（岩土工程专业论文）软土地层泥水平衡盾构施工数值模拟分析.pdf

四j 1 1 大学硕士举位论文 软土地层泥水平衡盾构旋工数值模拟分析 裟工稷专业 研究生：孙褥梅撂警教耀：佟骞荣教绶 攮要 资源与巧境是_ 蓬赛各瀑发震掰瑟夔黪芡弱嗣题。隧着天墨豹蹭燕，城泰纯 进程的加快，向地下要空间、要土地成为社会发展的必然趋势。城市隧道的发 矮不仅霹淡鳃决嚣我缄泰熟天日翔挤、羹羹黼交通紧张等翅惩，还霹戳节绞宝贵 的土地资源。盾构法隧道施工技术具有智能化、安全、快捷等特点，因此，软 主地区采焉薅褥法藏工稳筑逡下隧道成为警今城露恁发葳豹必熬趋势。滗承平 衡盾构施工法作为当今盾构在软土地层中修建隧道的最先进的施工技术，在我 蓬墨翁爨处于起步除莰。嚣诧，总结泥水平衡詹麴施工鼓术，不经为未来开工 建设的类似隧道工程提供重要参考，而且也对提高我国盾构施工技术水平具有 重要豹现实意义。 从实际王程大爨监测成果反馈和目前的研究现状看，刀盘前方开挖蕊的稳 定性淘题是游汞平鬻蓐褐鬟论串最为重要静课题。由于刃盘开挖獗的受力倩嚣 是随_ 土层性质、地下水情况、隧道墁深的不同而肖很大的差异，本文先对泥水 平衡詹构施誓鹩几种典鍪l i 层静稳定往进行理论分析，然后参考艇肉模黧试验 成果并按照目前广泛采用的数值分析方法研究不同工况条件下开挖面的稳定 性。零文研究成采表明，当对刃盘征面土联施加的泥水舔力与理论计算静止土 压力接近时，刀盘破面土层发生不稳定( 甚至坍落) 的可能性会晟著减小，“有一 利予刃盘正面土层稳定。 羼构施王必须考虑到对周围环境的影响，盾尾建筑空隙是造成隧道地层位 移豹一个主要影响因素。本文针对爝尾建筑空隙( 不考虑时闻效殿的情况下) 。 通过慰地层中地下隧洞的蠼深，以及隧洞与l 凝近建筑物的距离对地面建筑毖和 西俐大学礴十攀能论文 隧道顶部她蕊沉酶的影响进行数值模拟分析，探i _ , - t - r 隧道域深造成的地寝沉降 麴影确规镣，教及魏下隧道辩熄表麓筑物沉降韵影响范围。 关键诩：泥水乎缴詹梅艨构隧邀地袭沆降土压力数值摸拟 珏 聪川大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h es p b s h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o ni ns o f t s o i ls t r a t u m s m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：s u nl i m e i t u t o r ：p r o f h ec h a n g r o n g a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ep o p u l a t i o na n dt h ed e v e l o p p i n go fc i t i e s ， r e s o u r c ee n de n v i r o n m e n ta r et h ec o o np r o b l e m st h a te v e r yc o u n t r yi s f a c i n g i t sn e c e s s a r yt oa s k f o rs p a c ef r o mu n d e r g r o u n d t h ed e v e l o p - - m e n to fu r b a nt u n n e lc a ns o l v et h ep r o b l e m so fp o p 辞l a 主o ne x p l o s i o n , s u b a e r i a lt r a f f i cj a m ，e t c ，a n de 8 穗e c o n o m i z ec o s t f u ls o i lr e s o u r c e b e c a u s eo fs h i e l dd r i v e nm e t h o d su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e s s u c ha si n t e l l i g e n c e ，s a f e t ya n dq u i c k n e s s ，e t c i ti sn e c e s s a r yt oc o n - - s t r u c tu n 如r g r o u n dt u n n e li nr e l a t i v e l yw e a ks t a t u mb yi t s p bs h i e l d i st h em o s ta d v a n c e dc o n s t r u c t i o nm e t h o do fc o n s t r u c t i n gu n d e r g r o u n d t u n n e li nr e l a t i v e l yw e a ks t a t u m ，b u ti ti s i np r i m a r ys t a g ei no u r c o u n t r y 。s o s u m m a r i z i n gs p bs h i e l dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sp r a c t i c a l t oe n h a n c eo u rc o u n t r y 8s h i e l dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n de 8 np r o v i d s o l n er e f e r e n c e st oo t h e rsi m il a rp r o j e c t s 。 o nt h eb a s eo ft h er e v i e wo fa n t e c e d e dr e s e a r c hr e s u l t sa n di n - s i t u m o n i t o r i n gr e s u l t s ，t h ei m p o r t a n c eo ft h es t a b i l i t yo fe x c a v a t i o n s u r f a c ew a sr e e o g n i z e d p r e s s u r es t a t u si ne x c a v a t i o ns u r f a c ed i f f e r s w h e nt h eg e o l o g i c a lc o 嬲i t i o n 、w a t e rt a b l eo rt h eb u r i a ld e p t ho ft u n n e l c h a n g e s t h ea u t h e ra n a l y s i sd i f f e r e n ts o i ls t r a t u m ss t a b i l i t yi n t h e o r y ，a n ds t 嬲y $ t 蘸i l i t yi n e x c a v a t i o ns u r f a c eu n d e rd i f f e r e n t 避 霸吲太学硕士学铤论文 c o n s t r u c t i o ns t a t u sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o m 脚t h es t u d y ，t h ef o ll o w i n g c o n c l u s i o nw e r ec o n c l u d e d ：w h e nt h e8 l u r r yp r e s s u r ei se q u a lt ot h e s t a t i ce a r t hp r e s s u r ea p p r o x i m a t e l y ，t h e s o lls t a t u sb e f o r et h e e x c a v a t i o ns u r f a c ec o l l a p s es c a r c e l y ，t h i si n d i c a t et h a te n a c ts l u r r y p r e s s t l r es u c ht h u si sr e a s o n a b l e 。 s h i e i dt u n n e lc o n s t r u c t i o nm u s tt h i n ka b o u tt h ei n f l u e n c et o s u r r o u n d i n g 。t h eg a po ft h es h i e l dt a i li sap r i m a r yi n f l u e n c ef a c t e r t h e a u t h o rc o n s i d e r e dt h eg a po ft h es h i e l dt a i la n di g n o r e dt i m ee f f e c t ， d i s c u s s e dt h es o i ld i s p l a c e m e n tr u l e sc o n d u c e db yd i f f e r e n tb u r i a ld e p t h a n dt h ei n c i d e n c e 黯yw o r d s ：s p bs h i e l d , s h i e t dt u n n e l ，s o i ld i s p a c e m e n t ，e a r t hp r e s s u r e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t 、 l 卢 1 概论 1 1 盾构施工工艺简介 1 1 1 盾构施工法的发展历史 盾构施工法是使用盾构机在地下掘进，在防止开挖面土砂坍塌的同时在机 内安全地进行开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工法。盾构施工法是 由稳定开挖面、盾构机挖掘和盾尾衬砌三大要索组成。盾构施工法由英国的布 鲁诺尔( b r u n e l ) 于1 8 1 8 年由蛆虫腐蛀船底成洞受到启发而研究提出的“1 。并 于1 8 4 3 年在伦敦泰晤士河下用手掘式矩形盾构完成了全长4 5 8 米的第一条盾构 法隧道。二十世纪初，盾构法已在美、日、英、德、法、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及相 应的工艺和配套设备强1 。 我国的盾构掘进机制造和应用始于1 9 6 3 年，上海隧道工程公司结合上海软 土地层研制了l 台直径4 2 m 的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道 掘进长度6 8 m 1 。盾构施工技术在我国发展迅速，在北京、上海、广州等地下 铁道、排水隧道工程中应用了盾构施工并取得成功。九十年代以来，我们已成 功地研制了西3 8 m 一6 3 4 m 的土压平衡隧道掘进机l o 余台，技术水平已接近国 际先进，用于地铁隧道、引排水隧道、电缆隧道工程# 在导向技术、监控技术 方面的研究也达到了国际先进。最近，上海已研制了国内第一台3 8 m x 3 8 m 组合刀盘土压平衡矩形盾构；北京首台加泥式土压平衡盾构机一”京盾一号”也 在研制并试运转成功“；广州生产的盾构机已经达到日掘进3 0 米的记录。表明 我国在盾构隧道的开发研究方面已进入世界行列。 1 。1 2 盾构施工工艺 构成盾构法的主要内容是：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钢简结构或矩形、马蹄形等异形结构，在钢筒结构的 四川大学硕士学位论文 前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内面安装顶进所 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、矩形及马蹄形等异形结构，但圆形断面使用 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。 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。具体划分如下昭1 ：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，由泥水压力或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。 泥水式盾构机是在机械式盾构机的前部设置隔墙，装备刀盘面板、输送泥 浆的送排泥管和推进盾构机的盾构千斤项。在地面上还配有分离排出泥浆的泥 浆处理设备。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水室内，在开挖面由泥浆形成不透 水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以对抗开挖面的开挖土压力和水压力。开 挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过处理设备离析为土粒和泥水，分离后的 泥水进行质量调整，再输送到开挖面。由于不能用目视直接检查开挖面围岩状 态，所以采用一系列掘进管理系统进行集中管理。一般泥浆处理设备设在地面， 比其它施工方法需要更大的用地面积。泥水式盾构机适用的地质范围很大，从 软弱砂质土层到砂砾都可以使用嘲。 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 绪论 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嘲。 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，防止隧道周围地基变位( 主 要由盾尾空隙引起) ：提高隧道的止水性能；确保管片衬砌的早期稳定性( 使 外力作用均匀) 嘲。 1 2 泥水平衡盾构施工基本原理 1 2 1 泥水平衡盾构系统简介“ 1 泥水平衡盾构施工是当今最先进的盾构法施工技术，主要由盾构掘进系统、 泥水加压和循环系统、综合管理系统、泥水分离处理系统和同步注浆等五大系 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，并及时加以分析总结，以指导盾构施工。 1 2 1 1 盾构掘进系统 盾构掘进机系统是进行掘进和完成管片拼装的主要设备。盾构刀盘二侧设 有2 把仿形超挖刀。另外，盾构掘进机还设有土层探查装置和牵引千斤顶。盾 构掘进机结构组成见图1 i 。 盾构掘进机是一个体系复杂、技术含量高的现代高科技设备。以上海大连 路隧道施工中采用的日本三菱0 1 1 2 2 0 m m 为例( 盾构刀盘结构见图1 2 ) ，其主 要技术参数见表1 1 。 3 四川大学硕士学位论文 图1 1 泥水平衡式盾构结构示意图 图1 2 大连路隧道西线所采用的q t 1 2 2 0 m m 泥水平衡盾构刀盘结构 4 表1 ： 泥水平衡盾构主要技术参数( 日本三菱0 11 2 2 0 r i i 。泥水平衡盾构) 名称技术参数名称技术参数 电动机7 5 k , 外径0 1 1 2 2 0 咖旋转驱动 1 2 内径( 盾尾)0 1 1 0 8 0 姗外径a1 1 2 4 0 n m 总长 1 1 1 4 5 r a m 额定转速0 4 7 r p m 盾 盾尾密封装置3 道大额定力矩1 8 5 5 0 k n m 构 后继台车6 节 刀 最高力矩 2 2 7 6 0 k n m 本 最大 盘 体 推进速度仿形超挖刀01 1 5 0 0 m 4 6 e r a r a i n 行程1 5 0 咖 1 1 2 0 0 0 k n 设计总推力超挖刀( 2 把)最大超挖量 3 5 0 0 k n x 3 2 4 6 5 m 3 环 誊 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 回转角度 士2 2 0 。安装数量4 套 拼平移行程1 2 5 0 m叶片外径1 2 0 0 m 搅拌机 装提升行程1 3 0 0 哪旋转速度 4 8 r r a i n 装置 机注浆口4 个搅拌扭矩6k n m 注浆形式双液浆长度 2 0 0 0 r a m 备 盾构设有盾尾油脂加注系统等辅助设备 注 1 2 1 2 综合管理系统 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( 该部分操作的好坏将直接影 5 四川大学硕士学位论文 响地面沉降) ；同步注浆管理子系统主要用于管理盾构推进时的双液注浆量和注 浆压力，及时填充由盾尾间隙等因素产生的建筑空隙，防止地面沉陷；泥水管 理予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 双液注浆量和注浆压力，测定泥水输送系统中的泥水指标和控制盾构姿态控制。 掘进管理系统还能依靠设置在泥水管路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切口水压、送泥流量、排泥流量、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可能。 1 2 1 3 泥水处理系统 如果将泥水盾构比喻成一个人的身体，中央控制室则是人的大脑，泥水则 如同人体内的血液，而泥水处理站就是造血器官，必须具备良好的造血功能， 以满足盾构掘进的需要。 泥水处理系统主要由泥水控制室、沉淀池、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，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( 必要时可直接加c m c 浆液) 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、连续不断地为盾构掘进输送新鲜泥水。 工艺流程： 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。沉淀池内运用气浮工艺，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级分离，同时，专门设置弃浆 6 图1 3 弃浆系统原理图 1 2 1 4 泥水输送系统 泥水输送系统是由1 根0 1 2 ”送泥管、2 根0 8 ”排泥管道、气压阀、送泥泵 和排泥泵等组成。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p 。泵或p h 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 。 1 2 1 5 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。在盾构推进的同 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，及时充填建筑空隙，减小地面沉陷，同时防止 泥水后窜。同步注浆工艺流程见图1 5 。 7 四川大学硕士学位论文 1 4 泥水输送系统原理图 图i 5 同步注浆工艺流程图 s 绪论 1 2 2 主要特点 泥水平衡式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m 。 在地面泥水处理场地，将泥水调整达到适合地层状态的指标后，由泥水输 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，根据泥砂颗粒直径，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。 1 f 2 3 适用土层范围 泥水平衡式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 体的越江隧道或海底隧道的施工。在处于恶劣的市政施工环境和存在地下水( 尤 其是高承压水) 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，泥水平衡盾构适用的范围不断扩大，泥水平衡盾构工法被认为几 乎能适用于除岩石以外的所有地层“1 。 适合泥水平衡式盾构施工的具体地质情况有： ( 1 ) 隧道上方有江、河、湖、海等大水体的地层； ( 2 ) 粘性土、砂性土、粉土等多层互层构成的地层； ( 3 ) 滞水砂层、滞水砾石层及其他松散地层； ( 4 ) 有高水压层和高承压水的地层； ( 5 ) 有大直径砾石或砾石直径不大但砾石数量多的地层。 9 四川大学硕士学位论文 1 2 4 工作原理 泥水平衡盾构是通过在支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的 泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，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，形成商密度泥浆，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，各操作步骤间设有联锁装置，制约因失 误操作而引起的事故，施工安全可靠。 在泥水平衡的理论中，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，在“阻 塞”和“架桥”效应的作用下，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，从而 形成泥膜。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时，产生泥水平衡效果m 。 1 2 5 工艺流程 泥水平衡盾构整个工艺流程如图1 6 所示。 1 3 盾构施工对周围环境的影响 隧道盾构掘进施工过程中，周围土体受到的扰动主要表现为其应力状态和 应变状态的变化。应力状态的变化是指总应力和孔隙水压力的改变，总应力变 化足由于开挖卸荷和土拱作用引起的；孔隙水压力的变化则是由于盾构掘进过 程中土体受挤压作用后地下水位变化引起的。应力扰动也是土体应变状态改变 的主要因素之一。土体应变状态的改变是由于应力扰动引起的土体压缩和弹塑 性变形，以及土体蠕变产生的时效应变。r o m o 例总结了软土地层隧道施工引起 土体应变状态变化的扰动因素：( 1 ) 隧道作业面附近的应力变化；( 2 ) 盾构掘进 时盾构与土体间的剪应力；( 3 ) 隧道支护和注浆引起土体的径向位移；( 4 ) 隧道 开挖引起土体扰动固结变形；( 5 ) 衬砌层的收敛变形；( 6 ) 上覆浅层土体的稳态 流变等。通过比较分析，认为地表位移与土层状况、覆盖层厚度、隧道直径、 盾构结构种类、施工条件、盾尾空隙以及回填注浆等诸因素密切相关“ h i 。 1 0 图1 6 泥水平衡式盾构施工工艺流程图 1 3 1 隧道盾构掘进对土体应力状态的影响 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，使周围土体出现卸载加载等复杂的力学行为，土体的极限平衡状态受到 破坏，从而对土体产生扰动，引起地层变形。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的应力路径不同。， 盾构前进靠后座千斤顶的推力，只有盾构千斤顶有足够的力量克服前进过 程中所遇到的各种阻力，盾构才能前进，同时这些阻力反作用于土体，产生土 体附加应力n ”。 引起土体扰动的阻力主要为：盾构机外壳与周围土体的摩擦力片，开挖面 土体的主动土压力尼，管片和盾尾之间的摩擦力层，盾构机与配套车架间的 摩擦力月，切口切入土层的阻力尼等，千斤顶总推力7 片+ e + f ，+ f + f s 时，盾构前沿土体经历加载ao p ，并产生弹塑性变形。土体受到扰动影响的范 围如图1 7 所示，其中虚线所围的截圆锥体为挤压扰动影响范围，区土体应 四川大学硕士学位论文 力状态末发生改变，土体的水平、垂直应力分别为盯“，盯，。由于推力引起土 体挤压加载，区和区土体承受很大的挤压变形，区“，盯，均有增加， 区只有吼有增加，区土体受到大刀盘切削搅拌的影响，处于十分复杂的 应力状态，如支撑不及时，开挖面应力松弛，水平应力减少，反之，如果开挖 面体支撑应力过大，水平应力可能增加。当千斤顶总推力7 1 表示失稳) 四川大学硕士学位论文 3 3 3 开挖面不同泥水压力设定下的数值分析 在泥水平衡盾构理论中，为了防止刀盘开挖面出现显著的塑性应变和不稳 定现象，需要通过盾构前部泥水舱内设定一定的泥水压力来稳定刀盘开挖面地 层。结合前述的开挖面坍落数值分析计算可以得知，要使得刀盘开挖面土层不 发生塑性应变或产生塑性应变的范围较小，需要在刀盘正面设定合理的泥水压 力以平衡正面土层，防止开挖面正面土层发生坍塌以保证盾构掘进的顺利进行。 由土压力理论知道，根据盾构掘进的施工特点，刀盘正面土层的土压力计 算可以包括静止土压力，主动土压力和被动土压力。从理论上讲，对于稳定刀 盘正面土层而言，泥水压力的设定值与静止土压力保持一致是最为有利的。为 了说明问题，进行数值模拟设定刀盘正面泥水压力时，分别按静止土压力、主 动土压力和被动土压力三种方式进行数值模拟分析，以分析按不同土压力计算 对稳定刀盘正面土层的效果。就i 轲述模型和相应的地层物理力学参数而言，取 埋深1 8 mm 况进行分析，盾构中心点位置的土压力计算值分别为：静止土压力 1 7 0 k p a 、主动土压力7 0 k p a 、被动土压力4 1 0 k p a 。 ( 1 ) 泥水压力按静止土压力设定时 刀盘正面泥水压力按静止土压力计算值时，计算的各应力分量色谱图如图 3 1 8 图3 2 0 所示由图3 1 8 图3 2 0 可以看出，按静止土压力计算值设定的 泥水压力计算的各应力分量与地层未开挖前的初始应力仍有较大的差异。这主 要是由于地层开挖后，盾构位置的材料特性与原地层材料特性差异显著的特性， 从而使得盾构周围地层应力也相应的进行调整。但是对比刀盘正面无泥水压力 时的应力分布特征( 图3 1 3 图3 1 5 ) ，在刀盘正面设定静止土压力计算值时， 刀盘正面地层的应力松弛现象有所好转。 而当刀盘正面的泥水压力设定为静止土压力计算值时，刀盘正面地层的塑 性应变区( 图3 2 1 ) 和应力比大于1 的不稳定区( 图3 2 2 ) 却很小，由图3 2 l 和图3 2 2 可以看出，主要集中在盾构材料的周围，尤其是盾构下部，主要是由 于盾构位置的材料特性与原地层材料特性差异显著，且壳体单元的刚度大阻止 了变形导致。这说明当对刀盘正面土层施加的泥水压力与静止土压力计算值接 近对，刀盘正面土层发生不稳定( 甚至坍落) 的可能性会显著减小，有利于刀 盘正面土层稳定。 刀盘开挖面稳定性数值分析 图3 1 8 盾构开挖后地层的口，( 垂直盾构方向) 色谱图 ( 图中应力负为压，正为拉，单位k p a ) 图3 1 9 盾构开挖后地层的0 ，( 垂直方向) 色谱图 ( 图中应力负为压，正为拉，单位k p a ) 四川大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ - _ - _ 一 图3 2 0 盾构开挖后地层的口。( 盾构轴向方向) 色谱图 ( 图中应力负为压，正为拉。单位k p a ) 图3 2 1 盾构开挖后地层的等效塑性应变色谱图 刀盘开挖面稳定性数值分析 图3 2 2 盾构开挖后地层的应力比s a r t 色谱图( 1 表示失稳) ( 2 ) 泥水压力按主动土压力设定时 刀盘正面泥水压力按主动土压力计算值设定时，计算的各应力分量色谱图 如图3 2 3 图3 2 5 所示 由图3 2 3 图3 2 5 可以看出，按主动土压力计算值设定的泥水压力计算的 各应力分量色谱图表明，虽然各应力分量的应力松弛较开挖面无泥水压力作用 时有所好转，但是与按静止土压力设定的泥水压力相比，其应力松弛仍然较大， 不利于开挖面的稳定。 四川大学硕士学位论文 图3 2 3 盾构开挖后地层的口，( 垂直盾构方向) 色谱图 ( 图中应力负为压，正为拉，单位n p a ) 图3 2 4 盾构开挖后地层的口，( 垂直方向) 色谱图 ( 图中应力负为压，正为拉，单位m p a ) 4 8 翌壅茎丝里兰塞竺塾堡坌塑 图3 2 5 盾构开挖后地层的口，( 盾构轴向方向) 色谱图 ( 图中应力负为压，正为拉，单位m p a ) 图3 2 6 盾构开挖后地层的等效塑性应变色谱图 四川大学硕士学位论文 圈3 2 7 盾构开挖后地层的应力比s a r t 色谱图( 1 表示失稳) 结合计算获得的塑性应变分布范围和应力比分布色谱图可以看出，当刀盘 正面的泥水压力设定为主动土压力计算值时，虽然比刀盘正面无泥水压力计算 的结果( 图3 1 6 和图3 1 7 ) 相比有所好转，但刀盘正面地层的塑性应变区( 图 3 2 6 ) 和应力比大于l 的不稳定区( 图3 2 7 ) 却仍较大。这也进一步表明泥水 压力设定值偏小时，刀盘正面土层将会向盾构内发生显著的位移，不利于刀盘 开挖面地层的稳定。 ( 3 ) 泥水压力按被动土压力设定时 刀盘正面泥水压力按被动土压力计算值设定时，计算的各应力分量色谱图 如图3 2 8 图3 3 0 所示。由图3 2 8 图3 3 0 可以看出，按被动土压力计算值 设定的泥水压力计算的各应力分量色谱图表明，地层各应力分量较无泥水压力 作用时，应力集中现象有所增加。 、刀盘开挖面稳定性数值分析 l 一 图3 2 8 盾构开挖后地层的口，( 垂直盾构方向) 色谱图 ( 图中应力负为压，正为拉，单位k p a ) 图3 2 9 盾构开挖后地层的0 ，( 垂直盾构方向) 色谱图 ( 图中应力负为压，正为拉，单位k p a ) 5 t 四川大学硕士学位论文 图3 3 0 盾构开挖后地层的口，( 盾构轴向方向) 色谱图 ( 图中应力负为压，正为拉，单位k p a ) 图3 3 1 盾构开挖后地层的等效塑性应变色谱图 刀盘开挖面稳定性数值分析 图3 3 2 盾构开挖后地层的应力比s a r t 色谱图( 1 表示失稳) 虽然就地层应力状态来讲，泥水压力设定值按被动土压力计算值设定时， 开挖面不再出现应力松弛现象，对于开挖面地层的稳定有利，这可以从塑性区 分布( 图3 3 1 ) 和应力比色谱图( 图3 3 2 ) 看出。但是也需要指出，开挖面泥 水压力设置过大时，将会导致开挖面挤压作用显著，刀盘切削作用将会大大降 低，除此之外，还会因泥水压力过大而导致地表隆起显著。 ( 4 ) 为了分析开挖后对开挖面前方土体稳定的影响，在距离开挖面4 m 、l o m 和1 4 m 处分别截取三个断面，给出几个断面的应力比s a r t 色谱图，通过应力比 s a r t 色谱图分析盾构开挖对土体的影响范围。 四川大学硕士学位论文 图3 3 盾构开挖后开挖面前方4 m 处地层断面应力比s r t 色谱图( 无泥水压力) 图3 4 盾构开挖后开挖面前方l0 i l i 处地层断面应力比s a r t 色谱图( 无泥水压力) 翌墨茎竺里堡塞竺塑堡坌塑 图3 5 盾构开挖后开挖面前方14 i l i 处地层断面应力比s a r t 色谱图( 无泥水压力) 图3 6 盾构开挖后开挖面前方4 i i i 处地层断面应力比s a r t 色谱图( 静止土压力) 四川大学硕士学位论文 图3 7 盾构开挖后开挖面前方l o m 处地层断面应力比s r t 色谱图( 静止土压力) 盾构开挖后开挖面前方1 4 m 处地层断面应力比s a r t 色谱图( 静止土压力) 刀盘开挖面稳定性数值分析 图3 9 盾构开挖后开挖面前方4 i i 处地层断面应力比s a r t 色谱图( 主动土压力) 图4 0 盾构开挖后开挖面前方1 0 1 1 1 处地层断面应力比s a r t 色谱图( 主动土压力) 四川大学硕士学位论文 图4 1 盾构开挖后开挖面前方1 4 m 处地层断面应力比s a r t 色谱图( 主动土压力) 图4 2 盾构开挖后开挖面前方4 i i i 处地层断面应力比$ a r t 色谱图( 被动土压力) 刀盘开挖面稳定性数值分析 图4 3 盾构开挖后开挖面前方l o m 处地层断面应力比s a r t 色谱图( 被动土压力) 图4 4 盾构开挖后开挖面前方1 4 m 处地层断面应力比s a r t 色谱图( 被动土压力) 四川大学硕士学位论文 图3 3 3 5 、图3 6 3 8 、图3 9 4 1 和图4 2 - - 4 4 分别给出了无泥水压力作用、 按静止土压力设定泥水压力、按主动土压力设定泥水压力和按被动土压力设定 泥水压力工况下几个断面的应力比s a r t 色谱图。( a ) 由图3 3 3 5 可以看出， 随着断面与开挖面距离的增大，应力比s a r t 值逐渐减小，距离1 4 m 时，断面上 应力比s a r t 的最大值为1 4 4 1 ，且仅有局部区域的应力比s a r t 值是大于l 的， 说明无泥水压力作用时开挖对开挖面前方约1 4 m 范围内的土体影响较大，超过 1 4 m 范围的土体基本不会产生失稳现象。( b ) 由图3 6 3 8 可以看出，随着断面 与开挖面距离的增大，应力比s a r t 值也逐渐减小，按静止土压力设定泥水压力 时，与开挖面距离4 m 的断面上应力比s a r t 的最大值为1 1 2 4 ，该断面上大部 分区域的应力比s a r t 值小于l ，而距离l o r e 和1 4 m 的断面应力比s a r t 值均小 于l ，处于稳定状态，可见按静止土压力施加泥水压力时开挖对开挖面前方土 体扰动很小。( c ) 由图3 9 4 1 可以看出，按主动土压力设定泥水压力时，也是 随着断面与开挖面距离的增大，应力比s a r t 值逐渐减小，与开挖面距离l o t 的断面上应力比s a r t 的最大值为1 2 5 1 ，仅有很小一部分区域应力比s a r t 值 大于l ，超过l o m 范围的土体基本不会产生失稳，相对无泥水压力作用的情况 有所改善。( d ) 由图4 2 4 4 可以看出，按被动土压力设定泥水压力时，与其他 几种工况相同，应力比s a r t 值随着断面与开挖面距离的增大而减小，与开挖面 距离1 4 m 的断面上应力比s a r t 的最大值为1 1 2 4 ，部分区域的应力比s a r t 值 大于l ，可见当泥水压力设定过高时，对土体扰动也比较大。 ( 5 ) 按不同土压力设定泥水压力时的地表位移特征 前面通过不同土压力值设定的泥水压力作用对盾构开挖后地层的应力状态 和开挖面的塑性应变区、稳定状况进行了分析。实际上，在盾构掘进过程中， 除了需要对开挖面的应力状态和稳定状况深入了解外，掌握盾构掘进过程中不 同土压力设定的泥水压力作用下地表位移( 沉陷和隆起) 也是十分重要的。因 为，若泥水压力设定不合理时，会引起地表发生较大的沉陷和隆起，从而导致 地表建筑物或地下构筑物发生破坏。 6 0 刀盘开挖面稳定性数值分析 表3 2 不同泥水压力作用下切口前方地表垂直位移计算值( 隧道埋深1 2 3 9 m ) 不同泥水压力作用下地表垂直位移( 帆) 距离切口 无泥水压主动土压静止土压 被动土压 位置 力力力 力 p = 0 0 m p a p = 0 0 7 m p a1 = o 1 7 m p ap = 0 a 1 m p a ( m ) o - 1 0 9- 6 o- 0 6 o 7 2 一l o 4_ 6 1- 0 6 2 6 4 - 1 0 1 6 0 - o 4 4 8 6- 9 75 8o 17 0 8- - 9 45 30 48 9 1 0呻1_ 4 8o 7l o 8 1 28 5- 4 3o 81 2 5 1 4- 8 0- 3 81 11 3 2 1 67 5- 3 61 31 3 4 1 8- 7 03 51 41 3 2 2 0_ 6 53 21 51 2 9 2 2- 6 23 o1 61 2 5 2 4- 5 9- 2 81 61 2 1 2 65 72 71 51 1 8 2 85 6- 2 61 51 1 6 3 05 6- 2 61 51 1 5 为了进一步说明按不同土压力计算值设定泥水压力时对地表位移的作用程 度，针对前述不同土压力计算值设定的泥水压力作用下的地表位移来进行分析。 为了比较清楚地看出不同泥水压力作用下的地表位移程度，通过不同泥水压力 作用下刀盘上方沿隧道轴线的地表垂直位移( 表3 2 和图3 4 5 ) 可以看出相应 的位移变化规律。 6 1 四川大学硕士学位论文 旨 、， 穗 坦 叵 幽 1 5 o 1 0 o 5 o 一5 0 - 1 0 0 一1 5 o 图3 4 5 不同泥水压力作用下切口前方地表垂直位移变化曲线 ( 隧道埋深1 2 3 9 m ) ( 负值表示沉降。正值表示隆起) 不同泥水压力作用下盾构前方的地表位移状况见图3 4 5 由图3 4 5 可以看 出，当刀盘开挖面无泥水压力作用时，盾构前方地表位移较为显著，最大位移 为1 0 9 m m 。因此，刀盘正面若没有泥水压力平衡正面土层，会产生显著的地 表位移。当刀盘开挖面泥水压力按静止土压力设定时，刀盘前方地表的位移却 很小，最大仅1 5 m m 。这也表明刀盘正面泥水压力按静止土压力设定时，能很 好地控制地表位移发生，从而保证盾构正常掘进。当刀盘正面泥水压力按主动 土压力设定时，相对无泥水压力作用的情况有所好转，但仍有一定的沉陷，最 大值达6 1 m m ，会影响盾构正常掘进。当刀盘正面泥水压力按被动土压力设定 时，地表会产生一定的隆起，最大的地表隆起达1 2 5 m m ，对刀盘正面土层及 上部地层都会产生一定的扰动不利于盾构正常掘进。 ( 5 ) 按不同土压力设定泥永压力时刀盘正面土体水平x 方向位移特征 刀盘开挖面稳定性数值分析 图3 4 6 无泥水压力作用下盾构开挖后地层的髓色谱图 圈3 4 7 静止土压力作用下盾构开挖后地层的阱色谱图 四川大学硕士学位论文 图3 柏主动土压力作用下盾构开挖后地层的色谱图 图3 4 9 被动土压力作用下盾构开挖后地层的色谱图 刀盘开挖面稳定性数值分析 由图3 4 6 一图3 4 9 所示分别为无泥水压力作用、按静止土压力设定泥水压 力、按主动土压力设定泥水压力和按被动土压力设定泥水压力情况下的水平x 方向位移色谱图。其中x 方向为水平且与隧道轴向垂直方向，由图可以看出， 无泥水压力作用、按静止土压力设定泥水压力和按主动土压力设定泥水压力几 种工况下开挖面上产生的x 方向位移都很小，而按被动土压力设定泥水压力时， 开挖面上产生了一定的位移，说明泥水压力设定偏大时，会对开挖面土层的水 平x 向位移产生一定影响。 ( 6 ) 按不同土压力设定泥水压力时刀盘正面土体轴向( 水平z 方向) 位移特 征 一 实际上，按不同土压力计算值设定泥水压力时，刀盘正面土体在隧道轴向 也将会出现相应的位移趋势( 图3 5 0 _ _ 3 5 3 ) 。 图3 5 0 无泥水压力作用下盾构开挖后地层的( 盾构轴向方向) 色谱图 ( 图中正值表示掘进反方向，负值表示掘进方向) 四川大学硕士学位论文 图3 5 1 静止土压力作用下盾构开挖后地层的( 盾构轴向方向) 色谱图 ( 图中正值表示掘进反方向，负值表示掘进方向) 图3 5 2 主动- t j 匝力作用下盾构开挖后地层的协( 盾构轴向方向) 色谱图 ( 图中正值表示掘进反方向，负值表示掘进方向) 刀盘开挖面稳定性数值分析 图3 5 3 被