（岩土工程专业论文）砂卵石地层土压平衡盾构开挖添加剂优化配比试验研究.pdf

摘要 摘要 随着我国城市隧道工程的讯速发展，土压平衡盾构法得到了广泛的应用，成 为软土地层隧道施工的首选，并在技术和经济上取得良好的效果。但是在砂、卵 石地层中却遇到了不同程度的困难，砂、卵石地层是一种典型的不稳定地层，掘 进过程中土质塑流性( 塑性流动性) 差，会造成一系列的问题，如动态土压平衡 难以形成、刀盘扭矩过大、刀盘和刀具磨损过快等。鉴于此，土体改良日益引起 施工方的重视，施工中土体具有良好塑流性，成为确保土压平衡盾构顺利、高效 施工的重要一环。本文研制了一套可以改变泡沫性能参数的新型室内试验发泡装 置，按照泡沫的要求( 如发泡剂浓度、发泡倍率等) 制造出合适的泡沫。此试验 能方便系统地研究泡沫的性质，如泡沫的半衰期、发泡倍率与发泡液浓度的关系 等，从中找到满足盾构施工要求的泡沫。同时在北京地铁九号线将进行盾构开挖 的砂、卵石地层中钻井取样，利用泡沫、膨润土泥浆进行改良，通过室内试验获 得泡沫、膨润土泥浆对试验土层的塑流性影响的实验规律。 a 、发泡液浓度对改良圆砾试样的塑流性影响不大，浓度为2 3 的泡沫能满 足土压平衡盾构的施工要求。 b 、泡沫能显著改善圆砾试样的流动性，而且试样的含水率对泡沫的改良效 果起着重要作用。 c 、膨润土泥浆能明显加强圆砾试样的可塑性，并且试样的保水性有很大的 改观，未出现明显的析水现象。 于砂、卵石地层中采用注入泡沫或泥浆改良渣土在试验室里取得了良好的改 良效果，在成都地铁1 号线卵石地层土压平衡盾构开挖过程中，也进行了一系列 的现场试验，其结果与室内试验结果规律基本一致，但是其广泛应用还需要更多 试验及实际工程数据的支持。 关键词：土压平衡盾构机砂、卵石地层坍落度试验土体改良添加剂 北京工业大学工学硕士学位论文 ! i i i ! ! ! 曼! 曼! 皇! ! 曼曼曼曼! 曼笪皇! ! ! ! ! 皇! 曼曼! 曼! ! ! ! ! 曼曼! 皇! 曼曼! 曼曼蔓! 皂 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e d ( e p b ) t b m sa r ee x t e n s i v e l yu s e dt om e e t t h ed e m a n d sf o re x c a v a t i o n o fu r b a nt u n n e l sb e c a u s eo ft h e i rt e c h n i c a la n d e c o n o m i c a la d v a n t a g e s ，e s p e c i a l l yi nt h ec l a yo rf i n es a n dl a y e r s t h es a n da n dg r a v e l l a y e r sa r et y p i c a l l yi n s t a b l el a y e rf o rt u n n e l i n g ，m a n yd i f f i c u l t i e sa r ee n c o u n t e r e d d u r i n gt u n n e l l i n gt h r o u g ht h es a n da n dg r a v e ll a y e r s ，s u c ha si n s t a b i l i t yo ft h et u n n e l f a c e ，h i g ht o r q u eo ft h em a c h i n ec u t t e rh e a d ，h i g hc u t t e rw e a l a n dc u t t e rh e a dw e a r s o i lc o n d i t i o n i n gi st h em o s te f f i c i e n tw a yt os o l v et h e s ed i f f i c u l t i e s t h i st h e s i s s t u d i e st h ep r o p e r t i e so ff o a m ( s u c ha sf e r 、f o a mh a l fl i f e ) b yu s i n gan e w f o a m g e n e r a t o rd e s i g n e db yt h ea u t h o r t h ef o a m g e n e r a t o rc a np r o d u c ed i f f e r e n t f o a m sw i md i f f e r e n te n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c st h r o u g ht h ev a r i a t i o n so fi n p u t p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n ga i rp r e s s u r e 、l i q u i dp r e s s u r e 、v e l o c i t yo ff l o w 、v e l o c i t yo fa i r a n ds oo n i no r d e rt oe f f i c i e n t l yu t i l i z et h ef o a m t h ee x p e r i m e n t a lg r a v e ls a m p l e s w e r et a k e nf r o mb e i j i n gm e t r ol i n e9 ，d i f f e r e n ta d d i t i v e s ，s u c ha sw a t e r 、f o a ma n d b e n t o n i t es l u r r y ，a r eu s e dt oc o n d i t i o nt h ee x c a v a t e ds o i li nt h el a b o r a t o r y n em o s t i m p o r t a n tf i n d i n g so ft h i ss t u d ya r ed e r i v e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： a 、t h ec o n s i s t e n c yo ft h ef o a mh a sl i t t l ei n f l u e n c eo ns o i lc o n d i t i o n i n go ft h e s a n da n dg r a v e ll a y e r s ，t h ei d e a lc o n s i s t e n c yo ft h ef o a mr a g e sf r o m2 t o3 f o r e p bi nt h es a n da n dg r a v e ll a y e r s b 、t h ef o a mc a nb ea b l et oi n c r e a s et h ef l u i d i t yo ft h es a n da n dg r a v e ll a y e r s ， w a t e rc o n t e n ti nt h ef o a m s o i lm i x t u r e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef l u i d i t y c 、b e n t o n i t es l u r r yc a nb ea b l et oi m p r o v et h ep l a s t i cf i u i d i t yo ft h es a n da n d g r a v e ll a y e r s ，a n dp r o t e c tt h ew a t e rf r o ml o s i n g f o a ma n db e n t o n i t es l u r r ya r et h em a i na n du s e f u la d d i t i v e sf o re p b ，a n dh a v ea g o o dp e r f o r m a n c ef o rs o i lc o n d i t i o n i n gi nt h el a b o r a t o r y t h es e r i e so fg r a v e l c o n d i t i o n st e s t sw e r ec a r r i e do u td u r i n ge p be x c a v a t i o ni nt u n n e ls e c t i o nf r o m h o n g h u a y a nt or e n m i n b e i l ui nc h e n g d um e t r ol i n e1 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n j o bs i t es h o wt h es a m ev a r i a t i o n sw i t ht h el a b o r a t o r yt e s t s b u t ，t h ef i n d i n g so ft h i s s t u d yd e r i v e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sn e e dt ob ev e r i f i e dp r o g r e s s i v e l yi nm o r e e n g i n e e r i n gp r o je c t si nt h ef u t u r ei no r d e rt ob ee x t e n s i v e l ya p p l i e d 1 ( e yw o r d s ：e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e dm a c h i n e ，s a n do rg r a v e ll a y e r , s l u m p t e s t ，s o i lc o n d i t i o n i n g ，a d d i t i v e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕塞工些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲兰虐号吼叫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：喜辱i 亨导师签名：摊期：y 、i z 、 第1 章绪论 1 1 盾构隧道施工方法的发展和现状 盾构隧道施工方法( 简称为盾构工法) ，如图1 1 所示，即用盾构机挖土排土 构筑隧道的工法属于暗挖法。目前盾构工法已在地铁隧道，污水排放隧道，江 河湖海底交通隧道，电力、电信、供水、引水、供气及共同沟等城市建造中占有 重要地位。 i b 女m 帆 图1 1 盾构工法概念图 f i g l - 1t 押i c a le p bm a c h i n e 从b r u n e l 于1 8 4 3 年首次用盾构工法建造横穿英国泰晤士河河底隧道成功以 来，至今己有1 6 6 年的历史，随后g r e a t 在1 8 8 7 年南伦敦铁道隧道旆工中使用了 盾构和压气组合工法获得了成功，为现在的盾构工法奠定了基础。 2 0 世纪6 0 年代中期至8 0 年代期间，圆形截面的各种不同平衡方式的盾构工 法得到不断完善，主要是土压盾构与泥水盾构工法为主口】。1 9 7 4 年第一台土压平 衡盾构在东京采用，该盾构是由日本制造商i h i ( 石川岛播磨) 设计，其外径为 37 2 m ，掘进了长1 9 0 0 m 的主管线。在以后的年代里，很多制造厂商以土压盾构、 压力保持盾构、软泥盾构、土壤压力盾构、受压的土壤盾构、泥压盾构、或泥浆 状的土壤盾构等名称生产了“土压平街式盾构”，这些名称的盾构基本上都应用 了同一种工法，国际上称为“土压平衡系统”( e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e s y s t e m 简称e p b s ) ：紧接着1 9 7 8 年日本开发高浓度泥水盾构施工。这两种 施工方法的出现，对隧道建设产生了深远的影响，极大的提高了生产效率，并为 盾构工法的快速发展奠定了基础。 土压平衡盾构自1 9 7 4 年在日本首次使用以来，以其独特的优势广泛用于世 北京工业大学工学硕士学位论文 界各地的隧道工程中。目前，土压平衡盾构在在我国地铁、市政、能源等工程建 设中得到广泛的应用，实践证明，土压平衡式盾构因其能较好地控制地表沉降、 保护环境、适应在市区和建筑密集处施工等优点，在我国正走向普及，其状况如 下： 1 9 8 5 年，上海芙蓉江路排水隧道工程引进一台日本川崎重工制造的巾4 3 3 m 小刀盘土压平衡盾构，掘进1 5 0 0 m ，该盾构具有机械化切削和螺旋机出土功能， 施工效率高，对地面影响小的特点。1 9 8 7 年上海有自行研制了中4 3 m 加泥土压 平衡盾构掘进机，用于市南站过江电缆隧道工程，穿越黄浦江底粉砂层、掘进长 度5 8 3 m ，隧道掘进顺利解决了高水压情况下的密封和砂性土加泥塑流技术难题， 施工性能技术指标达到8 0 年代国际先进水平【3 j 。 1 9 9 0 年，上海地铁1 号线工程全线开工，1 8 k m 区间隧道采用7 台由法国f c b 公司、上海隧道股份、上海隧道工程设计院、上海船厂联合制造的巾6 3 4 m 土压 平衡盾构掘进机。每台盾构月掘进2 0 0 m 以上，地表沉降控制达+ 1 3 c m 。1 9 9 6 年，上海地铁2 号线再次使用了这7 台土压平衡盾构机，并又从法国f m t 公司 又引进2 台土压平衡盾构，掘进2 4 k m 区间隧道，上海地铁2 号线的1 0 号盾构为 我国自行设计制造。 9 0 年代以来，我国已成功地研制了巾3 8 - - - 6 3 4 m 的土压平衡盾构掘进机1 0 余台，用于地铁隧道、引排水隧道、电缆隧道工程，土压平衡盾构的设计制造技 术水平已接近国际先进水平，国产化率达7 0 ，掌握了泥水加压盾构的设计制造 技术，并制造了1 台巾2 6 4 米的泥水加压盾构。 在9 0 年代中，巾1 5 3 0 m 的顶管工程也采用了小刀盘和大刀盘的土压平衡 顶管机，在上海地区使用了1 0 余台，掘进管道约2 0 k m 。 j 1 9 9 6 年，上海延安东路隧道南线工程1 3 0 0 m 圆形主隧道采用从日本引进的 巾1 1 2 2 m 泥水加压平衡盾构掘进机进行施工。 1 9 9 6 年，广州地铁1 号线8 8 k m 区间隧道由日本青木建设施工，采用2 台由 6 1 4 m 泥水加压平衡盾构和l 台中6 1 4 m 土压平衡盾构施工。 1 9 9 8 年，上海黄浦江观光隧道工程购买国外二手中7 6 5 m 中折式土压平衡盾 构，经修复后掘进机性能良好，顺利掘进隧道6 4 4 m 。 1 9 9 9 年5 月，上海隧道股份研制成功国内第1 台3 8 m x3 8 m 矩形组合刀盘 式土压平衡顶管机，在浦东陆家嘴地铁车站掘进1 2 0 m ，建成2 条过街人行地道。 2 0 0 0 年2 月，广州地铁2 号线海珠广场至江南新村区间隧道采用我国某公司 改制的2 台由6 1 4 m 复合型土压平衡盾构，在珠江底风化岩地层中掘进。 2 0 0 0 年3 月，北京市亮马河北路污水管线截流工程是酒仙桥污水处理厂的配 套工程，其中有两段采用盾构施工，这是北京地区第一次采用机械式盾构机进行 一2 一 第1 章绪论 隧道施工，并取得了成功。 2 0 0 1 年以来，广州地铁2 号线、南京地铁2 号线、深圳地铁1 号线、北京地 铁5 号线、天津地铁1 号线先后从德国、日本引进1 4 台巾6 1 4 m 6 3 4 的土压盾 构和复合型土压盾构，掘进地铁隧道5 0 k m 。盾构法隧道已经成为我国城市地铁 隧道的主要施工方法【4 】。 2 0 0 3 年，上海地铁8 号线首次采用双圆隧道新技术，从日本引进2 台由 6 5 2 0 w 1 1 1 2 0 双圆型土压盾构机，掘进黄兴路站一开鲁路站2 6 k m 区间隧道。 2 0 0 5 年，三台用于地下隧道施工的盾构机在首钢问世，这也是我国首次制造 这种先进的大型机械设备。这三台设备长7 0 m 、直径6 3 m 。这三台盾构机用于 北京地铁4 号线、1 0 号线的隧道施工中。在隧道导向技术、监控技术方面的研究 也达到了国际先进；但是我国液压泵和阀件的加工制造水平与国外相比尚存在一 定差距【3 1 。 2 0 0 6 年上海长江隧道工程引进两台巾1 5 4 3 m 泥水加压盾构机，“长江一号” 盾构于2 0 0 6 年9 月2 3 日始发，“长江二号 盾构于2 0 0 7 年1 月5 日始发。2 0 0 8 年9 月实现双线贯通。该隧道内部结构分上下层：上层为单向三车道高速公路； 下层为轨道交通预留空间。上海长江隧道隧道工程的成功建设，开创了我国超大 直径隧道施工的新纪元。 2 0 0 7 年，成都地铁施工引进多台土压平衡盾构和泥水盾构施工，在施工过程 中遇到了大面积的卵石地层，刀具和刀盘的磨损比较严重，地面沉降的控制难度 加大，经过土体改良取得了较好的施工效果。 近年来，北京地铁建设快速发展，多条线路正在施工建设，盾构施工以快速 高效的优点得到了大量的使用，就目前北京地铁及污水隧道的施工状况而言，除 直径线以外，基本使用土压平衡盾构进行施工，为北京地铁的发展做出了巨大的 贡献。 2 0 世纪9 0 年代以来盾构工法的发展非常快，在施工方法和技术上都取得了 巨大的突破，现代掘进机技术的最大特点是广泛使用遥测、遥控、电子、信息技 术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态，使掘进机向着机 械、电气、液压和自动控制一体化、智能化设备方向发展【l j 。 随着我国对盾构工法的熟悉和发展，以及土体改良技术等方面的发展，土压 平衡盾构的土层适用范围将进一步扩大，越来越来的盾构机应用于地下隧道工程 中，将创造了巨大的社会价值和经济价值 2 6 】。 ! ! 至三些奎兰三兰竺圭兰堡篁三 1 2 盾构的基本构造和开挖原理 盾构机的种类多种多样，按掘削面不同敞开程度区分为全部敞开式( 人工掘 削式、半机械式) 、半敞开式( 挤压网格式) 及封闭式( 土压式、泥水式) 盾构。 本节主要介绍土压平衡盾构机，土压平衡盾构主要由刀盘、护盾和支撑系统组成。 土压盾构机构造如图1 2 所示：刀盘位于土压平衡盾构机的前端，是主要的 掘削机构，其上设有土压力计( 土压力计设在土压仓后壁上中下几个位置) ，刀 盘后方至隔板的封闭空间是土舱( 叉称压力舱) ，刀盘、土舱内和螺旋输送机内 留有添加剂的注入口：土舱里有搅拌机构，包括掘削刀盘、掘削刀盘背面上的搅 拌叶片、隔板上有固定或可动的搅拌机、舱内有单独驱动的搅拌叶片：士舱底部 设有排土口，渣土由排土口进入螺旋输送机，然后排出；盾构的中央部位是盾构 的主体构造部，支撑盾构的全部荷载，隔板的中部是刀盘的驱动装置，盾构四周 的千斤顶直接作用在管片上；盾构的尾部主要是管片的拼装器和尾封设备。盾构 的后方拖着数节后续台车，台车上安放了动力、液压、操纵、控制等系统，通过 牵引杆将盾构和后续台车连成一体。台车的数量主要根据需安放设备的大小和台 数以及隧道内水平运输车队的长短而定，一般多在4 - - 6 节之间，少的只有3 节， 多的则达7 8 节”j 。 土舱 图1 2 土压平衡式盾构机构造 f i 9 1 - 2s u l l c t u r eo f t l a ee a r t h p r e s s u r e b a l a n c es h i e l d 土压平衡盾构掘进过程中，刀盘掘削的土体进入土舱通过螺旋输送机和刀 盘的转速来调整掘进速度，保证开挖土量和排土量保持或接近平衡调整土舱里 土压力的大小，使得土舱内的土压力与掌子面上的土压力和水压力相平衡；盾构 外壳四周的千斤项伸缩方向应与隧道轴线平行，千斤顶伸缩杆的顶端均匀作用在 管片上，提供向前掘进的动力，盾构外壳与土体之间的摩擦力和盾构千斤顶共同 提供刀盘的扭矩i 一环掘进完毕后，千斤顶收缩，管片拼装器安装管片，管片之 间用螺栓连接，并用真圆保持器确保管片的安装位置嘲；为了防止周围地层的地 下水流进盾构机和地表沉降，在管片和地层间产生的空隙进行填充注浆_ 7 】。 土压平衡盾构属于封闭式盾构是否能够顺利掘进，一个重要的因素就是要 使土舱内的土压力和掌子面的水土压力保持动态平衡，如图1 - 3 所示，如果土舱 内的土压力大于开挖面的水土压力地表将发生隆起；反之，如果土舱内的土压 力小于开挖面的水土压力，会发生超挖现象，地表将发生沉陷”j 。从而不难得到 土压盾构掘削面稳定的必要条件： i 、泥土压必须可以对抗开挖面上地层的土压和水压； i i 、必须可以利用螺旋输送机等排土设备来调节排土量，从而调节土舱的压 力i 、对于不满足塑流性和抗渗性的土质而言，必须注入添加剂来改良土体性 质满足盾构施工要求。一 p 螺旋输送机： 推进液压缸： 密封仓土压力， 十开挖面士压力： ，手挖面水压力 图1 - 3 盾构掘进机土压平衡工作原理苘图 f * i - 3 d l a g o f c a n 】1p m s s u m b d 缸c e f o rs h i e l d 仙m c l l i l l g m a c m n e 由此可见，掘进时土舱内土压力与掌子面的土压力和水压力相平衡是保持掌 子面是否稳定的关键因素，土舱内土压力的设定应遵循以下原则：在选择掘进土 压力时主要考虑地层土压力、地下水压力( 孔隙水压力) 并考虑预备压力。在 自稳性比较好的土体中，虽然有时可忽略不计土压力来设定土压力，但是，如涉 及到开挖面的变形及防止地基沉降则需进一步考虑土压力州。 土压力分为静止土压力、主动、被动土压力和松动土压力，视不同的土层分 北京工业大学工学硕士学位论文 开使用【l 。静止土压力是因开挖而释放的压力，用该压力设定土舱土压力时，开 挖面在没有变形的情况下是最理想的；在施工过程中，由于施工的扰动，改变了 原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘前方土体产生主动或被动土压 力；当盾构推力偏小，土体处于向下滑动的状态时，土压力将由静止土压力逐渐 减小，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力减至最小，即转变 成为主动土压力；当土层良好且覆盖土层较厚时( 盾构外径的1 2 倍) ，可以考 虑土层的成拱效应，这时产生的土压力就是松动土压力；预备压力就是弥补施工 中损失的压力，通常取值1 0 2 0 k n m 2 左右。地下水压力的大小与水力梯度、地 层渗透系数、管片背后的砂浆凝结时间、渗透系数以及渗透时间有关。在计算水 压力时，由于地下水在流经土体时，受到土体的阻力，引起水头损失，作用在刀 盘上的水压力一般小于该地层处的理论水头压力【l 。 1 3 砂卵石地层土压平衡式盾构施工的问题 土压平衡盾构是土层适应性较强的盾构类型，可以在广泛的土层中使用，用 于世界各地的隧道工程中，尤其在软土地层施工中优势明显，在掘进时一般不需 要辅助技术措施，但因土压平衡盾构刀具和土体改良技术的局限性，其传统的使 用界限可以用土体的颗粒级配表示【1 2 】，如图1 - 4 所示。 j 一 一。 朔 ， j 一一 一若n m a x 8 - 1 0 或 ， ；对粗颗粒，摩擦陛土体 s n m a x 8 0 - 1 0 0 i 妒a 一。擀行j 住曲息 一可采j罚敞开式 7 盾构i靛工 ， ， f f f ， ， 一 无需或少量的： + 仕曲直 j ， k 研 士晏坷工仟刖粞任， 翅：行土体改艮 工雎j 百俐胞上一 ， 堋l 一下鼍布适用 。 一 一 - 一r - 4 7一一 _ 一 24 6s24 6s246 窖24 6824 68 o 0 0 1 土体粒径m m 图1 4 土压平衡式盾构施工传统适用地层 f i g1 - 4g e n e r a lc o n d i t i o n i n gf o re p bt u n n e l l i n g 1 01 0 0 按土质的其他参数综合考虑，土压平衡盾构的适用范围如图1 5 所示，可以 得到渗透系数在1 0 1 0 m 细砂、粘土，粉砂层适用土压平衡盾构机。 一6 一 如舳加的如坳o 浆籁求皿熙巢球巾、f， 第1 章绪论 软底层中全断面掘进机的应用范围 o j 2 5 柔软 0 ，卯 软 仉7 5 硬 + 。1 1 , 0 0 坚硬 土8粉土 l 的添加剂| e p b i；敞开模式 | 增加塑性的添加剂i 粘稠度系数i c 图1 5 土压平衡盾构施工适用地层参数【1 3 j f i g1 - 5s o um e c h a n i c a lf o re p bt u n n e l l i n g 然而通过对不良土层进行土体改良，土压平衡盾构可以在砂砾、砂、粉砂， 粘土等密实程度低、软、硬相间的地层以及砾层、砂层等地层中使用l z5 | ，如在塑 流性不能满足土压平衡盾构施工的地层中，需注入大量泥浆和泡沫添加剂来改善 土体的塑流性和渗透性，这样可以大大增加了土压平衡盾构的适用范围，经土体 改良土压平衡盾构增加的土层范围如图1 6 所示【1 4 j ： 桨 籁 求 妞 艇 艇 球 h 。p 0 0 0 10 o l0 1l1 01 0 0 土体粒径m m 图1 - 6 土压平衡式盾构施工突破传统的适用地层界限 1 4 】 f i g l 6t h ea p p r o x i m a t er a n g eo f s o i lc o n d i t i o n i n gf o re p bm a c h i n e s 0 o o o o o o o 0 0 0 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l 北京工业大学工学硕士学位论文 曼寰曼曼曼曼璺曼曼! ! 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇i i ；i i 皂曼曼! ! ! 曼曼! 曼曼! 蔓曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼! 皇! 曼曼鼍! 曼曼! ! 曼曼! ! 蔓曼曼皇寰! ! 曼! ! 曼曼曼璺 随着对土压平衡盾构工法研究的不断深入，以及各种添加剂料应用于土体改 良中，土压平衡式盾构工法适用的土层范围不断扩大，但对于砂卵石地层的土体 改良来说，仍然是个难点。砂卵石地层是力学性质不稳定的地层，颗粒之间的空 隙大，几乎没有粘聚性，抗渗性差，砂卵石地层在无水状态下，颗粒之间点对点 传力，地层反应灵敏，隧道周围地层成拱性差，其次砂卵石重量大不易流动，影 响排土控制。如我国北京、成都、沈阳的部分盾构工段，土压平衡盾构在砂卵石 地层中都遇到了不同程度的困难，就北京地层的施工情况而言，第四系松散土层 和砂卵石、砾石地层遍布全市，特别在圆砾、卵石地层中，出现了以下几个方面 问题： ( 1 ) 难以实现开挖面土压力的动态平衡【l5 1 。刀盘旋转搅拌切削下来的碴土 塑流性差，设定的工作压力不能顺利地传递到掌子面，不易实现连续的动态平衡， 严重时发生掌子面的失稳，导致超挖，造成地表沉陷。 ( 2 ) 土舱内及螺旋输送机扭矩过大问题。砂、卵石地层触动后会变得松软， 颗粒较大的砂、卵石容易在刀盘底部堆积，使得盾构机运转扭矩过大，影响盾构 的性能；当刀盘停止一段时间后重新启动时，会产生刀盘被“抱死”现象，即刀 盘不能转动【1 6 】 ( 3 ) 刀具的异常磨损及刀具磨损过快问题。由于砂、卵石本身的高摩擦性、 刀具与砂、卵石的冲击作用及开挖后渣土对刀具的“抱死”作用，容易造成刀具 的过快磨损、刀具的冲击磨损、滚刀的偏磨及刀盘的异常磨损i l 引。 1 4 论文的所做的工作 本文在理论分析并结合大量试验结论的基础上，本文通过室内研究盾构用泡 沫性能和评价改良土体塑流性的目的，本文将做以下几方面的探索： 1 理论分析 ( 1 ) 为了更有针对性的使用泡沫，本文分析泡沫与土体作用的原理，微观 上分析泡沫的形成方式和功能原理，以及组成泡沫的高聚物组成特性；宏观上分 析泡沫和土颗粒的接触形式以及相互作用。 ( 2 ) 分析膨润土泥浆的形成过程，极其内部微粒形成泥膜的形态变化；膨 润土泥浆与土体作用相互作用的结构。 2 试验研究 ( 1 ) 通过参考牛津大学和河海大学的泡沫生产的试验装置，自行设计一套 适合室内试验的发泡装置，运用不同浓度发泡剂，按照泡沫的要求( 如发泡剂浓 第1 章绪论 度、发泡倍率等) 制造出合适的泡沫。此装置可以通过改变网格的大小制造出不 同直径、稳定性和发泡倍率的泡沫，方便系统地研究泡沫的性质，从中找到满足 盾构施工要求的泡沫。 ( 2 ) 对气泡稳定性的衡量参数一半衰期和发泡倍率与发泡剂浓度等参数的 关系进行试验，得出影响气泡稳定性的关键影响因素。 ( 3 ) 对两种发泡剂的性能运用进行了试验对比，得出两种发泡剂性能的优 良。 ( 4 ) 由于圆砾地层的特殊性，本文使用适当的添加剂( 如泥浆和泡沫等) 进行土体改良，并通过坍落度试验评价混合土体的流动性，并明确以下内容：不 同稳定性气泡和不同泡沫注入比对改良土流动性的影响；泡沫改良土的孔隙比随 不同泡沫注入比的变化规律；泡沫改良土体随试样不同含水率的变化规律；不同 泥浆添加量对改良土流动性的影响。 ( 5 ) 分析成都现场施工中泡沫和泥浆对砂卵石地层的改良效果。 9 第2 章土体改良的国内外研究状况 第2 章土体改良的国内外研究状况 2 1 土压平衡盾构土舱内土体的理想状态 在土压平衡盾构施工过程中，保持掌子面开挖土量和螺旋输送机的排土量相 等，是维持掌子面的稳定性的关键因素。开挖土量是由盾构前进速度和刀盘的转 动速度决定的，关键是排土量的控制，为了保证土舱里的渣土顺利排出，必须保 证土体具有一定的塑流性和抗渗性。但是很多情况下，天然地层的开挖土很难满 足塑流性要求，从而给排土量控制带来困难。当开挖土体不能达到开挖面稳定和 排土要求而使施工发生困难时，就必须向盾构机的土舱内添加土体改良材料，对 开挖土进行改良使之满足施工的要求【1 7 j 。 土体在刀盘开挖下的进入土舱，在搅拌翼的搅拌作用下形成了平衡掌子面土 压力和水压力的特殊介质，这种土体性质直接决定了土压平衡盾构施工的成败， 一般将土舱内盾构施工的开挖土体的理想状态称为“塑性流动状态 。本节将对 这一状态的力学特性进行说明。 从土力学角度分析，压力舱内土体的“塑性流动状态”，包括3 个方面的含 义【6 1 。 ( 1 ) 土体不易固结排水。当推力通过隔板传递到土舱内时，如果土舱内土 体迅速排水固结，就会在压力舱内形成固结“土饼”，土水分离会影响压力舱内 土体的循环和排土，因此土体要保持不易固结排水的状态。 ( 2 ) 土体处于塑流状态。压力舱内的土体应处于高含水率，土的强度较低 而易于翼板的搅拌。这一流塑状态可保证土体受到挤压时向螺旋输送机内发生塑 性流动，而顺利完成排土，就是所谓的“挤牙膏”效应。 ( 3 ) 土体具有不透水性。只有压力舱的土体具有足够的不透水性，才能保 证维持开挖面上的水压力，同时也能防止排土口发生“喷涌”现象。 压力舱内土体的“塑性流动状态”主要从土压平衡盾构的工作原理出发，压 力舱内土体的“塑性流动状态 主要可以由以下指标进行衡量：内摩擦角叭渗 透系数k 和压缩系数a ，。此外，根据施工中出土的需要压力舱内的土体必须有一 定的流动性，可以用坍落度t 指标进行衡量。下面将对这些进行说明。 渗透系数k ：在渗透性方面，开挖土体的渗透系数越小则对盾构施工中“喷 涌”防治效果越好，一般认为要想避免盾构中“喷涌”问题的发生，开挖土体的 北京工业大学工学硕士学位论文 渗透系数要小于1 0 x l o m s ，工程上渗透系数达到1 0 1 0 。5 m s 是一个上限；但 是“喷涌 问题的发生还与盾构施工的其它条件有关，因此还必须对具体工程进 行具体分析【1 8 】。 内摩擦角【p ：内摩擦角是土体的强度参数，在避免盾构施工过程中出现的“闭 塞 问题时，开挖土体的内摩擦角是主要影响参数；土舱内开挖土体的强度越低， 内摩擦角越小，则对“闭塞”的防治效果越，因此根据国内外的施工经验，开挖 土体的抗剪强度小于2 5 k p a 时，强度性质已经达到了塑性流动状态的要求【1 9 】。 坍落度t ：土舱内土体的流动性直接决定了螺旋输送机的排土状态。如果土 体的流动性较好，螺旋输送机的排土量就容易控制，从而可以较好的控制开挖面 的稳定：一般对于压力舱内土体的流动性可以用坍落度来衡量，土体的坍落度在 1 0 1 5 c m 的范围内，认为其状态满足塑性流动状态的要求【l 9 1 。 压缩系数a 。：土舱内土体压缩系数是盾构机“结饼问题防治的关键参数， 压力舱内开挖土的压缩系数越大则盾构施工时越有利于避免“结饼的发生，一 般土体坍落度在1 0 1 5 c m 之间，渗透系数小于1 0 1 0 5 r n s 时，开挖土体的压缩 系数a v o 1 m p a 4 ( 压力范围取值l o o k p a - 2 0 0 k p a ) 时，己经能够满足盾构施工的 需要【2 0 】。 2 2 添加剂的分类和作用原理 土压平衡盾构在施工过程中将开挖的渣土进行改良，使渣土塑流性满足盾构 施工的要求，对某些地层来说，如卵石地层，并不具备这样的性质，必须对其加 入添加剂进行改良，主要土体改良方法有：加水，膨润土，粘土，高分子聚合物 和泡沫等施工工艺【2 1 1 。用于盾构施工有代表性的添加剂有如下几种2 2 】： ( 1 ) 矿物类 矿物类添加剂( 也称泥材) ，主要包括膨润土、粘土、陶土等天然矿物。目 的是补充土体的微、细粒组分，使土体的内摩擦角变小，提高土体的流动性和止 水性。矿物类添加剂主要是泥浆的形式，其浓度和注入量根据开挖土的级配、不 均匀系数等确定【27 1 。 膨润土又名膨土岩、斑脱岩，有时也称白泥，主要是由蒙脱石类矿物组成的 粘土。呈油脂光泽、蜡状光泽或土状光泽，贝壳状或锯齿状断口【2 2 j 。 ( 2 ) 高吸水性树脂 高吸水性树脂的用料是高分子类、不溶性聚合物的高吸水性树脂( 高吸收自 重几百倍水的胶状材料) ，这种材料吸水而不溶于水，可防止高水压地层的地下 水喷出，树脂填充砂土的颗粒空隙，提高土体的流动性。 第2 章土体改良的国内外研究状况 ( 3 ) 纤维类、多糖类、负离子类 此材料是粘稠性的高分子类水溶性聚合物，此类添加剂可以把砂颗粒间隙中 的自由水挤走。负离子类乳胶添加剂可在砂颗粒与水之间形成絮状凝聚物，使其 发生粘结，可以减小内摩擦角，提高流动性。 ( 4 ) 表面活性材料 表面活性材料是特殊气泡剂，也有在特殊气泡剂中添加高分子类水溶性聚合 物的气泡添加剂。这种气泡添加剂是典型的气一液二相系，其9 0 以上为空气， 不足1 0 为发泡剂溶液；而发泡剂溶液9 0 9 9 为水，其余为发泡剂【2 3 1 。在砂 性土和砂砾土地层中，由于气泡的支撑作用，增加了渣土的流动性：而在粘性土 地层中，气泡起着界面活性剂的作用，防止渣土附着在土舱内壁。另一方面，由 于气泡置换了土颗粒间的自由水，提高了土体的止水性。气泡的注入比与泥浆一 样，也是根据土层的级配、不均匀系数等决定【2 4 】。 ( 5 ) 水1 2 4 】 水是最普通的添加剂，向高粘性渣土中注水，可在增加其流动性的同时，降 低其粘着力，防止掘削土附着于刀头或土舱内壁上形成泥饼。 ( 6 ) 复合添加剂 根据添加剂的特性和掘削地层的性状，发展了两种添加剂混合使用发挥其优 势互补，近年来两种添加剂的例子逐渐增加。如图2 1 所示【l j ： 图2 1 添加剂的种类 f i g2 - 1t y p e so f t h ea d d i t i v e 泥土化( 补充细粒成分) 吸收自由水，提高止水性 增粘( 粘结流动化、减小 分离) 防止喷发、增粘强化 、防止分离 提高流动性、止水l 生 防止粘附 综合堡高流动性，止水性、 防粘附性 北京工业大学工学硕士学位论文 从现场施工中添加的添加剂来看，泡沫和膨润土是最常见的两种，并得到了 广泛的应用，并取得了良好的效果。 2 2 1 泡沫的作用原理 隧道周围土体的地质条件( 地下水位置、土体渗透性等) 和盾构机的特性( 刀 盘开口大小、添加剂注入口位置、发泡装置等) 决定了泡沫类型和聚合物种类的 选择【1 | 。 泡沫是发泡液( 表面活性剂) 和压缩空气经过发泡装置产生的，作为发泡液 的主要成分表面活性剂是由聚合而成的长链分子构成的，含有憎水基和亲水基， 如图2 2 所示。 图2 - 2 表面活性剂分子【3 0 1 f i g2 - 2s u r f a c t a n tm o l e c u l e 表面活性剂是按亲水基的性质分类的，而且憎水基和亲水基有不同形式的组 合，本文把表面活性剂分成一下四类：阴离子、阳离子、两性离子和非离子表面 活性剂，其示意图如图2 3 所示【3 0 】。 图2 - 3 表面活性剂形式【3 0 】 f i g2 - 3s u f f a c t a n tt y p e s 第2 章土体改良的国内外研究状况 阴离子表面活性剂包含一个带负电荷的亲水基【2 8 j ，例如：c 1 2 h 2 5 c o 0 3 ( ， 其中c 1 2 h 2 5 是憎水基， c o o 。是亲水基，x 是对应的阳离子，如：n a + 、l i + 、 k + 、c a 2 + 等离子。如果土颗粒的表面带有正电荷，阴离子表面活性剂的亲水基吸 附在土粒表面上，憎水基远离土粒表面，使得土粒表面更加憎水。由于较强的扩 散能力、以及高发泡性能，阴离子表面活性剂是目前应用最广泛的表面活性剂。 非离子表面活性剂中的亲水基不带电荷，例如：c 1 2 h 2 5 0 c c h 2 ( h 2 0 ) 7 其 中c 1 2 h 2 5 是憎水基，。o c c h 2 ( h 2 0 ) 7 是亲水基，这种活性剂适用于不同p h 值 的土体，是第二大表面活性剂。非离子表面活性剂中的亲水基和憎水基的排列方 向由土粒表面的情况而定，如土颗粒表面是极性的，亲水基吸附在土粒上，使得 土粒更加憎水，反之，土粒表面更加亲水。 阳离子表面活性剂中的亲水基带正电荷，例如：c 1 2 h 2 5 n ( c h 3 ) 3 + x ，其中 c 1 2 h 2 5 是憎水基，- n ( c h 3 ) 3 + 是亲水基，x 是对应的阴离子，如：c l 。，具有抗 茵性，抗静电性等，可以轻易地吸附在含负电荷的土粒表面上，是第三大表面活 性剂。 两性表面活性剂的亲水基可能带正电荷或负电荷或者正、负电荷共存，例如： c 1 2 h 2 5 n + ( c h 3 ) 2 c h 2 c o o 。，其中c 1 2 h 2 5 是憎水基，- 卜r ( c h 3 ) 2 c h 2 c o o 一是亲 水基。 不同分子长度、空间结构的憎水基与不同离子形式的亲水基有着不同的组 合，这些不同的组合决定表面活性剂不同的性质，如表面( 内) 摩擦力的减小， 发散能力，可溶行，乳化性，发泡能力，泡沫稳定等性质。 表面活性剂的性质可以总结如下： ( 1 ) 表面张力的减小 水分子之间由氢键相连，当表面活性剂溶于水后，憎水基致使水分子之间的 氢键断裂，同时重新构建周围水分子的结构，使得憎水基受到水分子的排斥，因 此，水的表面覆盖了一层表面活性剂，其憎水基与空气接触，从而减小了水的表 面张力，如图2 5 所示。 ( 2 ) 吸附性 当表面活性剂加入液体中，他吸附在固体液体、液体气体和不同液体分界 面上，如图2 4 所示【2 8 1 ，在交界面上活性剂的浓度比溶液中的浓度大的多。 i ! 至；! 兰奎兰三兰堡圭兰堡尘圣 洳冀厕二。体删必冀瑚鞘二。 慨体她必篡 图2 4 不同分界面的表面活性剂的吸附“l f i g2 - 4s u f f a c t a n t a d s o r p t i o na t v a r i o u s i n t e r f a c e s ( 3 ) 润滑作用 表面张力的减小增加了润滑作用，由于结合水的流动使得原先被结合水束缚 的土颗粒可以自由流动，如图2 - 5 所示。 图2 - 5 表面活性剂的性质 2 9 】 f i g2 - 5s u f f a c t a n t p r o p e r t i e s ( 4 ) 静电捧斥作用，如图2 - 5 所示，使得由静电力结合的土粒分开 表面活性剂吸附在土体内的微小裂缝的表面，增加裂缝的深度，减弱微小裂 缝愈合的能力，增强扩散能力，并使得土颗粒带有相同的电荷而相互排斥。 泡沫产生机理：当发泡溶液与空气混合亲水基溶于水中而憎水基在空气中 表面张力和排斥力共同作用产生气泡，发泡过程如图2 - 6 所示，形成的气泡其实 不是真正的圆形，而是近似的六边形，发泡液的浓度和发泡倍数决定气泡壁的厚 度。 习i 三至二 第2 章土体改良的国内外研究状况 表面活性剂 筮i e 溶被 憎水基 空气 0 i 再一：i i 案水基 国2 - 6 发泡过程【驯 f i 9 2 p r o c e s s o f f o x i n g 泡沫产生后，有几种力作用在泡沫上，他们分别是重力和泡沫之间的压力， 泡沫中的液体由于受到重力而逐渐排出，使得泡沫壁变薄，直到破坏。泡沫中气 体的压力与气泡的大小成反比，即气泡的体积