盾构开挖面稳定性及变形控制

0.5
1.0
1.5
2.0
时间 t / s
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
试验结果：开挖面渐进失稳模式
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
0.68Dm
Z(mm)
Cm=Dm
20 25
右 线
桃渡路站
4
5
30 1100 单位：米 1
1000 粉质-淤泥 质粘土
900 2-1a 砂质粉土
800 2-2b/c
700
600
500
400 3
300 砂质粉土粉质粘土 4
200 淤泥质粉质 粘土-粘土 5
100 粉质粘土
0
地表沉降测点
淤泥质粉质粘土 淤泥质粉质粘土 2-3/4 -淤泥质粘土 -淤泥质粘土
P0/v
1.0 0.8 0.6 0.4 0 20 40 60 80 100 120
环号
设定值 2区_左部 3区_右部
140
16
注浆率（%）
280 240 200 160 120 0 20 40 60
左线通过 轴线埋深16.4米
37-1 37-2
-20 -40 -60 -80 -100
右线通过 轴线埋深24米
朝晖小区A37测点沉降随时间变化曲线
盾构开挖过程中管片上浮破坏
上浮段管片 F注浆上 F浮 盾构机 F螺栓剪 G+F土压
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
作用在开挖面正前方失稳区内渗透力水平分力 slim 2
' ' slim 2 f 2 h f 3c
'
h D
（Anagnostou & Kovári, 1996 ）
稳态渗流时“楔形体—棱柱体”模型
渗透显著提高了开挖面极限支护力，高水头地层(H>C)无渗透极限支
护力不足渗透时极限支护力的10%。
F注浆下
100
实测值
最大上浮量（mm）
80
60
宁波地铁某区间盾构 施工中管片上浮现象
55 60 65 管片环号 70 75
40 50
施工期管片上浮引起的破损与渗漏
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
150
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&Kovari 1996)
极限有效支护力P'lim / kPa
120
90
60
30
无渗流极限有效支护力：4.67kPa
0 0.0
1.5
3.0
4.5
归一化水头差h/D
汇报内容
Pmin(Plim)
'
'
第二阶段
60
80
Plim=93.39kPa
40
(a)
0 2 4
(b)
(c)
'
30
Hw/D=3
0 6 8 10
极限有效支护力比较
0 1 2
开挖面位移S/Dm / %
h/D
3
4
试验结果：开挖面前方孔压分布
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
D
Fsy
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
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Biblioteka Baidu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
泥水盾构开挖面稳定性
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
水位面
H
河床
20kPa ps pw Ka z
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)
盾构开挖面稳定性 盾构开挖中的关键技术问题
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
地表坍塌 对邻近建筑、管线造成危害
主动 失稳
施工安全事故
水压力
+ 土压力
支护力 < 极限支护力
杭州地铁4号线渗透引起 渗透引起广州地铁3号线穿 越珠江江底塌陷事故 某区间河床塌陷渗水事 故（砂质粉土）
H=C
S=1.4mm p=pmin
楔形体
β=55.6º
X 10 X(mm)
Dm
e 楔形体 D B
b

a
开挖面极限有效支护力
' ' ' slim slim s 1 lim 2
'
无渗流时开挖面极限有效支护力 slim 1
' ' ' ' slim = s c cot max{ f f ' 1 0 av 1 D} c cot lim 1
-7
d≈4mm
-8
-9 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001100
Time(s)
泥膜渗透系数随时间变化
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15s
740 720
无泥膜
NF 0s NF 1.2s NF 15s
有泥膜
WF 0s WF 1.2s WF 15s
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
报告人：陈仁朋
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
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
100
面板开始后撤
100
盾构轴线深度远场静水压力
75
极限状态孔压ulim / kPa
75
孔压u / kPa
极限状态(P =Plim)
50
'
'
50
Hw/D=1
25
面板停止后撤
Hw/D=1
25
开始转机
0
X=0.25D X=0.75D X=1.25D
2000 3000 4000 5000
0
1000
0 0.0
结语
高水头下盾构开挖面稳定性
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
关键问题：渗透作用对开挖面稳定性的影响 研究现状
水位面
H
河床
h0
C
'
y
hF
hA
理论方法：极限平衡法 （ Anagnostou&Kovari ）、 极限分析法（Lee et al., 2001, 2003 ） 数值方法：有限元 （Ströhle & Vermeer, 2010） 试验方法：1g试验 （Lee et al., 2003 ）
C
泥膜
D
ps
pw
K a z'
关键问题：
泥膜特性及泥膜支护机理
泥膜形成模型试验
Permeability between P1 and P2 lg k (lg m/s)
长江河砂与泥浆颗粒分析曲线
-5
-6
试验装置示意图
Excess Pressure = 71.48 kPa Excess Pressure = 83.4 kPa Excess Pressure = 95.37 kPa Excess Pressure = 119.26 kPa
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)
试验结果：开挖面有效支护力变化规律
120
200
C/D=1 Hw/D=1
F
C/D=1 Hw/D=2
F S
开挖面有效支护力P'/ kPa
90
第一阶段
Pmin(Plim)
' '
第二阶段
盾构开挖地层变形对环境影响
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
盾构隧道建设时间 (d) 形过大，建筑物倾斜和开裂
0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
杭州地铁1号线： 朝晖小区A37/38栋
地表竖向位移 (mm)
Z(mm)
S=5mm
S=10mm
β=49.3º
X 10
β=49.3º
X5
β=49.3º
X5
(a)
X(mm)
(b)
X(mm)
(c)
X(mm)
稳态渗流时“楔形体—棱柱体”模型
棱柱体高度H：均等于隧道拱顶埋深C
水位面
0.68Dm
Cm=Dm
棱柱体
Z(mm)
L ∆h g
j h
地表 i Hw h0
棱柱体 密封舱 水头高度 盾构机 f c d
250 200 150 100 1.6 1.2
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
平均δ =202%
P s/ v
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
0.8 0.4 0.0 0
-10 -20
平均Ps/v=0.935
过江段
Sv,max/mm
平均Sv,max=9.4mm 过江段 平均Sv,max=30.2mm
Pore Pressure ( kPa )
700 680 660 640 620 600
0
2
4
6
8
10
Distance from Tunnel Face ( m )
泥水盾构数值模型示意图
泥膜使开挖面前方孔压下降 至少62.5%（15s内）
泥水盾构开挖面稳定性
开挖面稳定性分析
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%
160
桃渡路-鼓楼区间
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。
竖向位移 (mm)
0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 1.6
1.4 1.2
2012-4-24
4-28
I区
II区
5-15
开挖面位移S/Dm / %
200
120
F
开挖面位移S/Dm / %
本文离心模型试验 极限平衡法(Anagnostou&Kovari 1996) 上限解(Lee等 2003)
开挖面有效支护力P' / kPa
160
C/D=1 Hw/D=3
90
S ' 2 P =(8F)/(Dm)
第一阶段
120
'
Plim / kPa
结语
软土地区盾构隧道施工引起地层变形
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
鼓楼站 SK14+919 余姚江
1
盾构掘进方向
桃渡路站 SK16+094
S_86 左 线
S_66
S_46
S_25
S_3
5 隧道界限 10 15
3 2
盾构推进方向
地层界限
盾构掘进方向
-30 -40 -50 -60 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
里程/m
盾构开挖参数影响
0 10 20 40
掘进至68环 掘进至77环 掘进至145环 掘进至587环 2012-8-31
环号 (测点编号)
60 80 100 120 140
渗透力 F (kN) 有泥膜 无泥膜 5196 13959
泥膜上支护力 S’ (kN) 12995 0
总有效支护力 (kN) 18191 13959 0.86 0.66
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
S 2 P =(8F)/(Dm)
'
开挖面有效支护力P' / kPa
160
第一阶段
120
Pmin(Plim)
'
'
第二阶段 P'=(8F)/(D2 ) m
60
Plim=56.35kPa
'
80
Plim=76.49kPa
'
30
(a)
0 2 4
(b)
(c)
40
Hw/D=1
0 6 8 10
Hw/D=2
0 0 2 4 6 8 10
棱柱体
Hw/D=1
棱台体
Z(mm) Z(mm)
S=5mm
S=1.4mm p=pmin
Dm
楔形体
β=55.6º
X 10 X(mm)
0.86Dm
S=10mm
β=55.6º
X5 X(mm)
β=55.6º
楔形体
X5
(a)
(b)
Cm=Dm
(c)
X(mm)
Z(mm)
Z(mm)
S=1.52mm p=pmin
Dm
Hw/D=3
0
10
20
单位：米
宁波轨道交通2号线桃渡路-鼓楼区 间地层分布
桃-鼓区间隧道初始部分地表沉降 监测布置
盾构开挖参数沿里程分布
鼓楼-城隍庙区间
N /KN
I区
20000 16000 12000 8000 4000
II区
平均推力 N=11300kN
盾构隧道初始段（I区），盾构推力N、
δ /%
0 300