泥膜形成对盾构开挖面变形的影响分析

泥膜形成对盾构开挖面变形的影响分析
摘要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。

在泥水平衡的理论中，泥膜的形成是至关重要的。

本文通过ABAQUS
有限元分析软件，结合工程案例，模拟泥膜的形成过程，分析此过程中开挖面位移的变化规律。

关键词泥膜；开挖面；注浆速率；位移
0引言
泥水加压式盾构开挖土体是依靠泥水压力对掌子面上的水土压力发挥平衡作用以求得稳定。

利用泥水稳定掌子面的原理与止水帷幕中地连墙的泥浆护壁原理相同，其根本原因是泥
水与掌子面接触后，可迅速在掌子面上形成隔水薄膜，其具有的不透水等性能对掌子面的稳
定起着关键作用。

当掌子面的泥水压力大于盾构前方的地下水压力时，泥水将按达西定律渗
入盾构前方的土体中，从而形成与土体孔隙成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并滞留于土体与
泥水的接触表面，泥膜就此形成[[1]]。

在泥水平衡的理论中，泥膜的形成是关键的一环。

泥水平衡盾构在掘进过程中，掌子面的泥膜是边形成边破坏的，始终处于掘削——渗透——掘削——渗透的动态平衡中。

在形成泥膜后，泥浆液向土体渗透
的速率减慢，泥膜此时可认为稳定不再增长。

同时，由于泥浆液存在一定压力，
在其作用在泥膜上后，可以使泥浆压力转化为掘进掌子面的支护压力，并且阻止
隧道外侧土体或流体涌入掌子面，达到稳定开挖面的作用[[2]]。

本文以上海某隧
道工程为案例，参考上海市所处地域的地质条件，通过有限元软件ABAQUS模拟
泥膜形成的过程，分析此过程中盾构开挖面位移的变化规律。

1工程概况
隧道位于上海市东北部，隧道工程的总长度约4900m，设双向6车道，设计时速60km/h，江中圆隧道段长1545.69m，浦西主线暗埋段长579.12m，浦西敞开段长175m，浦东暗埋段长308.12m，浦东敞开段长199.83m。

隧道干线长2792m，盾构采用超大直径泥水盾构机，直径
达15.43m。

2工程地质条件
上海场地陆域部分地貌属上海四大地貌单元中的“河口、砂嘴、砂岛”地貌类型，主要
以农田、苗圃和鱼塘等为主，地面略有起伏，实测地面标高在3.23~5.56m之间。

根据地质勘察资料，隧道盾构区间土层主要为上海地区典型的粘性土和粉质黏土，上海
地区的粘性土具有低抗剪强度，高压缩性和低渗透性等形式的不良岩土性能。

现场调查了解，隧道工程范围内浦西平均地下水位在地表以下1.5m，浦东平均地下水
位在地表以下1.0m。

根据上海当地经验，承压水位受季节性变化的影响，在海拔以下3.0m
到11.0m之间波动。

3有限元模型
假设土层分布均匀，土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型。

隧道覆土厚度为20.0m，
泥膜所在土层渗透系数为1.5×10-6m/s，孔隙水压力为9.8kpa。

在实际工程中，盾构开挖土
层时，为了尽可能减少开挖对地层的扰动，一般先将盾构前面的切口贯入土体，然后在切口
内进行土层开挖。

泥水平衡盾构机开挖时，通过泥水的加压作用和压力保持装置，在盾构开
挖面形成支护力，平衡前方的土压力，以此维持开挖面的稳定性。

根据闵凡路[[3]]试验得到的泥浆渗透滤水量随时间变化曲线可知，在泥膜形成的过程中，注浆速率并不是一个定值，而是与时间相关的量。

根据他的试验结果，用描点法将图中每个
点的数据输入Origin软件拟合出泥浆渗透滤水量随时间变化的曲线及关系式，再将关系式
对时间求导就可以得到注浆速率随时间变化的曲线及关系式。

本模型中注浆速率随时间变化趋势相同，单一变量为初始注浆速率，分别设置为
0.01m/s，0.02m/s，0.03m/s，0.04m/s，0.05m/s。

以下为方便表达，称初始注浆速率为
0.01m/s的情况为工况1，初始注浆速率为0.02m/s的情况为工况2，以此类推，一共有五个
工况，它们的拟合曲线趋势相同，因此它们的R²也相同，由Origin软件计算得到
R²=99.89%，可知拟合程度比较理想。

得到注浆速率五种工况的拟合曲线后，在模型中设置
注浆速率随时间变化的关系，以此来模拟开挖面注浆至泥膜形成的过程。

4结果分析
由软件模拟结果可知，工况5中泥膜位移变化幅度更大更易观察，因此选取工况5的情
况进行讨论。

在工况5的情形下，选取泥膜表面顶部、底部、左侧、右侧及中心处各一点，研究它们
在注浆过程中竖向位移增量U3随时间的变化规律。

泥膜表面五个结点竖向位移随时间变化
曲线如图1所示。

图1泥膜表面五个结点竖向位移时程图
图1中，横坐标代表分析步时长，注浆过程分析步总时长为7，T=0时刻结点的初始位
移是继承上一个分析步的结果，注浆从T=1时刻开始。

由图1可以看出，注浆开始的瞬间，
泥膜表面上的五个结点竖向位移均会发生明显变化，尤其顶点最为显著，竖向位移由初始状
态的向下位移变为向上位移，底点隆起量减小，泥膜两侧及中心点处的竖向位移略有增加，
这是由于泥浆注入开挖面，对土体进行挤压，使得开挖面上的点有向四周位移的趋势。

注浆
开始后，随着注浆速率逐渐减小，泥膜表面五个结点竖向位移趋势为向初始位置靠拢，即表
现为顶点沉降，底点隆起，左右点及中心点竖向位移减小。

在注浆过程中，泥膜左右点及中
心点竖向位移变化很相近。

对比T=1注浆开始时和T=7注浆结束时五个结点位移变化值可知，在注浆过程中，顶点竖向位移变化率为0.27mm/分析步长，其余四点竖向位移变化率均为
0.03mm/分析步长。

在注浆过程中，泥膜表面顶点、底点及中心点的水平位移始终为0，而左右两点在T=1
时刻水平位移骤增，随后逐渐减小。

右侧结点在注浆过程中水平位移增量U1随时间变化曲
线与竖向位移增量U3中顶点位移趋势相似，左右两侧结点水平位移增量大小相等，方向相反，对比T=1注浆开始时和T=7注浆结束时左右结点位移变化值可知，其水平位移变化率为0.05mm/分析步长，其余三点水平位移变化率为0。

综上，当注浆速率随时间减小时，泥膜表面顶点竖向位移受影响最大，其次是左右两点
水平位移，最后是底点、左右点及中心点竖向位移，而泥膜表面顶点、底点及中心点水平位
移受影响非常小，可忽略不计。

5结论
由于隧道掘进时大面积渗水引发的工程安全事故越来越多，本文以上海市某隧道工程为
背景，通过控制单一变量法，用有限元软件ABAQUS模拟了隧道盾构开挖掘进的过程，研究
在不同注浆速率条件下泥膜形成的过程中，开挖面五个结点的竖向位移U3和水平位移U1的
变化规律，主要成果和结论如下：
（1）泥水平衡盾构施工时，在前进的过程中通过泥浆的水压力平衡前方土体的土压力，随着泥浆不断注入，开挖面前一定范围内的土层渗透系数越来越低，最终会形成不透水的致
密薄膜，注浆量也随时间减少。

（2）渗流成膜过程可以划分为四个典型时刻：注浆前T=0，开始注浆T=1，注浆中途
T=4和注浆结束T=7。

在T=1时刻，开挖面上的各结点竖向位移变化曲线均会到达一个拐点。

各结点的孔压变化趋势均为在T=1时刻增大而后逐渐减小。

[[1]]王胜勇,吕建中,刘钧钧,徐旭.泥膜性能对大口径隧道开挖面稳定性影
响[J].工业建筑,2010,40(S1):629-631.
[[2]]牛韬.泥水盾构泥膜形成因素及开挖面稳定性研究[D].南昌大学,2018.
[[3]]闵凡路,徐静波,宋航标,柏煜新,杜佳芮.反压条件下泥水盾构开挖面泥
膜致密性评价试验[J].中国公路学报,2017,30(08):216-221+246.。