复合地层中超大直径泥水盾构施工开挖面泥水压力确定方法研究

复合地层中超大直径泥水盾构施工开挖面泥水压力确定方法研究
陈家康１，刘陕南１， ，肖晓春２，吴 俊１，李 磊２，汪 磊１
（１．上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 ２０１６２０；２．上海隧道工程有限公司，上海 ２０００３２）
摘要：在超大直径泥水盾构施工中，泥水压力的控制是保证开挖面稳定的关键。依托正在新建的上海北横通道工程，利用三维数 值分析方法，总结出适用于软土复合地层超大直径泥水盾构施工的开挖面泥水压力确定方法，并根据北横通道现场实测数据对该 方法进行对比分析。研究结果显示：１）超大直径泥水盾构泥水压力最佳平衡计算点位主要与土层厚度比和上下土层有效内摩擦 角差值有关；２）在近似均一地层中可以取盾构中心点作为平衡点位，这与以往工程经验相吻合；３）复合地层中可通过理论计算确 定最佳平衡计算点位。 关键词：复合地层；超大直径泥水盾构；开挖面；泥水压力确定方法；三维数值模拟 ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－４４９８．２０１８．０４．０１３ 中图分类号：Ｕ４５５．４３ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９６－４４９８（２０１８）０４－０６１９－０８
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＵｒｂａｎＲａｉｌＴｒａｎｓｉｔ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｈａｎｇｈａｉＴｕｎｎｅｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｌｕｒｒｙｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｉｓｔｈｅｋｅｙｔｏｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆａｃｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｄｕｒｉｎｇｓｕｐｅｒｌａｒｇｅｓｌｕｒｒｙｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ． ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＢｅｉｈｅｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎＳｈａｎｇｈａｉｕｎｄｅｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｌｕｒｒｙｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｆａｃｅｏｆｓｕｐｐｅｒｌａｒｇｅｓｌｕｒｒｙｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｇｒｏｕｎｄｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｂｙｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｉｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ： （１）Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｂａｌａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｓｌｕｒｒｙａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｒａｔｉｏｏｆｓｏｉｌｌａｙｅｒａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｓｏｉｌｌａｙｅｒｓ．（２）Ｉｎｔｈｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｕｎｉｆｏｒｍ ｓｔｒａｔｕｍ，ｔｈｅｓｈｉｅｌｄｃｅｎｔｅｒｐｏｉｎｔ ｃａｎｂｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｂａｌａｎｃｅｐｏｉｎｔ，ｗｈｉｃｈｉｓｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｅｎｇｉｎｅｅＩｎｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｂａｌａｎｃｅｐｏｉｎｔｃａｎｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｇｒｏｕｎｄ；ｓｕｐｅｒｌａｒｇｅｓｌｕｒｒｙｓｈｉｅｌｄ；ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆａｃｅ；ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｌｕｒｒｙｐｒｅｓｓｕｒｅ； ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
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隧道建设（中英文） 第 ３８卷
过大，甚至发生开挖面坍塌，安全性得不到保障［４］。 北横通道新建工程隧道开挖直径为 １５．５６ｍ，穿
越上海繁华的经济商贸区、高档住宅区、苏州河及运营 地铁线路。在此工程中，一方面要考虑超大直径的盾 构对地层扰动的巨大影响；另一方面，又要满足城市 中心建筑物密集区域进行盾构施工时，周边环境对盾 构施工地表变形所提出的严格的控制条件。在这种情 况下，如何通过理论计算确定开挖面泥水压力设定值 对工程实践具有重要意义。
０ 引言
伴随着我国经济的迅速发展，城市地面交通日趋 拥挤，大直径地下快速通道相应产生。在地层含水量 大和易发生流砂的地层中，泥水平衡盾构法隧道由于 其独有的优势而被广泛采用［１］，并向大断面、浅覆土、 长距离的方向发展［２－３］。
在上海软土地层中进行泥水盾构隧道施工时，为
平衡刀盘前面的水土压力，需在开挖面施加适当压力 的泥水，从而在开挖面上形成不透水的泥膜，让泥水压 力有效地发挥作用。泥水压力一直以来都是影响工程 安全、控制前方地面隆沉的主要施工因素之一［３］。当 隧道开挖面处泥水压力设定值较大时，不仅会诱发产 生地表隆起，且易造成盾构刀盘的较大磨损，经济性不 好；而开挖面泥水压力设定值太低又会造成地表沉降
泥水压力的设定与开挖面处的平衡机制有关。在 盾构隧道开挖面支护压力理论计算方法中，最著名的 是由 Ｍ．Ｈｏｒｎ［５］提出的楔形体模型，通过开挖面楔形 体的极限平衡可以求得极限支护压力，但该模型对于 砂性土层较适合，对于黏性土地层计算误差较大；日本 隧道规范中确定开挖面支护压力的原则为采取静止土 压力作为上限值，而主动土压力作为下限值，静止土压 力系数规范中建议在软黏性土中取 ０．６５～０．７５，对于 正常固结砂土的计算则取 Ｋ０ ＝１－ｓｉｎφ′［６］；我国传统 的盾构开挖面支护压力确定方法为在砂性土层中一般 采用水土分 算 计 算 水 土 压 力 后 加 上 变 动 压 力［１，７］，变 动压力一般取 ２０ｋＰａ，在黏性土层中可按水土合算计 算水土压力后加上变动压力，在计算中所需要确定的 侧向土压 力 系 数 一 般 由 经 验 而 定［８］。 张 子 新 等［４］通 过工程实测比较分析得出，采用我国传统方法和日本 规范方法以及楔形体模型计算方法所确定的支护压力 沿程曲线与工程实设曲线都较为接近。在实际工程 中，泥水盾构开挖面泥水压力值也是基于我国传统方 法来设定的，由计算所得的开挖面中心处的水土压力 加上变动压力，其变动压力需根据现场施工情况进行 相应的调整。
ＳｔｕｄｙｏｆＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｆｏｒＳｌｕｒｒｙＰｒｅｓｓｕｒｅｏｎＥｘｃａｖａｔｉｏｎＦａｃｅｏｆ ＳｕｐｅｒｌａｒｇｅＳｌｕｒｒｙＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｉｎＣｏｍｐｏｓｉｔｅＧｒｏｕｎｄ
ＣＨＥＮＪｉａｋａｎｇ１，ＬＩＵＳｈａｎｎａｎ１， ，ＸＩＡＯＸｉａｏｃｈｕｎ２，ＷＵＪｕｎ１，ＬＩＬｅｉ２，ＷＡＮＧＬｅｉ１
收稿日期：２０１７－０７－２２；修回日期：２０１７－１０－３０ 基金项目：上海隧道工程有限公司资助项目（２０１５－ＳＫ－０６） 第一作者简介：陈家康（１９９２—），男，安徽铜陵人，上海工程技术大学交通运输工程专业在读硕士，研究方向为交通工程结构维护保障技术。Ｅｍａｉｌ： ２２８９５７０３５８＠ｑｑ．ｃｏｍ。通信作者：刘陕南，Ｅｍａｉｌ：ｓｈａｎｎａｎ６１１＠ｑｑ．ｃｏｍ。