隧道高水压小覆土泥水劈裂技术

上海上中路隧道地质纵断面图南京长江隧道工程纵断面示意图一、高水压小覆土盾构掘进

泥水劈裂特征分析

1）地表(江底面)较平坦，盾构机掘进水平。江中段覆土小，水压大。地层稳定性差，需对泥水压力审慎设定及控制，对泥水特性有要求。A：一般掘进形式

2）地表较平坦，盾构机掘进朝下方向。在初始掘进段属于该种情况。从小覆土条件讲是相对安全地段，但需注意的是，泥水压力按盾构切口位置设置，在盾构中部或尾部，覆土厚度小，劈裂有可能在盾构中部或尾部发生。需对泥水压力审慎设定及控制，对泥水特性有要求。B：地表平坦盾构朝下掘进形式

3）地表向下倾斜，盾构机掘进朝下方向。在盾构进入水中后属于该种情况。从小覆土条件讲是相对安全地段，但需注意的是，水压增高，需对泥水压力审慎设定及控制，对泥水特性有要求。C：前期水中初始掘进形式4）地表向下倾斜，盾构机掘进朝下方向。在盾构进入水中后属于该种情况，与3）基本相同。但有小的浅槽出现，水压力大，需注意对泥水压力的设定及控制，防止劈裂的发生，对泥水特性几掘进参数有要求。D：前期水中初始掘进形式（有浅槽）5）地表向上倾斜，盾构机掘进朝上方向。在盾构进从江底改变掘进方向后属于该种情况。水压虽然渐渐减小，但覆土厚度也在较小的范围内，且开挖面稳定难以控制。需注意对泥水压力的设定及控制，防止劈裂的发生，对泥水特性有要求。E：过江底后水中掘进形式6）江底面呈上坡，盾构机掘进上坡；与5)基本相同。但经过小冲槽。容易发生泥水劈裂。地层稳定性差，泥水压力难以设定。施工难度较大，需对掘进参数及泥水压力、泥水特性。审慎设定及控制，是较最危险地段。F:较大风险区域江中冲槽掘进形式7）江底面呈上坡，盾构机掘进上坡；且由覆土小地段向突变覆土大地段掘进。泥水压力难以设定。容易发生泥水劈裂，必须同时满足小覆土劈裂及高覆土开挖面稳。施工难度大，地层稳定性差，需对掘进参数及泥水压力、泥水特性。审慎设定及控制，是最危险地段，也是本研究的重点。G：最大风险区域江中冲槽掘进形式二、关于盾构泥水劈裂的基础研究

1)高水小覆土盾构掘进问题，主要是泥水劈裂地层,冒浆问题。国内外这方面研究成果很少。可借鉴的好的施工案例没有。日本早稻田大学有过些初期研究成果。东京湾海底隧道在小覆土处采用了加固措施。2)大直径高水压盾构开挖面稳定问题，一直是困扰着盾构界的难题，特别在高水压下的透水性大稳定性差的地层中掘进，没有很好的固定模式和方法。室内三轴劈裂实验劈裂发生压力泥水劈裂的基本概念1）泥水劈裂发生压力泥水盾构劈裂现象室内试验研究结果表明，劈裂压力与泥水的黏性和土层强度有关系，即:式中：3为小主应力，qu为无侧限抗压強度，为系数。系数是与泥水黏性等相关的系数。小缝隙开裂2)砂土地层泥水劈裂发生压力

砂土的劈裂发生压力可用下式表示：m:系数数，σ’:有効侧圧σt:抗拉強度，R:亀裂伸展抵抗压力计排气阀泥水箱加压管地表压力计阀门混凝土砂浆钢管¢50.0先端压力计劈裂泥水加压孔孔

实验孔构造及实验用仪器简图

3）现场泥水劈裂试验4）泥水劈裂伸展压力5）室内盾构模型掘进泥水劈裂试验i—土槽；ii—刀具；iii—刀盘；iv—刀盘马达；v—掘进马达；vi—排土器；vii—压力计；viii—泥水罐；ix—排土槽；x—上部水压盾构模型试验装置盾构模型机土槽人工黏土配比Mixtureproportionsofgypsumcohesivesoilground人工黏土配比/gqu/kPa高岭土石膏粉质黏土水3000200020004000～600010～140所用泥水是10%的膨润土拌和而成。为观察劈裂面情况，把泥水着色成了红色。泥水黏度约20～25s。试验分两种形式进行。一种是在有上部荷载的情况，以模拟覆盖层较大的情况；另一种是无上部荷载的情况，以模拟覆盖层较薄的情况。盾构模型机以1mm/min掘进，并以一定的泥水加压速度使地层劈裂破坏(泥水喷发)。试验也进行了在掘进20cm后停止，以一定的泥水加压速度使地层劈裂破坏的情况。试验编号无侧限抗压强度qu/kPa上部荷载/kPa劈裂发生压力/kPa劈裂发生角度/(°)169.5071.3452114.0092.3383132.10108.5304134.30190.0355101.210175.0铅直678.310148.1铅直760.510126.0铅直868.010157.6铅直919.01055.7铅直

盾构模型试验结果

Resultsofmodelshieldtestsofshieldingmodels劈裂状况(有上部荷载)Fracturesituation(withloading，TestNo.5)6）劈裂发生方向及宽度劈裂状况(无上部荷载，第一次试验)Fracturesituation(withoutloading，TestNo.1)劈裂箩宽度Fra珍ctu盼re污wid蛮th掘进中代裂缝与大劈裂发宇生过程Pro浊ces齐ses立of炕cr委ack央an质df沸rac犬tur娇ed耕uri眨ng根shi堆eld测ingad间va崇nc烈in份g(缘瑞Te腿st蹦N仁o.繁9)该图是阿第九次界试验的婚泥水压笛力与盾采构推进纷距离的证试验结妨果。试听验结束伴后，挖科开盾构泡模型机失通过的弓土层，姿观察结兆果表明换图中A区间贫没有狮发现中异常命，在B区间蕉发现透如图炕所示浪劈裂陕发生集前的幸裂缝(由于昨在泥醉水中查加入集了着惩色染弯料，兴所以莫可以石清楚颗的识雾别裂睡缝)。这闭些裂是缝都岩是从盆壁面死开始孤呈放采射状归伸展柏，其岩劈裂扩发生右深度摘距离遮泥水陆喷发痰处越将近就手越深期。从阴图还工可以站看出违，裂疾缝发腿生时堂的泥砌水压谜力比茫泥水灶喷发宵发生奖压力(劈裂)小的多及。7）劈裂杂发生过阶程描述裂缝换与劈膏裂状借况Sit尖uat鼓ion碎of际fr秘act守ure五an晨dc方rac盖ks砍obs厨erv毫ed截in虎exp咐eri善men傲t刀具前民端到盾益壳前端降的距离L示意粒图Sch策ema丝式tic写di框agr扶am拜of星dis守tan雀ceLfr办om地c锐ut在te元r氏po规in能t赢tosk旧in府p耍la姻te淋p匀oi粱nt8）是烟否发惠生泥塔水喷那发的喉判定思方法斜向上逮劈裂形破状Sha虽pes辈of鸟up闹-di握rec派tio泰nf会rac过tur鹊e将ts与t0进行绝比较稍，就芹可判颠断是挑否能取发生骨泥水够喷发根现象需。即ts＜t0时，泥折水喷发者现象；ts＞t0泥水轰喷发尾现象要将不裳会发勤生。三、开挖陪面稳丽定的蛛基本扎概念泥水芬压力宏的设羡定与澡开挖躬面稳升定密滨切相蛛关,太小栽开挖棕面稳洪定难妇以维符持,太大,泥水会河劈裂地伯层发生恐泥水喷狂发。村山氏材等学者险根据二耐维试验厨及施工慕时的塌她方状况乱提出了赴二维法验村山公顾式。考唐虑开挖养面前方左土体的裕平衡,作为姻滑动暮力有已开挖迅面前暑方的壮滑动映土块益重量(Wf)和它精上部喊的松贫动土龙压(Q断)；作李为阻绳力有晋泥水辆过剩热压力(在顶央部的饰泥水钞压和蜜地下闯水压交的压亮差△Pf)以,将以上冻三个力疾对滑动疤中心点O点的力毫矩平衡擦。根据搭设定的她泥水过涌剩压力倦可以求煮出开挖烤面稳定份的安全文系数Fs。三维浴筒仓酬开挖龄面稳励定理品论计柳算模努型四、小忘覆土泥刚水盾构净最佳泥班水压力泥水压潮力的设眼定，通衰常设定锋在主动秒土压和烦静止土铺压之间穗，按经闲验，洁用水插压+0骑.2逮kg添f/薯cm狭2。但虽这只俊是一搁般的王情况屑。在氧高水压等坡过江苦隧道备泥水崖设定行时，中最佳丹泥水孤压力疯的设童定，瓣必须犁考虑影响挨开挖丢面稳名定等采的四纲个重盆要问换题：1)首先必铺须保证篮开挖面其稳定，泄不使其蓄坍塌破然坏；2)抑制开它挖面的存移动趋呢势，在梯掘进时牵使地层雨变形最晓小；3)绝对保烦证不发风生泥水吉压力急旺剧的降倘低，开活挖面崩停坏的泥展水的喷喉发现象蛋；4)对于砂恩性土，拐砾石地扁层，由个于散逸彻即过滤阅过多，蜓发生泥弓水压力甘的低下卵和泥水作的补给研等问题慰，为了觉使该种妹问题不勺出现，省用改变杨泥水形劫状的方堂法基本丑可以解裙决。关于盾击构泥水炊劈裂的蛋初步结颤论(1众)当盾构睡掘进位风置的主妈应力差艺很小(相当附于无藏上荷予载)时，巩劈裂将芬从盾看构切厉削面榜上半鞭圆处直发生腹，并若以近小似平公面形偿式斜醉向上发展争。(2炊)当盾构铲掘进位闯置的主捏应力差约较大时(相当晶于有渴上荷上载)时，劈裂将递从盾晚构切丘削面狭上半变圆处稿发生造，并排以近睬似平合面形错式铅块直方向发展塘。(3偿)当泥刃水压绝力小具于劈表裂压字力时宪，从能切削便面圆鸡周向债外放仇射状带发生小的用劈裂悄缝虏，劈抓裂缝突发生荡的间介距与恭刀具隙前端菜到盾恐壳前显端的领距离L相等甩。(4)泥水药喷发顿现象啄是否信发生包，与睛劈裂闸缝处似的泥微水压死力的振作用颗时间t0以及劣劈裂矿发生来后伸团展到竟达水傲底的削时间ts相关。ts＜t0时泥水喷朴将发现概象发生蔬。(5咬)根据模述型试验巡寿及理论萌分析结寸果，覆抛土厚度呀为1D范围夏内，郑劈裂发生临有可能监伸展至狱水底，葬可能发蚁生泥水钢喷发。(6春)在一般炕情况下窜，如不闪是覆土高厚度过撇浅，或饮者由于宾长时间茅停机或者链液压泵冈误动压日力过大练，泥水杜喷发现驳象不会酸发生。晓为了防止牛泥水劈毯裂现象好发生，昆应加大咬泥水的镜黏性或失加快掘林进速度特。五、高如水压小凝覆土南之京长江篮隧道案诵例（1）江中堪水压高南京长辜江隧道张盾构机拿工作压厉力约6.5值bar旨,在同兆等直减径及摧更大耍直径苏泥水谊盾构归项目惨中是犬世界舍最大日的。东京湾酱海底隧延道为最谱大水压6ba冬r,荷兰斯格林浸哈特洁隧道鬼最大博水压魄为5.款5b川ar；长泛江上絮的另伍外两朱条盾环构隧否道，误上海购沪崇呢苏和腹武汉恩过江饱隧道周，水义压为5～5.目5b窝ar。1.基本颜条件（2）江中机段覆土浪厚度小淹水压大崇地层突宿变江中段盘最小覆挽土厚度轮小于1倍盾哑构直拿径，类江中最小覆意土厚度10.康2m。尤可其是茶江南爸冲槽店段覆唱土厚度仅11屈.4办9睛m（0.叮7D），浓其前姜方以校大坡合度覆土厚度肚增加，洗切削面蛛稳定和居泥水力当很难控制，溜稍有卷不慎帖，就倍有可瞎能发没生泥微水劈寺裂、御江水倒讲灌事讲故。2.现场泥赛水盾沟野劈裂试膀验(1捉)试验区泡条件隧道耻井出碑洞中别心深滩为13且.7召9m右(覆土衰厚6.3蜓4m)，水头馋高度为12.温3m，覆土释厚约为0.4各3D。盾构绸穿越演土层忌主要膨为4层淤泥桶质粉质征粘土。戴该土层缺含水量扮大，孔书隙比非氧常大，院渗透系株数小，谨强度指登标小，历属于典战型的软摘弱粘土掩。水塘迅气泡殖情况泥水末加压涉试验-1池塘朴泥水泼加压膝试验泥水漠加压弟试验-2谁-岸上梢泥水肥劈裂似试验8粉细砂7-1粉细砂4-1淤粘土13圆砾16-1中风化岩6淤粘土夹粉土冲槽最低点初始水冬压分布选取里按程K6省+9维6.阔2断面进行价开挖丙面稳录定分熟析，淋该里召程对应盾构刀盘刚向好处于亭冲槽坡底脚正下想方，为找宅出维布持开列挖面口稳定梢的最碰小支钳护压利力（来主动树土压胁）和缝最大象支护愧压力摧（被帅动土把压）猪，分停析时膨在开泼挖面泳分别旱施加盈不同慈的支苍护压发力进妙行试塌算，控压力连梯度幻玉变化裤取为0.1贪3ba痕r/m，以便补与泥水隐密度相星对应，锯模型中管片逆和盾躬体采携用壳乏单元侨（she查ll）、弹性漆材料模拟，地层采轰用实体碎单元、户摩尔库轮仑材料乡丰模拟，胁查看地斤层和开妇挖面的励竖向和丑水平位尼移变化策，分析岂时不考教虑地层述中孔隙栽水压的具变化。脆模型和历地层参洁数如后哲：里程K6+场96.扇2断面分值析建模泥水侧仓中蒸心压工力4.1绢bar地层织竖向喜位移般云图泥水技仓中漠心压婚力