高水压小覆土过江跨海盾构掘.

高水压小覆土过江跨海盾构掘进关键技术研究北京交通大学隧道及地下工程研究中心北京BeijingJiaoTongUniversityResearchCenterofTunnelingandUndergroundWorks，Beijing2009年10月盾构技术讲座工学博士袁大军一、过江跨海盾构掘进主要难点1、泥水平衡盾构工法高水压小覆土问题2、长距离掘进与刀具磨损及高水压换刀问题3、泥水特性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二、过江跨海隧道小覆土高水压盾构掘进特征分析二、过江跨海隧道小覆土高水压盾构掘进特征分析1）地表(江底面)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，对泥水特性有要求。A：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，覆土厚度小，劈裂有可能在盾构中部或尾部发生。需对泥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3）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。C：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。在盾构进入水中后属于该种情况，与3）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）5）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，对泥水特性有要求。E：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5)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。F: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。G：最大风险区域江中冲槽掘进形式三、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，主要是泥水劈裂地层,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。2)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大稳定性差的地层中掘进，没有很好的固定模式和方法。2R=18r=0.75H=19室内三轴劈裂实验f3uPq劈裂发生压力泥水劈裂的基本概念1）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，劈裂压力与泥水的黏性和土层强度有关系，即:u3fqP式中：3为小主应力，qu为无侧限抗压強度，为系数。系数是与泥水黏性等相关的系数。PnクラッククサビPf小缝隙开裂2)砂土地层泥水劈裂发生压力砂土的劈裂发生压力可用下式表示：RmPft3''σσm:系数数，σ’:有効侧圧σt:抗拉強度，R:亀裂伸展抵抗エアー管理用圧力計バルブｐバルブ泥水タンクレギューレーター地表圧力計エアー抜き用のコックﾃﾞｰﾀｱﾅﾗｲｻﾞｰｺﾝﾌﾟﾚｯｻｰ270.014,323～19,357素掘孔（φ40.5）ｾﾒﾝﾄ･ﾍﾞﾝﾄﾅｲﾄ200.0先端圧力計エアー加圧管鋼管φ50.0h'ｈ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3）现场泥水劈裂试验4）泥水劈裂伸展压力312.1200.0300.490.071.00501001502002503003500500100015002000250030003500400045005000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—上部水压盾构模型试验装置盾构模型机土槽人工黏土配比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20～25s。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)Fracturesituation(withloading，TestNo.5)6）劈裂发生方向及宽度劈裂状况(无上部荷载，第一次试验)Fracturesituation(withoutloading，TestNo.1)劈裂宽度Fracturewidth掘进中裂缝与劈裂发生过程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。7）劈裂发生过程描述裂缝与劈裂状况Situationoffractureandcracksobservedinexperiment刀具前端到盾壳前端的距离L示意图SchematicdiagramofdistanceLfromcutterpointtoskinplatepoint8）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。四、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,太小开挖面稳定难以维持,太大,泥水会劈裂地层发生泥水喷发。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维法村山公式。考虑开挖面前方土体的平衡,作为滑动力有开挖面前方的滑动土块重量(Wf)和它上部的松动土压(Q)；作为阻力有泥水过剩压力(在顶部的泥水压和地下水压的压差△Pf),将以上三个力对滑动中心点O点的力矩平衡。根据设定的泥水过剩压力可以求出开挖面稳定的安全系数Fs。江面三维筒仓开挖面稳定理论计算模型五、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，按经验，用水压+0.2kgf/cm2。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，必须考虑影响开挖面稳定等的四个重要问题：1)首先必须保证开挖面稳定，不使其坍塌破坏；2)抑制开挖面的移动趋势，在掘进时使地层变形最小；3)绝对保证不发生泥水压力急剧的降低，开挖面崩坏的泥水的喷发现象；4)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，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(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。六、高水压小覆土南京长江隧道案例（1）江中水压高南京长江隧道盾构机工作压力约6.5bar,在同等直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6bar,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隧道，上海沪崇苏和武汉过江隧道，水压为5～5.5bar。1.基本条件（2）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1倍盾构直径，江中最小覆土厚度10.2m。尤其是江南冲槽段覆土厚度仅11.49m（0.7D），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制，稍有不慎，就有可能发生泥水劈裂、江水倒灌事故。2.现场泥水盾沟劈裂试验(1)试验区条件隧道井出洞中心深为13.79m(覆土厚6.34m)，水头高度为12.3m，覆土厚约为0.43D。盾构穿越土层主要为4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，强度指标小，属于典型的软弱粘土。6.江中冲槽段劈裂压力试算根据南京长江隧道实际工程情况,对江中粉细砂段和风险最大的冲槽地段进行仔细分析，选取开挖面稳定难度最大盾构线路中心里程附近的变坡点和位于冲槽段水压最大，覆土最浅和冲槽的凹点断面进行开挖面稳定的判定。选取江中断风险最大的三个断面进行开挖面稳定的判定。即里程K5＋100（断面1）、里程K6+73.1（断面2）和K6+96.2（断面3），隧道开挖直径14.93m。断面选取图七、开挖面极限支护压力计算1.必要性泥水加压盾构是依靠泥水来达到开挖面稳定，盾构掘进是个三维动态的推进过程，如支护压力低于极限最小支护压力，则将出现开挖面坍塌事故，近年来，开挖面失稳施工事故这一问题在地层条件复杂的盾构隧道施工时有发生，上海大连路隧道、复兴东路越江隧道曾因为开挖面失稳造成地面严重塌陷，影响工期，造成严重的经济损失，因此泥水盾构刀盘正面的开挖面稳定性问题是盾构隧道掘进时必须考虑的一个重要课题。2.开挖面稳定计算断面的确定根据南京长江隧道工程地质情况，针对江中粉细砂段和风险最大的冲槽地段，选取开挖面稳定风险最大的盾构线路中心里程附近的变坡点和位于冲槽段水压最大，覆土最浅、冲槽的凹点断面和盾尾过冲槽凹点断面进行开挖面极限支护压力的计算，选取江中断风险最大的四个断面进行开挖面稳定的判定。即里程K5＋100（断面一）、里程K6+73.1（断面二）和K6+96.2（断面三）、里程K6＋111.2（断面四）里程K6＋111.2断面四断面一断面二断面三3.开挖面稳定计算模型的选取及计算二维对数螺旋线滑动模型的基本理论是村山氏等学者根据二维试验及施工时的塌方状况和太沙基的松动土压提出的二维法村山公式，该模型假定盾构前方因开挖释放而形成滑动面，由洞顶的滑动宽度求出盾构前进方向的松弛范围，计算出松动土压力，然后假定开挖面前部的滑动面始于开挖面下