盾构开挖面稳定性及变形控制

浙江大学岩土工程研究所软弱土与环境土工教育部重点实验室报告人：陈仁朋第十二届全国土力学及岩土工程学术大会盾构开挖面稳定性及变形控制汇报内容研究背景高水头下盾构开挖面稳定性泥水盾构开挖面稳定性盾构开挖地层变形及施工控制盾构开挖过程中管片上浮规律及控制标准结语研究背景盾构-管片-地层相互作用砂性土地层渗透极易导致开挖面失稳土压平衡盾构——渗透力由土体指向开挖面泥水平衡盾构——渗透力由开挖面指向土体盾构开挖中的关键技术问题盾构开挖面稳定性杭州地铁4号线渗透引起某区间河床塌陷渗水事故（砂质粉土）支护力土压力水压力地表坍塌对邻近建筑、管线造成危害施工安全事故+主动失稳极限支护力渗透引起广州地铁3号线穿越珠江江底塌陷事故杭州地铁1号线：朝晖小区A37/38栋软粘土地层盾构开挖变形易导致周围建构筑物破坏杭州地铁1号线下穿朝晖小区，盾构地层变形过大，建筑物倾斜和开裂-100-80-60-40-2000100200300400500600700800900左线通过轴线埋深16.4米右线通过轴线埋深24米盾构隧道建设时间(d)地表竖向位移(mm)37-137-2朝晖小区A37测点沉降随时间变化曲线盾构开挖地层变形对环境影响505560657075406080100最大上浮量（mm）管片环号实测值管片施工期上浮导致接头错台、张开、破损、渗漏现有规范管片施工期允许上浮值未能考虑管片接头变形影响施工期管片上浮引起的破损与渗漏宁波地铁某区间盾构施工中管片上浮现象F注浆上F螺栓剪F浮G+F土压F注浆下盾构机上浮段管片盾构开挖过程中管片上浮破坏汇报内容研究背景高水头下盾构开挖面稳定性泥水盾构开挖面稳定性盾构开挖地层变形及施工控制盾构开挖过程中管片上浮规律及控制标准结语土压平衡盾构：高水头（越江跨河）稳态渗流下砂性土层盾构开挖面稳定性'ysyFDHC0hAhFh河床水位面高水头下盾构开挖面稳定性理论方法：极限平衡法（Anagnostou&Kovari）、极限分析法（Leeetal.,2001,2003）数值方法：有限元（Ströhle&Vermeer,2010）试验方法：1g试验（Leeetal.,2003）研究现状关键问题：渗透作用对开挖面稳定性的影响饱和砂层开挖面失稳离心模型试验装置稳态渗流下开挖面失稳离心试验装置：（高g值下整套装置防水密封、高精度水位控制）模型箱模型盾构伺服加载系统水位控制系统储水箱粒子图像测速系统(PIV)试验材料钱塘江砂质粉土(γsat=19.2kN/m3,c=1kPa,φ=30°,k=5.3×10-6m/s)试验方案离心加速度：50g隧道尺寸：直径D＝5m(原型)，埋深比C/D=1，水深比Hw/D=1,2和3试验过程(C/D=1,Hw/D=2)02468100306090120P'lim=56.35kPaP'min(P'lim)C/D=1Hw/D=1第二阶段第一阶段开挖面有效支护力P'/kPa开挖面位移S/Dm/%SFP'=(8F)/(D2m)024681004080120160200P'min(P'lim)P'lim=76.49kPaC/D=1Hw/D=2第二阶段第一阶段开挖面有效支护力P'/kPa开挖面位移S/Dm/%SFP'=(8F)/(D2m)024681004080120160200P'lim=93.39kPaP'min(P'lim)C/D=1Hw/D=3第二阶段第一阶段开挖面有效支护力P'/kPa开挖面位移S/Dm/%SFP'=(8F)/(D2m)Hw/D=1Hw/D=2Hw/D=312340306090120P'lim/kPah/D本文离心模型试验极限平衡法(Anagnostou&Kovari1996)上限解(Lee等2003)极限有效支护力比较试验结果：开挖面有效支护力变化规律(a)(b)(c)(a)(b)(c)0100020003000400050000255075100极限状态(P'=P'lim)开始转机面板停止后撤面板开始后撤孔压u/kPa时间t/sX=0.25DX=0.75DX=1.25DHw/D=1Hw/D=10.00.51.01.52.00255075100盾构轴线深度远场静水压力极限状态孔压ulim/kPa距开挖面相对水平距离X/Dm试验过程中开挖面前方孔压变化极限状态时开挖面前方孔压失稳过程中开挖面前方孔压变化较小，表明整个试验过程中开挖面前方为稳态渗流渗流主要发生在开挖面前方0.75Dm范围内试验结果：开挖面前方孔压分布S=10mmS=5mmS=1.4mmp=pminX10X5X5X(mm)X(mm)X(mm)Z(mm)Z(mm)Z(mm)β=55.6ºβ=55.6ºβ=55.6º0.68DmCm=DmDm棱柱体极限状态(Plim)：“楔形体+棱柱体”破坏模式，破坏区扩展到地表极限状态以后：逐渐呈现“楔形体+棱台体”破坏模式楔形体棱台体楔形体Hw/D=1Hw/D=3S=10mmS=5mmS=1.52mmp=pminX10X5X5X(mm)X(mm)X(mm)Z(mm)Z(mm)Z(mm)β=49.3ºβ=49.3ºβ=49.3º0.86DmCm=DmDm试验结果：开挖面渐进失稳模式(a)(b)(c)(a)(b)(c)棱柱体高度H：均等于隧道拱顶埋深CS=1.4mmp=pminX10X(mm)Z(mm)β=55.6º0.68DmCm=DmDm棱柱体楔形体cDabdefghjiBHwLH=C地表棱柱体盾构机楔形体水位面h0∆h密封舱水头高度稳态渗流时“楔形体—棱柱体”模型'''limlim1lim2sss无渗流时开挖面极限有效支护力'lim1s'''''lim10av1lim1=cotmax{}cotsscffDc作用在开挖面正前方失稳区内渗透力水平分力''lim223hsfhfcD（Anagnostou&Kovári,1996）开挖面极限有效支护力'lim2s0.01.53.04.50306090120150本文离心模型试验本文修正“楔形体—棱柱体”模型上限解(Lee等2003)经典“楔形体—棱柱体”模型(Anagnostou&Kovari1996)无渗流极限有效支护力：4.67kPa极限有效支护力P'lim/kPa归一化水头差h/D渗透显著提高了开挖面极限支护力，高水头地层(HC)无渗透极限支护力不足渗透时极限支护力的10%。稳态渗流时“楔形体—棱柱体”模型汇报内容研究背景高水头下盾构开挖面稳定性泥水盾构开挖面稳定性盾构开挖地层变形及施工控制盾构开挖过程中管片上浮规律及控制标准结语DHC河床水位面泥膜pw'azKps20swazppKkPa工程实践：为了维持开挖面稳定性，假设泥膜为不透水，设定泥浆压力为关键问题：泥膜特性及泥膜支护机理研究现状：假设没有泥膜，支持力以体力形式作用于泥浆渗透区域(Anagnostou,1994)泥水盾构开挖面稳定性长江河砂与泥浆颗粒分析曲线试验装置示意图泥膜形成模型试验泥膜渗透系数随时间变化010020030040050060070080090010001100-9-8-7-6-5ExcessPressure=71.48kPaExcessPressure=83.4kPaExcessPressure=95.37kPaExcessPressure=119.26kPaPermeabilitybetweenP1andP2lgk(lgm/s)Time(s)长江河砂：渗透系数𝒌𝒔=2×10-4m/s，孔隙率𝒏=0.39,𝒅𝟏𝟎=0.137mm膨润土泥浆：密度𝝆𝒔=1.03g/cm3，膨润土含量5%（5g每升水），动切力τ𝒇≈2Pad≈4mm泥水盾构数值模型示意图开挖面前方瞬态渗流数值分析盾构刀盘两刀臂间隔时间：约15s0246810600620640660680700720740NF0sNF1.2sNF15sPorePressure(kPa)DistancefromTunnelFace(m)WF0sWF1.2sWF15s泥膜使开挖面前方孔压下降至少62.5%（15s内）无泥膜有泥膜开挖面稳定性分析渗透力F(kN)泥膜上支护力S’(kN)总有效支护力(kN)𝑝𝑥,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝐾𝑎𝜎′𝑧+20𝑘𝑃𝑎有泥膜519612995181910.86无泥膜139590139590.66泥水盾构开挖面稳定性泥浆压力以有效支护力（泥膜上支护力）与渗透力（体力）维持开挖面稳定有泥膜时楔形体上水平方向有效支护压力与渗透力之和比没有泥膜时大约20%汇报内容研究背景高水头下盾构开挖面稳定性泥水盾构开挖面稳定性盾构开挖地层变形及施工控制盾构开挖过程中管片上浮规律及控制标准结语11234512-2b/c345粉质-淤泥质粘土淤泥质粉质粘土-淤泥质粘土砂质粉土-粉质粘土淤泥质粉质粘土-粘土粉质粘土桃渡路站SK16+094鼓楼站SK14+919余姚江单位：米盾构推进方向010020030040050060070080090010001100510152025302-1a砂质粉土2-3/4淤泥质粉质粘土-淤泥质粘土盾构掘进方向隧道界限地层界限宁波轨道交通2号线桃渡路-鼓楼区间地层分布S_3S_25桃渡路站S_46S_66S_86右线左线01020单位：米地表沉降测点盾构掘进方向桃-鼓区间隧道初始部分地表沉降监测布置宁波轨道交通二号线桃渡路-鼓楼区间、鼓楼-城隍庙区间盾构开挖地层变形调研分析软土地区盾构隧道施工引起地层变形盾构开挖参数沿里程分布盾构隧道初始段（I区），盾构推力N、注浆率δ和土压舱支护压力Ps均较大，地表沉降和地层损失较大增加开挖面支护力，提高盾尾注浆率，导致长期沉降和地层损失率增加0100200300400500600700800900100011001200-60-50-40-30-20-100过江段平均Sv,max=9.4mmSv,max/mm里程/m平均Sv,max=30.2mm100150200250300δ/%平均δ=202%0.00.40.81.21.6Ps/v平均Ps/v=0.935过江段040008000120001600020000N/KN平均推力N=11300kNI区II区鼓楼-城隍庙区间0204060801001201401600.40.60.81.01.21.41.6P0/v环号设定值2区_左部3区_右部桃渡路-鼓楼区间020406080100120140160120160200240280注浆率（%）环号B-80-70-60-50-40-30-20-100100204060801001201401605-154-28环号(测点编号)竖向位移(mm)掘进至68环掘进至77环掘进至145环掘进至587环2012-8-312012-4-24I区内，支护压力和注浆率均较小，工后沉降小。II区内，支护压力及注浆率均较大，施工期沉降较大，工后沉降也较大。I区II区盾构开挖参数影响尺寸：80×160×45mTBM直径D=6.2m管片内径:d=5.5m轴线埋深：13.5m三维数值模拟—分析模型PLAXIS3D千斤顶推力、盾尾注浆、开挖面支护压力、地层损失HS模型参数确定：宁波地铁沿线土层取样→室内标准一维固结试验、标准应力路径三轴试验（CIU、CID、CID-Un/Reloading）→数值模拟参数校正（PLAXIS2D）-80-70-60-50-40-30-20-10010203040506070-45-40-35-30-25-20-15-10-505sv/mm距开挖面y=76.8m距离/m掘进至y=76.8Plaxis固结140d-60-40-200204060-48-44-40-36-32-28-24-20-16-12-8-404sv/mm距隧道轴线距离/m盾构掘进至y=76.8mPla