1、工学博士工学博士 袁大军袁大军北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心 北京北京 Beijing JiaoTong University Research Center of Tunneling and Underground Works，Beijing20152015年年8 8月月3 3日日 深圳深圳上海上中路隧道地质纵断面图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一、高水压小覆土盾构掘进泥水劈裂特征分析泥水劈裂特征分析 1）地表）地表(江底面江底面)较平坦，盾构机掘进水平。江中段覆土小
2、，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，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。对泥水特性有要求。A：一般掘进形式一般掘进形式 2）地表较平坦，盾构机掘进朝下方向。在初始掘进段属）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，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。需对泥覆土厚度小，劈裂有可能在盾构中部或尾部发生
3、。需对泥水压力审慎设定及控制，对泥水特性有要求。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）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，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。对泥水特性有要求。C：前期水中初始掘进形式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）地表向下倾斜，盾构机掘进朝下
4、方向。在盾构进入水中后属于该种情况，与中后属于该种情况，与3）基本相同。但有小的浅槽出）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。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）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）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。
5、需注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。性有要求。E：过江底后水中掘进形式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）江底面呈上坡，盾构机掘进上坡；与5)基本相同。但经基本相同。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。水特性。审慎设定及控制，是较最危险地段。
6、F:较大风险区域江中冲槽掘进形式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）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。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：
7、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，主要是泥水劈裂地高水小覆土盾构掘进问题，主要是泥水劈裂地层层,冒浆问题。国内外这方面研究成果很少。可冒浆问题。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。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扰着盾构界的难题，特别在
8、高水压下的透水性大稳定性差的地层中掘进，没有很好的固定模大稳定性差的地层中掘进，没有很好的固定模式和方法。式和方法。2R=18r=0.75H=19室内三轴劈裂实验室内三轴劈裂实验f3uPq劈裂发生压劈裂发生压力力 泥水劈裂的基本概念泥水劈裂的基本概念1）泥水劈裂发生压力）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，即黏性和土层强度有关系，即:u3fqP式中：式中：3 3为小主应力，为小主应力，q qu u为无侧限抗压強度，为无侧限抗压強度，为系数。为系数。系数系数 是与泥水黏性等相关的系数。是
9、与泥水黏性等相关的系数。PnPf小缝隙开裂2)砂土地层砂土地层泥水劈裂发生压力泥水劈裂发生压力 砂土的劈裂发生压力可用下式表示：砂土的劈裂发生压力可用下式表示：RmPft3m:m:系数数，系数数，:有効侧圧有効侧圧t t:抗拉強度，抗拉強度，R:R:亀裂伸展抵抗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实验孔构造及实验用仪器简图 3）现场泥水劈裂试验）现场泥水劈裂试验4）泥水劈裂伸展压力）泥水劈裂伸展压力312.1200.0300.490.071.00501001502002503003500500100015
10、002000250030003500400045005000时 间 t(s)先端圧力P(kPa)102030405060708090液面高度(cm)先端圧力液面高度 No.1孔劈裂发生点劈裂继续中4140s5）室内盾构模型掘进泥水劈裂试验）室内盾构模型掘进泥水劈裂试验i土槽；土槽；ii刀具；刀具；iii刀盘；刀盘；iv刀盘马达；刀盘马达；v掘进马达；掘进马达；vi排土排土器；器；vii压力计；压力计；viii泥水罐；泥水罐；ix排土槽；排土槽；x上部水压上部水压 盾构模型试验装置盾构模型试验装置盾构模型机盾构模型机土槽人工黏土配比Mixture proportions of gypsum co
11、hesive soil ground人工黏土配比人工黏土配比/gqu/kPa高岭土高岭土 石膏石膏 粉质黏土粉质黏土水水3 0002 0002 0004 0006 00010140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2025 s。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1 mm/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20 cm后停止，以一定的泥水加压速度使地层劈裂破坏的情况。试验试验编号编号无侧限抗压强度无侧限抗压强
12、度qu/kPa上部荷载上部荷载/kPa劈裂发生压力劈裂发生压力/kPa劈裂发生劈裂发生角度角度/()169.5071.3452114.0092.3383132.10108.5304134.30190.0355101.210175.0铅直铅直678.310148.1铅直铅直760.510126.0铅直铅直868.010157.6铅直铅直919.01055.7铅直铅直 盾构模型试验结果盾构模型试验结果 Results of model shield tests of shielding models 劈裂状况(有上部荷载)Fracture situation(with loading，Test N
13、o.5)6）劈裂发生方向及宽度）劈裂发生方向及宽度 劈裂状况(无上部荷载，第一次试验)Fracture situation(without loading，Test No.1)劈裂宽度 Fracture width 掘进中裂缝与劈裂发生过程掘进中裂缝与劈裂发生过程Processes of crack and fracture during shielding advancing(Test No.9)该图是第九次试验的泥水压力与盾构推进距离的试验结果。试验结束后，挖开盾构模型机通过的土层，观察结果表明图中A区间没有发现异常，在B区间发现如图所示劈裂发生前的裂缝(由于在泥水中加入了着色染料，所以可
14、以清楚的识别裂缝)。这些裂缝都是从壁面开始呈放射状伸展，其劈裂发生深度距离泥水喷发处越近就越深。从图还可以看出，裂缝发生时的泥水压力比泥水喷发发生压力(劈裂)小的多。7）劈裂发生过程描述）劈裂发生过程描述裂缝与劈裂状况裂缝与劈裂状况 Situation of fracture and cracks observed in experiment刀具前端到盾壳前端的距离刀具前端到盾壳前端的距离L示意图示意图Schematic diagram of distance L from cutter point to skin plate point8 8）是否发生泥水喷发的判定方法）是否发生泥水喷发的判
15、定方法s0VLt 斜向上劈裂形状Shapes of up-direction fracturebtqDLtan4c2tbtqDLtan4sc2stan4)(c2ssqbDLt将ts与t0进行比较，就可判断是否能发生泥水喷发现象。即tst0时，泥水喷发现象；tst0泥水喷发现象将不会发生。三、三、开挖面稳定的基本概念开挖面稳定的基本概念泥水压力的设定与开挖面稳定密切相关泥水压力的设定与开挖面稳定密切相关,太太小开挖面稳定难以维持小开挖面稳定难以维持,太大太大,泥水会劈裂地泥水会劈裂地层发生泥水喷发。层发生泥水喷发。村山氏等学者根据二维试验村山氏等学者根据二维试验及施工时的塌方状况提出了二及施工时
16、的塌方状况提出了二维法村山公式。考虑开挖面前维法村山公式。考虑开挖面前方土体的平衡方土体的平衡,作为滑动力有作为滑动力有开挖面前方的滑动土块重量开挖面前方的滑动土块重量(W(Wf f)和它上部的松动土压和它上部的松动土压(Q)(Q)；作为阻力有泥水过剩压力作为阻力有泥水过剩压力(在在顶部的泥水压和地下水压的压顶部的泥水压和地下水压的压差差P Pf f),),将以上三个力对滑将以上三个力对滑动中心点动中心点O O点的力矩平衡。根点的力矩平衡。根据设定的泥水过剩压力可以求据设定的泥水过剩压力可以求出开挖面稳定的安全系数出开挖面稳定的安全系数FsFs。江 面三维筒仓开挖面稳定理论计算模型三维筒仓开挖
17、面稳定理论计算模型 四、小覆土泥水盾构最佳泥水压力四、小覆土泥水盾构最佳泥水压力 泥水压力的设定，通常设定在主动土压和静止土压之间，泥水压力的设定，通常设定在主动土压和静止土压之间，按经验，用水压按经验，用水压+0.2kgf/cm2+0.2kgf/cm2。但这只是一般的情况。在高水。但这只是一般的情况。在高水 压等过江隧道泥水设定时，最佳泥水压力的设定，必须考虑压等过江隧道泥水设定时，最佳泥水压力的设定，必须考虑 影响开挖面稳定等的四个重要问题：影响开挖面稳定等的四个重要问题：1)1)首先必须保证开挖面稳定，不使其坍塌破坏；首先必须保证开挖面稳定，不使其坍塌破坏；2)2)抑制开挖面的移动趋势，
18、在掘进时使地层变形最小；抑制开挖面的移动趋势，在掘进时使地层变形最小；3)3)绝对保证不发生泥水压力急剧的降低，开挖面崩坏的泥水绝对保证不发生泥水压力急剧的降低，开挖面崩坏的泥水的喷发现象；的喷发现象；4)4)对于砂性土，砾石地层，由于散逸即过滤过多，发生泥水对于砂性土，砾石地层，由于散逸即过滤过多，发生泥水压力的低下和泥水的补给等问题，为了使该种问题不出现，压力的低下和泥水的补给等问题，为了使该种问题不出现，用改变泥水形状的方法基本可以解决。用改变泥水形状的方法基本可以解决。关于盾构泥水劈裂的初步结论关于盾构泥水劈裂的初步结论(1)当盾构掘进位置的主应力差很小当盾构掘进位置的主应力差很小(相
19、当于无上荷载相当于无上荷载)时，劈时，劈 裂将从盾构切削面上半圆处发生，并以近似平面形式斜向上裂将从盾构切削面上半圆处发生，并以近似平面形式斜向上 发展。发展。(2)当盾构掘进位置的主应力差较大时当盾构掘进位置的主应力差较大时(相当于有上荷载相当于有上荷载)时，劈时，劈 裂将从盾构切削面上半圆处发生，并以近似平面形式铅直方裂将从盾构切削面上半圆处发生，并以近似平面形式铅直方 向发展。向发展。(3)当泥水压力小于劈裂压力时，从切削面圆周向外放射状发生当泥水压力小于劈裂压力时，从切削面圆周向外放射状发生 小的劈裂小的劈裂 缝，劈裂缝发生的间距与刀具前端到盾壳前端的距缝，劈裂缝发生的间距与刀具前端到
20、盾壳前端的距 离离L相等。相等。(4)泥水喷发现象是否发生，与劈裂缝处的泥水压力的作用时泥水喷发现象是否发生，与劈裂缝处的泥水压力的作用时 间间t0以及劈裂发生后伸展到达水底的时间以及劈裂发生后伸展到达水底的时间ts相关。相关。tst0时时 泥水喷将发现象发生。泥水喷将发现象发生。(5)根据模型试验及理论分析结果，覆土厚度为根据模型试验及理论分析结果，覆土厚度为1D范围内，劈范围内，劈 裂发生有可能伸展至水底，可能发生泥水喷发。裂发生有可能伸展至水底，可能发生泥水喷发。(6)在一般情况下，如不是覆土厚度过浅，或者由于长时间停在一般情况下，如不是覆土厚度过浅，或者由于长时间停 机或者液压泵误动压
21、力过大，泥水喷发现象不会发生。为机或者液压泵误动压力过大，泥水喷发现象不会发生。为 了防止泥水劈裂现象发生，应加大泥水的黏性或加快掘进速度。了防止泥水劈裂现象发生，应加大泥水的黏性或加快掘进速度。五、高水压小覆土南京长江隧道案例五、高水压小覆土南京长江隧道案例（1）江中水压高）江中水压高 南京长江隧道盾构机工作压力约南京长江隧道盾构机工作压力约6.5bar,在同等直在同等直径及更大直径泥水盾构项目中是世界最大的。径及更大直径泥水盾构项目中是世界最大的。东京湾海底隧道为最大水压东京湾海底隧道为最大水压6bar,荷兰格林哈特隧道最大水压为荷兰格林哈特隧道最大水压为5.5bar；长江上的另外两条盾构
22、隧道，上海沪崇苏和武汉过江隧道，；长江上的另外两条盾构隧道，上海沪崇苏和武汉过江隧道，水压为水压为55.5bar。1.基本条件基本条件（2 2）江中段覆土厚度小水压大地层突变）江中段覆土厚度小水压大地层突变 江中段最小覆土厚度小于江中段最小覆土厚度小于1倍盾构直径，江中倍盾构直径，江中最小覆土厚度最小覆土厚度10.2m。尤其是江南冲槽段覆土。尤其是江南冲槽段覆土厚度仅厚度仅11.49 m（0.7D），其前方以大坡度覆），其前方以大坡度覆土厚度增加，切削面稳定和泥水力很难控土厚度增加，切削面稳定和泥水力很难控制，稍有不慎，就有可能发生泥水劈裂、江制，稍有不慎，就有可能发生泥水劈裂、江水倒灌事故。
23、水倒灌事故。2.现场泥水盾沟劈裂试验现场泥水盾沟劈裂试验 (1)试验区条件试验区条件 隧道井出洞中心深为隧道井出洞中心深为13.79m(覆土厚覆土厚6.34m)，水头高度为水头高度为12.3m，覆土厚约为，覆土厚约为0.43D。盾构穿越土层主要为盾构穿越土层主要为4层淤泥质粉质粘土。该土层淤泥质粉质粘土。该土层含水量大，孔隙比非常大，渗透系数小，强度指层含水量大，孔隙比非常大，渗透系数小，强度指标小，属于典型的软弱粘土。标小，属于典型的软弱粘土。水塘气泡情况水塘气泡情况泥水加压试验泥水加压试验-1-1池塘泥水加压试验池塘泥水加压试验泥水加压试验泥水加压试验-2-2-岸上泥水劈裂试验岸上泥水劈裂
24、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压分布初始水压分布 选取里程选取里程K6+96.2断面断面进行开挖面稳定分析，该里程进行开挖面稳定分析，该里程对应对应盾构盾构刀盘刚刀盘刚好处于冲槽坡脚正下方，好处于冲槽坡脚正下方，为找出维持开挖面稳定的最小支护压力（主为找出维持开挖面稳定的最小支护压力（主动土压）和最大支护压力（被动土压），分析时在开挖面分别施加不动土压）和最大支护压力（被动土压），分析时在开挖面分别施加不同的支护压力进行试算，压力梯度变化取为同的支护压力进行试算，压力梯度变化取为0.13bar/m，以便与泥水，以便与泥水密
25、度相对应，模型中密度相对应，模型中管片和盾体采用壳单元（管片和盾体采用壳单元（shell）、弹性材料、弹性材料模模拟，拟，地层采用实体单元、摩尔库仑材料模拟，查看地层和开挖面的竖地层采用实体单元、摩尔库仑材料模拟，查看地层和开挖面的竖向和水平位移变化，分析时不考虑地层中孔隙水压的变化。模型和地向和水平位移变化，分析时不考虑地层中孔隙水压的变化。模型和地层参数如后：层参数如后：泥水仓中心压力4.1bar 地层竖向位移云图 泥水仓中心压力4.1bar 开挖面水平位移 泥水仓中心压力4.1bar 刀盘上方河床地表沉降槽 泥水仓中心压力4.2bar 地层竖向位移云图 泥水仓中心压力4.2bar 开挖面
26、水平位移 泥水仓中心压力4.2bar 刀盘上方河床地表沉降槽 泥水仓中心压力5.2bar 地层竖向位移云图泥水仓中心压力5.2bar 开挖面水平位移泥水仓中心压力5.2bar 刀盘上方河床地表沉降槽 泥水仓中心压力5.8bar 地层竖向位移云图 泥水仓中心压力5.8bar 开挖面水平位移 开挖面水平位移几乎为零，可认为计算静止土压为5.8bar。泥水仓中心压力5.8bar 刀盘上方河床地表沉降槽泥水仓中心压力10.5bar 地层竖向位移云图 泥水仓中心压力10.5bar 开挖面水平位移泥水仓中心压力10.5bar 刀盘上方河床地表沉降槽泥水仓中心支护压力和开挖面水平位移的关系曲线非线性关系，有不收敛趋势
