土壓平衡模型盾構(gòu)掘進試驗研究

1、土壓平衡模型盾構(gòu)掘進試驗研究        摘 要：土壓平衡盾構(gòu)掘進是軟土地區(qū)地鐵隧道施工的主要方法之一，然而，它在不同的土層中的適應(yīng)性是不一樣的。為研究土壓平衡盾構(gòu)機的盾構(gòu)施工參數(shù)以及刀盤開口率對土層的適應(yīng)性，在新建立的大型盾構(gòu)模擬試驗平臺上，利用直徑為 1.8 m 的土壓平衡模型盾構(gòu)機在軟土、砂土、砂礫土層中進行了盾構(gòu)掘進模擬試驗。試驗平臺的監(jiān)測系統(tǒng)實時采集了盾構(gòu)推進過程中的各種工作參數(shù)，通過分析試驗數(shù)據(jù)，本文嘗試對盾構(gòu)掘進過程中土艙內(nèi)外土壓力的相關(guān)關(guān)系、刀盤扭矩和推力的變化及其影響因素進行了試驗研究，還研究了

2、不同刀盤開口率對盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩的影響，研究結(jié)果對土壓平衡盾構(gòu)機的設(shè)計和施工具有意義。關(guān)鍵詞：土壓平衡模型盾構(gòu)；刀盤扭矩；土艙土壓力；總推力；刀盤開口率 0 前 言      土壓平衡盾構(gòu)是軟土地區(qū)地鐵隧道施工的主要方法之一，早在1963年上海就開始了軟土地層盾構(gòu)隧道工程試驗研究和施工技術(shù)研究1?，F(xiàn)在，盾構(gòu)法已越來越多地應(yīng)用于我國的城市地鐵隧道、市政公用隧道、水電隧道、鐵路隧道和公路隧道的施工建設(shè)2。盾構(gòu)法適用的地層包括軟土地層、砂土地層以及砂礫土地層等。然而，在不同的地層中盾構(gòu)的適應(yīng)性是有明顯差異的，所以，針對實際工程進行盾構(gòu)選

3、型時必須慎重考慮盾構(gòu)對不同地層的適應(yīng)性。盾構(gòu)的地層適應(yīng)性研究包括多方面的內(nèi)容，就國內(nèi)外公開發(fā)表的相關(guān)研究成果來看，對土壓平衡盾構(gòu)的工作參數(shù)如刀盤扭矩、盾構(gòu)總推力、刀盤開口率等與不同地層適應(yīng)性之間的關(guān)系和規(guī)律的研究還不多。3通過掘進試驗研究了DPLEX盾構(gòu)在各種模擬土層中的適應(yīng)性。為檢驗DPLEX盾構(gòu)開挖機構(gòu)的性能和切削面支撐等，組裝了一臺矩形斷面（1.03 m×35 m）的試驗盾構(gòu)機開挖四種模擬地層細砂、壓實砂、礫石及夾有大卵石的礫石層。試驗研究了盾構(gòu)在4種模擬地層中的適應(yīng)性以及所需扭矩的大小。文獻4試驗研究了盾構(gòu)穿越砂性土層時為改善其地層適應(yīng)性采用合適的添加劑的施工工藝，在試驗數(shù)據(jù)

4、分析的基礎(chǔ)上，對添加劑增加砂性土的塑流性、保水性以及工作面動態(tài)土壓平衡機理作了較深入的探討。文獻5就盾構(gòu)機扭矩、刀具形狀與布置及作用等關(guān)鍵技術(shù)方面根據(jù)北京地區(qū)的工程地質(zhì)和水文條件研究了北京地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)的地層適應(yīng)性，并提出了該地區(qū)的盾構(gòu)機型和盾構(gòu)機基本配置的技術(shù)要求。文獻6結(jié)合廣州地鐵二號線某區(qū)間隧道盾構(gòu)施工實際情況，分析了盾構(gòu)適應(yīng)性的因素，提出了盾構(gòu)選型的流程并闡述了刀盤刀具對不同地層的切削機理。文獻7通過模型試驗,對泥漿盾構(gòu)施工中泥漿維持開挖面穩(wěn)定的力學機理,開挖面前緣土體的應(yīng)力變化規(guī)律,泥漿壓力作用機理及泥皮形態(tài)進行了研究,提出了中粗砂地基中臨界泥漿壓力公式。為適應(yīng)我國地鐵隧道蓬勃的需

5、要，研究土壓平衡盾構(gòu)在典型土層中的適應(yīng)性，本文嘗試在我國新建立的大型多功能盾構(gòu)掘進模擬試驗平臺上（見圖1）8，對土壓平衡盾構(gòu)的地層適應(yīng)性進行了初步的試驗研究，試驗中選定了上海軟土，北京和沈陽的砂性土和砂礫土作為3種典型地層并在大型土箱中模擬這3種土層，通過盾構(gòu)在粘土、砂土、砂礫地層的模擬掘進試驗，研究了刀盤開口率、盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、土艙內(nèi)外土壓力等主要盾構(gòu)施工參數(shù)的相互關(guān)系以及盾構(gòu)推力和刀盤扭矩的影響因素和變化規(guī)律，研究結(jié)果可為我國的土壓平衡盾構(gòu)的設(shè)計和土壓平衡盾構(gòu)的隧道掘進施工提供參考。1 模型盾構(gòu)掘進試驗過程1.1 試驗土的布置和模擬    &#

6、160; 在新建立的盾構(gòu)試驗平臺上一共進行兩次盾構(gòu)掘進試驗，每次掘進試驗盾構(gòu)先后穿越 3 種典型土層，在盾構(gòu)掘進模擬試驗平臺的大型土箱（4000 mm×8600 mm）中，參照選定的典型土的土性進行配置和模擬。其中，模擬的軟土采用上海軌道 M8 線某區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進過程中掘出的土重塑而成；砂土和砂礫土系參考北京砂性土和沈陽砂礫土的土性和顆粒級配曲線配置模擬而成的。在土箱內(nèi)，沿盾構(gòu)掘進預定軸線分別布置了粘土、砂土和砂礫土，見圖 2。填土完畢后,關(guān)閉土箱開口，通過布置在土箱內(nèi)壁上的水袋給土箱內(nèi)的土體加壓，使土箱內(nèi)的土層密實。土箱中 3 種土的土性見表 1 所示。第一次掘進試驗時，刀盤的開

7、口率為 30%，盾構(gòu)在 3 種典型土層中的推進距離分別是 2250 mm（粘土）、2000 mm（砂土）和 2000mm 以上（砂礫土）；第二次盾構(gòu)掘進試驗時，刀盤的開口率為 70%，總推進距離約為 5700 mm，盾構(gòu)在 3種典型土層中的推進距離分別是 2400 mm（粘土）、2000 mm（砂土）和 2000 mm 以上（砂礫土）。1.2 試驗數(shù)據(jù)的采集      試驗需要采集的數(shù)據(jù)有：模型盾構(gòu)機的推力和推進速度、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、螺旋機轉(zhuǎn)速、土艙土壓力、土箱內(nèi)土體土壓力等，這些數(shù)據(jù)采用各種傳感器通過 PLC 采集，可以實時地顯示所需要的

8、數(shù)據(jù)和曲線，并能自動存儲下來，以供分析。2 掘進試驗及其試驗數(shù)據(jù)的分析2.1 土艙內(nèi)外土壓的相關(guān)關(guān)系分析      土艙土壓力是土壓平衡盾構(gòu)掘進過程中一個重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因為土艙土壓力的變化反映了盾構(gòu)推進過程是否平穩(wěn)，直接影響到開挖面的穩(wěn)定。圖 3（a）（b）為盾構(gòu)掘進試驗過程中土艙外土壓力與土艙內(nèi)土壓力的差值隨推進距離的變化曲線，可以看出，盾構(gòu)掘進過程中土艙內(nèi)外存在一定的土壓力差，刀盤開口率為 30%時在粘性土層中平均為 0.040.05 MPa，刀盤開口率為70%時在粘性土層中土壓力差的平均值為0.030.04 MPa，這表明在其它條件一定

9、的情況下，該壓力差的大小與刀盤開口率大小有關(guān)，刀盤開口率大則土艙內(nèi)外土壓力差值小，顯然開挖面前方的土壓力大于土艙內(nèi)的土壓力，并且砂性土層中土艙內(nèi)外土壓力差值更明顯。      通過工程實測數(shù)據(jù)反映的規(guī)律與試驗反映出的規(guī)律是一致的。圖 49表示上海地鐵一號線某區(qū)間隧道（刀盤開口率為 30%）和上海雙圓隧道某區(qū)間（雙圓盾構(gòu)刀盤開口率為 85%）實測的土壓力數(shù)據(jù)，土壓力計的埋深約為 10 m。在切口到達處，對于刀盤開口率為 30%的盾構(gòu)來說，土艙內(nèi)外土壓力差值達到近 0.08MPa，而開口率較大的雙圓盾構(gòu)的土艙內(nèi)外土壓力差值僅為 0.03 MPa，這

10、說明開口率較大的土壓平衡盾構(gòu)在推進過程中土層中產(chǎn)生相對較小的附加土壓力。2.2 掘進過程中刀盤扭矩的變化規(guī)律      圖 5（a），（b）反映了在不同的土層中掘進時盾構(gòu)刀盤扭矩的變化情況以及刀盤開口率的大小對扭矩的影響。刀盤開口率的大小對扭矩有明顯影響，顯然，在粘性土層中和在砂礫土層中掘進時，盾構(gòu)刀盤開口率為30%時的刀盤扭矩大于刀盤開口率為70%時的刀盤扭矩。另外，還可以發(fā)現(xiàn)，刀盤扭矩的變化與土艙土壓力的變化趨勢基本一致，見圖 6。這說明刀盤切口處土體的應(yīng)力水平（與土艙土壓力僅有一差值）對刀盤的扭矩有明顯影響，而切口處土體的應(yīng)力水平與盾構(gòu)的

11、埋深有關(guān)。比較圖 5（a）和圖 5（b）還顯示，在粘性土和砂礫土層中刀盤的扭矩有很大區(qū)別，可見，土性對刀盤扭矩的大小有明顯影響。1         2.3 掘進過程中盾構(gòu)總推力的變化      圖7和圖8是掘進試驗過程中總推力的變化曲線，在粘性土層中總推力隨推進距離的增大而增大，這是因為在試驗平臺上隨著推進距離的增大盾構(gòu)機本身和與之連接的鋼管節(jié)與土體接觸面積在增大，因而側(cè)摩阻力在增大，所以總推力隨著推進距離的增大而增大。實際上，在土壓平衡的情況下盾構(gòu)在同一均勻土層中

12、勻速推進時盾構(gòu)機本身的側(cè)摩阻力是不變的，因此總推力不會隨著推進距離的增大而增大。可以看到在不同的土層中（粘性土、砂性土、砂礫土），總推力有較大差別，這說明土性對總推力有明顯的影響。盾構(gòu)掘進機在推進過程中，總推力主要用于克服土體作用于盾構(gòu)掘進機刀盤上的正面阻力和土體作用于盾構(gòu)掘進機殼體表面上的摩阻力，因此，除了土體本身的性質(zhì)影響著盾構(gòu)掘進機總推力之外，土艙內(nèi)土壓力的大小影響了刀盤上的正面阻力的大小，因而也影響總推力的大小。      圖 9 反映了總推力與土艙土壓力的相關(guān)關(guān)系，可以看出，土艙土壓力和總推力兩者幾乎在“同步”變化，這說明兩者之間有較

13、強的的相關(guān)性。2.4 盾構(gòu)總推力和扭矩的關(guān)系      圖 10 反映了試驗中盾構(gòu)刀盤扭矩與盾構(gòu)總推力的相關(guān)關(guān)系曲線。根據(jù)圖 10 可以看到，盾構(gòu)在粘性土層掘進過程中，刀盤扭矩和盾構(gòu)總推力也具有相當好的相關(guān)性，兩者的變化基本上是“同步”的。而圖 10（b）是大阪大川盾構(gòu)隧道的實測數(shù)據(jù)，也表明刀盤扭矩與盾構(gòu)推力之間有良好的相關(guān)關(guān)系。      實際上，由圖 6 可以看到，土艙土壓力與刀盤扭矩之間存在著的很好的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)前面的分析可知，影響扭矩的主要因素包括土性、刀盤前方土體的應(yīng)力水平等，而土艙

14、土壓力的大小間接反映了刀盤前方土體的應(yīng)力水平，所以總推力與刀盤扭矩的關(guān)系，只是土艙壓力與刀盤扭矩關(guān)系的反映。試驗得出的盾構(gòu)總推力和扭矩的關(guān)系與工程實測中得出的規(guī)律也是一致的。3 結(jié) 論      通過在新建立的盾構(gòu)掘進模擬試驗平臺上先后掘進粘土、砂土和砂礫土 3 種典型地層的兩次盾構(gòu)掘進試驗研究，本文嘗試分析了土壓平衡模型盾構(gòu)的刀盤扭矩、刀盤開口率、推力以及土艙內(nèi)外土壓力的變化規(guī)律，可得到以下結(jié)論：      (1) 在盾構(gòu)掘進過程中土艙土壓力與開挖面前方土體中（或刀盤面板上）土壓力存在一定的土

15、壓力差，開挖面前方的土壓力大于土艙內(nèi)的土壓。土艙內(nèi)外這個土壓力差值的大小與刀盤開口率大小有關(guān)。刀盤開口率較大，則對應(yīng)的土艙內(nèi)外土壓力差值較??；反之亦然。      (2) 刀盤切口處土體的應(yīng)力水平對刀盤的扭矩有明顯影響，而切口處土體的應(yīng)力水平與盾構(gòu)的埋深有關(guān)。另外，在粘性土和砂礫土層中刀盤的扭矩的大小有明顯區(qū)別，因此埋深、土性等是影響刀盤扭矩的重要因素。      (3) 盾構(gòu)掘進試驗表明刀盤扭矩的大小與刀盤開口率相關(guān)，刀盤開口率較小時刀盤扭矩矩較大，刀盤開口率較大時刀盤扭矩矩較小。因此，開口率

16、較大的刀盤對土層的適應(yīng)性較好。      (4) 土性對總推力有明顯的影響，盾構(gòu)總推力也與土艙土壓力的大小相關(guān)，而土艙土壓力大小的設(shè)定與主要決定于隧道的埋深和土性等因素，所以，盾構(gòu)選型或進行盾構(gòu)總推力的設(shè)計時要考慮隧道的埋深和土性等因素。 ：1 劉建航 , 侯學淵 . 盾構(gòu)法隧道 M. 北京 : 鐵道出版社,1991.(LIU Jian-hang, HOU Xue-yuan. The shield driventunnelM. Beijing: China Railraod Press, 1991.)2 施仲衡 . 盾構(gòu)機在中國地鐵建

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