1、1.問(wèn)題的提出 在過(guò)江或跨海等大型水底隧道的施工工法中，盾構(gòu)法是重要的工法之一。我國(guó)在建或?qū)⒔ǖ拇笮涂缃＼浲了淼缼缀醵疾捎昧硕軜?gòu)工法，且多為泥水平衡盾構(gòu)工法。盾構(gòu)在大型跨江海軟土隧道施工時(shí)，為保證施工的質(zhì)量和工程安全，最重要的問(wèn)題之一就是如何保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定。盾構(gòu)機(jī)在江海中段掘進(jìn)時(shí)，由于覆土厚度一般較小，且水壓較大，切削面穩(wěn)定難以控制。如有不慎，就有可能發(fā)生泥水劈裂地層，使得泥水噴發(fā)到江(海)底，從而產(chǎn)生塌陷和江(海)水倒灌等重大工程事故。,TEMS河底公路隧道,南京長(zhǎng)江隧道工程縱斷面示意圖 上海上中路隧道地質(zhì)縱斷面圖,壓縮 空氣,連通管,泥模形成區(qū)壓縮 空氣,泥漿,地 層刀盤進(jìn)泥管排泥管,

2、泥水平衡盾構(gòu)原理,2.對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)及相關(guān)研究 泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的泥水噴發(fā)問(wèn)題，從物理現(xiàn)象上講是水力劈裂問(wèn)題。水力劈裂(hydraulic fracturing)現(xiàn)象的研究，在土力學(xué)及地基基礎(chǔ)領(lǐng)域還是一個(gè)比較新的課題，但在巖石力學(xué)領(lǐng)域從很早就有人開(kāi)始了研究。部分研究成果用于石油及天然氣等開(kāi)采，在鉆孔施加水壓力，使巖石產(chǎn)生龜裂，以提高采油效率。在土壩土心墻等的劈裂注漿加固時(shí)，由于漿液壓力過(guò)大，將產(chǎn)生漏水這一類現(xiàn)象，也屬于這個(gè)范疇。在注漿加固研究領(lǐng)域，應(yīng)用劈裂注漿技術(shù)加固土體，以達(dá)到改良效果，這方面的研究主要集中于劈裂注漿的加固范圍和加固效 果。關(guān)于黏性土的劈裂現(xiàn)象的研究文獻(xiàn)不多，已有的一些文

3、獻(xiàn)但還沒(méi)能很好的分析影響劈裂壓力、劈裂方向以及劈裂伸展的因素。我國(guó)也有許多學(xué)者從事劈裂現(xiàn)象的研究，主要集中在巖體水力劈裂等方面。,室內(nèi)三軸劈裂實(shí)驗(yàn),劈裂發(fā)生壓 力,劈裂伸展壓 力 劈裂伸展流 量,現(xiàn)場(chǎng)劈裂實(shí)驗(yàn),3. 研究方法 i土槽；ii刀具；iii刀盤；iv刀盤馬達(dá)；v掘進(jìn)馬達(dá)；vi排土器 ；vii壓力計(jì)；viii泥水罐；ix排土槽；x上部荷載 盾構(gòu)模型試驗(yàn)裝置 Model experiment device for shield tunneling,土槽人工黏土配比 Mixture proportions of gypsum cohesive soil ground 所用泥水是10%的膨潤(rùn)

4、土拌和而成。為觀察劈裂面情況，把泥水著色成了紅色。泥水黏度約2529 s。試驗(yàn)分兩種形式進(jìn)行。一種是在有上部荷載的情況，以模擬覆蓋層較大的情況；另一種是無(wú)上部荷載的情況，以模擬覆蓋層較薄的情況。盾構(gòu)模型機(jī)以1 mm/min掘進(jìn)，并以一定的泥水加壓速度使地層劈裂破壞(泥水噴發(fā))。試驗(yàn)也進(jìn)行了在掘進(jìn)20 cm后停止，以一定的泥水加壓速度使地層劈裂破壞的情況。,劈裂狀況(有上部荷載，第五次試驗(yàn)) Fracture situation(with loading，Test No.5),劈裂狀況(無(wú)上部荷載，第一次試驗(yàn)) Fracture situation(without loading，Test No

5、.1),劈裂寬度(第二次試驗(yàn)No.2) Fracture width (Test No.2) 一般劈裂寬度為2.102.90 mm，平均為2.58 mm。,盾構(gòu)模型試驗(yàn)結(jié)果 Results of model shield tests of shielding models,該圖是第九次試驗(yàn)的泥水壓力與盾構(gòu)推進(jìn)距離的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)束后，挖開(kāi)盾構(gòu)模型機(jī)通過(guò)的土層，觀察結(jié)果表明圖中A區(qū)間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常，在B區(qū)間發(fā)現(xiàn)如圖所示劈裂發(fā)生前的裂縫(由于在泥水中加入了著色染料，所以可以清楚的識(shí)別裂縫)。這些裂縫都是從壁面開(kāi)始呈放射狀伸展，其劈裂發(fā)生深度距離泥水噴發(fā)處越近就越深。從圖還可以看出，裂縫發(fā)生時(shí)的泥水

6、壓力比泥水噴發(fā)發(fā)生壓力(劈裂)小的多。,掘進(jìn)中裂縫與劈裂發(fā)生過(guò)程(第九次試驗(yàn)) Processes of crack and fracture during shielding advancing(Test No.9),裂縫與劈裂狀況 Situation of fracture and cracks observed in experiment,掘進(jìn)狀態(tài)對(duì)劈裂發(fā)生壓的影響 Effects of shielding advancing on fracture pressures,4.是否發(fā)生泥水噴發(fā)的判定方法 刀具前端到盾殼前端的距離L示意圖 Schematic diagram of dista

7、nce L from cutter point to skin plate point,斜向上劈裂形狀 Shapes of up-direction fracture,將ts與t0進(jìn)行比較，就可判斷是否能發(fā)生泥水噴發(fā)現(xiàn) 象。即tst0時(shí)，泥水噴發(fā)現(xiàn)象；tst0泥水噴發(fā)現(xiàn)象將不會(huì)發(fā)生。,5. 泥水噴發(fā)計(jì)算例 設(shè)定盾構(gòu)外徑D = 8 m，刀具前端到盾構(gòu)殼體的前端的距離L為30 cm，掘進(jìn)速度為3 cm/min(一般的盾構(gòu)掘進(jìn)速度)，覆土厚度為1D，黏土地層(無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu = 100 kPa)，泥水黏度為2427 s。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，劈裂寬度可設(shè)定為3 mm，= 30，= 45。 經(jīng)過(guò)式(4

8、)計(jì)算，得t0 = 600 s。ts可用式(7)計(jì)算，劈裂繼續(xù)伸展泥水流量qc可用式(2)計(jì)算，式(2)中的劈裂伸展有效泥水壓力Pp為可用式(1)的Pf與3的差求得。由于篇幅所限，計(jì)算過(guò)程省略。經(jīng)以上計(jì)算可知ts = 438 s?？梢钥闯?，tst0，根據(jù)前述的判定標(biāo)準(zhǔn)，泥水噴發(fā)現(xiàn)象有可能發(fā)生。,結(jié) 論,(1) 當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)位置的主應(yīng)力差很小(相當(dāng)于無(wú)上荷載)時(shí)，劈裂將從盾構(gòu)切削面上半圓處發(fā)生，并以近似平面形式斜向上發(fā)展。 (2) 當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)位置的主應(yīng)力差較大時(shí)(相當(dāng)于有上荷載)時(shí)，劈裂將從盾構(gòu)切削面上半圓處發(fā)生，并以近似平面形式鉛直方向發(fā)展。 (3) 當(dāng)泥水壓力小于劈裂壓力時(shí)，從切削面圓周向外放射狀發(fā)生小的劈裂 縫，劈裂縫發(fā)生的間距與刀具前端到盾殼前端的距離L相等。 (4) 泥水噴發(fā)現(xiàn)象是否發(fā)生，與劈裂縫處的泥水壓力的作用時(shí)間t0以及劈裂發(fā)生后伸展到達(dá)水底的時(shí)間ts相關(guān)。tst0時(shí)泥水噴將發(fā)現(xiàn)象發(fā)生。 (5) 根據(jù)模型試驗(yàn)及