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随着我国城市轨道交通的飞速发展，盾构施工技术也日益进步与完善。土压平衡盾构气压辅助掘进技术解决了在残积土风化岩复合地层中施工所面临的刀盘负荷大、刀具磨损严重、施工效率低下等问题，但实际应用中仍然存在施工控制流程不完善、气压控制缺乏理论指导等问题。本文以广州地铁21号线某标段花岗岩残积层盾构区间为工程背景，对基于土压平衡盾构气压辅助掘进技术所提出的“气土联合平衡盾构”的工程特性进行研究，分析施工中的水气运移与地层变动规律，从定量角度为实际工程给出关于地层气密性判定与气渣界面设定方法的参考与建议。
主要研究内容与成果如下：
(1)基于传统土压平衡盾构气压辅助掘进技术，阐释了气土联合平衡盾构的内涵，明确了气土联合平衡盾构的施工控制流程、供气系统、气压控制理念。并基于土仓渣土、气体的进出平衡与理想气体状态方程推导了由土压平衡模式转换为气土联合平衡模式时供气流量与时间的关系曲线。
(2)利用VG模型拟合了多条砂土、粉土与黏土的土-水特征曲线，分析了土性对非饱和土持水与渗流特性的影响。采用滤纸法测试、VG模型拟合获得了广州地区强风化花岗岩及其渣土的土-水特征曲线和渗透系数特征曲线。结果表明，强风化花岗岩由于黏粒含量较高具有接近粉土的进气吸力，而对应渣土的土-水特征曲线更加平缓，持水性能降低，固有渗透率增大。施工中渣土的渗透系数降低的原因主要是大量封闭气泡的存在降低了渣土的水相饱和度。在本文的参数取值条件下，渣土的水相饱和度降低至0.46~0.68。
(3)利用反距离加权插值与Fish遍历函数对Tough2和Flac3D进行数据交互，实现了非饱和土的渗流-变形分析。以此建立了气土联合平衡盾构数值计算模型，明确了施工所引起的水气运移和地层变动规律。研究表明，土仓气体由于超压向前方地层渗透，引起地下水迁移与土体饱和度和孔隙压力的变化。地层孔压场的增大会使土体产生隆起，地表变形通常表现为开挖面上方附近为隆起峰值，往四周逐渐减小。但当土体缺少黏聚力时，开挖面前方会出现“剪切区”而使隆起减小，导致开挖面上方附近地表隆起表现为凹陷状。当地层渗透系数较大时，非饱和区发展较快并与地表连通，孔隙压力有所降低，地表隆起有所回落。当开挖面不再施加气压作用，地下水往开挖面汇聚，地层中气体继续向地表移动，地表的隆起开始消散，体现出其具有暂时性。
(4)进行了气土联合平衡与土压平衡的盾构施工过程对比分析，明确了气土联合平衡模式与土压平衡模式对环境影响的差异。气土联合平衡盾构施工中，地表会经历暂时性隆起与持续性沉降，对地层扰动相对较大。又由于为了避免气压过大导致地表产生不可接受的隆起，一般情况下气土联合平衡模式的开挖面平衡力整体偏低，对地表变形的控制不如土压平衡模式。在环境变动控制要求严格时，比如下穿建筑物地段，应仍以土压平衡模式掘进。
(5)基于气土联合平衡盾构数值计算模型研究了隧道上覆土层性质对土仓气压维持以及地表变形控制的影响。研究表明，随着上覆土层渗透系数的增大，水气运移范围增大，非饱和区易发展并与地表连通，土仓气体损失量呈“指数式”大幅增长，土仓气压维持难度与气压失稳风险也同步提高。同时较大的渗透系数还表现出管片拼装完成时，地表沉降较大，环境变动控制不佳的问题。结合计算结果，建议以渗透系数k=1×10-4m/s为气土联合平衡模式适用性的分界值。当隧顶上覆土层渗透系数＞1.0×10-4m/s时，不宜采用气土联合平衡模式掘进，必须对气密性不良地层进行处理；当渗透系数≤1.0×10-4m/s时，进一步划分为＜1×10-5m/s、1×10-5~5.0×10-5m/s、5.0×10-5~1.0×10-4m/s三个范围，结合计算结果分别给出了工程应对措施、建议的供气量以及最小的地层厚度要求。
(6)基于气土联合平衡盾构数值计算模型研究了气渣界面高度对土仓气压维持以及地表变形控制的影响，建立土仓-螺旋输送机渗流模型分析了气渣界面高度对螺旋输送机出口喷涌防范的影响。研究表明，随着气渣界面高度降低，土仓气体损失量、掘进阶段地表隆起量和螺旋输送机出口喷涌风险都将增大。当气渣高度比超过1:1后，土仓气体损失量与螺旋输送机出口处水流量的涨幅显著；在地表整体隆起的同时地层中出现剪切区，反映了气压力过大而有击穿地表的风险。建议施工中气渣界设置不宜低于盾构机中轴线，气渣高度比保持在1:2~1:1之间能最大程度上降低刀盘掘进负荷，并保证稳定掘进。
(7)结合实测数据对比了气土联合平衡模式与土压平衡模式的主要施工参数，反映了前者在掘进效率提高上的优势和本文提出的参数设定方法的良好应用性。以实测数据验证了对于隧顶气密性不良地层处理方法的合理性。
主要研究内容与成果如下：
(1)基于传统土压平衡盾构气压辅助掘进技术，阐释了气土联合平衡盾构的内涵，明确了气土联合平衡盾构的施工控制流程、供气系统、气压控制理念。并基于土仓渣土、气体的进出平衡与理想气体状态方程推导了由土压平衡模式转换为气土联合平衡模式时供气流量与时间的关系曲线。
(2)利用VG模型拟合了多条砂土、粉土与黏土的土-水特征曲线，分析了土性对非饱和土持水与渗流特性的影响。采用滤纸法测试、VG模型拟合获得了广州地区强风化花岗岩及其渣土的土-水特征曲线和渗透系数特征曲线。结果表明，强风化花岗岩由于黏粒含量较高具有接近粉土的进气吸力，而对应渣土的土-水特征曲线更加平缓，持水性能降低，固有渗透率增大。施工中渣土的渗透系数降低的原因主要是大量封闭气泡的存在降低了渣土的水相饱和度。在本文的参数取值条件下，渣土的水相饱和度降低至0.46~0.68。
(3)利用反距离加权插值与Fish遍历函数对Tough2和Flac3D进行数据交互，实现了非饱和土的渗流-变形分析。以此建立了气土联合平衡盾构数值计算模型，明确了施工所引起的水气运移和地层变动规律。研究表明，土仓气体由于超压向前方地层渗透，引起地下水迁移与土体饱和度和孔隙压力的变化。地层孔压场的增大会使土体产生隆起，地表变形通常表现为开挖面上方附近为隆起峰值，往四周逐渐减小。但当土体缺少黏聚力时，开挖面前方会出现“剪切区”而使隆起减小，导致开挖面上方附近地表隆起表现为凹陷状。当地层渗透系数较大时，非饱和区发展较快并与地表连通，孔隙压力有所降低，地表隆起有所回落。当开挖面不再施加气压作用，地下水往开挖面汇聚，地层中气体继续向地表移动，地表的隆起开始消散，体现出其具有暂时性。
(4)进行了气土联合平衡与土压平衡的盾构施工过程对比分析，明确了气土联合平衡模式与土压平衡模式对环境影响的差异。气土联合平衡盾构施工中，地表会经历暂时性隆起与持续性沉降，对地层扰动相对较大。又由于为了避免气压过大导致地表产生不可接受的隆起，一般情况下气土联合平衡模式的开挖面平衡力整体偏低，对地表变形的控制不如土压平衡模式。在环境变动控制要求严格时，比如下穿建筑物地段，应仍以土压平衡模式掘进。
(5)基于气土联合平衡盾构数值计算模型研究了隧道上覆土层性质对土仓气压维持以及地表变形控制的影响。研究表明，随着上覆土层渗透系数的增大，水气运移范围增大，非饱和区易发展并与地表连通，土仓气体损失量呈“指数式”大幅增长，土仓气压维持难度与气压失稳风险也同步提高。同时较大的渗透系数还表现出管片拼装完成时，地表沉降较大，环境变动控制不佳的问题。结合计算结果，建议以渗透系数k=1×10-4m/s为气土联合平衡模式适用性的分界值。当隧顶上覆土层渗透系数＞1.0×10-4m/s时，不宜采用气土联合平衡模式掘进，必须对气密性不良地层进行处理；当渗透系数≤1.0×10-4m/s时，进一步划分为＜1×10-5m/s、1×10-5~5.0×10-5m/s、5.0×10-5~1.0×10-4m/s三个范围，结合计算结果分别给出了工程应对措施、建议的供气量以及最小的地层厚度要求。
(6)基于气土联合平衡盾构数值计算模型研究了气渣界面高度对土仓气压维持以及地表变形控制的影响，建立土仓-螺旋输送机渗流模型分析了气渣界面高度对螺旋输送机出口喷涌防范的影响。研究表明，随着气渣界面高度降低，土仓气体损失量、掘进阶段地表隆起量和螺旋输送机出口喷涌风险都将增大。当气渣高度比超过1:1后，土仓气体损失量与螺旋输送机出口处水流量的涨幅显著；在地表整体隆起的同时地层中出现剪切区，反映了气压力过大而有击穿地表的风险。建议施工中气渣界设置不宜低于盾构机中轴线，气渣高度比保持在1:2~1:1之间能最大程度上降低刀盘掘进负荷，并保证稳定掘进。
(7)结合实测数据对比了气土联合平衡模式与土压平衡模式的主要施工参数，反映了前者在掘进效率提高上的优势和本文提出的参数设定方法的良好应用性。以实测数据验证了对于隧顶气密性不良地层处理方法的合理性。