隧道盾构施工方法及其应用

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1、第4章隧道盾构施工方法及其应用知识要点：X盾构施工方法简介X盾构隧道施工过程的有限元模拟方法X反映施工质量的等代层模型X盾构法施工的非线性有限元模型X工程概述及有限元模型的建立X施工过程描述X计算结果分析本章导读：本章介绍了采用大型有限元软件ABAQUS进行盾构隧道动态开挖施工过程三维仿真分析，主要包括盾构隧道施工过程的有限元模拟方法、反映施工质量的等代层模型、盾构法施工的非线性有限元模型、工程概述及有限元模型的建立、施工过程描述和计算结果分析等。在计算结果分析中就围岩塑性区演化、孔隙压力分布、围岩应力场分布及变形进行了分析，并讨论了隧道施

2、工质量对围岩稳定性的影响。4.1盾构施工方法简介随着地下空间的不断开发，盾构施工技术得到越来越广泛地应用，其中土压平衡式盾构掘进技术以其快速、环保及对周围环境影响较小等优点而被广泛应用于隧道工程。自盾构法问世以来，研究和预测盾构推进对周围环境的影响始终得到工程界的重视。盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修建隧道的方法。盾构机的盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳；所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆。盾构法隧

3、道施工的研究在国内外得到了广泛的重视，Finno.R.J经现场实测表明，可采用纵、横向二个方向的二维平面有限元模拟土压平衡盾构开挖隧道的过程。Lee.K.M发展了一种用于模拟施工工序、后续地层位移、隧道开挖面周围及地表的应力状态对地面沉陷影响的三维弹塑性有限元方法。朱合华采用平面应变分析方法对盾构施工过程进行了模拟分析。孙钧对上海地区软土盾构隧道施工过程中不同受力阶段以及地表沉降次固结问题，进行了有限元数值分析。王敏强采用三维非线性有限单元法进行分析，采用迁移法模拟盾构推进过程。盾构施工过程中的盾尾空隙大小、注浆充填程度、隧道周围土体的扰动

4、程度与范围，很难量化，为了方便地模拟这些因素的影响，张云、季亚平和刘元雪等将衬砌周围的土体与注浆情况概化为一均质、等厚的等代层。姜忻良等以天津地铁工程为背景并利用单元生死技术模拟了盾构开挖过程。张志强建立了模拟盾构机（包括刚度、自重和推力）前行掘进隧道的三维有限元模型，并应用于南京地铁隧道工程。朱合华针对盾构隧道的施工阶段、注浆材料及管片接头的特性提出了有限元模拟方法，应用于大阪地铁7号线盾构隧道施工的力学分析中。张海波提出了一种能够综合考虑各种因素的盾构隧道施工的三维非线性有限元模拟方法，包括对材料性态、载荷条件和盾构分步连续推进。盾构法

5、施工是一个非常复杂的过程，它对周围环境的影响与施工的主要技术环节密切相关。早在1969年Peck就指出盾构法施工引起的地层损失以及对相邻结构的影响与施工的具体细节是分不开的。因此，理论分析时只有准确把握盾构施工的主要因索才能得出符合实际情况的结果。盾构施工阶段主要包括以下几个主要的技术环节：（1）土体开挖与开挖面支护土压平衡式盾构施工过程中，通过切削刀盘的切削前方土体。挖土量的多少由刀盘的转速、切削扭矩以及千斤顶推力决定，排土量的多少则是通过螺旋排土器的转速来调节。因为土压平衡式盾构机是借助土压舱内土体压力来平衡开挖面土水压力的，为使土压舱

6、压力波动较小，施工中要经常调节螺旋排土器的转速和千斤顶的推进速度，来保持挖土量和排土量保持平衡。（2）盾构掘进与衬砌拼装盾构依靠千斤顶推力作用向前推进。盾构推进过程中需要克服开挖面土体压力、侧面土体摩擦阻力和内部机械设备阻力，盾构的总推力必须根据各种阻力的总和及其所需要的富裕量决定。推力过大会使正面土体因挤压而前移和隆起，而推力过小又影啊推进速度。千斤顶推动盾构前进后，依次收缩千斤顶在盾构内部拼装衬砌。（3）盾尾脱空与壁后注浆千斤顶推动盾构机向前推进时，使得本来位于盾构壳内部的拼装衬砌脱出盾壳的保护，在衬砌外围产生建筑空隙（其体积等于盾壳对

7、应圆筒体积与盾尾操作空间体积之和），引起较大地层损失，如图4-1所示。如不采取补救措施会引起很大的地层位移和地面沉降。壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，以减小由于盾尾空隙而产生的地应力释放和地层变形，是盾构施工的重要环节之一。壁后注浆有通过在盾构壳上设置注浆管，在空隙生成的同时进行注浆的同步注浆方式和通过管片上预留的注浆孔进行注浆的及时注浆方式两种，其中同步注浆更有利于沉降的控制。图4-1盾尾空隙与壁后注浆4.2盾构隧道施工过程的有限元模拟方法4.2.1盾构法隧道的施工过程盾构推进引起的围岩稳定性有明显的三维特性，与盾构自身的特性

8、属性（刚度、自重、推力等）、施工进程以及具体操作密切相关（图4-2）。开挖面盾构机注浆体浆体凝固侧向挤压掘进引起的挤压衬砌管片盾尾空隙盾构前行侧向挤压开挖面应力释放界面摩擦力图4