（岩土工程专业论文）土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究.pdf

摘要 近年来，随着我国城市地铁建设的迅速发展，盾构施工法作为一种安全高效的隧道挖 掘技术得到了广泛的应用。其中土压平衡式盾构法又以其技术及经济上的优越性，成为地 铁施工技术的主流。土压平衡式盾构顺利施工的前提是要将压力舱内土体搅拌成均匀的状 态，因而压力舱内设有用于搅拌的刀盘梁以及搅拌翼板，这导致了土压平衡式盾构的刀盘 扭矩是其它闭胸式盾构的2 3 倍。在现代隧道施工长距离、大直径的趋势下，刀盘扭矩 过大已成为限制土压平衡式盾构发展的一个主要因素，得到了工程界的重视。 在实际施工中，采用土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的方法已经得到了较普遍 的应用，但目前还主要依赖于工程经验，相关的理论研究还相对落后。由于对土体改良降 低扭矩的机理不明确，盾构机生产商在针对实际隧道工程计算盾构机刀盘所需的装备扭矩 时往往没有考虑这一影响因素，从而造成了经济上不必要的浪费。 本文针对以上的问题，作了以下方面的工作： ( 1 ) 针对土压平衡式盾构机刀盘的特点，深入地分析了压力舱内刀盘扭矩，推导了土 压平衡式盾构机刀盘扭矩各主要组成部分的计算公式，建立了盾构机刀盘扭矩的力学模 型；利用所建模型，通过分析得到影响刀盘扭矩的关键性土性参数。 ( 2 ) 针对盾构土体改良技术，在盾构用气泡剂与土体性质适应性理论研究的基础上， 开发研制了针对砂性土和粘性土的气泡添加剂。 ( 3 ) 结合工程实际，采用自制的气泡对砂性土进行了试验研究，分析气泡性质、气泡 混合土性质以及气泡混合土所需搅拌扭矩之间的关系；通过对试验结果的分析，得出气泡 稳定性以及发泡倍率对刀盘扭矩的影响规律。 关键词：土压平衡式盾构土体改良 刀盘扭矩 气泡力学模型 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o ni nr e c e n ty e a r s ，s h i e l d t u n n e l i n gm e t h o d ，a sas a f e t ya n de f f i c i e n tt u n n e l i n gt e c h n i q u e ，i sb e c o m i n gac o m p r e h e n s i v e w a yt ob u i l dt h es u b w a y a m o n gt h es h i e l dt u n n e l i n gm e t h o d s ，e a c hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l d t u n n e l i n g ( e p b s ) i sb e c o m i n gt h em a i nt u n n e l i n gt e c h n i q u ew i t hi t st e c h n i c a la n de c o n o m i c a l a d v a n t a g e s f o ras m o o t he p bd r i v et h es o i l i nt h ep r e s s u r ec h a m b e rm u s tb e e nm i x e dt oa u n i f o r ms t a t e ，t h e r e f o r em a n ym i xb l a d e sa r ei n s t a l l e di nt h ec h a m b e r t h i si st h er e a s o nw h yt h e e p bs h i e l dr e q u i r e sa t o r q u e2 - 3t i m e sl a r g e rt h a nt h eo t h e rt y p e so fs h i e l dm a c h i n e st ot u r nt h e c u t t e r h e a d n o w a d a y sl o n gd i s t a n c ea n dl a r g ed i a m e t e ra r et h et w ot e n d e n c i e so ft h et u n n e l i n g c o n s t r u c t i o n l a r g ec u t t e r h e a dt o r q u eh a sb e e nt h eb o t t l e n e c kf o rt h ed e v e l o p m e n to fe p bs h i e l d w h i c hh a sa t t r a c t e da t t e n t i o ni nt h ee n g i n e e r i n gw o r l d i nt h ee p bt u n n e l i n gp r o j e c t s s o i lc o n d i t i o n i n gh a sb e e nw i d e l yu s e dt or e d u c et h ed r i v e t o r q u e o fc u t t e r h e a d n e v e r t h e l e s st h i s p r a c t i c ed e p e n d st h o r o u g h l y o nt h ee n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e s b u tt h er e s e a r c h e so ft h i ss u b j e c ta r er e l a t i v e l yb a c k w a r d l a c ko ft h ec o g n i t i o nf o r t h em e c h a n i s ma b o u tt h er e d u c t i o no fe p bc u t t e r h e a dt o r q u ew i t hs o i l c o n d i t i o n i n g ，t h e m a n u f a c t u r e so fe p bm a c h i n e sc a r ln o tc o n s i d e rt h i sf a c t o ro fs o i lc o n d i t i o n i n gw h e nt h e y d e s i g nt h em a c h i n e s t h a ti n d u c e sag r e a te n e r g yw a s t e t oa i ma tt h ea b o v ep r o b l e m s ，t h er e s e a r c hw o r k sh a v eb e e nc a r r i e do u t t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d yo ft h ef a c t o r sa n db u i l d i n go fam e c h a n i cm o d e lo ft h ec u t t e r h e a dt o r q u eo n c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e so fe p bc u t t e r h e a d s t u d yo nt h ek e yf a c t o r so fs o i lc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h e c u t t e r h e a db a s e do nt h em o d e l ( 2 ) s t u d yo ft h ec o m p a t i b i l i t yo ft h ef o a m i n ga g e n ta n dt h es o i lc h a r a c t e r i s t i c sb a s e do nt h e s o i lc o n d i t i o n i n gt e c h n i q u e d e v e l o p m e n to ft h ef o a ma d d i t i v e sf o rt h es a n da n dt h ec l a y ( 3 ) r e s e a r c ho ft h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff o a r n 、t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f o a m e ds o i la n dt h em i x i n gt o r q u e sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t so fs o i lc o n d i t i o n i n g r e s e a r c ho f t h ei n f l u e n c e so ff o a me x p a n s i o nr a t i o ( f e r ) a n dt h es t a b i l i t yo ff o a r nt ot h ec u t t e r h e a dt o r q u e k e yw o r d s ：e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l d ， s o i lc o n d i t i o n i n g ，c u t t e r h e a dt o r q u e ， f o a m ， m e c h a n i cm o d e l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：尘生2 。6 年月7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生 院办理。 论文作者( 签名) ：生生2 。6 年6 月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 土压平衡式盾构法简介 1 1 1 土压平衡式盾构法的发展和现状 进入2 l 世纪，世界经济的迅猛发展加速了城市化建设。随着城市密集度的提高和 高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少，而地下又布满了各种用途的管线，所 以，p u t - 更有效利用和创造地下空间己成为当今城市现代化建设的重要课题，采用盾构 法来开发地下空间则是一种最佳选择。 盾构机是一种既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具；以盾构机为核 心的一整套完整的建造隧道的施工方法称为盾构法【1 1 。盾构法自首次被用于挖掘英国泰 晤士河河底隧道以来，迄今已有1 8 0 余年的历史。早期使用的盾构为敞开式，在地下掘 进时，一般都在隧道内施加压缩空气或降低隧道沿线地下水位，甚至采用化学注浆加固 开挖面土体等辅助技术措施。由于以上的措施对施工安全、地面沉降以及环境保护不利， 因而限制了盾构的应用和发展，也导致了封闭式平衡原理盾构技术的开发和应用。 2 0 世纪6 0 年代初，英国首先开发了泥水加压式盾构法，用泥浆代替气压，一般不 再辅以其它技术措施，施工效率高、安全可靠，大大提高了施工质量和工程进度，是一 种划时代的盾构施工新技术。但是泥水盾构工法要求设置泥水和土砂分离处理系统，该 系统的设备复杂，造价高、使用时占地面积大，对都市施工的狭窄场地而言，不仅成本 高而且占地问题很难解决。为了简化施工设备，降低成本，人们推出了用开挖土体稳定 开挖面的土压平衡式盾构法。 1 9 7 4 年，第一台土压平衡式盾构机在日本东京被采用，其外径为3 7 2 m ，在含水砾 层中掘进了长1 9 0 0 m 的主管线。从此以后，土压平衡式盾构法经过大量的工程实践和技 术改进，经过3 0 多年的发展，已成为能适应从软弱粘性土到砂砾土广泛范围的隧道施 工方法，并得到世界各国的广泛应用【2 j 。 日本隧道协会对世界盾构施工法现状展开的通信调查结果显示，从1 9 8 0 至1 9 8 5 年 的这六年间，土压平衡式盾构机的比例已经从1 9 增大到6 0 。在国内，上海使用土压 平衡式盾构施工的实例最多，据资料统计，截至1 9 9 5 年上海市隧道工程施工中使用盾 构机5 9 台，其中土压平衡式盾构机占3 0 台。近几年，我国北京、上海、广州和南京等 城市隧道建设中也大量地采用土压平衡式盾构法进行施工。土压平衡式盾构法由于其技 术与经济方面的优势，已经成为隧道建设特别是城市地铁建设不可豁缺的隧道施工技 术。 土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究 1 1 2 土压平衡式盾构机的工作原理 图l l 所示为土压平衡式盾构机的基本结构和工作原理简图。 开兰土充满 电动机 土压计 添加材；斗注入管 i | 广+ 一，一 、”湖l 矗量p 1一c | ：l 弋一i i 卜漆济 。0 1 ，nn n 土 c 。0w l 蹿匪 l c j 。 | 蕊尢 l c | ? 【 c l ： t 1 馥翊二望。瘩带辇初 17 l c 图1 1 土压平衡式盾构原理图 盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳，所谓 构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆【2 】。土压平衡式盾构机是在普通盾构机的基础上， 在盾构中部设置一道密封隔板，使密封隔板与开挖面土层之间形成一个密封泥土舱，即 所谓的压力舱，刀盘在压力舱中工作。因此，土压平衡式盾构机主要由盾壳、刀盘、密 封隔板、螺旋排土器、盾构千斤顶、管片拼装机以及盾尾密封装置等构成。土压平衡式 盾构工作时，盾构由盾构千斤顶向前推进，由刀盘切削下来的泥土充满压力舱和螺旋排 土器壳体内的全部空间，并依靠充满的泥土来支护开挖面土层的水、土压力。通过调节 螺旋排土器转速控制排土量，同时通过调节千斤项推进速度控制开挖土量，使盾构机排 出土量和开挖土量保持或接近平衡，以保持开挖面地层的稳定和防止地面变形。由于土 质特性和工作压力不同，螺旋排土器排土效率亦不相同，盾构机工作时，实际上通过调 整排土量或开挖土量来直接控制压力舱内的土压，使其与开挖面地层的水、土压力相平 衡，从而使开挖面土层保持稳定，这就是土压平衡式盾构的基本工作原型2 j 【3 】。 1 1 3 土压平衡式盾构法的开挖面稳定 土压平衡式盾构法施工保持开挖面稳定有以下几个必要条件1 】【4 】： 第一章绪论 ( 1 ) 压力舱内的泥土压力必须可以抵抗开挖面上的土压力、水压力。 ( 2 ) 必须可以利用螺旋排土器等排土装置来调节排土量，使之与开挖土量保持平衡。 ( 3 ) 切削下来的土体必须具备一定的塑性流动性和防渗性，能充满压力舱以稳定开 挖面，并且达到止水效果防止地下水涌入隧道。 因此，为了保证开挖面的稳定，重要的是要使切削下来的土体具有塑性流动性和防 渗性。一些淤泥质粘土、粘土、粉质粘土在天然状态下开挖搅拌后，即可满足开挖面稳 定的要求；但是，多数地层土体的塑性流动性、防渗性无法满足稳定开挖面的要求，为 此必须应用土体改良技术，提高土体塑性流动性和防渗性，实现稳定开挖面的目的。 1 1 4 土压平衡式盾构施工的发展趋势 土压平衡式盾构自1 9 7 4 年在日本首次使用以来，以其独特的优势己广泛应用于世 界各地的隧道工程中。在3 0 多年的应用与发展过程中，土压平衡式盾构施工呈现出以 下两个发展趋势： ( 1 ) 适用范围扩大 最初的土压平衡式盾构机只适合在特定的粘土地层中挖掘。而现在的土压平衡式盾 构机通过应用土体改良技术改善土体的性能，能适应多种环境和地层的要求。可在砂砾、 砂、粉砂、粘土等压密程度低、软、硬相间的地层以及砾层、砂层等地层使用【5 】。如图 1 2 所示，如今有许多采用土压平衡式盾构技术施工的隧道大大超出了传统的适应地层 界线。 l o o 9 0 袋8 0 斛7 0 求6 0 迢5 4 0 。 捌3 0 吲2 0 l o o 0 0 0 l0 0 10 111 01 0 0 粒径d ( m i l l ) 图1 2 土压平衡式盾构施工突破传统的适用地层界限 随着工程技术的进步和发展，土压平衡式盾构的适用范围还将进一步扩展，在英法 海峡隧道和丹麦大贝尔特海底隧道施工中所使用的混合式盾构机，就是将土压平衡式盾 土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究 构和硬岩掘进技术相结合，使其不仅适用于软土隧道的施工，而且同时适用于岩石隧道 的施i t o 州。 ( 2 ) 盾构直径加大、施工距离加长 随着土压平衡式盾构技术在交通、市政、能源等各领域的广泛应用以及地下工程建 设规模的不断扩大，土压平衡式盾构已经从最初的3 7 2 m 到现在的最大1 l m ，一次施工 距离也提高到4 公里以上，而且这些记录还在不断的被打破。可以想见，由于大直径、 长距离的盾构施工不仅可以满足隧道规模不断发展的要求，而且可以有效地降低施工成 本，必将成为土压平衡式盾构发展的一大趋势。 在我国，上海市隧道公司于1 9 8 4 年首次从日本引进似3 6 m 的土压平衡式盾构机 建成了芙蓉江下水道总管工程。1 9 8 8 年上海又自行研制了们3 5 m 加泥土压平衡式盾构， 成功地穿越了软弱粘土和砂性土交错的复杂地层，建成了上海市南电缆过江隧道。目前， 土压平衡式盾构在全国地铁、市政、能源等工程建设中得到了广泛的应用。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。 4 第一章绪论 1 2 本文的研究目的和意义 1 2 1 土体改良是土压平衡式盾构施工的关键技术 盾构施工法作为一种现代城市隧道建设卓有成效的施工方法已经得到各国广泛的 应用，而土压平衡式盾构又以其技术和经济上的优越性而得到青睐。现代隧道挖掘已经 朝大直径、长距离的方向发展，而土体改良技术的应用能有效减少土压盾构的刀盘扭矩 和刀头磨损，使土压平衡盾构能够适应这一趋势。 另外，土压平衡式盾构施工的关键是要将开挖面切削下来的土体在压力舱内调整成 一种“塑性流动状态”。当地层是粘粒含量较少的卵石层、砂土地层或者是粘性过大的 粘土层，进入压力舱的土体就很难达到“塑性流动状态”，从而给施工带来困难。这时 就必须应用土体改良技术，通过添加剂注入装置将足量的添加剂注入到压力舱内适当的 位置，以促进开挖土达到“塑性流动状态”。在这些土体改良技术中，又以气泡改良技 术最为先进。 1 2 2 气泡改良技术对降低盾构机刀盘扭矩有显著效果 气泡改良技术是一种从砂砾层到粘土层均适用的土压平衡式盾构土体改良技术。自 1 9 8 0 年问世以来，至今已有大量的工程实例，是目前所有解决开挖土体的性质不良所导 致的施工难题的最为先进和有效的方法。 闭胸式盾构机比起敞开式盾构机，需要较大的扭矩来转动开挖刀盘。而土压平衡式 盾构机的刀盘扭矩比起其它类型的闭胸式盾构机，如泥水加压式盾构机，要大得多。土 压平衡式盾构机的平均刀盘扭矩是同直径泥水加压式盾构机的2 至3 倍l l j 【8 j ，如图1 3 所示。 0 3o 60 91 - 21 51 82 12 4 德国泥水盾构 日本泥水盾构 土压平衡盾构 图l 一3 扭矩经验计算公式中a 的取值( t = a d 3 ) 目前，隧道挖掘正朝着大直径的趋势发展，因此刀盘扭矩较大的问题成为土压平衡 式盾构应用于大直径隧道挖掘的一个瓶颈，而应用气泡改良技术降低刀盘扭矩的方法有 助于这一问题的解决。这一方法已经得到实验研究和实际施工的验证，在砂性土地层等 摩擦力较大的地层，添加气泡可使土压平衡式盾构的刀盘扭矩降到添加前的5 0 以下 8 9 】 0 土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究 1 2 3 土体性质对盾构机刀盘扭矩影响的研究落后 到目前为止，国内外学者对土压平衡式盾构机刀盘扭矩的研究主要针对盾构机的机 械形式和盾构开挖面埋深这两个影响因素进行考虑。对于具体的地层条件对刀盘扭矩的 影响，如粘性土和砂性土，只是采用固定的土性参数取值予以区别，对于土体改良的作 用效果，研究基本还未涉及。 此外，一些研究盾构用气泡土体改良技术的学者虽然针对土体改良影响刀盘扭矩做 了一些研究，但主要局限于土体含水率和气泡添加率，这两个比较直观的影响因素展开， 没有从气泡性质和气泡混合土性质这两个根本的影响因素出发进行研究，因此得到的结 论只能针对特定的土质和气泡，不适合推广。 1 2 4 土体改良影响盾构机刀盘扭矩的机理性研究势在必行 通过土体改良以减小土压平衡式盾构刀盘扭矩的做法已经在实际施工中得以广泛 应用，但是由于对其中的机理性研究还比较欠缺，一直以来是依靠气泡生产商提供的一 些经验性的建议进行操作，造成使用气泡过程中存在着较大的盲目性和风险性，同时也 带来一些不必要的经济损失。泰国曼谷地铁在使用土压平衡式盾构施工时，就曾经出现 过因为对原有气泡添加剂改良效果不满意临时改换气泡提供商而影响工期的事件【l 叭。 同样由于对土体改良降低扭矩的机理未掌握，盾构机生产商在针对实际隧道工程计 算盾构机刀盘所需的装备扭矩时往往没有考虑这一影响因素【3 j ，一般需要配置较高的装 备扭矩，从而造成了经济上不必要的浪费。 正是基于以上的原因，进行土体改良对盾构机刀盘扭矩影响机理的研究，对土压平 衡式盾构的施工与设计都具有重要的指导意义，势在必行。 6 第一章绪论 1 3 国内外的研究现状 土体改良技术被引入土压平衡式盾构的施工，其初衷是使原本不能通过刀盘搅拌达 到“塑性流动状态”的地层通过改良达到此状态，从而扩大土压平衡式盾构的施工适用 地层。在土体改良技术的实际应用过程中，工程人员发现此技术对降低土压平衡式盾构 刀盘扭矩同样有显著的效果，于是便开始了土体改良影响盾构刀盘扭矩的相关研究。 与土体改良技术对土压平衡式盾构施工的其它影响一样，土体改良对刀盘扭矩的影 响也是由日本和欧洲的盾构机以及气泡剂生产商首先开始研究。在此之后，一些学者在 此领域也开始进行更加深入的研究。但对于气泡的性质是如何通过影响气泡混合土性质 来影响刀盘扭矩的，目前的相关研究还没有给出明确的解释。 1 3 1 国外学者的相关研究 ( 1 ) 德国d e c o n 公司在它的气泡项目( 1 9 9 6 ) 中，首次采用泥料搅拌机对气泡混合土 进行搅拌试验，并测得搅拌机消耗功率的变化，从此“发明”了搅拌试验【l 2 1 。 ( 2 ) 法国c o n d a t 气泡公司( 1 9 9 8 ) 开始使用搅拌试验对其气泡产品进行土体改良效果 的评价【1 2 】。 ( 3 ) 法国力学实验室s t 6 p h a n eq u e b a u d 博i ( 1 9 9 8 ) ，对土压平衡式盾构掘进中气 泡的作用进行了较全面的研究。在对气泡混合土体的性质进行试验研究时，采用小型混 凝土搅拌机进行搅拌试验。试验中，在不同含水率土体中注入不同添加量的气泡，通过 搅拌机耗功降低率来反应气泡混合土对降低扭矩所起的效果。结果表明，对于砂性土， 添加气泡能使搅拌耗功降低5 0 以上瑙儿1 3 j 。 图1 4q u e b a u d 搅拌试验示意图 ( 4 ) 荷兰代尔夫特大学a b e z u i j e n 教授( 1 9 9 9 ) ，研究制作了一个直径5 0 c m ，高1 2 5 c m 的压力舱模型，盖板上设置了加载装置和排土装置，如图1 5 所示，容器中央插入旋转 翼并可以向土中注入添加材料。使用这一装置对推进时压力舱内的土压力分布和一般的 土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究 剪切抵抗进行了试验研究。同时也对砂土中注入气泡后形成的混合土的渗透性、压缩性、 粘滞性及孔隙压力进行了相关研究。结果表明，气泡混合土的渗透性和气泡添加量有直 接的关系，其对旋转翼的剪切抵抗则与孔隙率有关1 4 1 。 图1 5b e z u i j e n 搅拌试验装置 ( 5 ) 牛津大学的s o t i r i sp s o m a s 硕士( 2 0 0 1 ) ，采用小型搅拌机进对气泡添加降低搅拌 砂土消耗功率的效果进行了研究。发现当所使用的砂土含水率在2 2 到3 0 之间时， 注入气泡所起的降低搅拌耗功的效果最为显著。他认为搅拌功率的降低的原因是，气泡 注入后土体的内摩擦角减小及其导致的抗剪强度的降低【9 儿1 5 j 。 ( 6 ) d e g u s s a 气泡公司的q i ul i n gf e n g 博d 二( 2 0 0 4 ) ，通过工程实例和试验研究针对不 同土性进行了气泡的适应性研究。研究表明，针对粘性土体和砂性土体应该采用相应的 气泡添加剂，从而提高气泡对土体的改良效果。他在室内试验中采用小型搅拌机，通过 气泡混合土体对搅拌翼的表观粘附程度评价了针对粘土的气泡剂效果【l 引。 1 3 2 国内学者的相关研究 由于土压平衡式盾构在我国的应用起步较晚，近几年随着各大城市地铁工程的建设 和地下空间的开发，我国的学者结合施工实例对其施工技术才开始进行深入的研究。对 于应用于土压平衡式盾构的气泡土体改良技术的研究，更是由于目前施工使用的气泡剂 均为进口产品，涉及到一些专利技术，而迟迟未能展开。目前，只有河海大学的朱伟教 授及其课题组开发研制了一系列拥有自主专利的盾构用气泡剂产品i l ，并对盾构用气泡 的土体改良技术进行了一些研究。 第一章绪论 朱伟教授和魏康林、张明晶以及郭涛硕士结合广州地铁和北京地铁的施工实例，对 气泡改良后的砂土进行了相关分析： ( 1 ) 魏康林( 2 0 0 3 ) 采用实验室研制的气泡剂和发泡装置进行发泡，用所得的气泡对 广州和北京两地的砂土进行改良，针对土压平衡式盾构施工过程中的喷涌问题，以渗透 试验为主进行了试验研究，探讨了喷涌问题的发生机理，得出开挖土体渗透系数是影响 喷涌的最关键因素的结论【1 8 】【1 9 1 【2 0 】。 ( 2 ) 张明晶( 2 0 0 4 ) 同样采用实验室研制的气泡，对砂性土进行改良，针对土压平衡 式盾构施工时遇到的闭塞问题，进行了直剪试验、滑板试验等试验研究，探讨了闭塞的 发生机理并认为压力舱土体的强度参数是影响闭塞的最关键参数【2 1 1 。 ( 3 ) 郭涛( 2 0 0 5 ) 采用实验室研制的气泡，以及m y s c o 、c o n d a t 公司的气泡，以砂性 土作为被改良土体，进行了较全面的试验研究，认为可以采用稳定性和发泡倍率作为气 泡剂性能的主要评价指标【2 2 】。 土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究 1 4 本文开展的主要工作 本文在理论分析和试验研究的基础i - - _ ，针对气泡土体改良法降低土压平衡式盾构刀 盘扭矩，进行了以下研究工作： 1 4 1 理论分析 ( 1 ) 分析土压平衡式盾构施工对土体性质的要求，针对不同土质，为了进一步提高 土体改良效果，研究气泡剂与土体的适应性。 ( 2 ) 针对土压平衡式盾构机刀盘形式及功能的特点，分析了刀盘扭矩的组成部分及 影响因素，研究土体改良法对刀盘扭矩各组成部分的影响，指出土体改良是通过改变刀 盘在压力舱中的扭矩部分影响盾构刀盘总扭矩的。 ( 3 ) 在深入分析压力舱内刀盘扭矩的基础上，推导了土压平衡式盾构机刀盘扭矩各 主要组成部分的计算公式，建立了盾构机刀盘扭矩的力学模型。 ( 4 ) 结合建立的刀盘扭矩模型，分析土体的力学性质对刀盘扭矩对影响，得出土体 的内摩擦角及与刀盘摩擦系数是影响刀盘扭矩的关键土性参数。 ( 5 ) 对广州地铁盾构施工实例，应用建立的刀盘扭矩模型进行扭矩的计算，与实测 值比较，以验证模型。 1 4 2 试验研究 ( 1 ) 在气泡剂与土体适应性理论分析的基础上，研制针对砂性土以及粘性土的气泡 添加剂s a 、c a ，并通过试验验证它们的效果。 ( 2 ) 通过小型搅拌试验模拟压力舱内刀盘搅拌过程。研究气泡添加后，气泡性质与 气泡混合土所需搅拌扭矩之间的关系。 ( 3 ) 通过直剪试验以及滑板试验，测得混合土的内摩擦角和摩擦系数。研究气泡添 加后，气泡性质与气泡混合土性质之间的关系。 ( 4 ) 分析试验结果，得到气泡性质、混合土性质以及混合土搅拌扭矩之间的关系， 以及气泡稳定性、气泡发泡倍率对混合土搅拌扭矩的影响效果。 1 0 第二章土体改良技术在土压平衡式盾构中的应用 第二章土体改良技术在土压平衡式盾构中的应用 土压平衡式盾构法在城市地下空间开发中的重要性正日益增加，但要成功使用土压 平衡式盾构技术就离不开土体改良技术的合理应用，有时一个隧道项目能否最终成为现 实就取决于土体改良技术的使用与否。可以说，土体改良技术是土压平衡式盾构法的关 键，本章将介绍土体改良技术如何将原土改变为适合土压平衡式盾构法施工的状态，以 及土体改良技术在实际工程的应用。 2 1 土压平衡式盾构施工对土体性质的要求 2 1 1 土压平衡式盾构压力舱内土体的初始状态 开挖土体在被开挖前一般处于埋深数十米的地层中，盾构机开挖时在刀盘的切削和 搅拌作用下，体积膨胀，进入并充满压力舱。由于不同地层的土体性质差别很大，进入 压力舱土体的状态也就有很大的不同。 对于内摩擦角小、易流动、渗透系数小的粘性土而言，进入压力舱以后由切削刀具 切下的土体一般比原土的强度低，具有一定的流动性。就止水性而言，因为粘性土的渗 透系数较小，基本上可以满足止水的要求。同时，由于粘性大，粘性土易在刀盘处发生 粘附，随着施工的进展，进而发生压密固化，导致开挖、排土均无法进行，即所谓的“闭 塞”、“结饼”现象。 对于内摩擦角大、流动性差、渗透系数大的砂性土而言，较大的内摩擦角导致土体 具有较大的摩擦阻力，故难以获得好的流动性。当切削下来的土体充满压力舱和螺旋排 土器时，刀盘扭矩、螺旋排土器转矩以及盾构千斤顶的推力将达到较大值，有时甚至使 开挖、排土无法进行。另外，此类地层渗透系数大，仅靠压力舱和螺旋排土器内的压缩 效应不可能完全止水，在开挖面水压较高时，排土器出口处易发生发生喷砂、喷泥和喷 水的现象，即“喷涌”现象。 2 1 2 土压平衡式盾构压力舱内土体的理想状态 土压平衡式盾构需要在压力舱内充满开挖泥土，通过对开挖土体施加压力来平衡开 挖面上的土压力和水压力，因此土压平衡式盾构压力舱内土体的理想状态应为“塑性流 动状态”。从土力学的角度分析，这种状态包括4 方面的含义【2 儿1 6 】： ( 1 ) 土体不易固结排水。当推力通过隔板传递到压力舱土体时，如果土体迅速排水 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， 因此土体要保持为不易固结排水的状态。 土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究 ( 2 ) 土体具有较高的含水率，较低的强度。这样可以易于压力舱及螺旋排土器内翼 板对土体的搅拌，同时可保证土体受到挤压时向螺旋排土器内发生塑性流动，而顺利完 成排土，就是所谓的“挤牙膏”效应。 ( 3 ) 土体具有较低的内摩擦角。这有利于降低盾构机刀盘扭矩，并且有效减少开挖 刀具的磨损。 ( 4 ) 土体具有较低的透水率。只有压力舱内土体的渗透性较差，才能保证维持开挖 面上的水压力，同时也能防止排土口“喷涌”现象的发生。 在实际工程中，真实的地层条件很少能通过盾构机刀盘的搅拌直接达到这一“塑性 流动状态”。所以，需要通过土体改良技术的应用使土体性质达到基本的要求，适应于 土压平衡式盾构的施工。 2 1 3 压力舱内土体理想状态的物理力学指标 根据压力舱内土体理想状态一“塑性流动状态”的基本要求，以及相关研究的试验 成果，可应用以下物理力学指标来衡量这种状态。 渗透系数：在渗透性方面，开挖土体的渗透系数越小对盾构施工中的“喷涌”问题 的防治效果越好。一般认为要避免“喷涌”的发生，压力舱内土体的渗透系数至少要小 于1 0 x1 0 巧1 1 1 s 【1 8 j 【l2 1 。但是在实际施工过程中，“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【2 3 j 。 内摩擦角：内摩擦角是土体的强度参数之一，是影响刀盘扭矩的重要参数。在避免 土压平衡式盾构施工中出现的“闭塞”问题时，压力舱内土体的内摩擦角也是一个主要 影响参数。根据张明晶关于“闭塞”问题的成拱模型分析【2 1 1 ，土体的抗剪强度越低、内 摩擦角越小，则对“闭塞”的防治效果越好。根据国内外的施工经验，土体的不排水强 度小于2 5 k p a 时【2 4 】【2 5 】，可以满足盾构机正常施工的要求。 流动度：压力舱内土体的流动性直接决定了螺旋排土器的排土状态。如果土体的流 动性较好，螺旋排土器的排土量就容易控制，从而可以较好地控制开挖面的压力，保证 开挖面的稳定。一般对于砂性土，可以用坍落筒来测量其流动性，土体的坍落度在1 0 - - - 1 5 c m 的范围时【8 儿1 5 】，可以认为土体的流动性满足要求。 压缩系数：压缩系数是防治盾构施工过程中出现的“结饼”问题的关键参数。根据 郭涛的“结饼”受力模型【22 ，压力舱内土体的压缩系数越大，则土压平衡式盾构施工时 “结饼”问题发生的可能性越小。对于砂性土，压力在1 0 0 k p a 2 0 0 k p a 时，土体的压 缩系数大于0 1 m p a - 1 ，可以达到要求。 第二章土体改良技术在土压平衡式盾构中的应用 2 2 土体改良技术的原理及应用 2 2 1 盾构法中的土体改良技术 土体改良技术是通过在土体中注入定的添加材料改变土体的性质，使之能满足工 程要求的技术。在隧道挖掘如盾构法、顶管法、水平定向挖掘法( h d d ) 等工程中，土 体改良技术的作用正日益显现。其中，对于盾构法隧道工程的应用有： ( 1 ) 土压平衡式盾构法 对于砂土、砂砾土，必须要通过土体改良使土体具有一定的塑性，使之能在压力 舱中更好地平衡开挖面的土压。对于粉砂土，土体改良对于减小刀具磨损和降低刀盘 扭矩都具有积极的效果，同时可以加快盾构机的推进速度。对于粘土，由于土体的粘 性及其可能导致的“结饼”问题，必须要使用土体改良技术 ( 2 ) 泥水加压式盾构法 在下列情况下，土体改良在泥水加压式盾构中的使用十分有效：在盐碱性地层中 ( 膨润土将失去它的效用) 。粘性大和易膨化的粘土( 由刀盘切削下来的土颗粒将在 压力舱内粘结成团，进而堵塞刀盘土槽和泥水泵) 。压力舱内的水土分离问题。 ( 3 ) 硬岩掘进法( t b m ) 在硬岩掘进法中主要采用气泡抑制粉尘以及特殊的防磨损添加材料。采用的气泡足 够“干”和稳定以黏附尽可能多的粉尘颗粒。 2 2 2 应用于土压平衡式盾构的土体改良技术 0 l良蚤l1 01 0 0 土粒粒径d 【m m 】 图2 1 土压平衡式盾构法的适用地层 鳓始瓣髂鳓羚媳辩黔捻每 大于某粒径的土粒含量零v 土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究 根据最新的文献记载【26 | ，土压平衡式盾构法的适用地层范围如图2 1 所示。结果显 示，少于1 0 的粘土、1 0 6 0 的粉土和砾石( 细砾) 含量小于3 0 的土层到目前为止 被认为是适合使用土压平衡式盾法施工的。但是即使是在此范围内的地层，也必须通过 土体改良来降低粘性土的粘性或者增加砂砾土的塑性。同样，对于适用范围内的粉砂土， 土体改良技术在降低刀盘扭矩和减小刀具磨损方面有显著的效果。 应用于土压平衡式盾构的土体改良技术中，一般使用的添加材料大致可以分为以下 四类。这些材料有时各自单独使用有时组合使用，如图2 2 所示，各种材料的特性可归 纳如下f l 】【3 】【2 7 1 ： 使用兰一泥土化i ( 补充细粒成份) 吸收自由水， 提高止水性 粘结流动化， 减少分离 防止喷发、增粘 强化、防止粘附 提高流动性、止 水性、防止粘附 图2 2 添加剂的种类和使用目的 ( 1 ) 矿物类 矿物类添加材料其主材多使用膨润土、粘土、陶土等天然矿物。注入该类材料的目 的是补充微、细成份，使压力舱内土体的内摩擦角减小，促使其在土压作用下发生变形 和破坏，即流动性、止水性均有一定提高。 矿物类改良材料的浓度和注入量，可根据颗粒级配算出。矿物类改良材料的使用土 层范围宽，故在土压平衡式盾构施工早期被广泛应用。可是，和其它的添加材料相比需 要采用制泥装置和贮泥槽等大规模的设备。另外，有时渣土由于呈泥状而要将其作为工 业废弃物进行处理。 ( 2 ) 高吸水性树脂 高吸水性树脂的用料主要为高分子类、不溶性聚合物的高吸水性树脂( 可吸收为自 重几百倍的水的胶状材料) 。这种材料吸水但不溶于水，所以不会被地下水稀释劣化， 1 4 1。；，。，ji。 第二章土体改良技术在土压平衡式盾构中的应用 故在高水压的地层中使用这种材料可以防止地下水的喷出。 由于树脂填充土体颗粒间隙，减小了颗粒之间的摩擦，故提高了开挖土体的流动性。 但是，对于含盐浓度高的海水以及富含金属离子的地层，或是强碱( 如化学注浆区) 和 强酸性地层而言，吸水性能大为降低。另外，高分子树脂的自然分解需要很长一段时间， 所以有必要讨论盐类扩散的强制脱水和固化处理。 ( 3 ) 纤维类、多糖类和负离子类 添加材料是水中溶解的粘稠性的高分子类水溶性聚合物。首先是c m c ( 钠羧甲基 纤维素) 为代表的纤维类，此类改良材料可把土体颗粒间隙中的自由水挤走，使土颗粒 间发生粘结。 负离子类乳胶添加材料可在土体颗粒和水之间形成絮状凝聚物，使其发生粘结，从 而减小内摩擦角，提高流动性。 ( 4 ) 表面活性材料( 气泡剂等) 表面活性材料指的是特殊气泡剂，以及在气泡剂中添加的高分子水溶性聚合物，即 气泡添加剂。另外还应注意消泡剂的使用。 气泡剂与压缩空气产生的气泡和切削土经搅拌混合后，气泡挤走土体中的自由水， 并依靠气泡的支承作用，可以提高开挖土体的流塑性和止水性。同时，还可以防止泥土 的压密粘附。 到目前为止，所有解决土压平衡式盾构施工中遇到因土性不良产生的工程问题的技 术中，应该说最先进和发展最快的是采用表面活性材料，即气泡土体改良技术。从1 9 8 0 年问世以来截止至1 9 9 9 年，气泡盾构法的施工业绩3 7 0 例以上，施工总延长达3 8 0 k m 引。 这些工程中包括有长距离、大断面、薄覆土层、近接施工等各种艰难条件下的施工实例。 2 2 3 气泡改良技术的优点 气泡土体改良技术是利用发泡剂与压缩空气作用生成3 0 4 0 0 9 m 的气泡，注入到 土压平衡式盾构机的压力舱、刀盘和螺旋排土器内与开挖土体混合，对土性进行改良。 经过气泡改良后的土体，即气泡混合土，其流动性和止水性都都得到提高，并具有不粘 附于刀盘和压力舱内壁的特点。同时由于塑性的提高，进一步确保了开挖面的稳定。 归纳起来，气泡改良技术有以下优点【l l 【2 8 j ： ( 1 ) 对砂砾地层而言，由于气泡的支承作用使开挖土的流动性得以提高，故压力舱 内不会发生堵塞。另外，盾构机刀盘和螺旋排土器的扭矩也会减小，利于稳定掘进。 ( 2 ) 对硬质粘土等容易发生粘附的地层而言，由于气泡的存在防止了开挖土粘附刀 盘面板和压力舱内壁，利于正常开挖。 ( 3 ) 由于气泡可以置换土颗粒间隙中的水，因此开挖土的止水性得以提高，在地下 水位高的砂性地层中，“喷涌”现象可被抑制。 ( 4 ) 气泡具有压缩性，开挖土体改良后塑性提高，故开挖土压变动小，利于开挖面 土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究 的稳定。 ( 5 ) 盾构排出的气泡混合土的灭泡时间短。另外，因气泡混合土中的发泡剂含量不 多，故渣土易恢复到注入气泡前的状态，所以渣土处理容易。若要求迅速灭泡，则可采 用灭泡材料灭泡。 ( 6 ) 因不使用粘土、膨润土，故洞内、洞外均无污染，即工作环境良好。 ( 7 ) 气泡制造设备、注入设备与泥水平衡式盾构相比设备规模要小。 ( 8 ) 采用气泡改良法的土压平衡式盾构的排土量小，故处理费用少。 ( 9 ) 采用气泡改良法的土压平衡式盾构的施工可靠性好。 ( 1 0 ) 气泡剂、灭泡剂均对人体和环境无影响。 图2 3 气泡添加剂注入图 2 2 4 应用气泡改良技术的相关工程 正是由于气泡改良技术所具有的其它土体改良技术不可比拟的优点，在土压平衡式 盾构实际工程中以气泡作为土体改良添加材料的方法越来越受到青睐。在众多成功使用 气泡改良技术的工程中，以下选取两个典型的实例进行介绍： ( 1 ) 日本大阪的梅田共同沟隧道工程【l j ，隧道总长度9 2 0 m ，盾构机外径d e = 7 9 5 0 m m 。从进发竖井到离开进发竖井1 0 0 m 的前一段为冲积砂层和冲积粘土层的复合 层；从1 0 0 m 5 5 0 m 的中间段为洪积粘土和洪积砂砾层的复合层；剩下最后一段 3 7 0 m ( 5 5 0 m 9 2 0 m ) 为冲积砂砾土层和冲积粘土层的复合层。地层的渗透系数 1 0 q 1 0 m s ，最大地下水压为0 2 5 m p a 。 该工程的制约条件较多：近接地下结构物密布。本共同沟隧道九项重要结构物下 方穿过。易坍地层。开挖地层是均粒系数小的易坍的砂层、砂砾层，且属高地下水压 下的大断面盾构施工。交通量大的干道下方进行施工。该隧道工程是在大阪市交通量 最大的国道l 号正下方的大断面盾构工程，特别是进发基地地处大阪商业街、娱乐街中 心梅田新道交叉点横道的中央。作业场地狭窄。盾构进发基地位置受限只能设于l 号、 2 号国道的中央地带。该工程是一个占道条件、施工时间严格受限的工程。 1 6 第二章土体改良技术在土压平衡式盾构中的应用 盾构工法的选取。