（道路与铁道工程专业论文）砂卵石地层土压平衡盾构的适应性研究.pdf

摘要 摘要 鉴于砂卵石地层与普通软土地层和复合地层e p b 掘进存在的差异，本文通 过理论分析计算、实测数据及室内试验、实例研究等多种方法对砂卵石地层中 e p 8 的适应性进行了研究。主要研究工作如下： 根据砂卵石地层的成因、主要特点及砂卵石地层和一般的软土的物理力学 特征的差异。结合砂卵石地层中的e p b 施工案例，分析了在该地层中e p b 掘进 的主要问题。提出了e p b 掘进的“土仓应力规则系数 、“土仓前后水平应力比 、 工作面“土压支撑率”及推力油缸的“推力不协调度”的概念，并建立了各指 标的计算方法。 根据盾构掘进的实际情况，对掘进过程进行简化，对e p b 掘进过程采用了 离散元方法计算分析。分别对e p l 3 掘进的“盈压状态”、“理想平衡状态”及“欠 压状态”三种情况进行了计算。计算主要结论如下： ( 1 ) 在“盈压状态 下e p b 的土仓应力分布呈现沿竖向的不均匀分布的特点。 “土仓应力规则系数”r 2 的值仅为o 5 左右，远小于在软土地层中的0 9 。同时 也发现，土仓内的水平应力分布在中部出现“凸起”现象，说明了土仓中部易 发生渣土的结块问题。 ( 2 ) 土仓前后应力分布特点主要为，面板前方的水平应力普遍高于土仓后部 压力隔板的水平应力。土仓前后应力比在刀盘面板对应部分较大，刀盘开口部 分比值相对较小。一方面说明了靠压力隔板上的应力来控制工作面的控制平衡 应力是不合适的。另一方面说明了刀盘面板的存在是发生应力比增大的主要原 因。 ( 3 ) 砂卵石地层中的面板式e p b 的土压支撑率只有4 0 左右，远低于软土地 层中的9 0 。计算表明，盈压率越高，土压支撑率越低，渣土流动性愈差，土压 支撑率愈低。在砂卵石地层中应尽量增大土压支撑率，以减小盾构的消耗和提 高掘进效率。 根据掘进机理及特点提出了e p b 在该地层的主动性适应方法。从刀盘开口 形式、主轴承设计、开口率及厚度、同步注浆系统、刀具设计、刀盘扭矩的功 率配备等方面提出了适应性的设计方法。 根据砂卵石地层e p b 掘进机理及实际掘进情况，得到了对掘进速度及刀盘 摘要 扭矩影响的因素。采用主要影响参数建立了掘进速度及刀盘扭矩的回归模型。 根据模型分析了对掘进速度及刀盘扭矩起影响因素的程度。为掘进速度及刀盘 扭矩的优化提供了参考，并为建立施工参数的优化模型提供了基础。 针对e p b 在砂卵石地层的实际施工的需要，提出了一套渣土管理的流程方 法，并针对性的开发了一套配套的室内试验方案。 最后，对本研究方向需要进一步研究的工作做了探讨。 关键词：城市轨道交通，隧道工程，土压平衡盾构，砂卵石地层，掘进机理， 离散单元法，适应性，施工参数 a b s t r a c t a b s t r a c t w h e r e a st h ed i s c r e p a n c i e so fc o b b l es a n dg r o u n dw i t hs o f tg r o u n da n dm i x e d g r o u n d ，t h ea d a p t a b i l i t yo fe p bi nc o b b l es a n dg r o u n da r es d u d i e de m p l o y i n gt h e m e t h o d so ft h e o r e t i cc a l c u l a t i o n ，m e a s u r e dd a t a , c a s e ss t u d y i n g t h em a i nw o r k sa r e a l sf o l l o w s ： b a s e do nt h ec a u s eo ff o r m a t i o n ，m a i nm e c h a n i c a lf e a t u r e so fc o b b l es a n d g r o u n d ，c o m b i n e dw i t h t h ec a s e so fe p bt u n n e l l i n g ，t h em a i np r o b l e m sa n d d i f f i c u l t i e sa r ea n a l y z e d w h e r e a st h ed i s t i n c t i o no ft h es t r a t a , s e v e r a lc o n c e p t i o na r e d e f i n e d ：u n i f o r mm o d u l u so fh o r i z o n t a ls t r e s si nc h a m b e r ( u m h s ) ，h o r i z o n t a ls t r e s s r a t i ob e t w e e nt h ef r o n ta n dt h eb a c ko fc h a m b e r ( h s r ) ，e a r t hp r e s s u r es u p p o r tr a t i oi n w o r k i n gp r e s s u r e ( e p s r ) a n du n c o o r d i n a t e d l e v e lo fc y l i n d e r s ( u l c ) t h e s e c o n c e p t i o n sa r ed e f i n e da n dq u a n t i f i e d t u n n e l l i n gp r o c e s si ss i m p l i f i e da c c o r d i n gt ot h ee p bt u n n e l l i n g d e mm o d e l o fe p bt u n n e l l i n gi se s t a b l i s h e de m p l o y e dt h ef i s hl a n g u a g eo fp f c 2 dp r o g r a m t h l e es t a t e sa r ed e f i n e d ：o v e rp r e s s u r e ，i d e a lp r e s s u r ea n dd e f i c i e n ts t a t e t h es t r e s s d i s t r i b u t i o na n dg r o u n dr e s p o n s ea r ec o m p u t e dr e s p e c t i v e l y 1 1 1 ec a l c u l a t i o ns h o w st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： f i r s t ，v e r t i c a lp r e s s u r ed o e s n ti n c r e a s er e g u l a r l y ；t h ev a l u eo fu m h so n l y r e a c h e sa b o u t0 5 a tt h es a m et i m et h ep h e n o m e n o no fc o n v e xs t r e s si nt h ec e n t e r c h a m b e ri sf o u n d ，w h i c hi n d i c a t e st h i sl o c a t i o ni si n c l i n e dt oc o n s o l i d a t e s e c o n d ，t h es t r e s sr a t i ob e t w e e nf r o n da n db e h i n dc h a m b e ri sb i g f r o mt h e a s p e c to fs t r e s sd i s t r i b u t i o ni nl o n g i t u d i n a l ，t h es t r e s sr a t i oi sb i g g e ri np l a n ef r o n t t h a ni no p e na r e af r o n t t h eh o r i z o n t a ls t r e s sv a r i e so b v i o u s l yi nt h ef r o n ta n db e h i n d o fc h a m b e r t h em a i nr e a s o no ft h ec h a n g ei st h ei n f l u e n c eo ff a c ep l a t eo fc u r e r h e a d t h i r d ，t h ee p s ri so n l y4 0 i nt h i sg r o u n dw h i c hi sf a rl o w e rt h a nt h er a t i oi n s o f tg r o u n d t h ec o m p u t a t i o ns h o w st h a tb i g g e ro fo v e rp r e s s u r er a t i oi nc h a m b e r , t h e e p s ri sl o w e r p o o r e ro ft h em u c k s f l u i d i t yi s ，l o w e ro fe p s ri s t h u s ，e p s rs h o u l d b ei n c r e a s e di nt h eg r o u n dw h i c hh e l p st or e d u c et h ec o n s u m p t i o no ft b m i i i t h ea d a p t a b i l i t ym e t h o d so fe p bi nt h i sg r o u n da r eb r o u g h tf o r w a r db a s e du p o n t h et u n n e l l i n gm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c s t h ef o l l o w i n g sa r ei m p r o v e do rp u t f o r w a r ds p e c i a ld e m a n d s ：t h eo p e ns t y l eo fc u t t e rh e a d ，d e s i g no fm a i nb e a t i n g ，o p e n r a t i o ，t h i c k n e s s ，s y n c h r o n o u sg r o u t i n gs y s t e m ，r o l l i n gc u t t e r sd e s i g na n dc a p a c i t yo f t o r q u eo fc u t t e rh e a de t c t h em a i ni n f l u e n c ep a r a m e t e r sa f f e c t i n gt u n n e l l i n gs p e e da n dt o r q u eo fc u t t e r h e a da r eg a i n e d a d v a n c es p e e da n dt o r q u em o d e la r ee s t a b l i s h e de m p l o y i n gt h e s e p a r a m e t e r s b a s e do nt h em o d e l st h es e n s i b i l i t yo ft h e s ep a r a m e t e r sa l er e s e a r c h e d ， w h i c ho f f e rar e f e r e n c ef o rt u n n e l l i n go p t i m i z a t i o n f o rt h ed e m a n do fe p bt u n n e l l i n gi nt h i sg r o u n d ，as y s t e m o fm u c k s m a n a g e m e n tm e t h o da r ep u tf o r w a r d a tt h es a m et i m e as u i to fe x p e r i m e n t a l p r o g r a m m e ra l ed e v e l o p e d i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r e df u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s i t ，t u n n e l ，e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ，c o b b l ea n ds a n ds t r a t a , e x c a v a t i o nm e c h a n i s m ，d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，a d a p t a b i l i t y , c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s i v 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位做作者躲高妒 泖占年f 月j e t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 脚8 年 2 0 0 r a m ) ： 0 - 2 2 3 ，卵石( 2 0 - - - 2 0 0 r a m ) ：4 5 6 0 0 , , , 7 4 6 ，砾石( 2 - 2 0 m m ) ：3 1 2 0 1 ， 砂粒( 辅 f - _ _ 。一芦 剖” 辑需靠翥鬻函藿裂 ii| 。、一。| 图1 1 盾构法施工概貌 盾构机是这种施工方法中的主要施工机械，是在与隧道形状一致的盾构外 壳内，装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、衬砌安装等机构的隧道开 挖专用机械，因此，它是一个既能承受围岩压力又能在地层中自动推进的圆形、 矩形、马蹄形及其他特殊形状的钢筒结构的隧道工程机械。 盾构施工时，一边采用刀盘和盾壳控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳。一 边采用刀盘转动进行隧道掘进、用出土器进行出渣、并在盾尾内拼装管片形成 衬砌、并实施壁后注浆回填盾尾与管片衬砌间的空隙，从而不影响地面交通。 盾构施工主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组 成。因此隧道拱内圈的空洞由盾构本体防护，同时还需要其他辅助措施对工作 面进行稳定，盾构法隧道主要有图1 2 几种稳定开挖面土体的方法n 引，每种开 挖面稳定方法决定了该盾构机的类型。 第1 章引言 广沉浸墙吝搏液伪一土一泥浆混合物 广空气纠广压缩空气 图1 2 几种支护土体方法和与之相匹配的盾构类型 1 2 2 主要盾构机类型 盾构的分类方法较多，可按盾构切削断面的形状；盾构自身构造的特征、 尺寸的大小、功能；挖掘土体的方式；掘削面的挡土形式；稳定掘削面的加压 方式；施工方法；适用土质的状况等多种方式分类。以下对几种常见类型盾构 进行阐述1 。 1 全敞开式盾构机 全敞开式盾构机，适用于开挖面白稳性强的地层。对开挖面不能自稳的地 层和渗漏地层，在施工中可根据具体情况结合采用压气施工法，或采取改良地 层、降低地下水位等措施。根据开挖方式之不同，全敞开式盾构机可分为手掘 式盾构机、半机械式盾构机、机械式盾构机。 2 半敞开式盾构机 半敞开式盾构机，也称挤压式盾构机。盾构机向前推进时正面贯入围岩， 使贯入部位土砂流动，由隔墙上的孔口部位挤出，进行排土。开挖面的稳定是 4 缸面 目日目日目 第l 章引言 靠调节孔口大小和排土阻力，使千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现的。 这种盾构机适用于自稳性差、流动性较大的软粘土和粉砂质围岩，而不适用于 含砂率高的围岩和硬质地层，在推进过程中要引起较大的地面变形。若液性指 数过高，流动性过大，也不能获得稳定的开挖面。由于适用地质范围狭窄，最 近采用这种盾构机的工程很少。插刀式盾构机，也属半敞开式盾构机，其外壳 不像常规盾构那样呈整体结构，而是由数块标准形式的插刀( 也称插板) 依次 拼装组合而成。依靠土层与插刀之间、插刀与机架滑座之间的摩擦系数的较大 差距使盾构机掘进。插刀可以在盾构周边的任意位置单块或成组伸出，有利于 保持开挖面的稳定。支护衬砌形式可以是管片衬砌、复合式衬砌、现浇钢筋混 凝土衬砌、挤压混凝土衬砌等。 3 密闭式盾构机 根据工作面平衡方式的不同，密闭式盾构机分为，局部气压式、泥水加压 式、土压平衡式和混合式盾构机等。 ( 1 ) 局部气压式盾构机 在机械式盾构机支承环的前边装上隔板，使切口环成为一个密封舱，其中 充满压缩空气，达到疏干和稳定开挖面土体的作用。压缩空气的压力值可根据 工作面下i 3 点的地下静水压力确定。由于这种盾构机是靠压缩空气对开挖面 进行密封，故要求地层透水性小，渗透系数小于1x1 0 。5 m s ，静水压力不大于 0 i m p a 。另外，这种盾构机在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工 作面土体坍塌，造成地面沉陷。 ( 2 ) 土压平衡式盾构机 土压平衡式盾构机( e a r t hp r e s s u r eb l a n c e ，e p b ) ，又称削土密封式或泥 土加压式盾构机，是依靠盾构机千斤顶的推力给土室内的开挖土体加压，使土 压作用于开挖面而保持稳定。这种盾构机适用范围较广，可用于冲积粘土、洪 积粘土、砂质土、砂、砂砾、卵石等土层，以及这些土层的互层。详细土压平 衡式盾构介绍见下一节土压平衡盾构的叙述。 ( 3 ) 泥水加压式盾构机 泥水加压式盾构机的总体构造与土压平衡式盾构机相似，仅开挖面的平衡 方式和排碴方式有所不同。在泥水加压式盾构机的密封舱内充满特殊配制的压 力注浆，刀盘浸没在泥浆中工作。开挖面的支护通常由注浆压力和刀盘面板共 同承担。前者主要在掘进中起支护作用；后者主要在停止掘进时起支护作用。 泥水加压式盾构机对地层的适用性较好，从软弱砂质土层到砂砾层均可使用。 详细的泥水加压式盾构介绍见第四节泥水加压式盾构。 ( 4 ) 挤压盾构 第1 章引言 当敞开式盾构在地质条件很差的n 81 0 便 可使用敞开式盾构 i i 区：由于土体过粘需要改良 i i i 区：e p 8 的比较理想的地层，基本不需要对土体改良 i v 区：由于摩擦系数高，需要对渣土进行减摩改良 v 区：基本不适于e p b 的区域。 砂卵石地层，物理力学特征指标和传统的软土和硬岩都有很大差别，主要 有以下特点： ( 1 ) 渣土具有不均匀性，卵石含量高 级配曲线分布及渣土如图2 2 、2 3 所示。 幽23 某砂卵石地层开挖出的渣土 第2 章砂卵打地层特点及e p b 拙避问题 ( 2 ) 流动性差 由于渣上的内摩擦角较大( 一般都在3 0 。蚍上) ，造成了渣土流动性差。如 图24 ( a ) 即为渣土在未实施渣土改良的情况下塌落度试验的照片；( b ) 为一 般粉砂地层改良后的状况，具有较好的流动性。 酎24 塌落度试验的j ! c 片 ( 3 ) 对刀具摩擦系数大。根据文献及试验结果该地层和钢铁之间的摩擦系 数一般都在04 之上，最高可达07 。 ( 4 ) 单块卵石强度高。根据单块卵石的抗压强度试验结果，石块的单轴抗压 强度可达1 5 0 m p a ，最大可达到1 8 0 m p a 。 ( 5 ) 粘聚力小，或几乎没有粘聚力，结构松散，不连续。因此导致了结构传 力特征存在差异，地层内靠点对点传力，稳定性差。 从以上可以看出，地层和一般的软土地层的物理力学性质都大不丰f | 同，在 该地层_ j 的盾构捌进辅关问题不能采用传统连续力学介质的理论进 亍解释和研 究，阻下对几个实例进行分析。 2 2 砂卵石地层e p b 掘进的问题 2 21 意大利都灵地铁 意大利都灵( t u r i n o ) 地铁。”是在砂卵石地层进行e p b 掘进的一个工程实 例。隧道直径77 m ，埋深1 1 1 3 m ，最小曲线半径1 8 0 m ，最大坡度5 9 6 。该 隧道主要穿越两种地层：2 号地层和3 号地层，地层情况如表21 、22 所示。 级配曲线如图25 。 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 述 丑 求 虹 捌 圈 表2 1 都灵地铁地层颗粒情况 卵石砾石砂粉质 2 号地层 3 44 6 13 7 41 3 2 3 号地层 7 64 2 63 7 42 0 表2 2 都灵地铁地层颗粒情况 液限w l塑限w p塑性指数i p 2 号地层 1 9 31 6 33 2 3 号地层 1 7 61 1 86 9 n “i , t j l t s mg r 、e l lf 肛i $ 1 i i ) 1 l 3 1 ( o a r g i ：! r e x e 、正d i n lc o r e f t h、f e d i t 。( o 贴e l l i l 7 m1： - 一i 区 犬i v夏 多7 ， _ ，。j ， il | l【， _ _ _ ， il ， ，【 一 ， j x 一一1 ii i | i ，i ， ， 一 i 。： l i l 区一， z ：一 v 区 一 i 一 i ，i l j 柙j 一一 。，r f- 和。，1 m ，- 一一1 ，l *l - j ， 2468246 8246 8246 8 2 468 1 l o 粒径d m m 1 0 0 i i i i i i i i i i i i i i i 2 号地层一一1 r a m3 号地层 图2 5 级配曲线 为适应地层特点刀盘进行了适应性的设计，可以装双刃滚刀的刀箱设计， 双刃滚刀可以有效地保护刀鼓；每个刀箱都可以装单刃、双刃滚刀，齿刀的互 换。刀盘中心栓接有中心板，可调节开口率，并且有两种不同类型的探头链接， 开口处配有钢条，防止大石块进入土仓对螺旋输送机产生损害，刀盘厚度尽量 小，保证地层稳定，整个刀盘都采用耐磨材料保护。 | | 4l | | | ；，j | i 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 图2 6 两种中心配置方式 渣土改良系统：最大流量5 0 0 0 1 m in ，刀盘面板前方6 个管路，8 个注入口， 压力隔板上两个管路，4 个注入口，螺旋输送机上一个管路，2 个注入口。根据 实际情况，每个管路都可以输送泡沫、水、膨润土或泥浆。螺旋输送机直径9 5 0 m m 。刀盘扭矩：2 0 。0 0 0k n m ，总推力：7 6 0 0 t o n 。 遇到的问题：在该种地层，不能保持有效的e p b 模式，因此在开挖面和拱 顶造成超挖。因此，为了解决掘进中的问题，对掘进采取了试验措施，如下： 模式一；e p b 0 6 该模式下：土仓顶部的土压保持在0 6 07 b a r 之间，这个压力保证开挖面 的稳定。此时，土仓中的渣土分离现象仍然很严重；为了达到一个理想的贯入 度( 3 0 m m r e v ) ，要求渣土改良添加材注入率( f i r ) 达到5 0 ，改良的结果为 液态流动状。 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 图2 7 在e p b 0 6 模式下刀盘前上方的情况 模式：e p b 0 2 土仓顶部的土压保持在0 1 0 3 b a r 之间，在该模式下：贯入度能取得到5 0 m r n r c v ，添加材注入比率3 0 ，渣土有望达到塑性状态；渣土分离和泡沫、液 体的流失现象不是很明显。 对两段的掘进性能及刀具磨耗进行了统计，结果如表2 3 2 6 所示。 表2 3 首段盾构掘进性能 每天进尺 平均推力 平均扭矩平均速度隔板压力 平均注入 长度( m ) ( m )( t o n )( t o n m )( m m m i n )( b a r )率( ) 3 1 88 1 51 3 6 05 9 02 2 4o 34 5 7 表2 4 首段盾构刀具消耗 i 总换刀具数 滚刀超前刀刮刀 超挖刀 i l 3 0 91 52 4 05 22 l 表2 5 第二段盾构掘进性能 每天进尺平均推力平均扭矩平均速度隔板压力平均注入 长度( m ) ( m ) ( t o n ) ( t o n m ) ( m m m i n ) ( b a r )率( ) 4 9 71 0 5 71 3 5 06 3 02 5 7o 34 6 2 表2 6 第二段盾构刀具消耗 i 总换刀具数滚刀超前刀刮刀超挖刀 i i 5 9 08 97 24 2 72 i 为了防止地表的沉降，采取了加固措施，如图2 8 所示。 ( a ) 一般地段( b ) 关键地段 图2 8 隧道拱顶采取的加固措施 根据以上的实际掘进情况，在该工程主要总结为： 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 ( 1 ) 结构注浆对于控制关键点的沉降十分有效； ( 2 ) 双刃超挖刀能完全应对l8 0 m 的转弯半径； ( 3 ) 对渣土补充细颗粒能形成较好的糊状，能控制地下水并防止喷涌； ( 4 ) 刀具及刀盘磨损严重。 ( 5 ) 刀盘结构、耐磨保护面板及刀箱也磨损严重，以至于在两个车站之间的 区间就需要对其进行修复 2 2 2 台北捷运 台北捷运( 台北地铁) 隧道处在砂卵石地层【1 2 j ，也是采用的e p b 掘进。主 要几个工程的统计如表2 7 所述。 表2 7 台湾卵砾石层潜盾隧道案例 台北捷运南港线台北捷运新店线c h 2 2 2台北捷运土城线c d 2 6 9 标 c n 2 5 9 c 标 标、h 2 2 3 标、c h 2 2 4 标 基本数隧道长5 6 0 m ，隧道内径各标隧道单向长度约 上下行隧道总长约2 , 5 3 0 m ，内 据5 4 m 。环片厚度0 2 5 m 。8 0 0 1 3 0 0 m ，隧道内径 径5 6 m 5 4 m ，环片厚度0 2 5 或 0 3 m ， 地层特包含卵砾石层、软弱黏包括土壤、卵砾石及岩盘，潜盾隧道部分开挖面会遭遇卵 征 土层及风化砂岩的混合现地试坑开挖结果发现卵砾石层、砂岩及土、岩接口等 地盘。砾石最大粒径为5 0 c m 。混合地盘。卵砾石粒径一般为 1 0 - 3 0 c m ，附近车站深开挖工 程中亦有少数粒径可达 1 0 0 c m 。 刀盘形轮辐式 面板式 轮辐+ 面板式 式 刀具形切削刀盘型滚刀+ 切刀强化滚刀+ 强化切刀 式 其他情为避免混合地层是的方刀具破碎大粒径卵石螺旋输送机最大排出卵石直径 况向控制困难，采用地层对混合地层进行注浆加固，6 0 c m ，施工过程遇到最大 注浆加固的辅助工法以利于方向控制和减小沉3 6 c m 。隧道最大偏移5 6 c m 。 降 开仓更换刀具时所观察到的地层的照片如图2 9 所示。刀盘及刀具的磨损如 图2 1 0 。 2 7 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 幽2 , 9 砂卵石地层照片 ( a ) 刀盘磨损( b ) 磨损破坏的刀具 图2 1 0 刀盘刀县磨损情况 该工程也存在如下的主要问题： ( 1 ) 刀具、刀盘磨损严重； ( 2 ) 渣土流动性差，易结块； ( 3 ) 土压管理困难： ( 4 ) 螺旋输送机严重损坏； ( 5 ) 刀盘实际扭矩比同直径盾构高出4 0 ，严重影响了盾构本身的寿命。 2 23 日本春日井共同沟 在r 本施工的砂卵石地层盾构案例较多，其中有很大一部分是采用泥水加 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 压平衡盾构施工。在此，以日本春日井共同沟1 9 5 1 的e p b 掘进为案例进行研究。 该隧道基本情况如表2 8 所示。 表2 8 隧道基本情况 隧道长 添加材注入 盾构类型埋深盾构外径 地质条件 度 注入点注入率 洪积层的致 刀盘周边、鱼 e p b6 1 3 m4 8 0 0 m m3 4 2 0 m3 0 密砂砾地层尾板、土舱内 e p b 施工中的具体情况为：总推力在5 0 0 0 1 6 0 0 0k n 之间，盾构总推力平 均在1 0 0 0 0 k n 左右。装备推力2 3 5 4 4 k n m 。扭矩：8 0 0 2 0 0 0k n m ，平均扭矩： 1 3 0 0 k n m ，装备扭矩2 6 6 8k n m ，掘进速度2 1 m m m i n ，壁后注浆填充率： l5 0 r 1 6 0 。 表2 9 刀具磨损 转换先行刀先行扇贝刀扇贝刀周边扇贝刀刮刀周边刮刀 磨损量 2 2 89 21 43 4 453 8 m m 刀具超前 量m m 1 7 51 2 57 5 根据实际施工情况，说明大的卵石不能从刀盘开口进入刀盘，并且由于摩 擦较大造成扭矩较大。刀具高差不明显，造成掘进效率较低。 2 2 4 成都地铁 成都地铁隧道所处的地层即为典型的砂卵石地层，为国内首例在此类高卵 石含量的砂卵石中的e p b 掘进，地层渣土照片如图2 3 所示。盾构自2 0 0 6 年底 掘进以来，先后遇到了刀具刀盘磨损严重，掘进效率低等问题。目前工程仍在 继续施工。本课题的研究就以成都地铁的e p b 掘进为背景，展开该地层中的e p b 掘进问题。 2 3 砂卵石地层e p b 掘进的主要问题 总结以上的工程案例情况，砂卵石地层中的e p b 施工主要有以下几个问题： ( 1 ) 刀盘扭矩大，消耗严重： 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 ( 2 ) 在大直径盾构情况下，工作面土压较难控制： ( 3 ) 掘进效率低： ( 4 ) 刀具、刀盘磨损严重； 由于对该地层的研究不够深入，没有解决e p b 掘进的理论问题，导致了e p b 实际掘进时出现的这些困难。 2 4e p b 的相关物理概念的提出 根据阻上21 ，22 节对砂卵石地层特点的分析及该地层e p b 施工案例的研 究可知，砂卵石地层的物理力学特征和传统软土地层、硬岩地层及复合地层都 有很大的区别。因此，导致了该地层的e p b 的施工中的各种问题。需要针对该 地层提出针对性的概念进行研究，因此提出了如下土压支撑率等的概念。 24 1 土压支撑率 土压平衡盾构掘进系统是由盾体、镶嵌刀具的刀盘、土压力仓、压力隔扳、 螺旋出土器和推力油缸组成，如图2 儿所示。掘进时，通过推力油缸向压力隔 板施加推力通过土仓内的渣土，压力隔扳向开挖面提供支护压力，来平衡丌 挖面的水土压力。掘进时e p b 通过调节推力油缸的推力和调节螺旋出土器的中 图21 1 地层内十压+ 水压= 十仓山十压 传统十压平衡理论认为： 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 ( 1 ) 土压平衡盾构向开挖面施加的支护压力为一梯形压力，该梯形压力完全 由土仓内渣土提供，用于平衡地层中的水土压力； ( 2 ) 盾构向开挖面施加的支护压力与土仓后部压力隔板上的压力相等。由于 大部分盾构的压力传感器都是埋置在土仓后部的压力隔板上，实际掘进靠隔板 土压力来控制工作面土压力的。 事实上，由于刀盘面板的存在，盾构向开挖面提供的支护压力由两部分构 成：一是土仓内的渣土提供，另一部分是盾构的刀盘面板本身。因此，定义土 压力支撑率的概念：土压力占开挖面支护总压力的比率( e a r t hp r e s s u r e s u p p o r t i n gr a t i o ，e p s n o i 丌- - h t ) - 饩 土压支撑率( 删) 2 恧戛再砑, j 1 0 0 2 1 ) 例如，对于软土地层所用的轮辐式刀盘，由于采用了无刀盘设计，没有面 板承担刀盘前方的地层压力，因此，此时的工作面支撑压力就几乎全部由土仓 土压来承担，此时的土压支撑率达到9 0 以上。又如对于泥水加压盾构，由于 泥水仓泥水压力较为均匀的通过刀盘开口施加向工作面，工作面主要靠泥水来 支撑，因此此时理想状态的泥水支撑率也接近百分之百。 2 4 2 沿竖向的土仓应力规则系数 1 系数的定义 在理想状态下，土仓内的水平土应力( 通常所说的土压力，以下土仓压力 均指水平土应力) 是均匀递增的，呈梯形分布的，如图2 1 2 ( a ) 。但在盾构的实 际掘进中，由于介质物理性质的影响或者渣土物理性质发生变化，或存在大的 卵石、或存在渣土结块、流动性差的问题，造成土仓内的水平应力的分布的不 均匀，如图2 1 2 ( b ) 所示。 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 ( a ) 理想状态的分布( b ) 实际可能情况 图2 1 2 理想状态下的土压力和实际中的土压力分布情况 因此，需要定义一个参数来表达土仓内土压力的均匀性，主要有以下目的： ( 1 ) 判断工作面支护应力的土压平衡特性，是否达到较好的平衡状态； ( 2 ) 表征土仓渣土状况：有没有结块、是否均匀。 在此，采用土压力规则系数( r e g u l a rm o d u l u so f e a r t hp r e s s u r e r m e p ) 的 概念来表征。定义为：沿土仓竖向各点的水平应力值和相应点的竖向坐标之间 的相关系数。应力值由盾构机的p l c 参数系统采集，相应点的竖向坐标可根 据盾构设计的实际情况获得，图3 1 3 即为某一土压平衡盾构的应力采集传感器 的相应位置的示意图。 图2 1 3 土仓应力传感器位置示意图 相关系数的定义如下： 式中： r 2 ：l 一s s e s s t 3 2 ( 2 2 ) 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 观= ( z 一霉) 2 一( 哟一牮 ( 2 3 ) ( 2 4 ) y ：该点的实际土压力 e ：线性回归模型回归的数据 彤的值介于o 和1 之间，理想状态的值为1 ，如图2 1 2 ( a ) 的情况。该值 越接近1 ，说明土仓内渣土状况越好，土仓压力均匀性越好。 2 几种地层中的统计 ( 1 ) 粉砂地层 以南京地铁元通站一中胜站区间采用土压平衡盾构掘进为例，主要为粉砂 地层，土仓压力分布特征，统计数据如图2 1 4 所示。 0o2 o 10 i11 214 1 i1 i22 22 42 6 脚 ( a ) 第5 4 环土压力分布特征( r 2 = o 8 5 ) r - 6 4 1 2 弋 。l x | ( 心b 、 o 槽嘧嚣土生匆咿 o 2 s o _ 3 ( b ) 第7 8 环土压力分布特征( r 2 = o 6 4 ) 6 5 4 3 2 l o 艟酱譬亟莹赶晤鼬镑堆 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 002 o 0 il l21 i 1 i l i 22 22 胪蛐嘲 ( c ) 1 2 5 环土压力分布特征( r 2 = 0 9 6 ) oo 2o4o 0 l 1l2 1 822 22 4 脚i 州 r m 气 心 令 心 - - 、 o 1 70 1 90 2 l0 2 3o 传巷器土压力m p a ( d ) 第2 6 4 环土压力分布特征( r 2 = 0 9 ) 图2 1 4 南京地铁e p b 隔板土应力分布 根据以上数据可知，第1 2 5 环和第2 6 4 环的土仓内土压力竖向规则系数r 2 分别为0 9 6 和o 9 ，说明这两环的土压力较为均匀，此时土仓渣土状况流塑性 较好，同时施加向开挖面的压力也较为均匀。但第5 4 环和第7 8 的土仓内土压 力竖向规则系数r 2 分别为0 8 5 和0 6 4 ，说明这两环的渣土流塑性状态较差， 土仓内土压力状态相当不均匀，此时，作用于开挖面的土压力也相对的不规则。 ( 2 ) 复合地层 以广卅i 地层为例。根据获得的广州地铁的盾构隧道掘进数据，取其中四环 数据，分别为仑头一大学城区间的1 0 4 环、1 2 1 环和官洲岛一仑头区间的2 6 9 和 6 3 5 环，如图2 1 5 所示。 b 5 4 3 2 l 0 。 。*争蜷哥扩醋即啦。 。 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 e a r t hp r e s s u r e ： ( a ) 仑一大第1 0 4 环土压力分布特征( r 2 - - 0 9 2 ) 0n l 0 20 30 40 r 50 60 70 80 ，l1 11 2 1 31 41 5 嗍蚓 e a r t hp r e s s u r e ： ( b ) 仑一大第1 2 1 环土压力分布特征( r 2 = o 8 5 ) p 麟岍l b | 】 ( c ) 仑一官第2 6 9 环土压力分布特征( r 2 = 0 9 ) 3 5 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 e a r t hp r e s s u r e ： n ” 心 x 0 1 40 1 80 1 80 20 传寤嚣土压力咿a ( d ) 仑一官第6 3 5 环土压力分布特征( r 2 = o 7 4 ) 图2 1 5 广州地铁e p b 土压力分布 从广州地层土压平衡盾构掘进时的土压力分布的特征可以看出，在粘性土 为主的地层土压力规则系数相对较大，说明在该种情况土仓内渣土状况较好， 土压力较为均匀，作用于工作面的支撑压力也较为均匀。但对于风化岩微风化 岩的复合地层，土压力就相对不均匀，比如仑一官第6 3 5 环土压力规则系数i 也 仅为0 7 4 。 根据以上几种地层的实例可以看出，土仓内实际的土压力状态不是我们经 典理论所认为的规则的梯形分布( 如图2 1 1 ，2 1 2 ) ，而是是处于一种不均匀状 态。在淤泥质粘土及粉性粘土地层中，土压力分布相对较为均匀，在粉砂及复 合地层中，土压力相对较为不规则。 2 4 3 土仓前后应力比 由于土压平衡盾构的压力传感器一般都安装在土仓后部的压力隔板上，盾 构掘进时根据隧道地层、线路条件设置传感器应力的大小。但实际上压力隔板 压力大小距离开挖面仍有l - - 2 m 的距离，因此，将开挖面的应力设置为压力隔 板的应力在实际中必定存在一定的偏差。 6 5 4 3 2 o 鼍班茁蜷霉*吲黯鹜辈 第2 章砂卵石地层特点及e p b 掘进问题 图2 1 6 压力隔扳土仓示意图 因此，为了研究盾构掘进中工作面应力和土仓后压力隔板应力差异状况， 定义土仓前后应力比，即刀盘前方工作面水平应力与压力隔板上的水平应力的 比值： k = l ( 25 ) d 2 式中： 一土仓前后应力比 4 ，一刀盘前方工作面水平应力 即一压力隔板上的水平应力 k 值的大小反映了土仓前后应力的羞异，若k 的值为】，说明土仓前后应力 均一，k 值大于1 说明土仓前方应力大于压力隔板应力，k 值小于1 说明土仓前 方应力小于压力隔板应力。软土地层中的实测数据表明，在软土地层，特别是 轮辐式刀盘( 开口率较大) 的掘进情况下，k 指较小，略大于i ，在1 1 12 左右。在此，定义前后应力比的参数，有助于对砂卵石地层盾构适应性