盾构隧道涌水案例分析

盾构隧道涌水案例分析（精选6篇）

篇1：盾构隧道涌水案例分析

隧道涌水的原因分析及治理措施

综述了隧道涌水的病害机理,系统地列举了预测隧道涌水量的.常用方法及计算公式,总结了隧道涌水病害的处理措施,最后以工程实例说明,通过涌水原因的分析才能够采取合理有效的治理措施,保证施工顺利完成.

作 者：吴明玉 宁殿晶 谢轶琼 WU Ming-yu NING Dian-jing XIE Yi-qiong 作者单位：吴明玉,WU Ming-yu(西北农林科技大学水利与建筑学院,陕西,杨凌,712100)

宁殿晶,NING Dian-jing(陕西交通外资项目建设有限公司,陕西,西安,710068)

谢轶琼,XIE Yi-qiong(中交第一公路勘察设计院,陕西,西安,710068)

刊 名：山西建筑英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE年，卷(期)：36(12)分类号：U457关键词：隧道涌水 涌水量 治理措施

篇2：盾构隧道涌水案例分析

在盾体支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低。但在施工过程中人机交错的特征十分明显，特别是在衬砌、运输、拼装、机械安装等环节工艺复杂，较易出现起重伤害、电瓶车伤人、机械伤害、高处坠落等多种事故，且在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险极大。

一、盾构进出洞阶段发生的安全事故

盾构进出洞都存在相当大的危险性。整个施工作业环境处于一个整体的动态之中，蕴藏着土体坍塌、起重伤害、高处坠落、物体打击等多种事故发生的可能。

南京地铁盾构进洞事故

1、工程概况

南京某区问隧道为单圆盾构施工，采用I 台土压平衡式盾构从区间右线始发，到站后吊出转运至始发站，从该站左线二次始发，到站后吊出、解体，完成区间盾构施工。该区间属长江低漫滩地貌，地势较为平坦，场地地层呈二元结构，上部主要以淤泥质粉质粘土为主，下部以粉土和粉细砂为主，赋存于粘性土中的地下水类型为空隙潜水，赋存于砂性土中的地下水具一定的承

压性，深部承压含水层中的地下水与长江及外秦淮河有一定的水力联系。到达端盾构穿越地层主要为中密、局部稍密粉土，上部局部为流塑状淤泥质粉质粘土，端头井6m采用高压旋喷桩配合三轴搅拌桩加固土体。

2、事故经过

在盾构进洞即将到站时，盾构刀盘顶上地连墙外侧，人工开始破除钢筋，操作人员转动刀盘，方便割除钢筋，下部保护层破碎，刀盘下部突然出现较大的漏水漏砂点，并且迅速发展、扩大，瞬时涌水涌砂量约为260m3/h，十分钟后盾尾急剧沉降，隧道内同部管片角部及螺栓部位产生裂缝，洞内作业人员迅速调集方木及木楔，对车架与管片紧邻部位进行加固，控制管片进一步变形。仅不到一小时，到达段地表产生陷坑，随之继续沉陷。所幸无人员伤亡，抢险小组决定采取封堵洞门方案。

二、盾构作业阶段发生的安全事故

盾构作业阶段人机交错的特征十分明显，起重伤害、电瓶车伤人、机械伤害、高处坠落等多种事故发生的可能，始终贯穿着施工的全过程。

1、管片堆场事故

事故经过：涂料工朱××在管片堆场两管片堆放点的缝隙中，进行施工作业，龙门吊吊运司机在没有起重挂钩工指挥的情况下，吊运管片。在吊运过程中，未发现朱××在管片的侧方，由于管片是斜向起吊，在起吊中管片晃动，使朱××头部和另一块挤压，脑部严重受伤，送医院抢救无效，死亡。

事故原因：

1、管片堆放未按规定的距离留出开档，间隙距离不够，堆放太高，使龙门吊司机看不见缝隙中的施工人员。

2、吊运时无起重指挥工，吊运时钢丝绳斜吊。

3、涂料工朱××自我保护意识差，未能选择正确站位。

2、垂直运输事故

事故经过：上海地铁二号线静安寺工地1997年10月25日晚21时许，施工单位所属盾构推进四队，第三小队正值夜班。

夜班共11名人员在小队长倪汉熹的带领下，9名人员（电瓶车司机、盾构司机、拼装工、测量工、挂钩工）在井下进行盾构推进施工，2名人员（龙门吊司机吴立名、挂钩工王德民）在地面作业。在吊运4块砼管片作业后，龙门吊司机吴立名发现吊运龙门吊5吨副钩有一侧倾斜现象，此时井下正要推进出土，于是停用副钩。改用15吨主钩吊运4箱积土，直至23时50分许，吊运428环推进出碴斗，在吊运到第6箱时，15吨主钩穿插吊运管片一块，以保证第428环的成环拼装作业。

到26日凌晨1时左右仍用龙门吊15吨主钩吊运2块管片，到2时左右，第429环2箱出碴斗运至井底下，龙门吊作业人员随即用15吨主钩吊运碴斗。2时55分时，15吨主钩准备吊运第6箱出碴斗，当主钩下放至距井底4米时，龙门吊司机吴立名突然发现悬在空中的龙门吊5吨副钩向下坠落（坠落高度约17米），当即他向下大叫，但为时已晚，5吨副钩已坠落击中井下电瓶车司机沈艺兼挂钩工沈艺头部及身体，当即死亡。

事故原因：

直接原因：起重设备有缺陷

1、龙门吊副钩无防钢丝绳跳槽及跳槽后的机械保险保护装置

2、龙门吊副钩动滑轮，轮缘破损后堆焊高度不够

3、龙门吊平衡轮锈蚀卡阻不起作用

以上三条是造成龙门吊副钩动滑轮钢丝绳跳槽，下坠的直接原因。

间接原因：

1、龙门吊在验收检测过程中，尚未检验出动滑轮缺损的焊补和间隙过等设备上的缺陷。

2、龙门吊使用时，对5吨副钩倾斜的设备缺陷，未及时认

真采取有效的整改措施。

3、水平运输事故 事故经过：

上海地铁二号线陆家嘴--东昌路区间隧道1998年3月19日晚，宝建405市政工程队，对东昌路车辆段进行正常的清理施工。至21时许，由于要清理车辆段轨道下的污泥，电瓶车司机（带班人）蔡建华把电瓶车前的拌浆车和电瓶车车后的二节平板车连接后，拖拉出车辆段。在启动电瓶车时，未打铃警示，车辆慢行至4米时，突然听见人员叫喊，电瓶车司机蔡建华立即刹车，下车后，发现在电瓶车左侧的民工方正飞已倒在轨道与砼结构墙夹墙的地上。事故发生后，事故单位立即将伤员送往医院救护

事故原因：

1、电瓶车司机（带班人）蔡建华，在启动车辆前，未打铃，叫喊、警示，未注意周围人员变动，站位情况是，是发生这起事

故的主要原因。

2、结构框梁上堆放电瓶箱，导致机车轨道和框梁之间的距离减小，也是发生事故的主要原因之一。

3、方正飞是新进单位的民工，虽然经过安全教育，不熟悉隧道环境，自我保护意识差。不能正确站位，站立在夹缝死角未能避让，是事故发生的主要原因。

4、台车段交叉施工事故

事故经过：

上海地铁延伸段延长路～广中路区间隧道台车段2002年3月15日中午11时许。在隧道内台车段，中煤公司机修工钱抑山工作完毕后，在盾构操纵室门口饮水。此时，8T电瓶车运输两块管片行驶至车架内，用双轨梁吊运装卸一块管片后，退出双轨梁的下方，钱抑山以为电瓶车已经驶出台车段，故伸头向车架中

间张望，谁知道电瓶车又返回原处，在此过程中，电瓶车上的探头架子，擦碰到了头部，造成钱的耳朵受到伤害，送医院进行救治。

事故原因：

1、原来电瓶车探头的架子未能及时拆除，电瓶车在车架中间距离两边不足5cm，是事故发生的主要原因

2、机修工钱抑山在未能知晓电瓶车动态的情况下，向车架中间张望是事故发生的主要原因

3、电瓶车在退出车架，再次驶入车架的过程中，未能启动警示铃是事故发生的又一重要原因。

5、盾构换刀引起的爆炸事故 事故经过

2008年04月15日傍晚6时15分，广州地铁六号线东湖站至黄花岗站施工现场发生事故，造成2死5伤。前日傍晚6时10分，中铁隧道集团有限公司广州市轨道交通六号线东黄盾构区间，在盾构机开仓作业时，遇不明气体导致伤亡事故，现场作业工人18人已全部撤离至地面。现场距地面约23米深，作业面进尺2 千米。现证实有2人已死亡.5 人受伤。事故等级定为较大事故。

事故原因

事故发生时，因盾构机掘进速度下降，工人判断是刀盘室内的刀片磨钝了，决定打开刀盘室的仓门检查一下。盾构机因此停

了了下来，两名工程师和两名工人走上前。一般的操作程序是，工人上前打开仓门，并用水管朝刀片上喷水，这样可以将刀片上的泥浆冲干净，也顺便给在掘进过程中发热的刀片降温。接下来，作为技术人员的工程师就要手捋照明灯查看并统计刀片的磨损程度。仓门打开了，一工人拿起水管朝刀片上冲水，另一工人举着灯，把手伸进刀盘室内。按照规定，应该举着防爆灯查看刀片，这种低电压的灯即使坏了也只是灭掠，而不会冒出火花。但工地就只剩下了最后一个防爆灯，而且要碰一碰才能亮。用了几个月后，这个灯也坏了。于是举着一根日光灯的灯管伸进了刀盘室。爆炸几乎就在此时发生了。当时有18人在作业。一声爆炸后，眼前一片尘土。

类似的事故此前也发生过，但未酿成这么严重的后果。据工人介绍，两个多月前，刀盘空被打开换刀片，前天置换了空气没换完，第二天再次将刀盘室内的空气置换出来，但抽风设备只停了中午顿饭的工夫，一名工人下去换刀片时点了根烟，里面的瓦斯就燃烧起来，冲出的火焰将该工人的眉毛都烧焦了。

调查结果

16日，事故调查组委托广州穗监质量安全检测中心对事故现场的余气成分及浓度进行检测。经过从16日中午至17日凌晨间的4次检测，结果显示，盾构机土仓内甲烷、一氧化碳等有害气体严重超标。据此专家初步判断，由于盾构机土仓内聚集了大量甲烷等有害气体，在开仓过程中发生爆燃。

6、地铁隧道施工火灾 事故经过

2009年l月8日11点15 分左右，上海曹杨路地铁II 号线的在建工地发生火灾，现场浓烟滚滚。消防部门出动数十辆消防车赶到现场。事故造成周边部分交通路段拥格。事故现场附近的地铁3 号线并没有受到火灾影响，仍照常运营。当天下午l时左右，现场火势完全得到控制。该事故己造成l人死亡.6 人受伤。

事故原因

事故发生时，现场正在进行盾构进洞注浆施工后的清理工作，起火原因可能是电器设备线路发生短路引发的。事故发生前几天，施工隧道内曾发生漏水，火灾原因可能是由施工隧道内注浆材料聚氨酶引起的。

7、盾构开仓换刀坍塌事故 事故经过

2014年10月7日，由广东华隧建设股份有限公司承建的南宁地铁1号线7标，在鲁班路站至动物园站区间左线隧道二号联络通道加固区，工人进入盾构端部的土压舱进行换刀作业。21时57分，盾构土压舱发生土体坍塌事故，事故造成1 人死亡、2人失踪。

事故发生地点位于地下20米处，通往人员被困的土舱只有一个通道，目前有一道闸门关闭着，如果贸然打开闸门，泥水势必会冲进隧道，危及抢险救援人员的生命安全，而且还会形成大量的地下泥水流失，极易诱发再次的坍塌，导致路面塌陷及周边的房屋受损等次生灾害。

南宁地铁11日9时35分接到事故情况报告，即赶赴现场组织 抢险救援。公安部门11日下午对现场人员询问调查，事故造成1人死亡、2人失踪。己对相关责任人进行控制。同时，迅速组织武警水电一总队11日16时30分左右采用生命探测，判断塌方体内已无生命迹象。

事故原因

盾构加固区不密实，未能有效止水，导致开仓后高水压引起泥砂冲人土仓，把作业工人埋葬。

三、盾构施工对周边环境的影响

广州地铁盾构施工引起地面沉陷事故 工程概况: 2006年1月某日上午，广州市地铁线某区间盾构施工路面发生沉陷，沉陷区域直径约6米，深度为60厘米，地面是该线地铁单位的一个项目经理部。

事故经过: 发生下陷的路而位于该项目部西侧围墙根下，水泥路面从四周朝路心凹陷，中心处下沉半米多深，路面的围堵受牵引后，墙壁出现大量裂痕。

事故因地下水流失引起。警方封锁了周边道路，为减少对交通的影响，施工单位在现场启动应急预案。

篇3：盾构隧道涌水案例分析

管片是盾构施工的主要装配构件,它是盾构隧道的永久衬砌结构。管片在施工及运营过程中可能出现空洞、裂缝、错台和上浮等病害,结构的承载能力将会随之降低,其使用寿命也会缩短,甚至会产生衬砌结构失稳、破坏[1~3]。对于结构裂缝的处治方法,目前主要采用麦秸秆加筋补强、碳纤维布( CFRP) 补强和壁 可法 ( BICS) 注浆修补[4,5]。Chia-Han Lee & Chi-Te Chang[6,7]针对台北某地铁管片的破损和错台提出两种解决方案,一是通过碳纤维加固来修复损坏的管片以改善隧道受力状态,二是更换已破损管片; 赖金星等[8]给出了采用碳纤维布方法在连拱隧道裂缝处理中的应用案例,根据施工期埋设的受力传感器监测表明,隧道结构处于安全状态; 刘椿、李新等学者[9,10]详细分析了碳纤维布在桥墩裂缝补强中的应用; 此外,N. Buratti. et al[11]提出了采用钢纤维混凝土减少隧道衬砌裂缝的方法。而壁可法在盾构隧道裂缝处治方面的研究鲜见报道,加之地铁隧道比山岭隧道结构的耐久性和防水性能要求高,对管片裂缝病害状态监测、处治方法与效果等方面的研究十分迫切。鉴于此,以西安地铁某区间隧道涌水事故导致的管片裂缝、错台病害事故为依托,对管片的病害进行检测分析,在此基础上提出治理方法,最后对治理效果进行了检测评价,以期提高盾构隧道修筑技术水平。

1工程概况

该盾构隧道为西安地铁某区间隧道,隧道埋深约14. 0m。盾构隧道位于老 黄土、粉质粘土层。2011年12月10日凌晨,因地下管线破损,区间1#联络通道东侧管片背后出现涌水、涌砂,涌水带出大量泥沙,事故现场如图1所示。涌水导致管片周围形成了空洞、管片承受不均匀应力,导致481 ~511环管片产生了裂缝、错台等病害。

2病害综合检测

( 1) 裂缝检测

采用刻度放大镜对裂缝宽度进行测读,利用超声波法进行裂缝深度的量测。由图2可知,裂缝深度主要集中在20 ~ 60mm之间。裂缝宽度主要集中在0. 05 ~ 0. 3mm之间。裂缝最大宽度为1. 0mm,最大深度为134. 9mm。

( 2) 错台调查

涌水事故发生后,对盾构管片的错台情况进行了调查,环向错台共有11处,最大环向错台量达2cm。最大纵向错 台约8cm, 其截面有 效高度为14cm。

3管片病害处治

3. 1处治方案

3. 1. 1裂缝处治

裂缝深度主要集中在20 ~ 60mm之间,宽度为0. 05 ~ 0. 2mm的裂缝占比77% ,因此对裂缝的处治方案不需要考虑补强,主要以修补为主,以保证隧道结构的耐久性和防水性能。因此确定对此区间隧道管片裂缝采用 “壁可法” ( BICS) 进行修补。“壁可法 ( Balloon injection for concrete structures) ”是日本SHO-BOND公司的专利工法,也称为 “气球注浆法”[12]。该方法将膨胀树脂加入合成橡胶管注入器中,利用产生的300k Pa左右的恒定压力,将高分子树脂修补材料 ( 裂缝灌注胶) 缓慢持续地压入裂缝中,使其充分达到裂缝深处[13],能将灌注材料可靠地注入裂缝最细小的毛细末端中,实现完美的结构恢复。其具有如下优点:

( 1) 对裂缝中的任何凹槽和角落都能进行可靠的注入。注入材料可以完全地渗入到仅0. 02mm的裂缝末端;

( 2) 在由管体的均匀收缩作用产生的压力下进行注入,实现简单而可靠的压力控制;

( 3) 大幅度缩短人工注入作业时间。施工管理和工艺控制得到了简单而精确的保证;

( 4) 快速密封材料和十几种固化无收缩灌缝材料几乎可以修复各种结构产生的各种裂缝[12]。

壁可法现场施工过程见图3所示。

3. 1. 2管片错台处治

管片纵向错台影响结构安全,最大错台处有效截面高度 为14cm, 需对其进 行补强, 采用CARBO100-II高性能聚合物修补砂浆 + 钢筋网进行补强修复,其结构如图4所示。

3. 2裂缝处治施工

3. 2. 1表面处理

1清理掉裂缝两侧比较破碎松散的混凝土块,露出内部较为完整坚硬的混凝土;

2用钢丝刷对裂缝走向约5cm宽度范围内的混凝土表面进行清理;

3对混凝土表面的浮尘进行擦除清理,并保证其干燥。如果缝内潮湿,要等其充分晾干,必要时可用喷灯或吹风机对其进行烘烤,使用喷灯时不能让火焰直接烧到混凝土,以免烧坏[14]。

3. 2. 2粘结注入座和密封裂缝

( 1) 注入座的粘结

1对裂缝的走向、分岔情况及起止点进行探查,进而确定粘结注入座的放置位置,并用石笔做好标记;

2确认当前的环境温度以及该温度下材料的可使用时间。用两把清洁的抹刀分别取封口胶的两种成分,并放到托灰板上;

3用抹刀对两种成分进行搅拌,直到其颜色变为均匀的灰色为止;

4用抹刀取出少量的封口胶,涂抹在注入座底部周围。将注入孔对准裂缝的中心,进行垂直按压,使注入座底面布满封口胶,并有少许胶体从底面的四个小孔中挤出;

5一手固定住注入座的顶端,避免其发生移位,另一只手继续用封口胶对注入座底板进行加固处理。

( 2) 裂缝密封

用封口胶继续对注入座之间的裂缝进行密封,密封宽度约5cm,厚度2mm。先在裂缝垂直的方向进行涂抹,使封口胶填充进裂缝一定深度,然后再沿裂缝的走向进行涂抹,涂抹要均匀,不能在一处反复涂抹[14]。

( 3) 封口胶固化

密封完成后,让封口胶在干燥环境下自然固化,按照表1的规定进行养生,确认封口胶完全凝固后方可进行下面的工作。

注: 上表中的温度指材料固化期间的平均温度

3. 2. 3注入灌注胶

1将注入器的连接端安装在注入座上,并卡紧注入器的卡口,确保橡胶密封圈处于正常位置;

2把黄油枪一端与枪体连接,另一端与耐压塑料管连接。为保证配合的连贯,可提前将黄油枪的金属管末段打磨粗糙;

3确认当前的环境温度以及在该温度下材料的正常使用时间。对灌注胶进行混合搅拌,保证其均匀性。当只有一套注入工具时,灌注胶每次拌合的重量不宜大于1kg;

4打开黄油枪的盖子,将其拉杆拉回顶部,将灌注胶装入枪体内;

5当过滤器中开始流出胶体时,把它与注入器的注入端进行连接,并将卡口卡紧,慢慢推动黄油枪的推杆,开始进行灌注;

6关闭阀门,小心地断开注入端的连接,避免注入器连接端的松脱[14]。

3. 2. 4施工质量控制要点

1严格按施工工序要求进行检查,每道工序完成后,必须经监 理验收合 格后,方可进行 下道工序;

2注入座的粘结要牢固,裂缝封口要严密,不得有任何孔隙。同时保证密封胶凝结硬化后进行注入器安装工作;

3将主剂和硬化剂混合后,由泵把混合物压进注入器里,当材料充满注入器的限制套时停止注入。以便使注入器内部压力一直保持在3. 4kg /cm2左右,并保证混合物渗透到最末端的细缝中。

3. 3破损与错台补强施工

修补管片破损可以采用聚氨酯浆液,不但取材方便,且价格低廉,但其粘结性一般,达到管片所需强度的时间也稍长。这里推荐采用日本进口的CARBO100-II高分子聚合物添加剂并配以优质的高性能水泥、石英砂等材料,其优点有: 1强大的粘结性; 2短时间内发展到实用强度; 3不发生开裂、剥离; 4耐透水性、防水效果出众; 5优异的耐久性。具体实施步骤详述如下。

3. 3. 1受损部分处理

剔除已剥落的碎块,将爆裂表面进行凿毛,然后清理干净,对于裸露的管片钢筋,应将其表面浮物 ( 碎屑或铁锈) 除净。

3. 3. 2管片边缘及凹槽成模

为保证管片修复后的外形,形成管片的外缘,可在管片的外缘粘贴一块厚度为1mm的粘性泡沫塑料片; 凹槽的形成可采用与管片半径及外形相同的金属条。

3. 3. 3补强

( 1) 钢筋网片固定

若受损部位已露出管片钢筋,则利用 6钢筋做成钢筋棍与管片钢筋 搭接或焊 接。钢筋棍以150mm间距在受损区域梅花形布设,方向与管片钢筋面垂直,长度不露出原管片混凝土表面,预留5mm保护层。然后在原管片混凝土表面以内布设单层 6@ 100 × 100钢筋网片,同时与钢筋棍焊接或绑扎固定。

若受损部位未露出管片钢筋,则利用电锤以150mm间距在受损区域梅花形钻孔,然后在钻孔位置利用CARBO100-II材料植入 6钢筋做成的钢筋棍,长度不露出原管片混凝土表面,预留5mm保护层。然后在原管片混凝土表面以内布设单层 6@ 100 × 100钢筋网片,同时与钢筋棍焊接固定。

( 2) 修复

用吹风机吹净浮尘,将调配好的高性能砂浆用抹刀进行修复。在涂料前将混凝土基层预湿,用水充分浸透孔隙。待修复后的砂浆表面干燥后再喷少量水使其潮湿,再进行一次涂抹修复。视破损程度反复修整至表层,待其干燥。

3. 3. 4表面修复

将用CARBO100-II修复好的管片用水浸透,以丁苯乳胶∶ 水泥 = 1∶ 3,再配以适量的水配成修补浆,使其颜色接近原修复管片表面的颜色,反复涂抹。干燥后,用细砂皮打磨修补面,使修补处和管片整体平整,光滑成一体,以减少修补处与管片本体的色差。

3. 4处治效果评价

处治前后外观效果对比如图5所示。采用超声波法,通过综合分析裂缝处的声时、声速、波幅、波宽等参数与标准参考值对比,管片裂缝修复处的波速和标准参考点平均波速基本一致,表明管片内部和表面充填密实,处治效果良好。此外,基于荷载结构模型的计算结果表明,裂缝、错台处治后处于安全状态[15]。

4结语

以某盾构隧道管片裂缝错台病害为实例,对涌水导致的病害状况进行了综合检测。根据病害检测结果,提出了相应的管片病害处治措施。

( 1) 对于裂缝宽度较小的管片采用壁可法进行注浆修补。该工法施工操作简单,加固后的管片耐久性良好。

( 2) 对于破损及错台较为严重的管片病害,采用 “钢筋网 + 高性能聚合物砂浆”对管片进行补强加固。补强后的管片能够增大有效截面面积,管片受力更为均匀。

( 3) 采用超声波法对修补后的管片进行了处治效果检测与评价,波形分析表明: 管片内部和表面充填密实,处治效果良好。验证了本工程采用的管片病害处治方法的有效性和可靠性,对类似工程的病害治理具有重要参考价值。

摘要：以西安地铁某区间盾构隧道涌水事故为依托,采用现场调查、超声波裂缝检测等方法,对涌水导致的病害状况进行了系统的分析。根据管片的病害状态,提出了采用壁可法处治管片裂缝、“钢筋网+高性能聚合物砂浆”处治错台破损的方法。勘察结果表明:管片裂缝深度主要集中在20~60mm之间,宽度主要集中在0.05~0.3mm之间;最大纵向错台约8cm,需要补强。病害处治后检测评估结果表明,壁可法和“钢筋网+高性能聚合物砂浆”的处治方法取得了预期效果,可为类似工程病害的处治提供借鉴。

篇4：盾构隧道涌水案例分析

关键词：盾构隧道管片；土压力；土力学；弯矩；土体泊松比

中图分类号：U4593文献标志码：A文章编号：1672-1098（2016）01-0001-05

Abstract：In order to study the distribution of internal force of shield tunnel lining， three kinds of computational procedures for calculating bending moment distribution in segments of shield tunnel were summarized and analyzed. A new loading-structure method for calculating the distribution characteristics of bending moment was proposed based on soil pressure calculation method with the soil mechanics principles. Taking the shield tunnel in Shenyang Metro as an example， the difference of bending moment distribution calculated with the common method， finite element method and loading-structure method were compared. The computational results showed that there are some differences for bending moment distribution calculated with different computational methods. By using finite element method， the influence of the coefficient of earth pressure at-rest on bending moment distributions was simulated. The results showed that the maximum moment on segment decreases with increase of the coefficient of earth pressure at-rest.

Key words：shield tunnel segment； earth pressure； earth mechanics； bending moment； Poissons ratio of soil

近年来，世界上隧道工程的大量建设极大促进了隧道工程相关技术水平的进步，大多数国家在盾构隧道衬砌结构的设计方面都已形成较为固定的方法。但是，对于不同土层条件下计算模型以及荷载计算方法的选用并没有明确的规定，使得各种数值计算方法在隧道及地下工程中涌现出来，这对大量的设计和施工起到了良好的指导作用。

目前根据我国地下结构设计的特点，隧道结构设计分为四种：经验类比模型；荷载结构模型[1]；地层结构模型[2]；收敛约束模型[3]。假设地层对管片的作用只是产生作用在地下管片结构上的荷载，以计算管片在荷载作用下产生的内力和变形的方法称为荷载结构法；假设管片与地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理计算衬砌和周边地层的计算方法称为地层结构法[4]。收敛约束模型则是以测试为主的设计方法，但收敛约束法的原理还不完善，存在很多问题难以解决，使得该方法仍只能停留在定性的描述阶段。

实际上，在隧道工程结构设计中，由于地下结构的设计受到各种复杂因素的影响[5]，而这些因素的影响规律还没有完全被人们所完全认识，使得理论计算的结果常与工程实际有较大的差异，很难用作实际的设计依据[6]。即使内力分析采用了比较严密的理论推导，其计算结果往往也需要用经验类比来加以判断和补充，因此隧道设计仍难摆脱经验方法的约束，经验方法在我国隧道设计中仍占主导地位。尽管信息化设计作为隧道工程设计理论的一个方向，但在其预设计阶段，支护参数仍须采用经验方法来确定。同时由于经验方法的理论及数据限制，基于经验和科学建立起来的隧道工程设计模型，其设计水平的提高，最终仍将依赖理论上的发展与突破。目前，基于有限元数值模拟方法越来越广泛的应用于盾构隧道的研究。文献[7]通过三维模拟对盾构隧道施工的机械行为进行了有限元分析； 文献[8]利用数值模拟分析了灌浆压力和工作面推力对引起的地面沉降的影响； 文献[9]利用梁单元模拟衬砌结构， 弹簧单元模拟围岩抗力， 点弹簧单元模拟墙角支座通过有限元法计算衬砌的内力和变形； 文献[10]通过一系列有限元方法分析了不同环境下隧道表面的沉降情况； 文献[11]采用FLAC3D有限差分程序对双隧道施工过程的影响因素进行了数值统计与分析。

通过模拟某盾构掘进的隧道，在忽略管片接头的基础上，即将管片视为抗弯刚度均匀的圆环，采用惯用设计法[12]，有限元法[13]和荷载-结构计算方法，得到隧道管片的弯矩分布，模拟计算了土体泊松比对隧道管片弯矩的影响。

1盾构隧道管片计算模型与方法

据统计，隧道建设费用中衬砌费用往往占整个隧道工程造价的30%～40%，因此，隧道衬砌结构设计必须安全可靠，同时经济合理。基于经典的管片内力计算方法惯用设计法以及有限元法，本文提出了新的计算模型，荷载-结构法。

11管片内力计算的惯用设计法

日本规范的隧道管片弯矩分布计算方法即为惯用设计法，其在计算过程中假设管片环是弯曲刚度均匀的圆环，它不考虑接头所引起的管片环局部刚度降低。在设计中，考虑了隧道顶部与底部的均布线荷载，隧道侧面的线性分布荷载，管片的自重以及水平方向地层抗力。

惯用法所使用的荷载体系如图1所示，垂直方向的地层抗力为等分布荷载，水平方向的地层抗力假定为管片环顶部开始左右45°～135°线性分布荷载（三角形分布）。则任意截面的弯矩值为垂直荷载、水平荷载、水平三角荷载、地层抗力以及自重产生的弯矩值之和。

12管片内力计算的有限元数值方法

由于隧道结构是在地层中修建的，其工程特性、设计原则及方法与地面结构不同，隧道结构的变形受到周围土体本身的约束，从某种意义上讲，土体也是地下结构的荷载，同时也是结构本身的一部分。

根据局部变形理论，隧道管片结构弯矩分析可以简化为内力计算力学模型（见图2）， 并通过ANSYS软件实现平面内弯矩的计算。 假设管片圆环是弯曲刚度均匀的如图2所示的位于土体中心的圆环， 选用ANSYS单元库里的梁单元BEAM3来模拟管片。 同时假设管片四周的土体为均匀的弹性变形体， 选用平面实体单元PLAN42模拟土体。 土体两侧施加水平位移约束，土体底部施加垂直位移约束。

13管片内力计算的荷载-结构法

荷载-结构法是将支护结构和围岩分开来考虑，这种模型认为隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对结构施加约束来体现的[14]，而土体承载能力则在确定土体压力与弹性支撑的约束能力时直接地考虑。支护结构是承载主体，土体作为荷载的来源和支护结构的弹性支撑，并等效为作用于支护结构单元节点上的径向和切向荷载。在大多数情况下，切向荷载比径向荷载小，为简化而忽略其作用，仅对支护结构离散单元进行分析。

取四分之一管片作为简化模型（见图3），选用平面单元PLAN42模拟管片圆弧，模型顶端施加水平位移约束，底部施加垂直位移约束，管片圆弧外侧施加法向荷载。利用这种模型进行隧道设计的关键是如何确定作用在支护结构上的主动荷载。图3荷载-结构法计算模型已知基于弹性力学理论得到的任意深埋条件下的垂直土压力为

pv=∑ρighi （1）

式中：Pv为垂直土压力；ρ为土体密度；g为重力加速度；h为埋深；i为土层编号。

根据弹性力学理论，其水平土压力为

ph=μi1-μipv （2）

即 λ=phpv=μi1-μi （3）

式中：Ph为水平土压力；μ为土体的泊松；λ为侧向土压力系数。

基于土力学理论得到侧压力系数

λ=phpv=1-sin φ （4）

则ph=（1-sin φ）pv（5）

作用在管片的法向压力为

P=Pvcos2θ+Phsin2θ （6）

其中θ=arctan（-xy）（7）

式（4～7）中：φ为土体的内摩擦角；P为施加在管片外侧的法向压力；θ为管片模型任意截面与y轴正向的夹角；x，y分别为管片模型外侧面任意点的横坐标和纵坐标。

2管片内力计算的数值算例分析

以沈阳地铁云峰北街——沈阳站的地质条件为例，选取一种简单的地质模型进行对比分析（见图4）。隧道管片位于某均质单一土层，隧道覆土厚度15 m，土体容重18 kN/m3，弹性模量40 MPa，泊松比033，内摩擦角30°，地基抗力系数30 MN/m3。混凝土管片外径6 m，管片厚度350 mm，容重24 kN/m3，弹性模量345 GPa，泊松比020。

图4盾构隧道管片算例模型由式（3）和式（4）两种方法计算得到土层的侧向土压力系数值均为05。分别采用以上提出的三种计算方法，得到隧道管片四分之一圆环在侧向土压力系数同为05的情况下的弯矩值随角度变化（见图5）。

1. 惯用法；2. 有限元法；3. 荷载-结构法

不同方法管片的弯矩图对比基于有限元的隧道管片弯矩分布计算方法中，选用BEAM3单元模拟隧道管片，通过改变土体的泊松比μ，得到不同泊松比时的弯矩（见图6）。

1. μ=0.2；2. μ=0.25；3. μ=0.3；4. μ=0.35；5. μ=0.4

图6不同泊松比管片的弯矩分布由图6可得到管片不同泊松比的最大弯矩值变化情况（见图7），通过拟合该曲线可得到管片的最大弯矩值Mmax（kN·m/m）同泊松

土体泊松比为033时隧道管片的弯矩分布如图8所示，弯矩的正负号规定为：使衬砌内弧面受压为正，内弧面受拉为负，单位kN·m/m。通过图8可以看出，管片腰部受压弯矩最大，管片顶部及底部受拉弯矩最大。

弯矩/（kN·m·m-1）

土体泊松比为033时隧道管片的轴力分布如图9所示，轴力的正负号规定为：压缩为负，拉伸为正，单位kN/m。

轴力/（kN·m-1）

图9有限元模拟泊松比033时管片轴力分布通过图9可以看出，管片整体受到压缩轴力作用，其中顶部轴力值最小，腰部轴力值最大。3结论

1） 当土体泊松比为033时，根据弹性力学理论得到土体的侧向土压力系数为05。当土体的内摩擦角为30°时，根据土力学理论得到土体的侧向压力系数也为05。荷载-结构法与日本惯用设计法所得到的管片最大弯矩值比较接近，有限元法得到的管片最大弯矩值偏大。

2） 三种方法得到的隧道管片弯矩分布形状基本一致，即在土压力作用下四分之一隧道管片在0°和90°弯矩值最大但方向相反。在45°附近弯矩值为0，其他四分之三管片圆环弯矩分布与垂直轴呈对称形状。

3） 有限元模拟结果表明土体的泊松比影响隧道管片弯矩值，隧道管片的弯矩值随土体泊松比增大而减小，但不影响隧道管片的弯矩分布形状。

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[13]陈卫星. 盾构管片均质圆环法计算模型探讨[J]. 有色冶金设计与研究，2011， 32（S1）：39-42.

篇5：盾构隧道涌水案例分析

关键词： 隧道； 衬砌； 刚度

隧道设计时， 只有在准确估计作用在衬砌上荷载的基础上才能正确地进行隧道衬砌设计， 然而由于地层条件的变化和不确定性、盾构推进前后的地层变形导致的应力重分布， 以及施工条件的差异， 很难做到准确地估计作用在衬砌上的荷载。本文结合上海盾构隧道具体情况， 讨论影响软土隧道衬砌荷载的影响因素。

1 衬砌荷载的分布

衬砌是直接支承地层、保持规定的隧道净空、防止渗漏， 同时又能承受施工荷载的结构。衬砌在施工阶段作为隧道施工的支护结构， 起保护开挖面、防止土体变形、土体坍塌及泥水渗入， 并承受盾构推进时的千斤顶顶力以及其他施工荷载的作用； 竣工后， 衬砌单独或与内衬一起作为隧道永久性支撑结构， 可以防止泥水渗入， 同时支承衬砌结构周围的水、土压力以及使用阶段和某些特殊需要的荷载， 以满足结构使用要求（ 图1） 。

当隧道衬砌半径与其埋深比r/H≤1/5时， 可视衬砌受无限远的边界力， 如图1（a）所示。与此同时， 当衬砌在上述主动土压力作用下发生压扁变形时， 还引起介质的被动土压力kδA（k为介质基床系数）， 它只分布在水平轴上下45°的范围。其全部荷载简化如图1（b）所示。从图中很容易得到衬砌上任意点的径向土压力[1]：

式中， pr为角θ1处的径向压力， pV、pH分别为垂直和水平压力。

衬砌设计时必须考虑的荷载包括[2]： 土层压力、地下水压力、结构自重、超载以及地层抗力。根据具体情况还要考虑内部荷载、施工荷载以及震动影响， 特殊情况还要考虑相邻隧道的影响和沉降的影响。

2 衬砌荷载的影响因素

由于土拱作用， 隧道衬砌上的荷载很少情况下等于上覆土重， 很多因素影响着衬砌上荷载的分布。为正确估计作用在衬砌上的荷载， 就必须深入理解这些影响因素。

2。1 地质条件

地质条件是影响隧道施工的最主要的因素， 要找到完全相同地质条件的隧道几乎是不可能的。沿隧道截面的水平方向和垂直方向， 地质条件经常在不断变化。通常在垂直方向， 随着深度的增加， 土的内聚力和强度不断增加， 所以作用在衬砌上的荷载也会减小。在不同的土层中作用在衬砌上的土压力不同， 在淤泥质地层中， 当覆盖层不是特别厚时， 垂直地层压力PV等于隧道埋置深度H和周围土层密度γ的乘积， 即PV=γH。但当地层为强度及刚性较大的硬粘土及有粘性的密实砂土， 而覆盖层又有一定厚度时， 土层会与岩层相仿， 顶部有起拱作用， 此时PV<γH。

2。2 衬砌和土层的相对刚度

隧道衬砌既受到周围地层的荷载， 又受到它的约束。主动荷载使衬砌形状改变， 产生地层给衬砌的被动抗力， 地层位移后会产生相应的剪力， 而把重力传到更远的地层中去， 这样就会减少传给衬砌的垂直荷载。图2表示土层中刚性和柔性衬砌的应力分布和变形情况，地层中的原始垂直应力为σ， 水平静止侧压力系数为K0， 则原始水平应力为K0σ。刚性衬砌几乎不变形， 故原始应力维持不变， 这样刚性衬砌受到较大的弯矩， 其数值的大小取决于垂直应力和水平应力之差。相反， 柔性衬砌大致变形呈椭圆， 垂直方向的向内变形会调动地层中的剪应力， 而使垂直应力减小； 水平方向的向外变形会产生被动抗力， 而使水平应力增加， 直至作用在柔性衬砌上的地层压力接近均匀， 故柔性衬砌的弯矩比刚性衬砌小得多[3]。

因此， 衬砌对于周围地层的相对刚度必然会影响衬砌上荷载的分布。相对刚度越大， 作用在衬砌上的荷载也就越大。衬砌的刚度大小主要取决于衬砌的厚度、管片的拼装方式、接头刚度。工程实践表明： 在保证接头放水要求的情况下， 尽可能减小衬砌厚度和降低接头刚度的作法可以增加结构的柔性， 大大减小结构所受的弯矩， 而轴力却会得到提高， 偏心矩进一步减小。在同等条件下， 错缝拼装衬砌比通缝拼装衬砌具有较高的整体刚度。

2。3 施工方法

尽量减少对土层的扰动是减少衬砌上荷载的有效方法。不同的施工方法对土层的扰动是不一样的， 例如在软土地区， 通常采用土压平衡式盾构（EPB） 和挤压盾构， 但两种方法对地层的扰动程度不同， 所以作用在衬砌上的荷载也是不一样的[4]。

EPB盾构正面为密闭状态， 能有效控制工作面的土压力和地表的沉降。其工作原理是： 由大刀盘切削土层， 切削后的泥土与开挖面的土压力取得平衡的同时，由隧道和土腔相通的螺旋输送机输出， 装于排土口的排土装置在出土量和进土量取得平衡的条件下， 盾构不断推进。挤压盾构的胸板上常开有可开启的进土孔，在极软弱的土层中， 胸板前方还常设有网格板。盾构推进时， 正面土体呈挤压状态， 被挤压的土体通过进土孔， 挤入盾构胸板内侧。进土孔的数量和大小按地质条件而定。为适应各种条件的变化， 常将胸板上的每个进土孔设计成可开闭的千斤顶闸门形式， 以此调整开口率。

EPB盾构和挤压盾构控制地层移动方式的不同，必然造成在隧道掘进的过程中以及施工后隧道周围土层的变化不同， 从而使得作用在隧道上的地层压力不同。

2。4 隧道直径和埋深

隧道埋深对于作用在隧道上的地层压力具有决定作用， 但要明确划分隧道深埋与浅埋的界限， 目前尚无公认的理论依据。一般认为， 对于大开挖施工的`大型地下管道以及埋深较浅的小直径顶管衬砌结构都属于浅埋隧道结构， 而对于矿山法暗挖或用盾构法暗挖的隧道常称为深埋隧道。深埋隧道与浅埋隧道在土压力计算上有两个不同点： 一是要考虑周围土体对隧道顶面以上土柱的摩擦力以及土体卸载拱效应， 从而减少了竖向土压力； 二是埋深的增加会使侧向土压力数值与竖向土压力数值趋向一致。浅埋圆形隧道地层土压力的计算通常如图3所示。

圆形隧道顶部作用的竖向土压力由土柱理论计算， 拱背弧形部分的土体重量可近似简化为均布荷载，侧向土压力一般也是按朗肯土压力理论计算， 地基反力也可由静力平衡条件确定。在地层的相对刚度较大的情况下， 侧向弹性抗力的作用将会明显地表现出来。在深埋的情况下， 由于考虑土体的成拱效应， 采用太沙基公式计算松弛压力， 使有效的土层高度减小， 结构受力降低。理论和实践都证明： 随着隧道的埋深不同， 地层压力的分布规律和数值大小也就不同， 因此， 确定划分浅埋和深埋的界限是十分必要的。

在埋深不变的情况下， 衬砌内力基本随着隧道外径的变化呈向下凸的抛物线形变化， 在外径不断变化的过程中， 其内力的增加量急剧增大， 且内力较大的截面在直径加大后其内力加大的幅度也最大。

2。5 地下水位的变化

对处于含水层和不透水层等复杂地层中的隧道来说， 在长期使用过程中， 地下水位的变化将导致隧道荷载的变化。在隧道开挖阶段， 为增加工作面的稳定性，常需要采取一定的降水措施。衬砌施工后， 地下水位随之上升。显然， 这两种情况下作用在衬砌上的荷载是不相同的， 通常后者要大于前者[5]。

2。6 外界环境的变化

隧道邻近范围内的各种施工活动， 如基坑开挖、增加地面荷载、新建高层建筑物及相邻隧道施工， 都会不同程度地扰动隧道周围的土体， 对土层施加新的附加荷载， 导致作用在衬砌上的荷载变化。

3 结束语

由于地铁隧道工程跨越区域大， 涉及面广， 同一条隧道需要经过不同的土层， 影响因素众多。为了准确估计衬砌上的荷载， 就必须结合工程实际情况， 认真分析各种影响因素， 从中甄别出主要因素， 最终为衬砌的准确设计打下基础。

参考文献

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[5] Hak Joon Kim。 Estimation for tunnel lining loads（D）。 Universityof Alberta， ： 1― 15。

篇6：盾构隧道涌水案例分析

以上海轨道交通七号线下穿明珠线盾构施工为依托,通过采用摩尔-库伦弹塑性屈服准则,建立二维有限元数值模型,研究上海轨道交通七号线盾构隧道开挖对邻近桩基的影响.数值模拟结果表明:当盾构土仓压力控制在0.28～0.34 MPa,同步注浆压力控制在0.26～0.32 MPa的情况下,盾构推进能保证桩基的安全.

作 者：凌燕婷 LING Yan-ting  作者单位：西南交通大学土木工程学院,成都,610031 刊 名：广东公路交通 英文刊名：GUANGDONG HIGHWAY COMMUNICATIONS 年，卷(期)： “”(3) 分类号：U451.5 关键词：盾构   数值模拟   隧道工程   桩基础