（岩土工程专业论文）土压平衡式盾构施工闭塞问题的发生机理及防治措施研究.pdf

摘要 近些年来我国城市地铁建设迅速发展，盾构施工法作为一种安全而又环保的旖工方法得 到了广泛的使用，另外在黄浦过江隧道，西气东输的穿黄隧道等工程也在使用盾构隧道施工 技术。这其中土压平衡式盾构在我国的使用最为普遍，成为地铁隧道施工技术的主流。土压 平衡式盾构旖工成功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”。但是，如果地层是粘粒含量较少的卵石层、砂土地层、风化岩地层，进入压力舱的 土体就很难形成这种“塑性流动状态”，从而严重阻碍施工进程甚至造成旄工事故，闭塞就 是常见的一种施工障碍，已经引相关方面的重视。 目前关于闭塞的研究普遍存在几个盲区：1 ) 对闭塞的定义，即究竟在盾构的掘进中哪些 发生的现象是闭塞：2 ) 闭塞的发生机理，即闭塞到底是如何发生的：3 ) 影响闭塞发生的主 要影响因素；4 ) 闭塞发生后应该如何有针对性的采取处理措旅。对于以上四点，国内外的研 究几乎是空白，虽然在不少施工实例中出现过对闭塞现象的关注，但是没有去探究它的发生 条件、影响因素与压力舱土体的内在联系，对闭塞采取的防治更是普遍依靠工程经验，既影 响工期又增加投资。 本文针对以上种种问题，作了以下方面的工作： i ) 阐明了土压平衡式盾构压力舱土体的初始状态和理想状态，并对常见施工故障的机理 进行了简单的分析； 2 ) 通过对盾构压力舱土体受力状态分析，建立压力舱土体成拱模型，在此基础上推导了 压力舱土体成拱系数a 的表达式；通过分析压力舱土体成拱系数i ，探讨了闭塞这种施工难题 的发生机理和发生条件：对影响闭塞的一些相关参数，分析了其敏感性，为有效的防治闭塞 提供了理论依据； 3 ) 结合地质条件，主要从土体的内摩擦角以及颗粒级配等基本土性参数出发，对各种盾 构掘进遇到的土体发生闭塞的可能性进行了评价。 4 ) 开发研制出适合盾构用的气泡剂，在室内试验的基础上，提出了广州地铁盾构隧道工 程施工中防治闭塞的土体改良方案。 关键词土压平衡式盾构 土拱效应气泡 闭塞 防治 机理 成拱系数 a b s t r a c t a st 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 de n g i n e e r i n g ，s h i e l dt u n n e l i n gm e t h o di sb e c o m i n ga c o m p r e h e n s i v ew a y t ob u i l dt h es u b w a ye n g i n e e r i n gw i t hs a f e t ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n t h e f a m o u sp r o j e c to f g a st r a n s i t i n gw e s tt oe a s ta n dt h ec r o s s r i v e rt u n n e lo f h u a n g b ur i v e ri n s h a n g h a ia l s o w i l lb ec o n s t r u c t e dw i t ht h i st e c h n i q u e ，w h i c hi su n d e rt h ep l a na m o n gt h es h i e l d t u n n e l i n gm e t h o d s ，u p t on o w ，e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l dt u n n e l i n g ( e p b s ) i st h em o s t u n i v e r s a lt y p e ，a n di ti sv e r yc e r t a i nt h a tt h ee p b sm e t h o da d o p tt oo u rc o u n t r yi n c r e a s i n g l yt h e k e yf a c t o rt os u c c e s si ne p b s i sc o n v e r t i n gt h em u c kw h i c hi si a c ko f f l u i d i t ye x c a v a t e df r o mt h e c u u e rf a c et ot h e p l a s t i c i t ys o i l b u tw h e nt h es h i e dt u n n e l i n gm a c h i n e a d v a n c i n g ，i ti sc o n s i d e r a b l y d i f f i c u l tt or e a c ht h i sr e q u i r e m e n tb e c a u s eo f t h eg r o u n ds o i lc o n d i t i o n ，w h i c hi sc o n s i s to fs t i f fc l a y s i l t ，w e a t h e r e dr o c k , a n ds oo na s w e k n o w ，w h e nm e e t i n gt h e s es o i l s ，m a n yb r e a k d o w na n d d a n g e rw i l lo c c u r ，s u c ha st h eb l o c k i n g s ，w h i c hh a sa t t r a c t e da t t e n t i o no fm a n yc o n s t r u c t i o n p e r s o n a lo ns i t e h o w e v e r ，a tp r e s e n t ，t h e r ee x i s tm a n yu n k n o w nf i e l d si nb l o c k i n gf i r s t l y ，t h ed e f i n i t i o no f b l o c k i n gi sn o ti n t e r p r e t a t i v e w h e nt h em a c h i n ed r i v i n g ，i tm u s tb ei d e n t i f i e dw h a ta c c i d e n ti s b l o c k i n gs e c o n d l y ，t h em e c h a n i s m o ft h eb l o c k i n g ，a n dt h a tm e a n s w h y t h i sp r o b l e mo c c u r r e d t h i r d l y ，t h ee f f e c t e df a c t o ro f t h eb l o c k i n g l a s to n ei sh o w t op r e v e n to rc u r et h e b l o c k i n ga n dt h e q u a n t i t a t i v em e a s u r e i sn o tp u tf o r w a r d y e ta s t ot h ef o u ri t e m sa b o v e ，t h es t u d yi nh o m ea n d o v e r s e ai sa l m o s tv a c a n ta tp r e s e n t a c c o r d i n g l y ，t h i sp a p e r e m p h a s e sa r ep l a c e di nt h e s eu n f a t h o m e dp r o b l e m ，a n dt h ew o r ka n d r e s e a r c hh e r e i n a f t e rw a sd o n e ： 1 ) t h e i n i t i a la n dp e r f e c ts t a t eo fs o i li np r e s s u r ec h a m b e rw a s b r o u g h tf o r w o r d ，a n ds o m e r e a s o na b o u tb r e a k d o w no rp r o b l e md u et os o i lc o n d i t i o nw a s a n a l y z e dc o n c i s e l y 2 ) a i m e da tt h eb l o c k i n g ，t h em e c h a n i s mo f t h i sp r o b l e mi ss t u d i e dt h ed o m i n gm o d e lo fs o i l i np r e s s u r ec h a m b e ri sb u i l ta n d c o n s e q u e n t l y ，t h ee x p r e s s i o n & d o m i n gc o e f f i c i e n t ( 1 ) i sp u t f o r w a r db a s e do nt h em o d e l ，t h et e r m sa n dc o n d i t i o n so f t h e b l o c k i n g i sa p p r o a c h e da c c o r d i n gt o a c t u a lc a s e so f t h ef a c t u a lt u n n e l i n gp r o j e c t a n dt h es e n s i t i v i t yo f t h ep a r a m e t e r i n f l u e n c i n gt h e b l o c k i n g i sa n a l y z e ds ot h et h e o r e t i c a lb a s i so fe f f e c t i v ep r e v e n t i o na n dc u r ei sg i v e n 3 ) t h ep o s s i b i l i t yr e g i o n so f b l o c k i n go c c u r r i n ga r ed i v i d e di na l l u s i o nt ot h ed i f f e r e n ts o i l c o n d i t i o n ，w i t hw h i c hm a yb em e ti ne p b sc o n s t r u c t i o n 4 ) t h e f o a mo fs h i e l dt u n n e li sd e v e l o p m e n t ，t h ep r e v e n t i o na n dc u r e & s h i e l d t u n n e li n g u a n g z h o u i sg i v e nb a s e do nt h ee x p e r i m e n t s k e y w o r d ：e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l dt u n n e l i n g ( e p b s ) b l o c k i n gm e c h a n i s m s o i la r c h i n ge f f e c tf o a m p r e v e r t t i o n a n d c u r e d o m i n g c o e f f i c i e n t i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 1 1 1 盾构旖工法的历史 盾构法是建造城市地下隧道卓有成效的施工方法之，迄今已有近1 9 0 年的 历史。早期使用的盾构，在地下掘进时，为保持开挖面的土层稳定，一般都在隧 道内施加压缩空气或降低隧道沿线地下水位，甚至采用化学注浆开挖面土体加固 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，用泥浆代替气压，旌 工效率高，安全可靠，大大提高了施工质量，是一种划时代的盾构施工新技术。 但是泥水加压式盾构需要一套泥水分离设备，存在占地面积大和设备费用高等缺 点。为了弥补泥水加压式盾构的不足，1 9 7 4 年日本i h i 公司开发研究了直径3 7 2 m 的土压平衡式盾构，应用于日本东京修建下水道工程中，在含水砾层中修建 1 8 6 6 m 的隧道，取得了成功。以后经过大量的工程实践和技术改进使土压平衡 式盾构技术目趋完善，在技术和经济方面取得良好效果。土压平衡式盾构作为近 2 0 年多年发展起来的一种技术先进的新型隧道施工机械，其应用封闭式平衡原 理，能适应从软弱粘性土到砂和砂砾土广泛范围内的各种土层隧道施2 1 1 1 ”，得到 广泛应用，并成为城市地铁隧道施工的首选设备。 1 1 2 土压平衡式盾构技术的应用现状 根据日本对不同盾构机型的统计资料，从1 9 6 4 年到1 9 7 4 年的1 0 年间，与 气压施工法同时使用的手掘式盾构占3 4 ，从1 9 7 4 至1 9 8 4 年的这十年间，这种 盾构逐渐减少，泥水式和土压平衡式等机械挖掘式盾构不断增加。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( 其中9 6 是日本的工程) ， 从1 9 8 0 至1 9 8 5 年的这六年间，密闭型盾构机从1 9 8 0 年占各种类型盾构机的6 0 激增至8 6 ，特别是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，资料统计的截至1 9 9 5 年上海市 隧道工程施工中使用的盾构法的情况( 共5 9 台) 如图1 - 1 所示。 一 墨二兰篁笙 一一 _ # _ - _ _ - - _ - _ _ _ _ 一 一 图1 1上海市使用盾构法施工的情况( 截至1 9 9 5 年) 土压平衡式盾构方法，通过大量的工程实践，大大显示出技术经济上的优越 性，因而得到了快速的推广和发展。 1 1 3 土压平衡式盾构机的工作原理 图1 2 所示为土压平衡式盾构机基本结构和工作原理简图9 1 。 开挖面 土水压力 密封压力舱 盾构千斤顶 管片拼装机 图1 2 土压平衡式盾构机基本结构和工作原理简图 土压平衡式盾构主要由盾壳、刀盘、盾构千斤顶、螺旋排土器、管片拼装机 以及盾尾密封装置等组成。它是在普通盾构的基础上，在盾构中部设置一个密封 的隔板，把盾构开挖面和与隧道截然分开，使密封隔板和开挖面土层之间形成一 个密封泥土舱，又称压力舱，刀盘在泥土舱内工作。同时通过密封隔板装有螺旋 排土器，当盾构由盾构千斤顶向前推进时，由刀盘切削下来的渣土充满压力舱和 螺旋排土器壳体内的全部空间，同时依靠充满的渣土来支护开挖面上的土水压 力。另外可通过调节螺旋排土器机转速控制排土量，或通过调节盾构千斤顶的推 进速度控制开挖土量，是盾构开挖土量和排出土量保持或接近平衡，以保持开挖 一 丝二兰堕丝 - ，_ _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ - 一一一 面地层的稳定和防止地面变形。但是由于土质特性和工作压力不同，螺旋排土器 排土效率亦不同；盾构工作时，实际上是通过调节开挖土量或排出土量来直接控 制密封压力舱的压力，使其与开挖面土层的土、水压力相平衡，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理。 刀盘压力舱螺旋排土器承压隔板千斤顶管片盾尾 图1 3 土压平衡式盾构机掘进示意图 1 1 4 土压平衡式盾构施工法的开挖面稳定 土压平衡式盾构机稳定开挖面稳定的机构有以下特征f ”： 使刀具切下来的土砂呈塑性流动状态，充满压力舱以控制开挖面： 用螺旋排土器来调整排土，使排士量与切削土量保持平衡，并使压力舱 内的土砂有定的压力，以抵抗开挖面的土压力，水压力； 用压力舱和螺旋排土器内的土砂获得止水效果。 因此，为了保证开挖面的稳定，重要的是要使开挖下来的土砂具有塑性流动 性，并使土砂确实充满压力舱内，同时还应使开挖下来的土砂具有止水性。 当考虑土压平衡式盾构施工法的开挖面稳定时，有必要将地基条件分为以下 两类： 内摩擦角小、易流动、渗透系数小的粘性土地基； 内摩擦角大、流动性差、渗透系数大的砂性土地基。 ( 一) 粘性土地基的开挖面稳定机构 在粉质砂层和砂质粉土层等粘性土地基开挖时。由切自4 刀头切下的土砂一般 比原地基强度低，具有塑性流动性。即使是粘着力大不易流动的土，一般由于切 削刀头和螺旋输送机的搅拌作用，以及向压力舱内注水等也可使之具备流动性。 就止水性而言，因粘性土的渗透系数较小，故无什么问题。其次是必须使压力舱 内的土砂具有一定压力，以便与开挖面的水压力和土压力相抗衡。配合挖掘速度， 第一章绪论 通过调整螺旋排土器的转速以及排土闸门的开口度，使开挖土量和排土量平衡， 以保持土压力的稳定。一般都在压力舱内壁布置土压力传感器来控制开挖面压 力。但应注意，有时因流动性差而无法准确测量压力舱内的土压力。 另外，如压力舱内土砂过多，粘性土将会压密固化，开挖、排土均无法进行， 此时需注入外加剂如气泡等。 ( 二) 砂性土地基的开挖面稳定机构 由于砂性土和砂砾土内摩擦角大，土的摩擦阻力大，故难以获得好的流动性。 当切削下来的土充满土压力舱和螺旋输送机内时，将使切削刀头转矩、螺旋输送 机转矩、盾构千斤顶推力增大，甚至使开挖、排土无法进行。另外，此类地基渗 透系数大，仅靠压力舱和螺旋输送机内的压缩效应不可能完全止水，在开挖面水 压高时，排土闸门处易出现喷涌现象。因此，对这类地基，通常采用给开挖面或 压力舱内注入外加剂和加装搅拌叶片进行强制搅拌等方法，以使开挖土具有流动 性和止水性；通过设置旋转叶片进行机械处理或在螺旋排土器的末端设反压装置 来解决止水性问题。 与粘性土地基一样，通过控制开挖量和排土量来平衡开挖面的水压力、土压 力，亦可达到保持开挖面稳定的目的。 1 2 本文的研究目的和意义 1 2 1 土压平衡式盾构在我国的使用最为普遍，是一种适合我国国情的盾构型式 我国己在上海地铁，黄浦江过江隧道等工程中使用了盾构技术，现在正在建 造的北京地铁、广州地铁、深圳地铁、南京地铁和西气东输的穿越长江隧道等工 程都在使用盾构隧道施工技术。论证中的南水北调中线工程的穿黄隧洞也有采用 盾构施工的隧涵方案。由于使用盾构隧道旌工技术可以在不干扰城市正常功能的 前提下快速施工因此必将成为未来城市地下工程不可缺少的施工方法，同时作 为一种最为适合于穿越江河的隧道施工技术，在未来的公路、铁路和水利工程中 也将会起到重要的作用i l 】。 城市隧道的施工方法很多，当前世界上广泛采用的是可以在保证围岩应力不 释放的前提下进行开挖施工的闭胸式盾构。在闭胸式盾构中又可分为土压平衡式 盾构和泥水加压式盾构两种。土压平衡式盾构主要是将开挖下来的土体在压力舱 内搅拌，使其形成一种塑性流动状态，然后通过千斤项的推进力和控制螺旋式排 土器的排土量给这种土体施加压力，使其与开挖面上的土压力和水压力进行平 衡，可在保证开挖面稳定的前提下进行隧道施工。泥水加压式盾构是将压力舱内 充满泥浆，通过调节泥浆压力与开挖面上的土压力和水压力进行平衡，从而进行 施工的方法。由于泥水加压式盾构机造价较高且需要对输出的泥浆进行额外的处 4 第一章绪论 理，故在国内使用不多。土压平衡式盾构不但造价较为便宜，而且可采取向压力 舱内注入添加材料调节压力舱内土体性质方法，适用于从软粘到坚硬砂砾层等 多种地质条件，因此在我国的各种工程中得到了广泛的应用，成为我国盾构隧道 技术的主流。 据有关资料预测i ”，在未来的1 0 年内，国内对盾构机的需求将不断增加， 其中土压平衡式盾构机将占据主要地位( 参见图1 - 5 ) 。 1 2 0 寸 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 土压平衡式泥水加压式其他娄型 图1 - 5 未来1 0 年内对于国内盾构机需求量的预测 1 2 2 不同条件下的土体改良技术凸现重要 土压平衡式盾构施工成功的关键是要将开挖面开挖下来的土体在压力舱内 调整成一种“塑性流动状态”。如果地层是相似于上海的淤泥质粘土层的话，只 要在压力舱内通过旋转翼板搅拌，就可满足这种状态顺利进行施工。但是，如果 地层是粘粒含量较少的卵石层、砂土地层、风化岩地层，进入压力舱的土体就很 难形成这种“塑性流动状态”，从而给施工带来困难。压力舱闭塞、压力舱结饼 和螺旋排土器出口处的喷涌就是施工中因为土性不良导致的常见故障i8 1 。 这几种盾构隧道施工难题在广州地铁，上海地铁，深圳地铁，南京地铁的施 工中都曾经发生过。在国外，日本对这方面事故的纪录也较多。广州地铁因为闭 塞问题严重地影响了施工工期；上海明珠线2 期工程遇到粉砂地层，由于压力舱 内压力失控，造成地面隆起和扭矩上升，严重地影响了旋工进度；深圳地铁也由 于压力舱结饼而不得不停机开舱处理，由此引发地面塌陷等问题对工程产生了重 大影响；南京地铁盾构试验段也因遇到流砂层发生过施工控制困难。 综上所述，如何针对地层的条件添加适合于土层的添加材料，使压力舱内土 体形成有利于施工的“塑性流动状态”是土压平衡式盾构的技术关键。 1 2 3 对闭塞的理论研究落后与工程实践 在国内，闭塞现象虽然时有发生，并已经引起施工人员和一些研究人员的主 意，但目前还没有人对闭塞做过专门性的研究。目前国内对于闭塞的认识和处理 第一章绪论 存在以下几点不足： f 1 ) 对闭塞的定义：即究竟在盾构工程的掘进中那些现象的发生是闭塞? f 2 1 闭塞到底是如何发生的，即闭塞的发生机理? 对于闭塞发生的条件和临 界条件是什么，影响闭塞的相关因素有哪些，目前还缺乏有针对性地研究。 f 3 ) 闭塞发生应该如何针对不同的施工土体采取防治措施? 在添加材料的选 择和用量上，也同样缺乏理论上的指导。而这一点最好有室内实验成果的支撑。 在国内，目前由于尚不能定义调整后的土体的参数达到什么样的状态会防止 闭塞的发生，所以在施工前一般凭经验确定添加材料的种类和数量。这样往往达 不到预期的效果，很多工程都是在施工中反复进行添加试验和摸索，既影响了工 期又增加了投资。在国外，即使盾构技术较为先进的日本，也主要依靠大量的施 工经验，通过经验类比确定添加材料的种类和添加量。 通过分析可以看出：从理论上明确什么样的土层注入什么样的添加材料，达 到什么样的调整效果以及对施工的改善程度已经成为解决这一问题的当务之急。 1 2 4 闭塞对于工程的危害促使其研究已经势在必行 刘仁鹏在文献【 】其研究中指出：使用土压平衡式盾构在砂砾层施工时，如果 压力舱内土体不能保持塑性流动化状态，导致的一些施工难题会对盾构工程造成 危害。 根据日本隧道协会的调查报告，土压平衡式盾构的施工故障中，有半左右 是由结饼引起的，3 8 5 是由“闭塞”引起，1 1 5 是由“喷涌”引起，故障的调 查结果可以参见图1 7 。 图1 7日本土压平橱式盾构施工中故障统计 盾构施工土层地质条件的复杂性，以及盾构朝着大直径、大埋深，长距离的 方向发展，使得发生所引起的危害性也越来越大。因此，研究闭塞的发生机理， 有针对性的采取措旌来防治和减少这种事故的发生，已经是一件亟待解决、迫在 眉睫的事隋。 1 3 国内外研究现状及工程实例 前面已经提到，关于如何调整压力舱内土体达到塑性流动状态，一般依靠注 入水、泥浆、气泡等材料进行调整。同样，针对闭塞的发生，目前的防治措施也 主要在于调整土体的参数。 在欧盟的一部关于使用盾构隧道掘进添加材料产品的技术规范中已建议采 用一些常规试验1 9 1 ，如圆锥贯入试验、十字板剪切试验或坍落度试验等对添加材 料的配合比进行预先试验：而日本施工单位则多采用坍落度试验确定添加材料的 配合比后掺入土体来预防闭塞的发生 2 l 】，说明国外已经意识到这一问题的重要 性。但是这些土体调整到什么样的参数不会发生闭塞，目前的相关研究还没有给 出定论。 由于国内缺乏相关性的研究，所以资料的收集主要集中在国外的相关研究。 1 3 i 国外学者相关的试验研究 f 1 1 荷兰学者a b e z u i j e n 等【1 8 】制作了一个直径5 0 c m ，高1 2 5 c m 的模型压力舱， 盖板上设置- j 力n 载装置和排土装置，容器中央插入旋转翼并可向土中注入添加材 料。使用这一装置对推进时压力舱内的土压力分布和剪切抗力进行了试验研究。 同时也对砂土中加入气泡后形成的混合土体的渗透性、压缩性、粘滞性及空隙压 力进行了相关研究。得到渗透性和气泡添加量有直接的关系，剪切抗力与混入气 泡后的孔隙率有关等结论。 ( 2 ) 法国目前正在进行的研究项目【i “，里尔机械实验室决定研究土压平衡式 盾构掘进中的气泡作用。试验分两部分：第一部分研究气泡特性( 稳定性、发泡 率、可压缩性) ；第二部分研究气泡混合土体( 气泡与土体的混合物) 的特性。 已有的试验结果表明，气泡有助于改善土压平衡式盾构在砂土中的掘进性能。 ( 3 ) 英国盾构和顶管工业协会组织牛津大学和剑桥大学的科研力量对盾构用 添加剂混合土体的性质进行了研究。其中，牛津大学的m i g u e lp e n a t 3 0 1 和s o t i r i s p s o m a s 【1 1 对气泡混合砂土的强度和压缩性进行了研究，s o t i r i sp s o m a s 采用实验 室自制的气泡剂，结果显示加入气泡以后砂土的内摩擦角有较大的降低：m i g u e l p e n a 采用了协会提供的多种气泡剂，结果显示砂土的内摩擦角有一定的降低， 但是幅度很小。剑桥大学的x a v i e r b o r g h i 口9 j 同样采用了协会提供的多种气泡剂对 气泡混合粘土的强度进行了研究，结果显示高分子材料的加入对强度降低起重要 的作用。 ( 4 ) 日本学者桥本正【2 4 1 等从保持开挖面上适当的土压力，以维持开挖面稳定 的角度，使用压力舱的模型对应力传递进行了研究。将l o o c m 直径、5 8 c m 高度 的刚性圆筒的顶板设计为活塞状，通过在顶板上加载，实测压力舱前面和侧面土 第一章绪论 压力的变化，并对不同加压速率下的开挖面应力进行了研究。 r 5 ) 日本学者柳浩敏2 5 1 等从压力舱内的混合效果出发，将土压平衡式盾构压 力舱内的土体考虑为宾汉姆流体和非宾汉姆流体的两种，用差分法对土体的流动 状态进行了计算，指出搅拌翼外侧的部分易于发生土体停滞，引起“闭塞”现象 发生。但尚未能对不同土体的流动性出发讨论土体性质与流动状态的关系。 ( 6 ) 日本学者佐佐木1 2 6 1 等使用有限单元法，对压力舱内土颗粒的运动规律进 行了计算，此研究只考虑土颗粒之间的摩擦系数，所以只能反映单粒土的运动规 律。 1 3 2 与本研究相关的国外工程 ( 1 ) p e r o n 年1 m a r c h e s e l l i ”l 在1 9 9 4 年首先对在砂砾土层使用气泡的情况进行 了介绍，施工实例是意大利国内的一条直径8o m 盾构隧道。土压平衡式盾构中气 泡系统的迅速发展则得益于日本的o b a y a s h i 公司。 在该盾构隧道工程中，所使用气泡溶液中一般含有1 5 的气泡发生剂和 o7 左右的纤维聚合物稳定剂，发出的气泡中则大致含有1 0 0 升的气泡溶液和6 0 0 升的压缩空气( 在0 1 9 m p a 的大气压下铡得的比例) 。气泡注入比在较干的砂土 中大致为6 0 到8 0 ，在饱和含水砂层中气泡注入比则只需要5 0 到6 0 。 ( 2 ) m a u r o y mj 在1 9 9 8 年他的论文中引用了一个成功使用气泡作为土体改良 剂的实例，该工程隧道直径为77 m ，地层为粘性土，是用气泡的主要目的就是为 了降低刀盘的扭矩。 该工程中使用气泡的发泡率为2 0 ，通过安装在刀头、压力舱和螺旋排土器上 的气泡注入孔注入到开挖下来的渣土之中。b a b e n d e r e r d e 提及了这个隧道工程， 并注明在使用气泡改良土体后，刀盘的扭矩的降幅达到了5 0 ，并且盾构机的推 进力从2 0 0 0 吨降到了1 2 0 0 吨。 ( 3 ) 另一个工程实例则是w a l l i s 1 7 1 在1 9 9 5 年介绍的在v a l e n c i a 地铁隧道中使 用气泡来改进盾构机的掘进。整个隧道位于地下水面以下，盾构机掘进的土层为 砂砾冲积土，其中约含有1 5 的粉细砂和一些硬质粉砂粘土。 在这个工程中，土压平衡式盾构机上同时装备了膨润土和气泡的注入装置。 在经过反复的注入膨润土和气泡作为土体改良添加材料的试验后，发现注入气泡 可以产生更为均质和更具有压缩性的混合土体。工程实测资料显示，每开挖1 一 的土体，大约要消耗5 0 0 升的气泡( 当然，其中气泡溶液只占1 8 升) ，相比之下， 每开挖1 m 3 的土体，需要注入的膨润土泥浆的体积则为2 2 0 升。添加材料的注入比 在2 5 到3 5 之间变化。气泡和土体混合后，将刀盘旋转的扭矩和所需要的能量 降低了2 0 以上。h e r r e n k n e c h t 和m a i d l 在1 9 9 5 年的论著中也引用了同样的工 程实例来验证在土压平衡式盾构施工中使用气泡的好处。 ( 4 ) 另一个成功使用气泡和膨润土的施工实例是j a n c s e c zi ”1 于1 9 9 9 年在其论 第一章绪论 文中提及的使用土压平衡式盾构施工的i z m i r 铁路运输隧道。该隧道直径6 5m ， 穿越多种不同性质的复杂土层：淤泥质砂土、砂土和粘土，隧道位于地下水位以 下。在淤泥质砂土和粘土中，气泡的使用量大约为每立方米3 0 0 至5 0 0 升，其发泡 率( 压缩空气与气泡原液的体积比) 为6 至1 0 。在砂性土中气泡的发泡率则为1 2 至 1 5 。在淤泥质的土层中( 近海岸) ，使用气泡的主要目的是防止水的流失( 可能 导致闭塞) 降低土层的粘性。吸水性聚合物大约在每立方米的开挖土体中要使用 o0 1 至0 5 妇。在盾构机因故障和检修停止推进的时候，会使用膨润土来代替气 泡。作者在文中归纳，将膨润土、高分子聚合物与气泡联合使用，可以大大改善 土压平衡式盾构机掘进的工作性能、降低工程造价和提高施工安全。 ( 5 ) 另外文献【l 也提及了使用土体改良剂帮助土压平衡式盾构机掘进的优 点。 p e l l e t 和c a s t n e r 论述了土体改良剂对降低开挖面摩阻力的良好效果。 m e l i s 弓l 用了西班牙马德里的一项地铁隧道工程，在整个工程中，采用土压 平衡式盾构开挖段的投资并没有超过其他隧道施工方法，但他的速度却超过了其 他施工方法。 r e i l l y 介绍了新加坡的一项地铁隧道工程，也是采用土压平衡式盾构方法。 盾构机在混合土层中推进时，作用在开挖面上的土压力在1 5 0 至3 6 0k p a 之间变 动，所以在刀盘掘进时分别采用了气泡+ 高分子聚含物和气泡+ 膨润土的组合方式 作为添加材料来改良土体。结果使得地面沉陷和刀盘扭矩都有非常明显的减少。 d o r a n 和a t h e n o u x 提出了采用加入气泡和聚合物的土压平衡式盾构施工时遇 到的问题。隧道掘进遇到的土层主要为含有大量含水棱镜体的冰渍土和硬的断裂 粘土，其中冰渍土处于0 2 2 m p a 的压力状态下。在这种土质条件下，施工所面临 的主要困难是低塑性粘土中的含水量和过量的水压力的控制问题。后来经过反复 考虑，决定采用更合适宜泥水加压式的盾构方法。 m a i d l 论述了荷兰某土压平衡式盾构在粉质砂土和粘质砂土中掘进时，在土 压力为3 5 0k p a 的条件下成功的使用气泡的实例。 m a i d l 和j o n k e r 也提及了在荷兰的土压平衡式盾构施工中使用气泡来增加盾 构施工的可适应性和灵活性的情况。他们同时论述了，在高水压作用下，通过螺 旋排土器安全的输送渣土很困难，所以输送带和膨润土泥浆输送管必须同时作用 以保证不发生闭塞。 9 第一章绪论 1 4 本文开展的主要工作 本文在理论推导并结合大量室内改良试验的基础上，针对施工现场发生闭塞 现象的特点和防治难题，作了以下研究工作： 1 4 1 理论研究 ( 1 ) 首先，研究了土压平衡式盾构隧道正常施工状态下中对于土体性质的一 些基本要求。对施工中由于土性性质达不到理想状态时导致的常见施工故障及其 发生机理也进行了比较深入的研究。对于施工现场的处理措施，本文指出了其不 足之处； ( 2 ) 建立了盾构机压力舱土体成拱闭塞模型，从而在理论上明确了压力舱发 生闭塞的机理： ( 3 ) 结合盾构机压力舱土体的受力条件和压力舱的具体尺寸，探讨了闭塞发 生的条件。 ( 4 ) 分析了影响闭塞的所有机械参数和地质参数，并对这些参数对闭塞状态 的影响程度进行了敏感性研究。得出了压力舱土体的强度参数是影响闭塞最关键 的参数这一结论； ( 5 ) 选取国内四个城市采用土压平衡式盾构施工的典型区段，利用建立的模 型和推求的结论，预测了四地在盾构机掘进发生闭塞的可能性。 1 4 2 试验研究 ( 1 ) 选用界面活性材料、树脂类材料和脂肪( 蛋白) 类材料等开展了高稳定 性发泡剂的研究，发现了一些发泡剂的配制规律，并配制出了几种适宜盾构用的 发泡剂； ( 2 ) 选用气泡作为添加材料对广州地铁的砂土进行了强度改良试验并对改 良效果进行了评价； j ( 3 ) 针对气泡混合土体这种特殊土体，对装样进行了改进，同时针对土体开 挖前和进入压力舱以后的物理状态和应力状态模拟压力舱土体的状态进行试验； ( 4 ) 从气泡、气泡混合土体的微观结构，并结合试验数据分析土体强度降低 的机理，从而揭示气泡可以防治闭塞的原因所在： ( 5 ) 结合理论上得出的结论，对广州盾构旖工中砂土改良后发生闭塞的可能 性进行了预测，证明了气泡对防治闭塞有良好的效果。 1 0 第二章土压平衡式盾掏常见施工故璋 第二章土压平衡式盾构压力舱土体状态及常见施工故障 土压平衡式盾构施工成功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”。如果地层是相似于上海的淤泥质粘土层的话，只 要在压力舱内通过旋转翼板搅拌，就可满足这种状态从而顺利进行施工。但是， 如果地层是粘粒含量较少的卵石层、砂土地层、风化岩地层，进入压力舱的土体 就很难形成这种“塑性流动状态”，从而给施工带来困难。这种施工困难主要表 现为发生4 种现象，也就是压力舱闭塞压力舱结饼喷涌开挖面失稳。压 力舱闭塞是由于土体成拱使得不能正常出土进而土体压实充满压力舱，而缺乏流 塑性的土体又使搅拌翼的阻力上升，加大刀盘扭矩进而引起施工困难；压力舱结 饼是压力舱土体在隔板传递的推力作用下发生固结，结成硬块的现象；喷涌则是 由于压力舱及排土器内土体不能有效抵抗开挖面上的水压力，在排土口发生喷 砂、喷泥、喷水的现象：开挖面失稳是由于千斤顶、隔板传递到压力舱的压力不 能均匀作用于开挖面，而使开挖面失去稳定的现象。当遇到这些地层时，通常的 办法是向压力舱内注入一些添加材料( 如气泡等) 来改良土体的状态，使其达到 有利于施工要求的状态。 2 1 土压平衡式盾构压力舱土体状态研究 2 1 1 压力舱土体的初始状态 开挖土体先前为埋深达到数十米的地基土，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，进入压力舱的 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地基而言，进入压力舱以后 由切削刀头切下的土砂一般比原地基强度低，具有一定的塑性流动性。就止水性 而言，因粘性土的渗透系数较小，基本上可以满足止水的要求。粘性土由于粘性 大，易在刀盘处发生粘附，进而发生压密固化，导致开挖、排土均无法进行。 对于内摩擦角大、流动性差、渗透系数大的砂性土地基而言，由于砂性土和 砂砾土内摩擦角大，土的摩擦阻力大，故难以获得好的流动性。当切削下来的土 充满土室和螺旋输送机内时，将使切削刀头转矩、螺旋输送机转矩、盾构千斤顶 推力增大，甚至使开挖、排土无法进行。另外，此类地基渗透系数大，仅靠压力 舱和螺旋输送机内的压缩效应不可能完全止水，在开挖面水压高时，排土闸门处 易出现地下水喷涌现象。 墨三兰圭堡：! 丝壅堕塑鲎墨堕三垫堕 2 1 2 土压平衡式盾构正常推进对压力舱土体性质的要求 土压平衡式盾构施工中，要使开挖下来的土砂呈塑性流动状态，且具有一定 的止水性，充满压力舱以控制开挖面；同时，用螺旋排土器来调整排土，使排土 量和切削量保持平衡，并使压力舱内的土砂有一定的压力以抵抗开挖面的土压 力和水压力。 因此一方面渣土作为支撑开挖面稳定的介质，其土性对开挖面的稳定起着决 定性的作用：另一方面，它又源源不断的由螺旋排土器向外排出，它的土性好坏 又直接影响着出土的顺利与否。 国内外诸多施工实例表明，土压平衡式盾构施工成功非常关键的一点是要将 开挖面上切削下来的土体在压力舱内调整成一种比较理想的状态使土体的一些 性质在达到或满足一些基本条件后，盾构的开挖和排土能够顺利的进行”。 首先压力舱和螺旋排土器内的渣土应该具有良好的塑性流动性，这一点主要 是为了使干斤顶作用于隔板上的推力能够均匀的、有规则的作用于开挖面，也保 证了开挖下来的渣土能不断的流送到螺旋排土器，这样就可以避免渣土在压力舱 低压部位的堆积，对刀盘的黏附以及对压力舱的堵塞，避免了刀盘和螺旋排土器 的旋转力矩与驱动力矩的上升【2 2 1 。 由刀盘切削下来的渣土由螺旋排土器从有压的压力舱内输送到大气压下的 隧道里，从螺旋排土器到带式输送机的转运如果没有使用料闸装置，则渣土还应 该具有低的渗透性，低渗透性可以避免渣土中的水穿过螺旋排土器。此外，刀盘 前部中心部位布置有泡沫注入孔，可以降低开挖土的渗透性，避免开挖面地下水 的大量渗透，保持开挖面的稳定性。 另外施工中对渣土还有非常重要的一点要求：就是渣土的内摩擦角要比较 小。如果渣土的内摩擦角较大的话，土的摩擦阻力就会增大，这方面会导致渣 土难以获得好的流动性；另一方面也会使切削刀头的转矩、螺旋排土器的转矩、 盾构千斤顶的推力增大，致使开挖排土无法进行。 河海大学朱伟教授曾撰文指出i ”，为了满足土压平衡式盾构的顺利施工，土 体的力学性质应该满足：土体不易固结排水( 不易“结饼”) 。土体处于流塑 状态( 易于应力传递、易于搅拌、不易“闭塞”) 。土体具有不透水性( 不发生“喷 涌”) 。 2 1 3 压力舱土体的理想状态 前面已经提到压力舱土体的性质对盾构机的掘进性能起着至关重要的影响。 “塑性流动状态”是一个比较模糊的概念，就具体的土体性质而言，作者认为应 该包括以下四个方面的基本性质：渗透性、压缩性、抗剪强度和流动性。它们对 盾构机掘进和运行的影响分别如下： 第二章土压平衡式盾构常见施工故障 ( 一) 抗剪强度 混合土体的抗剪强度对盾构机内的开挖装置和排土机械的损耗有着直接影 响。关键的是通过减小开挖下来的渣土的内摩擦角可以减少土体与侧壁的摩擦 力，从而有效地防止土体成拱进而闭塞的发生：减小开挖下来的渣土的内摩擦角 可以减少开挖刀盘和刀头所受的土体的抗力，从而大大降低对开挖刀盘和刀头的 磨损。降低开挖土体的强度可以有效的减小刀盘的扭矩，减少能量的消耗；更重 要的是在较高的抗剪强度下，扭矩的上升将导致盾构机无法继续施工。从安全性 和经济性两方面来考虑，降低开挖土体的强度都是必要的。 ( 二) 压缩性 通过向开挖下来的土体中加入添加材料可以增加土体的可压缩性，同时也会 使得砂土的均质性和工作性得到提高。在土压平衡式盾构施工中，隔扳上传递来 的压力经常会有或大或小的波动，当压力舱内的土体的可压缩性较大时，就可以 对压力的忽然变化做出有利的响应，从而可以更好的对开挖面的稳定进行控制。 一般情况下，压力舱内的砂土压缩性很小或者不可压缩的话，那么盾构机的推进 和螺旋排土器排土的速度即使有- 点小的变化也会引起较大的压力变动【3 5 】【3 7 】， 当然，过大的压缩也容易造成排水固结，形成泥饼，发生所谓的结饼现象。 ( 三) 渗透性 压力舱内砂土的渗透性的降低可以大大降低由于地下水的入渗导致开挖面 坍塌的可能性；而且，当将压力舱内砂土的渗透性控制在一个较低的范围内的时 候，也可以防止开挖面上的地下水穿越压力舱和螺旋排土器并在排土器的出口形 成喷涌。所以土体具有较低的渗透性主要就是为了防止喷涌的发生。当然，砂土 本身并不具有较低的渗透性，因此也要依靠加入土体添加材料后才可以达到这种 性能。比如气泡的加入，目的就是在吸水后形成的气泡基质内再形成一个完整的 砂石团块，减少渗流通道，从而降低自身的渗透性。 ( 四1 流动性 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，从而可以较好的控制开挖面的稳定。 一般对于压力舱土体的流动性可以用坍落度试验来衡量，土体的坍落度在 l o 1 5 c m