盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性及變形控制

浙江大學(xué)巖土工程研究所軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)告人：陳仁朋第十二屆全國土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會(huì)盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性及變形控制匯報(bào)內(nèi)容研究背景高水頭下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性

盾構(gòu)開挖地層變形及施工控制

盾構(gòu)開挖過程中管片上浮規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)結(jié)語研究背景盾構(gòu)-管片-地層相互作用砂性土地層滲透極易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)土壓平衡盾構(gòu)——滲透力由土體指向開挖面泥水平衡盾構(gòu)——滲透力由開挖面指向土體盾構(gòu)開挖中的關(guān)鍵技術(shù)問題盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性杭州地鐵4號(hào)線滲透引起某區(qū)間河床塌陷滲水事故（砂質(zhì)粉土）支護(hù)力土壓力水壓力地表坍塌對(duì)鄰近建筑、管線造成危害施工安全事故+主動(dòng)失穩(wěn)<極限支護(hù)力滲透引起廣州地鐵3號(hào)線穿越珠江江底塌陷事故杭州地鐵1號(hào)線：朝暉小區(qū)A37/38棟軟粘土地層盾構(gòu)開挖變形易導(dǎo)致周圍建構(gòu)筑物破壞杭州地鐵1號(hào)線下穿朝暉小區(qū)，盾構(gòu)地層變形過大，建筑物傾斜和開裂朝暉小區(qū)A37測(cè)點(diǎn)沉降隨時(shí)間變化曲線盾構(gòu)開挖地層變形對(duì)環(huán)境影響管片施工期上浮導(dǎo)致接頭錯(cuò)臺(tái)、張開、破損、滲漏現(xiàn)有規(guī)范管片施工期允許上浮值未能考慮管片接頭變形影響施工期管片上浮引起的破損與滲漏寧波地鐵某區(qū)間盾構(gòu)施工中管片上浮現(xiàn)象盾構(gòu)開挖過程中管片上浮破壞匯報(bào)內(nèi)容研究背景高水頭下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性盾構(gòu)開挖地層變形及施工控制盾構(gòu)開挖過程中管片上浮規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)結(jié)語土壓平衡盾構(gòu)：高水頭（越江跨河）穩(wěn)態(tài)滲流下砂性土層盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性高水頭下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性理論方法：極限平衡法（Anagnostou&Kovari）、極限分析法（Leeetal.,2001,2003）數(shù)值方法：有限元（Str?hle&Vermeer,2010）試驗(yàn)方法：1g試驗(yàn)（Leeetal.,2003）研究現(xiàn)狀關(guān)鍵問題：滲透作用對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響飽和砂層開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)裝置穩(wěn)態(tài)滲流下開挖面失穩(wěn)離心試驗(yàn)裝置：（高g值下整套裝置防水密封、高精度水位控制）模型箱模型盾構(gòu)伺服加載系統(tǒng)水位控制系統(tǒng)儲(chǔ)水箱粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)(PIV)試驗(yàn)材料錢塘江砂質(zhì)粉土(γsat=19.2kN/m3,c=1kPa,φ=30°,k=5.3×10-6m/s)試驗(yàn)方案離心加速度：50g隧道尺寸：直徑D＝5m(原型)，埋深比C/D=1，水深比Hw/D=1,2和3試驗(yàn)過程(C/D=1,Hw/D=2)Hw/D=1Hw/D=2Hw/D=3極限有效支護(hù)力比較試驗(yàn)結(jié)果：開挖面有效支護(hù)力變化規(guī)律(a)(b)(c)(a)(b)(c)Hw/D=1Hw/D=1

試驗(yàn)過程中開挖面前方孔壓變化極限狀態(tài)時(shí)開挖面前方孔壓失穩(wěn)過程中開挖面前方孔壓變化較小，表明整個(gè)試驗(yàn)過程中開挖面前方為穩(wěn)態(tài)滲流滲流主要發(fā)生在開挖面前方0.75Dm范圍內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果：開挖面前方孔壓分布

棱柱體極限狀態(tài)(Plim)：“楔形體+棱柱體”破壞模式，破壞區(qū)擴(kuò)展到地表極限狀態(tài)以后：逐漸呈現(xiàn)“楔形體+棱臺(tái)體”破壞模式楔形體棱臺(tái)體楔形體Hw/D=1Hw/D=3試驗(yàn)結(jié)果：開挖面漸進(jìn)失穩(wěn)模式(a)(b)(c)(a)(b)(c)棱柱體高度H：均等于隧道拱頂埋深C棱柱體楔形體穩(wěn)態(tài)滲流時(shí)“楔形體—棱柱體”模型無滲流時(shí)開挖面極限有效支護(hù)力作用在開挖面正前方失穩(wěn)區(qū)內(nèi)滲透力水平分力（Anagnostou&Kovári,1996）開挖面極限有效支護(hù)力滲透顯著提高了開挖面極限支護(hù)力，高水頭地層(H>C)無滲透極限支護(hù)力不足滲透時(shí)極限支護(hù)力的10%。穩(wěn)態(tài)滲流時(shí)“楔形體—棱柱體”模型匯報(bào)內(nèi)容研究背景高水頭下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性盾構(gòu)開挖地層變形及施工控制盾構(gòu)開挖過程中管片上浮規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)結(jié)語工程實(shí)踐：為了維持開挖面穩(wěn)定性，假設(shè)泥膜為不透水，設(shè)定泥漿壓力為關(guān)鍵問題：泥膜特性及泥膜支護(hù)機(jī)理研究現(xiàn)狀：假設(shè)沒有泥膜，支持力以體力形式作用于泥漿滲透區(qū)域(Anagnostou,1994)泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性長(zhǎng)江河砂與泥漿顆粒分析曲線試驗(yàn)裝置示意圖泥膜形成模型試驗(yàn)?zāi)嗄B透系數(shù)隨時(shí)間變化

d≈4mm泥水盾構(gòu)數(shù)值模型示意圖開挖面前方瞬態(tài)滲流數(shù)值分析盾構(gòu)刀盤兩刀臂間隔時(shí)間：約15s泥膜使開挖面前方孔壓下降

至少62.5%（15s內(nèi)）無泥膜有泥膜開挖面穩(wěn)定性分析滲透力F(kN)泥膜上支護(hù)力S’(kN)總有效支護(hù)力(kN)有泥膜519612995181910.86無泥膜139590139590.66泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性泥漿壓力以有效支護(hù)力（泥膜上支護(hù)力）與滲透力（體力）維持開挖面穩(wěn)定有泥膜時(shí)楔形體上水平方向有效支護(hù)壓力與滲透力之和比沒有泥膜時(shí)大約20%匯報(bào)內(nèi)容研究背景高水頭下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性盾構(gòu)開挖地層變形及施工控制盾構(gòu)開挖過程中管片上浮規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)結(jié)語寧波軌道交通2號(hào)線桃渡路-鼓樓區(qū)間地層分布桃-鼓區(qū)間隧道初始部分地表沉降監(jiān)測(cè)布置寧波軌道交通二號(hào)線桃渡路-鼓樓區(qū)間、鼓樓-城隍廟區(qū)間盾構(gòu)開挖地層變形調(diào)研分析軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道施工引起地層變形盾構(gòu)開挖參數(shù)沿里程分布盾構(gòu)隧道初始段（I區(qū)），盾構(gòu)推力N、注漿率δ和土壓艙支護(hù)壓力Ps均較大，地表沉降和地層損失較大增加開挖面支護(hù)力，提高盾尾注漿率，導(dǎo)致長(zhǎng)期沉降和地層損失率增加I區(qū)II區(qū)鼓樓-城隍廟區(qū)間桃渡路-鼓樓區(qū)間I區(qū)內(nèi)，支護(hù)壓力和注漿率均較小，工后沉降小。II區(qū)內(nèi)，支護(hù)壓力及注漿率均較大，施工期沉降較大，工后沉降也較大。I區(qū)II區(qū)盾構(gòu)開挖參數(shù)影響尺寸：80×160×45mTBM直徑D=6.2m管片內(nèi)徑:d=5.5m軸線埋深：13.5m三維數(shù)值模擬—分析模型PLAXIS3D千斤頂推力、盾尾注漿、開挖面支護(hù)壓力、地層損失HS模型參數(shù)確定：寧波地鐵沿線土層取樣→室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)一維固結(jié)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)（CIU、CID、CID-Un/Reloading）→數(shù)值模擬參數(shù)校正（PLAXIS2D）完成固結(jié)140天后，地表沉降均有大幅度增長(zhǎng)，隧道建成段上方地表最大沉降增長(zhǎng)為8.5mm，占總沉降比例約23%。盾構(gòu)隧道工后沉降支護(hù)壓力對(duì)地層變形影響地表沉降隨支護(hù)壓力變化趨勢(shì)密封艙支護(hù)壓力比ps/σv小于0.84時(shí)，隧道開挖面上方的地表沉降將迅速增大。保證密封艙支護(hù)壓力比ps/σv>0.84，能夠較好的控制地表沉降變形，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)（ps/σv=0.8~1.0）保持一致。實(shí)際支護(hù)壓力歸一化支護(hù)壓力ps/σv=0.84盾構(gòu)開挖參數(shù)對(duì)地層變形影響分析匯報(bào)內(nèi)容研究背景高水頭下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性盾構(gòu)開挖地層變形及施工控制盾構(gòu)開挖過程中管片上浮規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)結(jié)語盾構(gòu)開挖過程中管片上浮變形及控制標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)開挖過程中的管片上浮問題在工程中比較常見，因上浮過大導(dǎo)致的管片破損和接頭漏水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生施工期管片上浮引起的破損與滲漏寧波地鐵某區(qū)間盾構(gòu)施工中管片上浮現(xiàn)象二維模型：難以考慮邊界條件沿縱向的變化以及隧道縱向剛度的影響。(基于平面應(yīng)變)三維模型：無法較準(zhǔn)確考慮環(huán)間接頭的影響且難得到管片的變形規(guī)律。(基于彈性地基梁)既有研究通過三維有限元模型探究開挖期管片的上浮機(jī)理根據(jù)盾構(gòu)隧道施工規(guī)律，建立了考慮管片、環(huán)間接頭、縱向螺栓、盾尾約束、漿液和水土壓力、千斤頂頂力的管片施工期上浮三維分析模型盾構(gòu)開挖過程管片上浮分析三維模型漿液凝固段荷載分布漿液壓力穩(wěn)定段荷載分布根據(jù)寧波地鐵望澤區(qū)間實(shí)測(cè)上浮量和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，軟土盾構(gòu)隧道施工期上浮分為三個(gè)階段：線性發(fā)展階段、圓弧發(fā)展階段和穩(wěn)定階段數(shù)值計(jì)算結(jié)果與施工期上浮變形特點(diǎn)線性發(fā)展階段管片的主要變形是錯(cuò)臺(tái)，而圓弧發(fā)展階段的主要變形為環(huán)間接頭張開。線性發(fā)展段接頭處變形模式圓弧發(fā)展段接頭變形模式開挖期管片上浮環(huán)間接頭變形特點(diǎn)千斤頂頂力、螺栓預(yù)緊力、漿液壓力梯度的影響漿液壓力分布范圍的影響（與漿液凝固時(shí)間對(duì)應(yīng)）施工參數(shù)對(duì)上浮量的影響盾構(gòu)停機(jī)狀態(tài)下作用在管片上的千斤頂頂力對(duì)上浮量的影響最大。縱向螺栓預(yù)緊力對(duì)上浮量的影響不明顯。漿液密度越大，漿液壓力梯度越大，對(duì)上浮控制越不利。漿液凝固時(shí)間越短，隧道最大上浮量相應(yīng)的越小，達(dá)到早期強(qiáng)度的時(shí)間縮小一半，最大上浮量減小一半以上。假設(shè)線性發(fā)展階段僅發(fā)生管片錯(cuò)臺(tái)、圓弧發(fā)展階段只發(fā)生環(huán)間接頭張開，忽略管片自身的撓曲變形，可建立軟土盾構(gòu)隧道施工期上浮控制標(biāo)準(zhǔn)。線性發(fā)展段變形模式圓弧發(fā)展段變形模式線性發(fā)展階段最后一環(huán)環(huán)號(hào)圓弧發(fā)展階段最后一環(huán)環(huán)號(hào)管片錯(cuò)臺(tái)量接頭張開角管片環(huán)寬施工期管片上浮變形的理論模型根據(jù)管片錯(cuò)臺(tái)和接頭張開角的容許值，得到基于管片變形的施工期容許上浮控制標(biāo)準(zhǔn)令施工期容許上浮量望澤區(qū)間施工期容許上浮量根據(jù)寧波地鐵盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)：

n1=3-6，n2=9-13因此：A=3-6，

B=21-75盾構(gòu)開挖過程上浮控制標(biāo)準(zhǔn)施工期容許上浮標(biāo)準(zhǔn)與管片的整體上浮狀態(tài)、襯砌結(jié)構(gòu)幾何尺寸、管片環(huán)容許錯(cuò)臺(tái)量以及環(huán)間接頭容許張開量相關(guān)。針對(duì)不同的管片設(shè)計(jì)應(yīng)有不同的控制標(biāo)準(zhǔn)。[Δ]與[δ]、[c]的關(guān)系[Δ]與Δn1、Δn2的關(guān)系施工期上浮控制標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)敏感性砂性土地層土壓平衡盾構(gòu)滲透作用顯著增加了開挖面極限支護(hù)力，泥水盾構(gòu)泥膜的滲透性降低了有效支護(hù)力軟土地層中盾構(gòu)施工時(shí)較高的支護(hù)力及注漿量易造成地層過大擾動(dòng)，加劇隧道長(zhǎng)期工后沉降施工期隧道容許上浮量與管片的整體上浮狀態(tài)、襯砌結(jié)構(gòu)幾何尺寸、管片環(huán)容許錯(cuò)臺(tái)量以及環(huán)間接頭容許張開量相關(guān)，可根據(jù)不同管片類型制定上浮控制標(biāo)準(zhǔn)結(jié)語38謝謝大家！Thanksforyourattention!裝置突破1：實(shí)現(xiàn)了整套裝置高g值下的防水（最大水壓力達(dá)325kPa