土壓平衡模型盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)研究

1、土壓平衡模型盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)研究摘 要：土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)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(jī)的盾構(gòu)施工參數(shù)以及刀盤開口率對(duì)土層的適應(yīng)性，在新建立的大型盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)上，利用直徑為 1.8 m 的土壓平衡模型盾構(gòu)機(jī)在軟土、砂土、砂礫土層中進(jìn)行了盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集了盾構(gòu)推進(jìn)過程中的各種工作參數(shù)，通過 分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文嘗試對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)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(jìn)行了試驗(yàn)研究，還研究了不同刀盤開口率對(duì)盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩的影響 規(guī)律 ，研究結(jié)果對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的設(shè)

2、計(jì)和施工具有 參考 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(yàn)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(guó)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(duì)實(shí)際工程進(jìn)行盾構(gòu)選型時(shí)必須慎重考慮盾構(gòu)對(duì)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(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的相關(guān)研究成果來看，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)

3、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。 文獻(xiàn) 3通過掘進(jìn)試驗(yàn)研究了DPLEX盾構(gòu)在各種模擬土層中的適應(yīng)性。為檢驗(yàn)DPLEX盾構(gòu)開挖機(jī)構(gòu)的性能和切削面支撐等，組裝了一臺(tái)矩形斷面（1.03 m×35 m）的試驗(yàn)盾構(gòu)機(jī)開挖四種模擬地層細(xì)砂、壓實(shí)砂、礫石及夾有大卵石的礫石層。試驗(yàn)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(xiàn)4試驗(yàn)研究了盾構(gòu)穿越砂性土層時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)添加劑增加砂性土的塑流性、保水性以及工作面動(dòng)態(tài)土壓平衡機(jī)理作了較深入的探討。文獻(xiàn)5就盾構(gòu)機(jī)扭矩、

4、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(jī)型和盾構(gòu)機(jī)基本配置的技術(shù)要求。文獻(xiàn)6結(jié)合廣州地鐵二號(hào)線某區(qū)間隧道盾構(gòu)施工實(shí)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(duì)不同地層的切削機(jī)理。文獻(xiàn)7通過模型試驗(yàn),對(duì)泥漿盾構(gòu)施工中泥漿維持開挖面穩(wěn)定的力學(xué)機(jī)理,開挖面前緣土體的應(yīng)力變化規(guī)律,泥漿壓力作用機(jī)理及泥皮形態(tài)進(jìn)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(guó)地鐵隧道蓬勃 發(fā)展 的需要，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(guó)新建立的大型多功能盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)上（見圖1

5、）8，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)的地層適應(yīng)性進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中選定了上海軟土，北京和沈陽(yáng)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(jìn)試驗(yàn)，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(guó)的土壓平衡盾構(gòu)的設(shè)計(jì)和土壓平衡盾構(gòu)的隧道掘進(jìn)施工提供參考。1 模型盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)過程1.1 試驗(yàn)土的布置和模擬 在新建立的盾構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)上一共進(jìn)行兩次盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)，每次掘進(jìn)試驗(yàn)盾構(gòu)先后穿越 3 種典型土層，在盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)的大型土箱（4000 mm&#2

6、15;8600 mm）中，參照選定的典型土的土性進(jìn)行配置和模擬。其中，模擬的軟土采用上海軌道 交通 M8 線某區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)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(yáng)砂礫土的土性和顆粒級(jí)配曲線配置模擬而成的。在土箱內(nèi)，沿盾構(gòu)掘進(jìn)預(yù)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(shí)。土箱中 3 種土的土性見表 1 所示。第一次掘進(jìn)試驗(yàn)時(shí)，刀盤的開口率為 30%，盾構(gòu)在 3 種典型土層中的推進(jìn)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

7、進(jìn)試驗(yàn)時(shí)，刀盤的開口率為 70%，總推進(jìn)距離約為 5700 mm，盾構(gòu)在 3種典型土層中的推進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)的采集 試驗(yàn)需要采集的數(shù)據(jù)有：模型盾構(gòu)機(jī)的推力和推進(jìn)速度、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、螺旋機(jī)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(shí)時(shí)地顯示所需要的數(shù)據(jù)和曲線，并能自動(dòng)存儲(chǔ)下來，以供分析。2 掘進(jìn)試驗(yàn)及其試驗(yàn)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(jìn)過程中一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因?yàn)橥僚撏翂毫Φ淖兓从沉硕軜?gòu)推進(jìn)過程是否平穩(wěn)，直

8、接影響到開挖面的穩(wěn)定。圖 3（a）（b）為盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)過程中土艙外土壓力與土艙內(nèi)土壓力的差值隨推進(jìn)距離的變化曲線，可以看出，盾構(gòu)掘進(jìn)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(shí)在粘性土層中平均為 0.040.05 MPa，刀盤開口率為70%時(shí)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映的規(guī)律與試驗(yàn)反映出的規(guī)律是一致的。圖 49表示上海地鐵一號(hào)線某區(qū)間隧道（刀盤開口率為

9、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(shí)測(cè)的土壓力數(shù)據(jù)，土壓力計(jì)的埋深約為 10 m。在切口到達(dá)處，對(duì)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(dá)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，這說明開口率較大的土壓平衡盾構(gòu)在推進(jìn)過程中土層中產(chǎn)生相對(duì)較小的附加土壓力。2.2 掘進(jìn)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(jìn)時(shí)盾構(gòu)刀盤扭矩的變化情況以及刀盤開口率的大小對(duì)扭矩的影響。刀盤開口率的大小對(duì)扭矩有明顯影響，顯然，在粘性土層中和在砂礫土層中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)刀盤開口率為30%時(shí)的刀盤扭矩大于刀盤開口

10、率為70%時(shí)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(shì)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(duì)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)。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(duì)刀盤扭矩的大小有明顯影響。2.3 掘進(jìn)過程中盾構(gòu)總推力的變化 規(guī)律 圖7和圖8是掘進(jìn)試驗(yàn)過程中總推力的變化曲線，在粘性土層中總推力隨推進(jìn)距離的增大而增大，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)平臺(tái)上隨著推進(jìn)距離的增大盾構(gòu)機(jī)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(jìn)距離的增大

11、而增大。實(shí)際上，在土壓平衡的情況下盾構(gòu)在同一均勻土層中勻速推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)本身的側(cè)摩阻力是不變的，因此總推力不會(huì)隨著推進(jìn)距離的增大而增大?？梢钥吹皆诓煌耐翆又校ㄕ承酝?、砂性土、砂礫土），總推力有較大差別，這說明土性對(duì)總推力有明顯的 影響 。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在推進(jìn)過程中，總推力主要用于克服土體作用于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤上的正面阻力和土體作用于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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強(qiáng)的

12、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(yàn)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(jìn)過程中，刀盤扭矩和盾構(gòu)總推力也具有相當(dāng)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(shí)測(cè)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(shí)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(yàn)得出的盾

13、構(gòu)總推力和扭矩的關(guān)系與工程實(shí)測(cè)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(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)上先后掘進(jìn)粘土、砂土和砂礫土 3 種典型地層的兩次盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn) 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(jìn)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(gè)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(duì)應(yīng)的土艙內(nèi)外土壓力差值較小；反之亦然。 (2) 刀盤切口處土體的應(yīng)力水平對(duì)刀盤的扭矩有明顯影響，而切口處土體的應(yīng)力水平與盾

14、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(jìn)試驗(yàn)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(shí)刀盤扭矩矩較大，刀盤開口率較大時(shí)刀盤扭矩矩較小。因此，開口率較大的刀盤對(duì)土層的適應(yīng)性較好。 (4) 土性對(duì)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(jìn)行盾構(gòu)總推力的設(shè)計(jì) 計(jì)算 時(shí)要考慮隧道的埋深和土性等因素。 參考 文獻(xiàn) ：1 劉建航 , 侯學(xué)淵 . 盾構(gòu)法隧道 M. 北京 : 中國(guó) 鐵道出版社,1991.(LIU Jian-

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