（固体力学专业论文）超大型泥水平衡盾构的施工力学分析.pdf

摘要 泥水平衡盾构法隧道施工是当前国内外最先进的盾构施工技术，研究泥水平 衡盾构的施工力学行为具有重要的工程应用价值。本文以上海长江隧道超大型泥 水平衡盾构施工为依托，根据超大型泥水平衡盾构的施工原理，建立了泥水平衡 盾构施工的三维非线性有限元仿真模型。模型比较全面的考虑了盾构施工过程中 土体、盾构、管片和浆体之间的相互作用，较好的反映了泥水平衡盾构的实际施 工过程。 对长江隧道泥水平衡盾构施工过程进行了仿真模拟，模拟结果和现场实测数 据作了对比，对比结果证实了本文提出方法的有效性。 为了深入分析泥水平衡盾构的施工力学行为，本文分析了盾构施工过程中上 覆土厚度、注浆压力、泥水压力三个主要施工参数地表沉降的影响，为盾构法隧 道施工中控制地表沉降提供了有益的建议。 盾构施工过程中造成的地表沉降对开挖沿途的构筑物所产生的影响是当前盾 构法隧道施工力学的热点问题，本文结合长江隧道穿越浦东防汛大堤的实际工况， 对盾构在穿越浦东防汛大堤的施工过程进行了三维非线性有限元仿真模拟，研究 了盾构在穿越大堤的过程中地表的变形规律，为工程中采取措施减小地表沉降提 供了建议。 本文的计算数据和相关结论将为今后超大型泥水平衡盾构法隧道的施工提供 参考。 关键词：泥水平衡盾构隧道施工三维有限元仿真模拟地表沉降 a b s t r ac t s l u r r yb a l a n c es h i e l di st h em o s ta d v a n c e ds h i e l dt u n n e l i n gt e c h n o l o g yi nt h e w o r l d ；i th a sg r e a ta p p l i e ds i g n i f i c a n c et oa n a l y z et h em e c h a n i cb e h a v i o ro fs l u r r y b a l a n c es h i e l dt u n n e l i n gp r o c e s s b a s e do nt h ey a n g t z er i v e rt u n n e lp r o j e c t ， a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo ft h es h i e l dt u n n e l i n gp r o c e s s ，at h r e e d i m e n s i o n a l n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e lf o rt h es h i e l dc o n s t r u c t i o np r o c e s si s e s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o nm o d e li sm u c hm o r ec o m p r e h e n s i v eb yt a k i n gi n t o a c c o u n tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es o i la n dt h es h i e l d ，t h es o i la n dg r o u t i n gm a t e r i a l ， t h eg r o u t i n gm a t e r i a la n dt h el i n ei nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s at h r e e - d i m e n s i o n a ln o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nf o rs h i e l dt u n n e l i n g p r o c e s s i sc o n d u c t e d t h er e s u l t so ft h es i m u l m i o na r ec o m p a r e dw i t ht h ef i e l d m e a s u r e m e n t s ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h es i m u l a t i o nm e t h o di sv a l i d i no r d e rt of u r t h e rs t u d yt h em e c h a n i cb e h a v i o ro ft h es l u r r yb a l a n c es h i e l d t u n n e l i n gp r o c e s s ，t h ea n a l y s i so ft h ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r si n c l u d i n gt h eh e i g h to f c o v e r a g eo fs o i l ，t h ep r e s s u r eo f t h es l u r r ya n dt h ep r e s s u r eo ft h eg r o u t i n gm a t e r i a li s c o n d u c t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hp r o v i d ev a l u a b l es u g g e s t i o no fc o n t r o l l i n gs e t t l e m e n t o ft h es u r f a c eo ft h ee a r t h t h ei n f l u e n c et ot h es t r u c t u r eb yt h es h i e l dt u n n e l i n gp r o c e s sw h i c hb r i n g s s e t t l e m e n to ft h es u r f a c eo ft h ee a r t hi st h eh o ti s s u eo fs h i e l dt u n n e l i n gm e c h a n i c sa t p r e s e n t b a s e do nt h ea c t u a lc o n s t r u c t i o np r o c e s sw h i c hs h i e l de x c a v a t e su n d e rt h e d a mo fp u d o n g ，at h r e e d i m e n s i o n a ln o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nf o rs h i e l d t u n n e l i n gp r o c e s sa n dt h er e s e a r c ho ft h ed e f o r m a t i o np a t t e mo ft h es u r f a c eo ft h e e a r t ha r ec o n d u c t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hp r o v i d ev a l u a b l es u g g e s t i o no fr e d u c i n g s e t t l e m e n to ft h es u r f a c eo ft h ee a r t hd u r i n gt h es h i e l dc o n s t r u c t i o nu n d e rt h ed a mo f p u d o n g t h ed a t ao ft h ea n a l y s i sa n dr e l a t e dc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e rc a nb ear e f e r e n c e f o rt h es u p e rl a r g es l u r r yb a l a n c es h i e l dc o n s t r u c t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d ：s l u r r yb a l a n c es h i e l d ，t u n n e l i n g ，3 一df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，s e t t l e m e n t o ft h es u r f a c eo ft h ee a r t h i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：壶鱼塞日期：叠! 竺昼2 ：主! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：1 南圈厌导师签名：! 垦i 圭日期：窒! ! 呈：z ：兰! i i 第一章绪论 1 1 研究背景和意义： 伴随着我国城市化进程的快速提高，出现了一些亟待解决的重要问题，主要是 城市人口超饱和、建筑空间拥挤、城市绿化减少、交通阻塞，其中交通阻塞尤为突 出。如北京市干道平均车速已比1 0 年前降低5 0 以上，而且，时速正以每年递减 2 k m 的速度继续下降。据统计，市区1 8 3 个路口中，严重阻塞的达6 0 ，交通阻塞 的关键问题在于城市道路面积在城市面积中的比例以及人均道路面积太低，每公里 道路汽车拥有量太大。解决这些问题的出路，只能是对城市地下空间进行开发利用， 向地下要土地、要空间已成为城市发展的历史必然，已成为世界性的发展趋势，并 以此为衡量城市现代化的重要标志【l 】。对于人1 2 1 集中、地面建筑物和地下管线十分 密集、地面交通拥挤的繁华城区来说，明挖法逐渐失去其可能性，而采用深埋隧道， 对在建筑物、河道及已有地铁线路下穿过等工况进行施工则显示出极大优越性。因 此，地下隧道采用盾构法施工已成为一个必然途径。 盾构法施工具有下列优点：1 可在盾护下安全地开挖、安装村砌；2 掘进速度快， 施工时不影响地面交通与设施，穿越河道时不影响航运；3 施工中不受季节，风雨 等气候条件影响；4 施工中没有噪声和振动，对周围环境干扰较小；5 在松软含水地 层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。随着盾构法隧道施 工的大量使用，盾构机的性能不断改进，盾构法隧道设计和施工技术理论日臻完善。 但由于采用盾构法隧道施工，仍会不可避免的引起地层移动而造成不同程度的地表 沉降，当地表沉降达到一定程度时，就会影响周围地面建筑、地下设施和隧道本身 的正常使用，所以由盾构法隧道施工引起地表沉降的研究一直是国内外学者广泛关 注的课题。尽管经过多年的发展，此课题取得了重大的进展，然而由于盾构机在开 挖过程中引起地层变位的因素种类很多，施工方法、施工状况、地层条件千差万别， 施工过程中土体移动、土体应力、含水量、孔隙水压力、弹性模量、泊松比、强度 和承载力等物理力学参数不可避免的变化，就目前来说还没有一个分析方法能够考 虑所有影响因素。 上海长江隧桥工程是“十一五”期间上海在建规模最大的重点交通项目，工程 投资达1 2 6 1 6 亿元，它采取“南隧北桥”方案，“南隧即长江隧道，长约8 9 k i n ( 从 市区到长兴岛) ，“北桥 即长江大桥，长约1 0 3 k i n ( 从长兴岛到崇明岛) ，起自浦 东五号沟与郊环线相接，经长兴岛至崇明陈家镇，与陈海公路相接。除了隧道和大 桥，还将建长兴岛和崇明岛接线道路长约6 3 k m ，工程全长约2 5 5 k m ，隧道中为轨 道交通9 号线预留了空间。全线按六车道高速公路设计。上海长江隧桥工程不仅让 中国第三大岛崇明岛与上海市区紧密相连，而且将连接沪杭、沪宁高速公路网络， 实现江海联运的交通大动脉，加快长三角经济一体化。上海长江隧道工程采用泥水 平衡盾构穿越长江南港水域，具有“长、大、深三大特点长：盾构一次性掘进 7 5 k m ，是目前世界上连续施工距离最长的同类工程：大：隧道内径约1 3 7 m ，外径 约1 5 m ，盾构机直径1 5 4 3 m ，是目前世界上最大的泥水平衡盾构隧道；深：最高历 史水位下最大埋深约为5 5 m ，为世界最深隧道之一。由于上海长江隧道工程“长、 大、深 的特点，对于如此大规模的泥水平衡盾构施工在国内外尚属首次，如何在 施工过程中很好的保护周围的环境等一系列重大施工难题亟待解决，因此对于长江 隧道超大型泥水平衡盾构施工力学的研究具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 盾构法隧道施工工艺简介 1 2 1 盾构法隧道的发展简史 1 8 1 6 年法国的工程师布鲁诺尔( m a r e l s a m b a r d b r u n e l ) 在伦敦从船上的虫子在 船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周得到的启发而提出了盾构法掘进隧道原理。 盾构法隧道的基本原理是用一件被称为盾构的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而 向前推进。盾构在初步或最终隧道建成前，主要起防护开挖土体、保证作业人员安 全和机械设备的作用。盾构的另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水 或流沙的入侵【2 1 。盾构法隧道由稳定开挖面、盾构机掘进和盾尾衬砌三个要素组成。 1 8 4 3 年布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下的隧道工程中首次使用手掘式矩形盾构完成了 全长4 5 8 m 的盾构法隧道：二十世纪初，盾构法隧道已在美、日、英、法、德、苏 等国开始推广；从2 0 世纪6 0 年代起，盾构法在日本得到迅速发展，研制了各种新 型的盾构和相应得工艺和配套设施；1 9 6 2 年2 月，中国上海市城建局隧道处开始塘 桥试验隧道工程。采用直径为4 1 6 m 的一台普通敞胸盾构在两种有代表性的地层下 进行掘进试验，用降水或气压来稳定粉砂层和软粘土地层，这标志着我国研究应用 盾构法隧道的开始；随后盾构法隧道技术在我国迅速发展，在北京、上海、广州等 2 地下铁道应用了盾构法施工并取得成功；九十年代以来，我国已成功研制了直径为 3 8 m 到直径为6 3 4 m 的土压平衡盾构十余台，技术水平已接近国际先进；1 9 9 6 年 上海延安东路隧道南线工程采用直径l1 2 2 m 的泥水平衡盾构掘进机进行长1 3 0 0 m 的隧道施工，这项隧道工程所涉及的技术种类多、范围广、难度高，充分体现了我 国在软土地下工程领域的技术实力，填补了我国泥水平衡盾构隧道施工的空白；2 0 0 3 年9 月，上海隧道工程股份有限公司建设的中国首条双圆隧道始发段在轨道交通8 号线的隧道掘进施工获得成功，使先进的技术与上海实际土质情况得到了良好的契 合，开创了中国隧道行业的新里程；2 0 0 6 年动工修建的上海长江隧道工程采用了全 世界最大直径为1 5 4 3 m 的泥水平衡盾构进行施工，这表明我国在盾构法隧道的研 究与应用已达到世界领先水平。 1 2 2 盾构法隧道施工工艺 构成盾构法隧道的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾 构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另 一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至 盾构尾部已拼装的隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构机是这种施 工方法的最主要的独特施工机具，它是一个既能支承地层压力而又能在地层中推进 的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构，在钢简结构的前面设置各种类型的 支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内部安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是 具有一定空间的壳体，在盾尾内可以拼装一至二环隧道衬砌环。盾构每推进一环距 离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌 环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉，并在盾构推进过程 中不断从开挖面排出适量的土方。盾构隧道的断面及线型可以根据隧道使用目的设 计成各种形式，盾构的断面形状除圆形之外，还有半圆形、矩形及马蹄形等，但一 般圆形断面使用得最广泛，成了盾构隧道断面的标准形状。盾构施工法多用于城市 市区地下工程，其线形的确定受地表条件、障碍物、地基条件和用地条件制约，根 据使用目的及盾构掘进情况，尽可能选用直线或大半径曲率线形1 3 j 。 盾构机按开挖面与作业室之间隔墙构造可分为全开敞式、半开敞式及密封式三 种。具体划分如下：全开敞式是指没有隔墙，大部分开挖面呈敞露状态的盾构机。 根据开挖形式，这种盾构机又分成手掘式、半机械式和机械式三种，这种盾构适用 3 于开挖面自稳定性好的围岩。当开挖面不能自稳定时，需要结合使用压气施工法等 辅助施工法，以防止开挖面坍塌。半开敞式是指挤压式盾构机，这种盾构机的特点 是在隔墙的某处设置可调节开口面积的排土口。密封式盾构机是在机械开挖式盾构 机内设置隔墙，将开挖土砂送入开挖面和隔墙间的刀盘腔内，由泥水压力和土压力 提供足以使开挖面稳定的压力，密封式盾构机又分成泥水式盾构机和土压式盾构机。 盾构法隧道衬砌在2 0 世纪3 0 年代前采用铸铁管片，自3 0 年代开始采用钢筋混 凝土预制管片。6 0 年代以来钢筋混凝土预制管片在世界各国得到更普遍的推广，衬 砌防水技术也相应地出现以弹性防水材料为主的新材料新工艺。由于盾构机械及衬 砌结构防水技术的不断发展，使盾构法在技术经济上的优越性和社会效益日益提高。 盾构施工中壁后注浆就是在隧道内将具有适当的早期及最终强度的材料，按规定的 注浆压力和注浆量，填入在推进盾构的同时或推进结束后即时产生的空隙内。壁后 注浆的目的大致可整理为以下三项，1 防止隧道周围地基变位( 主要由盾尾空隙引 起) ；2 提高隧道的止水性能：3 确保管片衬砌的早期稳定性( 使外力作用均匀) 。 1 2 3 泥水平衡盾构施工法简介1 4 i = 1 2 3 1 泥水平衡盾构施工法的主要构成 泥水平衡盾构是当前最先进的盾构法隧道施工技术，主要由盾构掘进系统、综 合管理系统、泥水处理系统、泥水输送系统和盾构壁后注浆系统五大系统组成。各 系统设计合理，操作规范方便，信息反馈能力极强，可自动实时采集盾构掘进的各 项数据、监控施工过程，很好的指导盾构施工。 一、盾构掘进系统 盾构掘进系统是进行掘进和完成管片拼装的主要设备。它包括泥水平衡盾构掘 进机和使其运转的动力设备、装载动力设备以及与掘进机同时前进的后方车架。泥 水平衡盾构掘进机组成见图1 1 和1 2 所示。盾构掘进机是一个体系复杂、技术含量 很高的现代化高科技设备。以上海大连路隧道施工中的采用日本的三菱11 2 2 0 m m 为例，其主要技术参数见表1 1 。 4 5m “曲千斤诗同$ 谴让孔 翳匿“ _ f ln 盘忻群月转辅气f e 舱睫摔器瓶堤瞒帆 国l - 1 泥水平衡盾构结构示意图 幽12 泥水平衡盾构刀盘结构 表1 1 泥水平衡盾构主要参数 名称技术参数名称技术多数 电动机? 5 k w x 外径 0 1 1 2 2 0 衄 旋转驱动 1 2 内径( 盾尾) 0 1 1 0 8 0 1 m 外径01 1 2 4 0 u 总长l l l 4 5 m 额定转速0 4 7 r p m 盾 构 盾尾密封装置3 道大额定力矩1 8 5 5 0 k n 后继台牟5 节刀 最高，j 矩 2 2 7 6 0 k n m 本 最大 盘 体 推进速度 仿形超挖刀01 15 【) o 柚 4 6 c i m j n l1 2 0 0 0 k n 行程1 5 0 a 设计总推力 超挖刀( 2 把)最大超挖量 3 5 0 0 k n 3 2 4 6 5 f j $ 举 土压计和 土体探测形式 重驱动形式液压油马达油压千斤顶式 装置 臂 测定部位盾构机头上部 i 旦i 转角度2 2 0 口 安装数羞4 套 拼平移行程 1 2 5 0 m m 叶片外径 1 2 0 0 0 搅拌机 装 提，卜行程 l ：圳岫 旋转速度 4 8 r m i n 装置 机 注浆口4 个搅拌扭矩6k n 注浆彤武取液浆长度 2 0 ) ( 呻 备 后构设有盾尾油脂肌注系统等辅助设备 注 二、综合管理系统 由于泥水平衡盾构法是用泥水加压密闭的开挖面，不能直观目视开挖面状态及 掘削状态，所以需要采用综合管理送排泥状态、开挖面泥水室压力和泥水处理设备 等运转状态来进行推测，以便及时处理突如其来得异常情况。泥水平衡盾构掘进管 理系统由自动计测子系统、输送管理子系统、同步注浆管理子系统和泥水管理子系 统等几部分组成，各系统主要通过设置在地面的中央控制室进行管理。其中，自动 计测子系统主要用于控制盾构姿态；输送管理子系统主要用于调节推进过程中的开 挖面稳定；同步注浆管理子系统主要用于管理盾构推进时的注浆量和注浆压力，及 时填充由盾构间隙等因素产生的建筑空隙，防止地面沉降：泥水管理子系统主要用 于测定泥水输送系统中的泥水指标，便于操作人员控制泥水质量；掘进管理系统主 要用于调节推进过程中的开挖面稳定，管理盾构推进时的注浆量和注浆压力，测定 泥水输送系统中的泥水指标和控制盾构姿态。掘进管理系统还能依靠设置在泥水管 道上的密度计及流量计，及时测定被挖掘土体的土砂量，并通过电脑快速显示当前 6 切口水压、送泥流量、派泥流量、送泥密度、排泥密度、千斤顶速度、刀盘力矩、 千斤顶顶力、注浆压力、注浆量、土砂量、干砂量、掘削时间和盾构平面、高程、 方位角、转角等实际施工参数。除此之外还能对这些参数进行存储和打印，并能对 实测数据进行数值回归和雷达坐标分析，为准确设定、调整各类施工参数和实现信 息化施工提供了条件。 三、泥水处理系统 泥水处理系统主要由泥水控制室、沉淀室、贮浆槽、新浆拌制槽、调整槽、剩 余槽、清水槽和泥水分离除砂器及清洁器等组成，它起着处理由盾构开挖面排出的 泥水和制造新鲜泥水的作用。经泥水处理站分离成土砂和泥水，将大颗粒的土砂排 弃而回收含有小颗粒的泥水，后者进入调整槽并按施工要求加入新浆进行调整，再 输送至盾构工作面，实现泥水循环。该系统配置了一整套泥水处理的操作程序，对 盾构排出的泥水自动进行分离、再生。如此循环往复、连续不断的为盾构掘进输送 新鲜泥水。盾构掘削下来的土砂形成混合泥水进入沉淀池，采用滤网将大泥块、卵 石等杂物隔离在外，实现初级分离。沉降池内运用气浮工艺，促使大直径颗粒加速 沉淀，实现一级分离。除砂器及清洁器实现二次分离，同时，专门设置弃浆系统。 图1 3 弃浆系统原理图 ? 壁 一一v y n 卜伊。 一 v v r 巾 7 件抽丫1l认甲111l 四、泥水输送系统 泥水输送系统是由一根送泥管、二根排泥管道、气压阀、送泥泵和排泥泵组成。 经泥水处理系统处理合格的泥水贮存在调整槽，通过设置在地面的泵送至井下。盾 构泥水压力舱内排出的高密度泥水，经分别安装在地面和隧道内的接力泵回送至泥 浆沉淀池再处理，见图1 4 所示。 图1 4 泥水输送系统原理图 五、盾构壁后注浆系统 盾构壁后注浆的目的是控制地表沉降，防止向管片内漏水，使土压力作用均匀 以及使管片的衬砌环早期稳定。一般在软土层中，对于地表沉降的控制是在盾构建 筑间隙发生的同时迅速注浆，在这里主要介绍一下同步注浆系统。泥水平衡盾构的 同步注浆系统采用双液单系统注浆方式。盾构推进的同时，由地面拌浆系统分别拌 制a 液( 膨润土、水泥、清水、和稳定剂拌制而成) 和b 液( 水玻璃) ，由泵输送 至井下中继贮存箱，利用压浆泵在注出口处经混合通过管片上的注浆孔注入土体， 及时填充建筑空隙，减小地面沉降，同时防止泥水后窜，同步注浆工艺流程见图1 5 所示： 8 图1 5 同步注浆工艺流程图 1 2 3 2 泥水平衡盾构的工作原理 泥水平衡盾构是通过在支撑环前面装置隔板的密封舱内，注入适当压力的泥浆 使其在开挖面形成泥膜，由泥膜支撑开挖面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土 体表层泥膜，进而与泥水混合后，形成高密度泥浆，由排泥泵及管道输送至地面处 理，整个过程通过建立在地面的中央控制室内的泥水平衡自动控制系统统一管理。 盾构掘进机设有操作步骤设定，各操作步骤间设有连锁装置，制约因失误操作而引 起的事故，施工安全可靠。 泥水平衡盾构的施工过程中，泥膜的形成至关重要。当泥水压力大于地下水压 力时，泥水按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，被捕获 并积聚于土壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成。随着时间的推移，泥膜的厚度不 断增加，渗透抵抗力逐渐增强。当泥膜抵抗力远大于正面土压力时，产生泥水平衡 效果。泥水平衡盾构施工整个工艺流程如图所示： 9 盾构基座及本件安装 前期准备r - f _ - 1 出洞土体地基加固 止水密封装置安装 同步注浆系统调试 泥水系统安装调试 掘进管珲系统调试 盾构掘进系统调试 出涧段l o o i 试推进i l 凿除洞门i l 后盾支撑体系建立i i 系统联机调试 正常段推进i l盾构进洞i i手孔封堵、隧道嵌缝l l 竣工验收 图1 6 泥水平衡盾构总体工艺流程图 1 2 3 3 泥水平衡盾构隧道施工的特点和适用范围 泥水平衡盾构是在机械掘削式的盾构前部后侧设置隔板，与刀盘之间形成泥水 压力密封舱，将加压泥水送入泥水压力密封舱。当泥水压力密封舱充满加压泥水后， 通过加压作用和压力保持机构来取得开挖面的稳定。盾构推进时，由旋转刀盘切削 下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高密度泥水，用流体输送方式送到地面。在地面 泥水处理场地，将泥水调整达到适合底层状态的指标后，又通过泥水输送泵经管路 输送到盾构开挖面泥水压力密封舱。泥水在稳定开挖面的同时，与刀盘切削下来的 土砂经搅拌机搅拌后形成浓泥水，由排泥泵经管路输送到地面处理。被送到地面的 泥水，根据泥沙颗粒直径，通过一次分离和二次分离设备将大颗粒土砂分离并排弃， 分离后的泥水送到调整槽再次调整，使其形成优质泥水再送到盾构工作面。泥水输 送系统和盾构掘进系统由盾构掘进管理系统进行综合统一管理。 泥水平衡盾构适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、砂砾层、卵石砂砾 层、砂砾和硬土的互层等地层，尤其适用于地层含水量大、上方有大水体的越江隧 道和海底隧道的施工。在处于恶劣的市政施工环境和存在地下水等不良工况条件下， 亦能使用本工法进行施工。随着施工技术的不断进步，泥水平衡盾构使用的范围不 断扩大，泥水平衡盾构施工法被认为几乎能使用于除岩石以外的所有地层。适合泥 水平衡盾构施工的具体地质情况有： 1 0 1 江、河、湖、海及运河等大水体下的地层 2 滞水砂层、滞水砾石层及其它松散地层； 3 施工区域内同时存在冲积层粘土和洪积层硬土两种土层； 4 滞水砂砾层和粘性土层的互层地层； 5 高水压层和高承压水层； 6 有大直径砾石的地层： 7 砾石直径不大，但砂砾石数量甚多的地层。 1 3 盾构施工对于周围环境的影响 盾构法隧道施工对于周围的环境影响是一个非常复杂的问题，结合盾构法隧道 施工过程和特点，在施工过程中，影响周围土体移动和地表沉降的原因主要可以归 纳为以下几点【5 1 3 】： 1 开挖面土体的移动：开挖面处刀盘切削土体，引起土体松动和坍塌，导致周 围土体应力状态发生变化。当开挖面支护压力大于或者小于静止土压力时周围土体 都会发生移动，引起地表沉降。 2 土体挤入盾尾孔隙：盾构壳半径小于刀盘半径，使得盾构机向前推进过程中， 盾构壳周围有间隙。当注浆不及时，或者压浆量不足，或者压浆压力不适当，都会 产生周围土体向空隙的移动，导致地表沉降。 3 千斤顶推动盾构壳向前移动，使得盾构壳与外围土体产生相对位移，盾构开 挖面前方土体和与盾构可接触的周围土体受到挤压而向前和四周移动。 4 土体与衬砌的相互作用：在周围土体的作用下，衬砌要产生变形，同时衬砌 对周围土体产生相反方向的作用力，土体位移是土体与衬砌相互作用的综合表现。 5 改变推进方向：盾构推进过程中的盾构纠偏、抬头前进、叩头前进、曲线推 进等因素使得实际开挖面形状大于设计开挖面，引起地层损失。 6 盾尾注浆：注浆压力一般大于隧道上覆土压力，使注浆区域周围土体向远离 隧道的方向移动，从而抵消上部土体的部分沉降，当注浆压力较大时也可能引起盾 构上方土层的隆起。 7 受扰动土体固结：盾构隧道周围土体施工扰动后，将形成超静孔隙水压力区。 当盾构离开该区后，超孔隙水压下降，孔隙水消散，引起地层沉降称之为主固结沉 降；随后，软粘土进一步产生蠕变，持续产生次固结沉降。 1 1 当土体位移超过一定范围时，会危及隧道结构本身以及邻近建构筑物、道路、 桩基和地下管线等的安全与正常使用，使邻近建筑和公用设施倾斜、扭曲等、从而 引起一系列环境效应问题。 1 4 盾构随道施工引起的环境效应研究现状 目前盾构隧道施工引起的土体变形问题在国内外已有大量研究，对土体沉降和 位移规律的认识也不断深入已有很多关于盾构施工对岩土环境的影响研究，大多集 中于地层变形和对邻近建筑物和管线的影响，在这些方面的研究已经取得大量的成 果。研究方法从经验公式法到半经验半解析法到理论计算方法再到数值模拟分析法， 研究范围从弹性、均质、各向同性假设求得的解析解到弹塑性、粘弹性、粘弹塑性、 各向异性的解析解或数值解，国内外学者们做了大量的工作。目前盾构隧道施工引 起土体位移的计算方法主要有经验法、理论分析方法、数值模拟方法和模型试验法 1 9 1 7 l 。 一、经验法 经验法主要是根据地表隧道开挖后地表沉降槽的形状，采用一定的曲线形式表 示，再根据地表沉降实测结果或已有的资料，确定曲线的具体特征参数。1 9 6 9 年， p e c k 1 8 1 基于大量盾构法施工的实践，提出了地层损失的概念和估算盾构法施工引起 地表沉降的实用方法，即著名的p e c k 公式，公式假定地表横向沉降槽曲线为正态分 布见图：，随后很多学者做了大量的工作，使之日臻完善，成为一种最常用的估算 盾构法正常施工的方法。 i离中心线距离x 沉降 图1 7 地表横向沉降槽曲线 1 2 式中 s ( ，) 一地层损失引起的地面沉降( 坍) ； 匕一盾构隧道单位长度地层损失( m 3 m ) ； x 一据隧道中心线的距离( m ) ； s m 双一距离中心线处地层损失引起的最大沉降量( 所) ； i 一沉降槽宽度( m ) ； ( 1 2 ) ( 1 3 ) z o 一隧道轴线埋深( 朋) c l o u g h 和s c h m i d t t 3 】( 1 9 7 4 ) 提出，饱和含水塑性粘土的地面沉降槽宽度系数f 可由如 下公式求取： 式中 z 一地面至隧道中心的深度 尺一隧道半径 去= c 争 ( 1 4 ) a t t e w e l l 等( 1 9 8 1 ) 也假定沉降槽曲线为正态分布，给出如下地表沉降经验公式【1 9 2 1 1 ： i i 嘲争 ( 1 5 ) r、2 r y = 风。 ( 1 6 ) 1 3 酽 ，l p x -， e = 纠雕也兰z n啪 南 曲 哪 & 式中 k 一地面最大沉降量 y 一沉降槽断面积 彳一隧道开挖断面积 k 、丹一与土体的性质和施工因素有关的系数( 可查表) e i s e n s t e i n 等( 1 9 9 2 ) 研究了泥水平衡盾构施工技术对地层的影响及其地层反应曲 线2 2 1 。国内众多学者也做了大量的工作，刘建航和侯学渊在总结归纳大量盾构法实 践的基础上，提出了负地层损失的概念。即由土体欠挖引起的地层损失就是负地层 损失。他们认为：盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的 重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。在此基础上，提出了他们预测地表纵向 的沉降公式【3 】： s 咿去 c 半忡c 半， + 法 矽c 孚忡c 孚， ( 1 7 ， 式中 v ，一盾构开挖面引起的地层损失，盾构欠挖便引起负的地层损失。 v i ，一盾构通过开挖面以后，以盾尾空隙压浆不足及盾构改变掘进方向为主的 所有施工因素引起的地层损失。 同济大学岩土工程系在p e c k 公式的基础上结合上海饱和软弱粘土层盾构施工 实践，对p e c k 公式进行了修正，认为隧道顶部和周围土体受挤压而产生超空隙水 压力的消散，必然使土层中的有效应力增加，从而引起固结沉降，提出了考虑土体 固结因素的修正p e c k 公式【2 3 1 。 跏力= 【喾l e x p ( 一斟丁 8 ， 式中 t ： 2 z pf( 1 9 ) = 一i l y ， ek ， 丁一超空隙水压力完全消散的时间； 1 4 k ，一隧道顶部土体加权平均的渗透系数； 可一隧道顶部超空隙水压力的平均值； 百一土骨架平均弹性模量； h 一埋深 周文波( 1 9 9 3 ) 编制了以上海地区软土隧道施工经验为基础的“盾构法施工对周围 环境的影响和防治专家系统用于地面沉陷研究【2 4 2 6 】。 二、理论分析方法 理论分析方法主要是采用弹塑形力学的解析理论，分析隧道的周围土体的应力 场和位移场。陶履彬和侯学渊等采用轴对称的平面应变弹性理论分析了圆形隧道的 应力场和位移场；孙钧等采用粘弹塑性理论对圆形隧道围岩和衬砌进行了粘弹塑分 析。众所周知，由于理论求解解析解的局限性，在理论分析时，需要作大量的简化， 只能对较简单的边界条件和初始条件做出解答，所以其应用范围受到极大的限制。 三、模型试验法 模型试验法一般通过土工离心机进行模型试验。由于土体本构关系的复杂性， 理论分析预测往往要做大量的简化，难以反映实际的土体本构关系。采取室内模型 试验可直接采取原状土进行试验，避免了这方面的困难，是一种行之有效的研究手 段。英国剑桥大学的学者k i m u r a 和m a i r 【2 7 1 等通过离心机模型试验对伦敦几种地层中 隧道施工所产生的地表沉降预测参数进行了研究，得出了地表位移的计算公式。 四、数值方法 如前所述，由于材料性质及边界条件的复杂性，上述各种方法，都没有较好的 反映隧道的实际施工过程，不能反映实际隧道施工力学特性。计算机科学的发展和 计算结构力学理论的完善促使人们采用数值方法来研究盾构法隧道施工的力学问 题，其中有限元法由于能适用于各种复杂的几何形体和边界条件，并且能够广泛适 用于各种材料性质而得到广泛应用。数值模拟方法最大的优点是能够模拟盾构法隧 道施工的全过程，能够对施工过程中各施工参数对土体的变形和地表沉降的影响做 出预测。 1 5 由于盾构法隧道施工的复杂性，与传统的新奥法隧道施工的数值模拟方法【2 8 1 相 比，采用数值方法进行盾构法隧道施工的力学研究还不是很完善。早期用来模拟盾 构法隧道施工的有限元模型主要采用二维模型，一般采用反转应力释放法对建成后 的隧道进行数值模拟。在这些模型中，盾构法隧道施工过程中各个阶段的模拟主要 采用改变加在隧道径向的应力边界条件来实现哟。3 羽。 由于二维模型没有考虑开挖面支撑压力的影响，不能真实的反映盾构法隧道施 工的实际过程，其应用往往受到很大的限制。鉴于二维模型的局限性，国内外广大 学者考虑采用三维模型来模拟盾构法隧道施工的全过程：t i t o 和h i s a t a k e ( 1 9 8 2 ) 用边 界元法分析了浅埋隧道掘进引起的三维地面沉降，考虑了掘进速度、隧道开挖面位 置的影响【3 3 】：r o w e 和l e e 发展了一种用于模拟施工工序、后继地层位移、开挖面 周围和地表应力状态对地表沉陷影响的三维弹塑性有限元方法【3 4 - 3 8 1 ；a b u f a r s a k h 和t u m a y ( 1 9 9 9 ) 对盾构施工过程中静止土压力系数、开挖面压力和上覆土厚度等参 数对地表沉降的影响进行了分析1 3 9 j ；王敏强( 2 0 0 2 ) 用刚度迁移法模拟盾构前进过 程，采用权刚度修正g o o d m a n 单元考虑两种材料的混和接触刚度，对盾构法隧道施 工进行了仿真模拟【4 0 】；王宗飞( 2 0 0 3 ) 和李园( 2 0 0 4 ) 分别采用a b a q u s 对天津地 铁德土压平衡盾构施工工程进行了三维仿真模拟 4 1 , 4 2 。张海波( 2 0 0 5 ) 提出在盾构 开挖面前方设置开挖卸荷单元，通过施加已知节点位移模拟刀盘超挖和盾尾脱空引 起的地层损失，并且设置三维g o o d m a n 接触单元来模拟盾构前行、盾尾脱空及注浆 作用下土体与衬砌间的接触来模拟盾构法隧道施工的全过程阳】；王宁( 2 0 0 5 ) 提出 用刚度迁移法，采用土体扰动带来模拟盾构施工对土体的扰动，采用降低土体刚度 的方法来模拟管片脱出盾尾时引起土体的变形，对盾构法隧道施工全过程进行了三 维有限元仿真模拟分析【删：张志强( 2 0 0 5 ) 采用通用有限元软件a n s y s 对南京地铁 区间盾构隧道工程进行了三维非线性仿真模拟 4 5 1 ；t h o m a sk a s p e r ( 2 0 0 6 ) 考虑了在 浅覆土条件下开挖面压力、注浆压力、盾构机的重量对地表沉降的影响分析【4 6 1 ；丁 峻宏( 2 0 0 7 ) 基于并行计算对盾构隧道的施工过程进行了三维仿真模拟分析【47 1 。此 外，赵华松对盾构法隧道施工力学分析进行了软件开发 4 8 】。 1 5 本文的研究方法和工作 本文在总结前人提出的各种仿真模型的基础上，以上海市长江隧道东线超大型 泥水平衡盾构隧道工程为依托，建立了模拟超大型泥水平衡盾构施工过程的三维非 1 6 线性准动态仿真模型。为了准确反映超大型泥水平衡盾构在开挖过程中的施工力学 效应，模型重点考虑了一下几个方面：( 1 ) 采用三维仿真模型全面反映盾构开挖的 三维空间效应； ( 2 ) 针对长江隧道工程实际的地质情况，采用d r u c k e r p r a g e r 弹塑 性本构模型反映土体的非线性性质；( 3 ) 通过在盾构和土体之间设定接触单元，模 拟土体和盾构之间的相互作用；( 4 ) 通过在土体和浆体，浆体和管片之间建立多点 约束( m p c ) 模拟土体、浆体、管片之间的相互作用，整个模型采用非线性通用有 限元软件a b a q u s 自动实现。在上述模型的基础上，全文在以下几个方面展开研 究： 1 结合上海长江隧道工程，对超大型泥水平衡盾构的施工过程进行了三维非线性仿 真模拟，仿真模拟结果与现场原位实测数据做了对比，对比结果证实了本文提出方 法的有效性。 2 研究了超大型泥水平衡盾构施工过程中各重要施工参数对于地表沉降的影响，对 上覆土厚度、泥水压力、注浆压力对地表沉降的影响进行了单因素分析、为超大型 泥水平衡盾构的施工过程提供了建议。 3 对超大型泥水平衡盾构通过浦东防汛大堤的施工过程进行了三维非线性仿真模 拟，结合工程实测数据分析了盾构在穿越浦东防汛大堤的过程中地表沉降的规律。 1 7 第二章泥水平衡盾构施工三维非线性模拟的仿真模型 2 1 有限元法基本理论简介【4 9 捌1 2 l 1 有限单元法的发展概况 从1 9 6 5 年第一次出现“有限元”这个名词，到7 0 年代美国第一个有限元结构分 析系统s a p 问世，整整一代人在这方面做了艰苦卓绝的努力，已经形成了若干国际 上著名的大型计算力学系统，解决了成千上万的工程问题，为科学技术的发展和工 程应用做出了重要的贡献。在国外，有限单元法在5 0 年代起源于航空工程中的飞机 结构应力分析。6 0 年代初，许多数学和力学工作者参加了有限单元法的研究，建立 了它的理论基础，使有限单元法得到了很大的发展。在我国，6 0 年代初，著名数学 家冯康教授和他的研究组提出了一种以基于变分原理的有限差分近似方法，为偏微 分方程求近似解开辟了新的道路，并在严密的数学基础上证明了它的收敛性、稳定 性和误差估计。同时还编制了程序，并成功的解决了刘家峡水坝的应力分析和其它 一些课题，这个方法就是人们现在所熟知的有限单元法。 6 0 年代有限单元法在土工中得到应用。由于它能较容易地处理分析域的复杂形 状及边界条件、材料的物理非线性和几何非线性性状，所以其应用发展非常快，在 土工固结、稳定和变形分析等各个领域得到广泛应用。该法被用于分析浅基础、桩 基础及各类深基础、挡土墙、堤坝、基础基坑和隧道等各类岩土工程问题。不仅用 于分析静力问题、动力问题、抗震分析，还用于分析上部结构、基础和地基的耦合 作用，它已成为土工数值分析的主要手段之一。有限单元法的主要优点是它有极强 的适用性，应用范围相当广泛。它可以分析非均质材料，各向异性材料和非线性应 力应变关系的结构，也可以处理复杂边界条件等难题。此外，有限单元法概念浅近 易懂，容易掌握。它可以在不同水平上去理解，既可以用直观的物理途径来掌握这 一方法，也可以建立严格的数学解释。 2 1 2 有限单元法的基本原理和基本步骤 有限单元法是一种求解偏微分方程的数值方法，设想把连续体分割成有限个单 元，使其在节点上相互连接，即以一个单元集合体来替代连续体，把作用在单元上 的力等效地作用到节点上，每个单元选择一个形函数来表示位移分量的分布规律， 1 8 按变分原理建立单元的节点力与节点位移的关系式，然后根据节点平衡条件，把所 有的单元关系集合形成一组以节点位移为未知量的代数方程组，求解得到各节点位 移，进而求得各个单元的应力和应变。有限单元法的数学基础为分割近似原理，例 如求曲线围成的面积，我们可以采用分段以直代曲的方法来求其近似值。分割越细， 结果越精确。同样地，有限单元法把连续体分割成许多小单元，这些小单元可选用 简单的位移分布函数。分割的网格越细，结果越精确。因此有限单元法可以分析许 多复杂的问题，只要剖分的网格足够的小，一般就能得到满意的精度。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只 是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问 题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域；第二步： 求解域离散化。将求解域近似分为具有有限个不同大小和形状且彼此相连的有