EPB盾构掘进的土压控制.doc

epb盾构掘进的土压控制0o2姜8月6)journalof铁ra道ilw工aye程ngin学eer报ingsocietynaop2(se2r86第期(总)-?)文章编号:1006-2106(2005)o20045一o6epb盾构掘进的土压控制刘东亮.(中铁隧道集团有限公司,河南洛阳471009)提要:盾构法施工具有快速,安全,对地面建筑物影响小等诸多优点.在土压平衡盾构掘进过程中,如何合理设置和控制土压,对于控制地表沉降有着至关重要的意义.本文对土压控制的因素和策略及土压力的选择进行分析和探讨.关键词:盾构;推进;土压;控制中图分类号:u455文献标识码:a1概述土压平衡盾构简称epb(eaahpressurebalance)盾构,主要由盾壳,刀盘,刀盘驱动,螺旋输送机,管片安装机,人仓,推进系统等组成,见图1.epb盾构是在机械式盾构的前部设置隔板,使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土,依靠盾构推进油缸的推力给土仓内的泥土加压,使土压作用于开挖面以使其稳定.土仓内的土压通过传感器进行测量,并通过控制推进油缸的推力,推进速度,螺旋输送机转速来控制.213456781.刀盘;2.隔板;3.切口环(前盾);4.推进油缸;5.人仓;6.刀盘驱动;7.管片安装机;6.螺旋机图1土压平衡盾构2开挖面稳定机理开挖土仓由刀盘,切口环,隔板及螺旋输送机组成.epb盾构就是将刀盘开挖下来的泥土填满土仓,借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压,产生土压力,这一压力作用于整个作业面,使作业面稳定,刀盘切削下来的土碴量与螺旋输送机向外输送量相平衡,维持土仓内压力稳定在预定的范围内.当土仓内的土压力大于地层压力和水压力时,地表将隆起(图2);当土仓内的土压力小于地层压力和水压力时,地表将下沉(图3);因此土仓内的土压力应与地层压力和水压力平衡.3土压力的计算在设定土压力时主要考虑地层土压,地下水压(孔隙水压),预先考虑的预备压力.3.1地层土压在我国铁路隧道设计规范中,根据大量的施工经.收稿日期:2o050118刘东亮高级工程师男1964年7月出生epb盾构土压平衡原理地表面隆起地表面j-地下水位,缝,=/麓,-,:童莲荟薹-1,pw+pz<pi删图2土仓压力大于水压力及土压力之和.地面隆起铁道工程2005年4月蜃/<叶ijipw+pe>pt图3土仓压力小于水压力及土压力之和,地面下沉验,在太沙基土压力理论的基础上,提出以岩体综合物性指标为基础的岩体综合分类法,根据隧道埋深的不同,将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道.再根据隧道的具体情况采用不同的计算方式进行施工土压计算.3.1.1深埋隧道与浅埋隧道的确定深,浅埋隧道的判定原则一般以隧道顶部覆盖层能否形成自然拱为原则.深埋隧道围岩松动压力值是根据施工坍方平均高度(等效荷载高度)确定的.根据经验,深,浅埋隧道分界深度通常为施工坍方平均高度的2-2.5倍.hp=(2-2.5)hq式中深,浅埋隧道分界的深度;幻施工坍方平均高度,=0.45x2sto;js围岩类别,如类围岩,则s=3;一宽度影响系数,且(1(b一5);隧道净宽度,单位以m计.以b=5m为基准,每增减1m时的围岩压力增减率.当b<5m时,取i=0.2,b>5m,取i=0.1.3.1.2深埋隧道的土压计算在深埋隧道中,按照太沙基土压力理论计算公式以及日本村山理论,可以较为准确的计算出盾构前方的松动土压力.在实际施工工程之中,可以根据隧道围岩分类和隧道结构参数,按照我国现行的铁路隧道设计规范中推荐的计算围岩竖直分布松动压力q的计算公式:q=0.45x26-sytor围岩容重地层在产生竖向压力的同时,也产生侧向压力,侧向水平松动压力的计算见表1.表1侧向水平松动压力计算围岩分类vi水平松动压力0(o-1/6)q(1/61/3)q(1/31/2)q(1/2-1)q3.1.3浅埋隧道的土压计算3.1.3.1静止土压静止土压为原状的天然土体中,土处于静止的弹性平衡状态,这时的土压力为静止土压力.在任一深度h处,土的铅垂方向的自重应力为最大主应力,而水平应力为最小主应力,如图4所示.-/=伽hh3图4静止土压的计算cr,=k0cr,=koth式中:.-侧向土压力系数,ko=v/1一u,u为岩体的泊松比.一般采用下列经验公式计算.(1)经验值:砂层中,ko=0.340.45;粘土地层中,ko=0.5-0.7.(2)经验公式:jaky公式(砂层),ko=1-sin;brooker公式(粘性土层),.=0.95-sin.式中p,p为土的有效内摩擦角.(3)日本规范:日本建筑基础结构设计规范建议,不分土的种类,.均为0.5.计算地面以下深度为.处的地层自重应力,等于该处单位面积上土柱的质量.如图5所示:0000j图5土的自重应力分布cr=71h1+wh2+3+诎=式中第i层土的天然容重(单位kn/m),在地下水位以下一般采用浮容重;h第i层土的厚度(单位m);n从地面到深度0处的土层数.3.1.3.2主动土压力与被动土压力在浅埋隧道的施工过程中,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.盾构推进时,如果土压力设置偏低,工作面前方土体向盾构刀盘方向产生微小移动,土体出现向下滑动第2期刘东亮:epb盾构掘进的土压控制47趋势,为阻止土体的下滑趋势,土体抗剪力增大,当土体的侧向应力减小到一定程度,土体的抗剪强度达到一定值,土体处于主动极限平衡状态,与此相应的土压力称为主动土压力.主动极限平衡被破坏,地面将下沉.如图6所示.图6土体主动极限平衡被破坏产生地面下沉盾构推进时,如果土仓压力设置偏高,刀盘对土体的侧向应力逐渐增大,刀盘前方土体出现向上滑动趋势,为抵抗土体向上滑动,土体抗剪力逐渐增大,处于被动平衡状态,与此相应的土压力称为被动土压力.被动极限平衡被破坏时,地面将隆起.如图7所示.图7土体被动极限平衡被破坏产生地面隆起3.1.3.3主动土压力与被动土压力计算根据盾构的特点及盾构施工的原理,采用朗金理论计算主动土压力与被动土压力.当盾构推力偏小,土体处于向下滑动的极限平衡状态,具体如图8所示.和图8主动土压力计算此时土体内的竖直应力相当于大主应力o1,水平应力相当于小主应力.水平应力为维持刀盘前方的土体不向下滑移需要的最小土压力,即土体的主动土压力.画出土体的应力圆(图9),此时水平轴上处的点与应力圆在抗剪强度线切点的连线和竖直线间的夹角为破裂角.由图9可知:jl丁一一图9主动土压力应力圆/3=1/2enm=i/2(90.一p)=45.一tp/2(7=(=o,tan(45.一q/2)一2etan(45.一d/2)式中一深度为z处的地层自重应力;c土的粘着力:z地层深度;一地层内部摩擦角当盾构的推力偏大,土体处于向上滑动的极限平衡状态,如图l0所示./e,f一i蕾ll一2crhkp+2ckpkp图10被动土压力的计算此时刀盘前方的土压力相当于大主应力or1,而竖向应力相当于小主应力.画出土体的应力圆(图l1),当应力圆与抗剪强度线相切时,刀盘前方的土体被破坏,向前滑移.此时作用在刀盘上的土压力即土体的被动土压力.i/一一a图11被动土压力应力圆jl_.48铁道工程2005年4月破裂角/3由图可知:/3=1/2enm=i/2(90.+)=45.+p/2:=tan(45.+q/2)+2ctan(45.+q/2)式中深度为z处的地层自重应力;c土的粘着力;z地层深度;地层内部摩擦角.3.2地下水压力计算当地下水位高于隧道顶部时,由于地层中孔隙的存在,从而形成侧向地下水压.地下水压力的大小与水力梯度,渗透系数,渗透速度以及渗透时间有关.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.在掘进中,由于刀盘的开口率一般为2030%,刀盘有70-80%的支挡结构,随着盾构不断往前推进,土仓内的压力介于原始的土压力值附近.加上水在土中的微细孔中流动时的阻力.故在掘进时地层中的水压力可以根据地层的渗透系数进行酌情考虑.当盾构因故停机时,由于地层中压力水头差的存在,地下水必然会不断的向土仓内流动,直至将地层中压力水头差消除为止.此时的水压力为:o-=qx式中g根据土的渗透系数确定的一个经验数值,砂土中q=0.8-1.0,粘性土中q=0.30.5;一水的容重;地下水位距离刀盘顶部的高度.在实际施工中,由于管片顶部的注浆可能会不密实,故地下水可能会沿着管片外部的空隙形成过水通道,当盾构长时间停机时,必将形成一定的压力水头.仃w.g砂浆,式中q砂浆根据砂浆的渗透系数和注浆的饱满程度确定的一个经验数值.一般取q=0.81.0:r水的容重;补强注浆处和刀盘顶部的高差.在计算水压力时,刀盘后部的水压力仃与刀盘前方的水压力取大值进行考虑.3-3预备压力由于施工存在许多不可预见的因素,致使施工土压力小于原状土体中的静止土压力.按照施工经验,在计算土压力时,通常在理论计算的基础之上再考虑100-200n/m的压力作为预备压力.4土压平衡控制策略盾构在粉质粘土,粉质砂土和砂质粉土等粘性土层中掘进时,由刀盘切削下来的泥土进入土仓后,对开挖面地层形成被动土压力,与开挖面上的主动土压力相抗衡.在土仓和螺旋输送机内有足够多的切削土体时,产生的被动土压力即可与开挖面上的主动土压力大致相等,使开挖面的土层处于稳定.在土仓的土压与开挖面的土压保持平衡的状态下,盾构向前推进的同时,启动螺旋输送机排土,使排土量等于开挖量,即可使开挖面的地层始终保持稳定.排土量一般通过调节螺旋输送机的转速和闸门的开度予以控制.在粘性土层推进时,当含砂量超过某一限度时,泥土的塑流性明显变差,土仓内的土体因固结作用而被压密,导致碴土难以排送,可向土仓内注水或泡沫,泥浆等,以改善土体的塑流性.在砂性土层中施工时,由于砂性土流动性差,砂土的摩擦力大,渗透系数高,地下水丰富等原因,土仓内压力不易稳定,所以需进行土碴改良.向开挖的土仓里注入膨润土或泡沫剂,然后进行强制搅拌,使砂质土泥土化,具有塑性和不透水性,使土仓内的压力容易稳定.土压平衡控制的要点就是维持开挖面稳定,确保土仓内的土压力平衡开挖面的地层土压力和水压力.epb盾构开挖面的稳定由下列各因素的综合作用而维持:(1)适当的推进速度使土仓内的土压力平衡地层压力和水压力.(2)通过调节螺旋输送机的转速和闸门开度调节排土量.(3)适当保持泥土的流动性,根据需要调节添加剂的注入量.epb盾构以土压力为控制目标,通过将盾构土仓内的实际土压值与设定土压值进行比较,依此压差进行相应的排土管理,其控制流程如图12所示.设定土压值应控制在以下范围内:(水压力十主动土压力)<(水压力+被动土压力)图l2土压控制流程图第2期刘东亮:epb盾构掘进的土压控制494.1推进速度的控制推进系统采用比例控制系统,实现推进速度和推进方向的控制.见图13.(1)推进速度控制通过力控来实现,即推进速度的控制由推力的大小来决定.(2)按照相同比例系数升(降)推进油缸的旁路比例溢流阀的压力.(3)按照相同的比例开大(关小)比例调速阀的开度.(4)升高或降低系统压力,以适应推进压力升降的要求,在满足比例调速阀开度变化引起的系统流量的变化的同时,又要保证系统压力比较低,以减少功率损失,降低发热量.当三参数协调的情况下,仅调高旁路压力(推进压力),推进速度基本不变,即使系统plc自动适应比例调速阀的开口也是如此,这时仍需调节控制面板速度旋钮,使油泵出口压力适应推进压力升高要求后,使调速阀进入正常工作状态,进而推进速度开始变化.为了保证旁路比例溢流阀正常工作(在设定压力点稳定工作),必须向比例溢流阀提供最小稳定流量q.在设定压力下应产生对应的推进速度,在该速度下进入推进油缸的有效流量q.,这时比例流量阀所提供的最小流量为q=q+q.影响q的因素有:比例流量阀前后压差p,比例流量阀开口大小应与流量要求相适应,以降低系统的压力,从而提高系统的效率.由于旁路流量阀的存在,这里推进速度的大小不取决于比例调速阀,而是取决于旁路比例溢流阀的设定压力.比例调速阀的作用是满足一定速度下的流量要求,为降低系统压力提供条件,为实现各组推进油缸的流量分配提供条件.(5)推进方向的控制由推进力的周向分布变化而产生合成力的位置相对于盾体向合力偏移方向的反方向产生变向运动,从而实现方向控制.4.2螺旋输送机转速及闸门开度的控制图l3推进系统液压控制原理图通过控制螺旋输送机转速或闸门开度来控制出土量.螺旋输送机是土压平衡盾构的重要组成部分,主要有以下三个功能:(1)将盾构土仓内的土体向外连续排出.(2)切削土体在螺旋输送机内向外排出过程中形成密封土塞,阻止土体中的水分散失,保持土仓压力的稳定.(3)将盾构土仓内的实际土压值自动与设定土压值比较,随时调整向外排土速度,使盾构土仓内实现连续的动态土压平衡,确保盾构连续正常向前掘进.5结束语epb盾构主要应用在粘稠土壤中,该类型土壤富50铁道工程2005年4月含粘土,亚粘土或淤土,低渗透性.这种土质在螺旋输送机内压缩形成防水土塞,使土仓和螺旋输送机内部产生土压力来平衡掌子面的地层土压力和地下水压力.epb盾构用开挖出的泥土作为支撑开挖面稳定的介质,对作为支撑介质的土体要求具有良好的塑性变形,软稠度,内摩擦角小及渗透率小的特性.当土壤不满足这些特性时,通过加水,膨润土,粘土,cmc,聚合物和泡沫等,进行土质改良,epb盾构的应用范围可以扩大到非粘性土层和砂性土层.epb盾构具有适应土层范围广,掘进速度快,施工安全,工程质量好的优点,目前通过在各种不同地层中施工,积累了一定的经验,但由于工程地质的复杂性以及盾构掘进中各方面突发因素,对盾构掘进参数的控制与管理尤其重要,只有协调处理各种参数和反馈信息,才能充分发挥设备效率.参考文献朱伟.隧道标准规范(盾构篇)及解说mi.北京:中国建筑工业出版社.2o01.李建斌,陈馈.先进机械施工技术及案例fj1.洛阳:中铁隧道集团有限公司,2o03.周文波.盾构法隧道施工技术及应用m】.北京:中国建筑工业出版社.2o04.soilpressurecontrolforepbshieldexcavationliudong-liangtunnelengineeringgroupco.ltd.ofchineserailwayabstract:theconstructionbyshieldexcavationmethodhastheadvantagesofrapidness,safetyandlessinfluenceonbuildingsaboveground.howtoreasonablysetandcontrolsoilpressureduringshieldexcavationwithbalanceofsoilpressureisvitaltocontrolofsurfacesettlement.this