海底隧道修建技术国际研讨会资料

水底盾构掘进泥水喷发现象研究STUDYONSLURRY-WATERGUSHINGDURINGUNDERWATERSHIELDTUNNELCONSTRUCTION报告人:袁大军北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心北京BeijingJiaoTongUniversityResearchCenterofTunnelingandUndergroundWorks，Beijing2007年11月6日厦门1.问题的提出在过江或跨海等大型水底隧道的施工工法中，盾构法是重要的工法之一。我国在建或将建的大型跨江海软土隧道几乎都采用了盾构工法，且多为泥水平衡盾构工法。盾构在大型跨江海软土隧道施工时，为保证施工的质量和工程安全，最重要的问题之一就是如何保证开挖面的稳定。盾构机在江海中段掘进时，由于覆土厚度一般较小，且水压较大，切削面稳定难以控制。如有不慎，就有可能发生泥水劈裂地层，使得泥水喷发到江(海)底，从而产生塌陷和江(海)水倒灌等重大工程事故。TEMS河底公路隧道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泥水平衡盾构原理地层刀盘进泥管排泥管泥浆压缩空气连通管压缩空气泥模形成区2.对问题的认识及相关研究泥水平衡盾构掘进过程中的泥水喷发问题，从物理现象上讲是水力劈裂问题。水力劈裂(hydraulicfracturing)现象的研究，在土力学及地基基础领域还是一个比较新的课题，但在岩石力学领域从很早就有人开始了研究。部分研究成果用于石油及天然气等开采，在钻孔施加水压力，使岩石产生龟裂，以提高采油效率。在土坝土心墙等的劈裂注浆加固时，由于浆液压力过大，将产生漏水这一类现象，也属于这个范畴。在注浆加固研究领域，应用劈裂注浆技术加固土体，以达到改良效果，这方面的研究主要集中于劈裂注浆的加固范围和加固效果。关于黏性土的劈裂现象的研究文献不多，已有的一些文献但还没能很好的分析影响劈裂压力、劈裂方向以及劈裂伸展的因素。我国也有许多学者从事劈裂现象的研究，主要集中在岩体水力劈裂等方面。2R=18r=0.75H=19室内三轴劈裂实验f3uPq劈裂发生压力现场劈裂实验0pc572.1aAPq劈裂伸展压力劈裂伸展流量i—土槽；ii—刀具；iii—刀盘；iv—刀盘马达；v—掘进马达；vi—排土器；vii—压力计；viii—泥水罐；ix—排土槽；x—上部荷载盾构模型试验装置Modelexperimentdeviceforshieldtunneling3.研究方法土槽人工黏土配比Mixtureproportionsofgypsumcohesivesoilground人工黏土配比/gqu/kPa高岭土石膏粉质黏土水3000200020004000～600010～140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25～29s。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1mm/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20cm后停止，以一定的泥水加压速度使地层劈裂破坏的情况。劈裂状况(有上部荷载，第五次试验)Fracturesituation(withloading，TestNo.5)劈裂状况(无上部荷载，第一次试验)Fracturesituation(withoutloading，TestNo.1)劈裂宽度(第二次试验No.2)Fracturewidth(TestNo.2)一般劈裂宽度为2.10～2.90mm，平均为2.58mm。试验编号无侧限抗压强度qu/kPa上部荷载/kPa劈裂发生压力/kPa劈裂发生角度/(°)169.5071.3452114.0092.3383132.10108.5304134.30190.0355101.210175.0铅直678.310148.1铅直760.510126.0铅直868.010157.6铅直919.01055.7铅直盾构模型试验结果Resultsofmodelshieldtestsofshieldingmodels掘进中裂缝与劈裂发生过程(第九次试验)Processesofcrackandfractureduringshieldingadvancing(TestNo.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。裂缝与劈裂状况Situationoffractureandcracksobservedinexperiment掘进状态对劈裂发生压的影响Effectsofshieldingadvancingonfracturepressures刀具前端到盾壳前端的距离L示意图SchematicdiagramofdistanceLfromcutterpointtoskinplatepoint4.是否发生泥水喷发的判定方法s0VLt斜向上劈裂形状Shapesofup-directionfracturebtqDLtan4c2tbtqDLtan4sc2stan4)(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ts＜t0时，泥水喷发现象；ts＞t0泥水喷发现象将不会发生。5.泥水喷发计算例设定盾构外径D=8m，刀具前端到盾构壳体的前端的距离L为30cm，掘进速度为3cm/min(一般的盾构掘进速度)，覆土厚度为1D，黏土地层(无侧限抗压强度qu=100kPa)，泥水黏度为24～27s。根据模型试验结果，劈裂宽度可设定为3mm，=30°，=45°。经过式(4)计算，得t0=600s。ts可用式(7)计算，劈裂继续伸展泥水流量qc可用式(2)计算，式(2)中的劈裂伸展有效泥水压力Pp为可用式(1)的Pf与3的差求得。由于篇幅所限，计算过程省略。经以上计算可知ts=438s。可以看出，ts＜t0，根据前述的判定标准，泥水喷发现象有可能发生。结论(1)当盾构掘进位置的主应力差很小(相当于无上荷载)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发展。(2)当盾构掘进位置的主应力差较大时(相当于有上荷载)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离L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间t0以及劈裂发生后伸展到达水底的时间ts相关。ts＜t0时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1D范围内，劈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。谢谢！