1、土压平衡盾构与泥水平衡盾构的区别

土压平衡盾构：土压平衡式盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构。其施工方法是保持开挖面的稳定，在切削刀盘后面的密封腔内充满开挖下来的土砂，并保持一定土压力。

特点：施工中基本不使用土体加固等辅助施工措施，节省技术措施费，并对环境无污染；根据土压变化调整出土和盾构推进速度，易达到工作面的稳定，减少了地表变形；对掘进土量能形成自动控制管理，机械自动化程度高、施工速度快。把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。它又可细分为削土加压盾构、加水土压盾构、加泥土压盾构和复合土压盾构。

原理：土压平衡盾构掘进机是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮留密封仓内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在密封仓下部的螺旋运输机向排土口连续的将土碴排出。

泥水平衡盾构：泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，在机械式盾构的刀盘的后侧，其刀盘后面有一个密封隔板，把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓，待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。通过泥水的加压作用和压力保持机构，能够维持开挖工作面的稳定。盾构推进时，旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地面泥水分离系统，将碴土、水分离后重新送回泥水仓，这就是泥水加压平衡式盾构法的主要特征。因为是泥水压力使掘削面稳定平衡的，故得名泥水加压平衡盾构，简称泥水盾构。

特点：在易发生流砂的地层中能稳定开挖面，可在正常大气压下施工作业，无需用气压法施工；泥水压力传递速度快而均匀，开挖面平衡土压力的控制精度高，对开挖面周边土体的扰少，地面沉降量的控制精度高；盾构出土由泥水管道输送，速度快而连续；减少了电机车的运输量，施工进度快；刀具、刀盘磨损小，易于长距离盾构施工；刀盘所受扭矩小，更适合大直径隧道的施工；需要较大规模的泥水处理设备及设置泥水处理设备的场地。

保持开挖面稳定的原理：土压平衡主要是用开挖仓内的泥土，加上部分气体来维持；泥水平衡主要是靠泥水的循环压力，加上气体来维持。

2、大型泥水盾构施工参数三维数值模拟

1.关键词：大型泥水盾构；泥水压力、盾尾注浆参数；三维有限元法

2.模型的建立，有限元模型的简化：

1）盾构机　采用均质等效圆环模拟盾构机，即不考虑盾构机盾头及盾尾质量刚度差异。

2）盾构管片接头　采用弹性均质圆环模拟盾构隧道，忽略盾构隧道纵缝。环向接头采用等效刚度法近似模拟。按照上述简化原则，用实体单元模拟结构和土体，建立有限元模型见图2。        

3.隧道所穿越地层主要地质参数：土层名称、层厚、含水量、重度、塑限指数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角

三、大直径泥水盾构施工对软土地层的沉降影响研究

1.关键词：大直径泥水盾构；ABAQUS有限元软件

2.刚度迁移原理与应用：

     刚度迁移法是将盾构前行看成刚度和载荷的迁移过程。盾首和盾尾设有预设单元，开挖面推进时，盾首逐渐深入，预设单元的刚度增加; 盾尾脱出，预设单元的刚度减少。采用ABAQUS 的单元“激活”与“杀死”功能能够实现单元刚度的迁移。将盾构推进作为一个非连续的过程来研究，盾构每向前推进一环，盾构前方的开挖面单元和预设单元变为盾构单元和超开挖空隙单元，盾构尾部单元变为盾尾空隙单元。而盾尾的空隙单元变为浆体单元，同时沿开挖方向激活一环管片单元。数值模拟的材料单元如图6所示。  

3.模型的建立及参数取值：弹性模量、泊松比、重度、粘聚力、内摩擦角。

    对盾构推进400 环至410 环标段进行模拟，土体、注浆、管片、盾构均为8节点单元，模型共11260 个节点，单元体8420 个。土体采用Mohr-Coulomb 本构模型，土层的渗透系数为7.0 × 10－4 m/s，孔隙率为0.26，孔隙水的体积模量为2GPa，单元类型为C3D8ＲP。考虑土体变形的非线性，注浆体、管片、盾构单元类型为C3D8Ｒ。单元材料计算参数见表2 与表3，有限元计算模型见图7。

4、近间距平行泥水盾构隧道推进方案三维数值模拟

1.关键词：大直径泥水平衡式盾构；MSC.Marc三维有限元分析软件

2.数值模拟，施工过程的假定与简化：

1) 将管片环简化为薄壳结构, 不考虑衬砌管片的环向连接及纵向连接；

2) 管片环宽度为1.5m, 故在模拟时将盾构推进步长设置为1.5m；

3) 土层呈水平层状分布, 为考虑江中段水压力作用, 将水压力简化为表面力, 施加在江中段土层上方表面；

4) 通过对盾构开挖工作面施加表面力, 以模拟盾构推进时工作面前方的泥水压力；

5) 注浆压力和注浆材料物理性态是一个不断变化的过程。对开挖面后一环管片内的注浆层施加注浆压力,不考虑注浆材料物理性态的不断硬化。

3.数值模型：

该越江隧道工程三维有限元模型见图1。计算区域沿隧道纵向取154 m, 隧道左右方向取119 m, 上方至地表, 下方至隧道底部取29.5m。隧道轴线相距18m, 外壁净距8m, 江中段覆土层厚度约8m, 浦东段覆土层厚度约20m。隧道结构采用单层衬砌, 衬砌为钢筋混凝土管片。衬砌环由1 块封顶块、2块邻接块和5块标准块构成,管片厚度为480mm, 宽度为1500mm。隧道穿越的主要土层分布、厚度、物理力学性质指标及隧道线路位置根据所提供的相关资料确定。

5、泥水盾构下穿已有隧道施工过程数值模拟研究

1.关键词：大直径泥水平衡式盾构；ABAQUS有限元软件

2.模型建立：

根据实际工程和计算需要， 沿隧道纵向长200m，选取竖向深60 m、横向宽150 m 为分析区域进行建模。模型中，已有打浦路隧道前120 m 是半径为300 m 的圆弧，中间18 m 是圆弧切线，最后62m 竖曲线为10.5%的下坡。备用车道与已有隧道水平曲线一致。新建隧道水平曲线为半径750 m 的圆弧（向右），竖直曲线为4.8%（下坡）。采用六面体减缩积分单元进行离散， 模型共计31 748 个节点，27 827 个单元，如图3 所示。新建打浦路隧道复线、已有打浦路隧道及备用车道模型如图4所示，管片及隧道土体模型如图5 所示。

土体分为灰色粉质粘土、灰色淤泥质粘土、灰色粘土和灰色砂质粉土等四层，并采用Drucker-Prager 弹塑性本构模型。该模型考虑了静水压力对屈服过程的影响， 并在条件中增加了第一应力不变量。新建打浦路隧道复线管片为C55 混凝土，已有打浦路隧道及备用车道材料为C30 混凝土，盾构机材料为钢，注浆材料为各向同性材料，具体参数如表1所示。模型的边界条件，除了上表面为自由面外，其余4 个侧面和底面均施加法向约束。

3.泥水盾构掘进过程模拟方法：

    泥水盾构掘进过程包括掘进和管片拼装， 模拟采用生死单元法进行， 在ABAQUS 软件中实现，整个过程分为六个步骤：（1）计算初始地应力场；（2）初始地应力的平衡；（3）土体开挖，杀死开挖土体，同时激活盾构单元，并施加开挖面泥水压力，开挖面泥水压力取切口水压上下限的平均值；（4）管片安装，杀死盾尾盾构单元，同时激活管片单元和初始注浆，并施加同步注浆压力， 注浆压力取注浆处上覆土重力的1.3 倍；（5）注浆硬化，杀死初始注浆，同时激活凝固注浆，并卸载同步注浆压力；（6）循环3~5 步。模拟计算掘进载荷步长采取每步长推进6 m， 包含4环管片，共计计算载荷步33步，133环管片。下载本文