究将会越来越受到重视。然而目前， 国内盾构支持力的确定仍然处于过分依赖工程经验的阶段，对盾构施工开挖面稳 定性研究在国内相对较少。因此，本文的研究具有定的学术价值和工程实际应 用的指导意义。 2 河海大学硕士学位论文 1 2 隧道盾构法施工开挖面稳定性研究现状 隧道开挖面稳定性的研究，随着盾构隧道技术的发展和计算机的广泛应用， 越来越受到关注。早在2 0 世纪6 0 年，h o r n 根据筒仓理论提出了计算模型，b r o m s 和b e n n e r m a r k “1 ( 1 9 6 7 ) j 1 匝过理论分析或是经验以稳定系数的形式提出了保持 开挖面稳定所需支持力的计算公式。8 0 年代左右，国外有许多学者用有限元进 行三维分析研究隧道开挖面的稳定性。2 0 世纪末和2 1 世纪初，应用有限元方法 对盾构施工进行了有限元静态和动态仿真分析。 1 2 1 开挖面稳定系数法 许多学者已经叙述了隧道开挖面的破坏机制，通过理论分析或是经验以稳定 系数的形式提出了保持开挖面稳定所需支持力的计算公式。b r o m s 和 b e n n e r m a r k ( 1 9 6 7 ) 提出了粘性土稳定的确定方法： ：( q + y h o - r 么( 1 1 ) o o 当稳定系数n 6 时，开挖面稳定。b r o m s 和b e n n c r m a r k 所定义的稳定系 数相当于安全系数，较高的稳定系数对应于较低的安全系数h 为地表到盾构轴 心的距离，d 为隧道的直径，h d 定义为埋深比。从b r o m s 和b e n n e r m a r k 的公 式可以看出盾构埋深比是一个重要影响因子，所以随着这个比值的不同，盾构支 持力也会有很大的波动旧。k i m u m 和m a i r ( 1 9 9 1 ) m 通过固结粘性土的离心试 验，针对开挖面的稳定给出了较大的稳定系数取值范围，即开挖面稳定系数为 n = 5 】0 。 1 2 2 极限平衡法 h o r n 于1 9 6 1 年根据筒仓理论提出 计算模型如图1 1 ，圆形开挖面的面积和 正方形面积大致相等，即( 楔形体的 宽) b = 彤d ，国外学者有的采用计算模 ，。r 型：b = 脚= 1 8 d 。g ，a n a g n o s t o u 和 k k o v a r l ”1 利用此模型研究开挖面的稳 定问题，从而简化了三维开挖丽稳定的 破坏机制，计算开挖面稳定时所需的支 持力是通过考虑楔形体和棱柱体极限平 衡得出的。其中较为困难的一步就是计1 1 极限平衡法计算模型 厂。士。_ 算模型的破坏角w ，这是极限平衡计算模型的关键问题所在伽，通过在水平方向 和竖向方向列平衡方程，推导出盾构支持力的计算公式，反复迭代w ，求出盾构 支持力的最大值，从而获得了开挖面稳定时所需的盾构支持力。 1 2 3 试验研究方法 程展林等人”1 通过模拟试验。对泥浆盾构施工中泥浆维持开挖面稳定的力学 机理，开挖面前缘土体的应力变化规律。泥浆压力作用机理及泥皮形态进行了研 究，认为在中粗砂地基中，泥水式盾构挖掘隧道，通过泥浆压力的作用，是可以 保持开挖面稳定的。提出了中粗砂地基中临界泥浆压力公式： p 。，= ( o 6 o 7 ) 增2 ( 4 5 。一巴) ( 盯厂“) + “( 1 ，2 ) p 。：为地基土有效内摩擦角；“为孔隙水压力；口，：为上覆土体竖向应力；( o 6 o 7 ) ：反映砂土地基的拱效应。这种方法考虑到了拱效应和孔隙水压对稳定的影 响，与国外最简单的泥浆压力按地下水所产生的静水压力再加上2 0 k p a 来确定临 界压力的方法相比考虑更为合理且符合实际情况。 1 2 4 有限元法 有限元数值计算方法在土工数值计算中广泛应用，目前国外有许多学者采用 有限元研究隧道开挖面的稳定性，对盾构掘进过程进行模拟，三维模型能够获得 满意的效果，二维方法由于没有考虑弧效应过高地估计了破坏压力，针对三维能 够较好地模拟盾构推进时土体的受力情况，笔者认为应用有限元法时三维有限元 应优先选择m 。文【l o 】作了盾构隧道施工过程模拟分析，按施工过程分别用平面 分析方法进行模型。文i 1 1 】用边界元分析地面三维沉降。施工过程的结构仿真难 度较般结构分析计算大得多，是一个最近发展的研究方向“”。王敏强“”等人提 出用刚度迁移法的有限元方法对盾构藏工进行了有限元仿真分析。 1 3 本文研究的主要内容 开挖面的稳定性是盾构隧道法施工技术的关键问题，环境的破坏主要取决于 盾构开挖面的稳定性，尽管前人学者已经提出了计算盾构支持力的各种方法，针 对开挖面稳定系数提出了一定的取值范围，但因各地区地质条件、施工工艺各不 相同，研究结果所得出的结论并不能适用某一指定地区实际工况。因此，本文结 合南京地铁的盾构区间隧道，针对南京地铁的地质条件和盾构施工工艺，对开挖 面的稳定性进行了系统的研究，具有一定的创新性。同时能够较好地为城市隧道 盾构法安全施工提供理论和事实依据 4 河海大学颈士学位论文 主要研究内容如下： 1 、在阅读大量文献的基础上，对盾构隧道法施工开挖面稳定性研究的发展状 况进行了综述，阐明研究意义。 2 、讨论土体扰动机理，同时根据盾构施工原理和技术特点，对盾构掘进过程 中所引起的环境效应进行分析。 3 、在对盾构法隧道开挖面的非线性特点进行分析的基础上。讨论非线性有限 元法仿真分析的理论依据，并给出盾构开挖面失稳的判定方法。为进一步分析计 算提供了依据。 4 、进行a n s y s 后处理分析，能够针对不同盾构支持力条件下进行地表变形、 塑性区的比较，使结果很直观，同时利用前人学者提出的极限平衡计算模型( 筒 仓计算模型) ，推导盾构支持力的计算公式，结合工程实例，应用数学计算软件 m a t a l a b 进行极值计算，并进行有限元仿真分析，验证计算结果在能够保证开 挖面稳定的取值范围内。 5 、分析盾构支持力的影响因素，并基于a n s y s 平台，编制计算程序，建立 有限元计算模型，进行有限元仿真分析，改进前人学者提出的稳定系数的取值范 围，提出符合南京地铁实际工程实际情况的稳定系数取值范围。 一塑塑奎兰堡圭堂垡笙苎 第二章土压平衡盾构机工作原理及盾构开挖 掘进环境效应分析 2 1 土压平衡式盾构机工作原理 2 1 1 土压平衡式盾构技术的工作原理 盾构旋工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法“，它使用盾构机在地下掘 进，在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的 开挖和衬砌作业。盾构法的基本原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧道轴线边向前 推进边对土体进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未村砌的 隧洞段起到暂时支护作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水以及将地下 水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的保护下进行。盾构法施工主要由 稳定歼挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后注浆三大部分组成。其中开挖面的稳定 是工作原理的主要方面。 土压平衡式盾构机是盾构隧道法旌工最常用的一种盾构机，其构成参见图 2 4 ，刀盘与后面的承压隔板所形成的空间为压力舱”“”，其细部结构参见图2 1 。 刀盘旋转开挖下来的渣土通过刀盘上的开口进入压力舱内，与可塑泥浆搅拌混合 并充满压力舱和螺旋排土器壳体内的全部空间。盾构千斤顶的推力通过承压隔板 传递到压力舱的开挖土体上，由开挖土体的压力作用于开挖面，以平衡开挖面处 的地下水压和土压力，从而保持开挖面的稳定。螺旋输送机从承压隔板的开孔处 伸入压力舱进行排土。土压平衡式盾构机的掘进示意图参见图2 2 所示“”。盾构 机的掘进速度和螺旋输送机单位时间的排土量或其旋转速度都会影响压力舱内 开挖土体压力的大小，所以应进行协调控制。 切 图2 1 土压平衡式盾构机结构示意圈 6 河海大学硕士学位论文 目前，土压平衡盾构已定义为；凡在盾构压力舱内采用刀盘开挖和用螺旋排 土器从压力舱直接排出渣土的盾构，即称为土压平衡式盾构“”。土压平衡式盾构， 可以根据不同的施工条件和地质要求，设计成不同开挖面稳定形式的土压平衡式 盾构，原则上能够适应从松软粘性土层到砂砾土层范围内的各种土层，能较好的 稳定开挖地层，减小和防止开挖面变形，提高隧道施工质量。 土压平衡式盾构用这种改良后的泥土产生泥土压力，平衡地层的水土压力， 保证开挖面的相对稳定，并通过控制盾构千斤顶的推进速度和螺旋输送机的转速 来保持压力舱内改良土的压力处于适当的范围内，在推进量和排土量达到平衡的 同时，盾构向前推进，螺旋输送机排土，实现盾构机的连续掘进，如图2 2 。土 压平衡式盾构工作面稳定原理如图2 3 所示。 刀盘压力舱螺旋捧士器承压隔板千斤顶管片( 7 ) 盾尾密封带 图2 2 土压平衡式盾构机掘进示意图 圈2 3 土压平衡式盾构开挖面稳定原理示意图 2 1 2 土压平衡式盾构技术的发展与改进 盾构隧道施工方法的问世迄今已有近1 9 0 年的历史，而土压平衡式盾构机的 7 坷海大学硕士学位论文 开发则刚刚始于2 0 世纪7 0 年代初。第一台土压平衡式盾构机外径3 7 2 m ，由日 本i h i 公司设计制造，于1 9 7 4 年在东京投入使用。随后，其他一些厂家也开始 生产土压平衡式盾构机，产品的名称不完全相同，但从原理上都可归纳为土压平 衡系统( e a r t hp r e s s u r eb a l a n c es y s t e m ，即e p b s ) 。根据日本对不同盾构机型的统 计资料，从1 9 8 0 年到1 9 8 5 年的6 年间，土压平衡式盾构机占各类盾构机总数的 比例已经从1 9 增大到6 0 。在国内，上海使用土压平衡式盾构施工的实例最 多，资料统计的截至1 9 9 5 年上海市隧道工程施工中使用的盾构法的情况“”f 共 5 9 台1 如图2 4 所示。 3 台 - - 图2 4 上海使用盾构机施工情况 土压平衡式 嘲格、挤压式 据东加压式 2 6 台 根据l o v a t 公司( 加拿大) 、r o b b l n s 公司( 美国) h e r r e n k n ec h t 公司 ( 德国1 及日本川畸株式会社提供的有关资料，研究发现诲多制造商设计的盾构机 在原有的基础上作了很大改进，使其更具有适应性和操作方便。 f 1 ) 刀盘的可伸缩系统。将原有刀盘增加液压驱动系统，使其可以自动伸缩达 2 0 c m 一5 0 c m ，在通过不同地层中，更换刀具更加方便、快捷。同时，刀盘具有小 间距转向功能，使其在隧道竖曲线及平面曲线上掘进更加自如。 ( 2 ) 刀盘开口率可变系统。在刀盘上装有可开闭自动闸门，根据不同的地质条件， 加大或缩小刀盘的开口率，从而大大提高了盾构掘进速度。 ( 3 1 在土仓内增加螺旋输送机进口闸门。原有盾构只在螺旋输送机尾端卸料口设 有闸门。增加进口闸门后，可更有效地防止喷涌事故的发生。 ( 4 ) 功能的多样性。刀具的可更换及互换性，不同软硬地层适应性强；形状的多 样性，可适合不同隧道断面形状；卸料系统改进，e p b 与泥水盾构方便互换。 ( 5 ) 高强材料的应用，大大地提高了盾构设备的耐磨性。l o v a t 公司在盾构设备 上采用了低碳高强合金钢。使原盾壳普通钢厚度5 0 m m 减少到2 0 m m ，在增加强 度基础上提高了材质的耐磨性，减轻了设备自重，从而使得掘进更加轻便快捷。 ( 6 1 相应管片的改进。提高了隧道掘进速度，北京、上海大多采用宽1 0 m ，、1 2 m 管片，南京采用1 2 m 管片，广州地铁管片宽为1 5 m 。 2 1 3 土压平衡式盾构压力管理 河海大学硕士学位论文 压力管理是指谋求压力舱内泥土压稳定在目标范围内的管理，即一边恒定地 维持压力舱内的泥土量，一边以排土来管理开挖。从挖土和排土之间的控制关系 来讲，土压管理是调整盾构的推进速度处于一定范围内，控毒4 螺旋输送枧的转速 和排土量，即所谓的排土控制。螺旋输送机的转速自动控制又分为体积控制和土 压控制，体积控制指螺旋输送机的转速由与盾构掘进速度成比例的挖掘土量的多 少来控制。压控制是指使压力舱内泥土压保持一定值来控制螺旋输送机转速， 螺旋输送机的土压控制方式实际上是和体积控制互相并用的控制方式，由体积控 制粗调排土量，使螺旋输送机的转速随掘进速度的变化而变化，然后进一步由土 压控制机能微调螺旋输送机的转速使泥土压同设定的目标值相同在实施对士 压力进行控制和管理时。一般根据地层特性和地面环境确定一个士压上限和下限 值。上限是被动土压( 或静土压) 力、水压力、预备压力的和，下限是主动土压力、 水压力的和。 土压平衡式盾构的土压管理，目的在于控制开挖面的稳定，保证安全施工。 为此，务必使地层的水土压力p ( 两者的合力) 和压力舱内的泥土压力晶相当，见 图2 3 。这种控制可通过调节、控制螺旋输送机的排土量来实现。盾构掘进时， j p - 8j 和螺旋输送机的取土量( 自压力舱内取土体积和刀盘开挖下来土体体积 的比值) 之间的关系，参见图2 5 。 2 0 0 蒯 刊1 5 0 盛 1 0 0 5 0 0 | j j ，一一 f 一 i ，o 一 工作面稳庭区问 一 被动破一 主动葭坏 发生界l 露i 发生昂限 一2一l 0 l 2 图2 。5 压力控制和体积控制之间的协调关系 9 p 一刚1 0 k p 图2 5 表明，工作面土压大小及变动幅度是工作面稳定的重要因素。在软弱 粘性土层中工作面土压的允许变动范围p = 士5 5 c u ( 注：c u 一三轴不排水抗剪 强度) ，在实际掘进过程中可将此值豹1 ，3 作为掘进中土压变动范围的控制值m 。 综上所述，土压管理的一般方法可归纳为，设定目标土压，根据士压计的计 测值调整螺旋输送机的转速，恒定地维持泥土压力处于设定的目标范围内，下文 中对开挖面稳定系数进行优化的目地就是确定土压管理的目标范围。当泥土压力 超过目标土压设定的上限时，螺旋输送机的转速增加，加大排土量；当土压力低 于目标土压设定的下限时，螺旋输送机的转速降低减少排土量；当土压力位于目 标土压设定的范围内时，螺旋输送机定速旋转排土1 2 3 o 此外，刀盘的转速、 扭矩以及推力、推进速度也是土篷管理的依据。 2 2 盾构开挖掘进环境效应分析 2 2 1 盾构旌工对土体的扰动机理 土的扰动( d i s t u r b a n c e o fs o i l ) 或扰动土( d i s t u r b e d s o i l ) 多是针对原状土 ( u n d i s t u r b e ds o i l ) 而言。“，大体是指由于外界作用造成的土的应力释放，体积，含 水量或孔隙水压力的变化。特别是土体结构或组织的破坏和孔隙水压力下降引起 土性的变异。”，地表隆起与下沉等。在这类软土地层中，盾构法掘进隧道，由于 隧道所处的位置多属软弱的粘性土，土的强度低，含水量高，灵敏度大，压缩性 大，并具有较大的流变性，尤以淤泥质粘土为甚，在原来处于稳定状态的地层中， 开挖隧道将导致地层周围原始应力状态的改变，使周围的土体出现卸载或加载等 复杂力学行为，土体的极限平衡状态发生变化，从而对土体产生扰动，引起地表 变形。盾构施工扰动使土体的应力状态或应力路径发生变化，不同位置的土体经 历路径不同。这类土体稍经扰动就会使土体的力学参数发生很大的变化，且长期 引起固结和次固结沉降”。盾构采用土压平衡模式工作时，是将刀具切削下来的 土充满腔室，利用这种泥土压与作业面的土压和水压相平衡，以维持工作面的稳 定。当盾构继续向前掘进时土仓内的压力会增加，原来的平衡状态就会被打破， 这时就需要通过螺旋输送机排土降低土仓内的压力才能继续维持平衡状态。螺旋 输送机的排土量过大或过小都会导致新的不平衡。因此，士压平衡是通过调整掘 进速度和排士量，使二者达到动态平衡来实现的。当土仓内的压力大于作业面的 土压和水压对，就有可能在盾构掘进前方出现较大的地表隆起，反之则会出现较 大的地表沉陷。 2 2 2 盾构支持力与地表变形 当盾构掘进时，若开挖面受到的水平支护应力小于地层的原始侧向应力，则 1 0 河海大学硬士学位论文 开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降。反之，当作 用在正面土体的推应力大于原始侧向应力时，则开挖面土体向上向前移动，引起 负地层损失而导致盾构前上方土体隆起。”。根据地质条件分章厅采用土压平衡式盾 构机施工。及时调整土仓压力，确保土压平衡是盾构隧道法施工技术方面的主要 问题，开挖面的稳定性决定于土压、水压和土仓内的压力的平衡关系“”，如图 2 6 。 地表 地下水位线 么激0 | | t 水压土压力支持力盾构推力 图2 6 土压平衡模式示意图 ( 1 ) 土水压力与盾构机土仓压力平衡 当土水压力与盾构机土仓压力平衡时，土体受到扰动较小，则刀盘在掘进过 程中地表变形较小，如图2 8 。 地表 一 线 篇 i 融 1 分 i 图2 7 土水压力与盾构平衡压力平衡时，地层稳定 地下水位线 o 0 蚓- 2 傲 媾 一4 6 8 一1 0 1 2 圈2 8 土水压力与盾构平衡压力平衡时，刀盘前方地表变形较小 ( 2 ) 土水压力大于盾构机土仓压力 当土水压力大于盾构机土仓压力时，开挖面前方土体向刀盘方向移动，土体 受到扰动较大，则刀盘在掘进过程中地表变形较大，且刀盘前方地表变形为沉降， 如图2 1 0 。 、 一 地下水位线 # 篇 副 夕 篇 i f 专_ - - 圈2 9 土水压力大于盾构平衡压力，引起地面沉降 河海大学顼士学位论文 苣。一 高一2 潋 避一4 6 8 1 0 一1 2 一1 4 1 6 图2 i o 土水压力小于盾构平衡压力。刀盘前方地面沉降 ( 3 ) 土水压力小于盾构机土仓压力 当土水压力小于盾构机土仓压力时，开挖面前方土体向远离刀盘方向移动， 地表面隆起，土体受到扰动较大，则刀盘在掘进过程中地表变形较大，如图2 1 2 a ，j ，7 , - k 么i 鏖 戮 |夕 t 魔藏 籀燃i 潲1 嬲缀l _ 芏_ 一 图2 1 1 土水压力小于盾构平衡压力，引起地面隆起 河海大学硬士学位论文 一 _ 、 一二10=15 2 02 53 图2 1 2 土水压力小于盾构平衡压力。刀盘前方地面隆起 m ) 2 2 3 开挖面失稳破坏过程 土压平衡式机在掘进过程中，开挖面的支持应力必须维持在土压稳定目范围 内，设开挖面失稳时的盾构支持力为p ，盾构支持力为p ，n 为试验分析出的 特征压力呻1m 1 实验表明形成开挖面失稳破坏的过程如下： 当p 巩 开挖面无位移； 当段2p p ， 开挖面有较小的位移破坏即将开始，地表沉降 当p = p ， 当p s 尹， 开挖面出现局部破坏，开挖面开始失稳 土流入盾构里，开挖面彻底失稳，地表出现较 大的沉降。 对所有试验进行分析的过程中，p i e r r ec h a m b o n 等人根据试验结果总结出开 挖面失稳破坏过程分为三个状态。在第一个状态中，当盾构支持力降低时，开挖 面没有位移，直到工作仓压力比初始应力小时，开挖面才开始移动。对应于直径 为5 m 的隧道，特征压力值p 。为2 0 k p a 。 6 4 2 o以4娟。p他h摇 量一：吾篷蛙 一 一 一 一 翌塑奎兰堡主兰垒兰苎 l j 嚣1 0 蓦2 0 辍 泉3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 ff 厂丫 状患l i l jj t 女。 i1 j 矿一 k 1 * 一= 一 f i 开挖面失稳破坏 r 一一_ | 状奄r r 。 1 0510 152 02 5 盾构支持力( k p a ) 图2 1 2 开挖面的水平位移 2 2 4 开挖面失稳破坏形态 盾构开挖面破坏形态是泡状的，应变主要集中在泡的边界面上，在盾构开挖 面的前方大小只有盾构直径的一半大，在距盾构面个直径的距离的地方，泡状 再继续结合在一起。盾构埋深越深，泡能够闭合并且面的稳定性也能得到保证， 在更浅的埋深时，泡不能闭合。盾构的横截面表明泡的内部没有任何变形。不同 的埋深与盾构直径的比值影响到开挖面的破坏形态“”，如图2 1 3 。 牙琴：爱r 了爱孑孓 飞疑穸嘭 想 图2 1 3 不同c d 下开挖面破坏形态 河海大学硕士学位论文 2 2 5 地表变形机理 根据盾构隧道施工的过程和特点，盾构法隧道引起地表变形的基本原因归纳 为： ( 1 ) 盾构挤压扰动的影响。”盾构对土体的扰动则表现为盾构对土体的挤压和松 动、加载与卸载、孔隙水压力上升与下降引起的变异、地表隆起与下沉。在原来 处于稳定状态的地层中，开挖隧道将导致周围原始应力状态的改变，使周围的土 体出现卸载或加载等复杂力学行为，土体的极限平衡状态受到破坏。各种开挖方 式的盾构，掘进时都不同程度对土层产生挤压扰动。此外，盾构掘进遇到弯道以 及进行水平或垂直纠偏时，也会便周围的土体受到挤压扰动，从而引起地表变形， 其变形大小与地层的土质及隧道的埋深有关o ”。 ( 2 ) 地层原始应力状态改变的影响。在原来处于稳定状态的地层中，不论用何种 方法开挖隧道，对周围的土体必有扰动影响。盾构掘进时，开挖面土体的松动和 坍塌，尤其是地下水位的变化，导致地层原始应力状态的改变。土体极限平衡状 态的破坏，引起了地表的下沉变形嘲】。 f 3 ) 开挖面土体的移动。当隧道掘进时，开挖面土体受水平支护力应力可能小于 或大于原始测压力，开挖面上前方土体产生下沉或隆起1 。 “) 土体挤入盾构空隙。盾构隧道的初始衬砌脱离盾构尾后，在隧道开挖面和初 衬外周围形成一环形空隙，由于压浆不及时，或压浆量不足，或压浆压力不适当， 使盾尾后部隧道周边的土体失去原始的平衡状态，向盾尾空隙塌陷，产生地层损 失引起地层沉降。盾构在软粘士类含水不稳定的地层中掘进时，这一因素是引起 地层损失的主要原因。 ( 5 ) 土体与衬砌的相互作用。在周围土体压力作用下，衬砌要产生变形，同时衬 砌对周围地层也产生相反方向的作用力，地层变形是士体与衬砌的相互作用的综 合表现。 改变推进方向。盾构机向上或向下倾斜，使多余的土体被挖去，盾构空隙增 大，它与施工质量有关” ( 7 ) 降水引起的影响。盾构进出洞经常采用降水措施，在正常掘进过程中也会经常 性的堵水、排水，降水会使地层中原来的静水水位改变成漏斗状曲面水位，使含 水地层中土的有效应力增加；在周围地下水的不断补充过程中，在一定土层范围 内产生动水压力，也导致土中有效应力增加，这一切相当于便土层受到附加荷载 的作用，而产生固结沉降。其沉降量及沉降时间与土的孔隙比及渗透系数有关， 在渗透系数较小的粘性土中，固结时间较长，因而沉降速度较慢。 ( 8 ) 隧道的渗、漏水严重的漏水、漏泥会造成隧道周围的水士流失，从而引起地 表的变形，同时也危及隧道结构的安全，所以隧道渗、漏水应及时堵好。 ( 9 ) 受扰动土体的再固结是地层变形的另一主要原因，尤其是饱和软土地层中。 土体受施工扰动的固结作用。盾构隧道周围土体受施工扰动后，将形成超静孔隙 1 6 河海大学硕士学位论文 水压力区，盾构离开该区后，超孔隙水压下降，孔隙水消散，引起地层沉降，这 部分为主固结沉降；随后，软粘土土体进一步产生随时间增长而发展的蠕变，持 续次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘士中，次同结沉降往往 要持续几年以上，在总沉降量中占有很大的比例。 2 2 6 地表变形分布 ( 1 ) 前期沉降发生在盾构开挖面前具有一定的范围( 决定不同的土层条件) ，地下 水位随着盾构推进而下降，使地层的有效土压力增加产生压缩、固结沉降； ( 2 ) 开挖面前的隆陷在切口即将到测点，开挖面坍塌导致地层应力释放，使地表 隆起，盾构推力过大会使地应力增大，使地表沉降。盾构周围与土体的摩擦力作 用使地层弹塑性变形。”； ( 3 ) 盾构通过时的沉降，从切口到盾尾通过之间产生的沉降，主要是由于土体的 扰动后所引起的； ( 4 ) 盾尾的沉降，盾构外径与隧道外径之间的空隙在盾尾通过后，由于注浆的不 及时和注浆量不足而引起地层损失及弹塑性变形m 3 ； ( 5 ) 后期沉降，盾尾通过后由于地层扰动引起的次固结，各阶段变形如图2 1 4 所示。 隆 起 或 下 沉 图2 1 4 盾构引起地面沉降过程 2 3 盾构支持力的影响因素 2 3 1 盾构旌工埋深比的影响 盾构机在地面以下暗挖隧洞掘进的过程中，在土体中引起的附加应力极其复 杂，盾构向前推进时引起前方和侧向土体附加应力，使得盾构周围土体处于主动 或被动状态；盾构推进后土体发生弹性恢复。引起的士中附加应力不仅与土体的 物理参数有关，而且与盾构施工参数关系密切。盾构施工的埋深是决定盾构支持 力的重要影响因素，盾构施工的埋深越大，盾构机在掘进过程中克服土体的阻力 相对越大。因此，针对埋深比的变化，盾构支持力也随之变化，如图2 1 5 。本文 在第四章和第五章的盾构支持力计算分析过程中，都