[發明專利]水底泥水式盾構掘進泥水噴發現象判斷方法

無效

• 申請號: 201310013157.3
• 申請日: 2013-01-14
• 公開（公告）號: CN103133006A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 袁大軍
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: E21D9/06
• 分類號: E21D9/06
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

技術領域

本發明屬于過江隧道工程技術領域，特別涉及一種水底泥水式盾構掘進泥水噴發現象判斷方法。

背景技術

泥水式盾構工法是水底軟土隧道施工的首選工法。盾構在大型跨江海軟土隧道施工時，為了保證施工的質量和工程安全，最重要的問題之一就是如何保證開挖面的穩定。盾構在江海中段掘進時，由于覆土厚度一般較小，水壓較大，切削面穩定難以控制，如有不慎，就有可能發生泥水劈裂地層，使得泥水噴發到江（海）底，從而產生塌陷和江（海）水倒灌等重大事故。

泥水平衡盾構掘進過程中的泥水噴發問題，從物理現象上講是水力劈裂問題。水力劈裂（Hydraulic?Fracturing）現象的研究，在土力學及地基基礎領域還是一個比較新的課題，但在巖石力學領域從很早就有人開始了研究，研究成果用于石油及天然氣等的開采——在鉆孔施加水壓力，使巖石產生龜裂，以提高采油效率。在土壩土心墻等的劈裂注漿加固時，由于漿液壓力過大產生漏水現象，也屬于這個范疇。在注漿加固研究領域，應用劈裂注漿技術加固土體，以達到改良效果，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。關于粘性土的劈裂現象的研究文獻不多，已有的一些文獻?,但還沒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。

關于泥水式盾構的劈裂研究，是從日本的東京灣海底公路隧道的研究開始的。栗原（Kurihara）用盾構模型機對泥水盾構施工中可能產生的泥水劈裂噴發現象進行了研究。其結論是在砂土層，除了覆蓋層過薄的特殊條件下以外，幾乎沒有發生泥水噴發的可能。當在軟粘土層中時，劈裂噴發發生的泥水壓力與維持切削面穩定的所需要的泥水壓力相近，并給出了一個劈裂噴發的經驗公式。但因為當時的試驗是用的加壓液體是用的水，即沒有考慮粘性的影響。另外，因為是小型的模型試驗沒有考慮泥水伸展的得影響。難以評價工程中的劈裂噴發現象。森麟（A?Mori）對盾尾注漿時的劈裂現象進行了室內實驗研究，并對各種粘性的漿液對劈裂壓力的影響進行了研究，得出了劈裂壓力與注漿的粘性以及徑比（覆土厚與盾構直徑的比）的關系。

在國內的資料中也沒有關于劈裂的伸展壓力、伸展速度等的研究，也缺乏對泥水盾構的泥水壓劈裂現象的研究。關于軟粘土的劈裂發生的研究，在注漿研究領域有些研究成果，但沒有涉及劈裂伸展，更沒有關于劈裂伸展、伸展速度等的研究。

目前，國內還沒有水底泥水式盾構掘進泥水噴發現象發生與否的判斷方法。在具體工程施工中，一般根據經驗判斷是否發生泥水劈裂現象，這樣一來就會增加施工風險。若采用保守的施工方法，如拋壓重物增加覆土厚度，會使工程造價增加。

發明內容

本發明的目的是提供一種水底泥水式盾構掘進泥水噴發現象判斷方法，來判定泥水噴發現象發生與否，以保證施工的安全性及科學性。

本發明采用的技術方案為：

當劈裂在切削面發生時，隨著盾構繼續掘進，盾構本體外殼到達劈裂口，把劈裂口堵死，泥水壓力無法繼續作用，劈裂伸展就會停止；是否會產生泥水噴發取決于劈裂伸展到達地表的時間t_s和泥水壓力作用于劈裂發生口的時間t₀的大小關系，即t_s＜t₀時，泥水噴發現象發生；t_s＞t₀時，泥水噴發現象將不會發生；

泥水壓力作用于劈裂發生口的時間，其中，V_s為盾構機的掘進速度，L為刀具前端到盾殼前端的距離；

劈裂伸展到達地表的時間，其中，L_s為劈裂發展到地面發生口的周長，φ為斜向上劈裂伸展方向與豎直方向之間的角度，q_c為劈裂伸展泥水流量，D為盾構機直徑，b為劈裂開展寬度。

所述劈裂伸展泥水流量q_c在泥水黏性為24～28s的條件下，與劈裂伸展壓力的關系式為：，其中，P_p為劈裂伸展有效泥水壓力，定義為劈裂發生處劈裂壓力與最小主應力的差，P_p=P_f-σ₃，P_f為劈裂壓力，σ₃為小主應力，a₀為現場試驗孔劈裂泥水流入面積，A為盾構等劈裂泥水流入面積。

所述劈裂壓力P_f=σ₃+αq_u，其中，q_u為無側限抗壓強度，α為與泥水黏性相關的系數，在泥水黏性為24～28s（一般使用的泥水粘性范圍）時，α為1.5-1.8。