土壓平衡模型盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)研究

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1、土壓平衡模型盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)研究摘要：土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)是軟土地區(qū)地鐵隧道施工的主要方法之一，然而，它在不同的土層中的適應(yīng)性是不一樣的。為研究土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)施工參數(shù)以及刀盤開口率對(duì)土層的適應(yīng)性，在新建立的大型盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)上，利用直徑為1.8m的土壓平衡模型盾構(gòu)機(jī)在軟土、砂土、砂礫土層中進(jìn)行了盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集了盾構(gòu)推進(jìn)過程中的各種工作參數(shù)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文嘗試對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土艙內(nèi)外土壓力的相關(guān)關(guān)系、刀盤扭矩和推力的變化及其影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，還研究了不同刀盤開口率對(duì)盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩的影響規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)土壓平

2、衡盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)和施工具有參考意義。關(guān)鍵詞：土壓平衡模型盾構(gòu)；刀盤扭矩；土艙土壓力；總推力；刀盤開口率0前言土壓平衡盾構(gòu)是軟土地區(qū)地鐵隧道施工的主要方法之一，早在1963年上海就開始了軟土地層盾構(gòu)隧道工程試驗(yàn)研究和施工技術(shù)研究[1]?，F(xiàn)在，盾構(gòu)法已越來越多地應(yīng)用于我國(guó)的城市地鐵隧道、市政公用隧道、水電隧道、鐵路隧道和公路隧道的施工建設(shè)[2]。盾構(gòu)法適用的地層包括軟土地層、砂土地層以及砂礫土地層等。然而，在不同的地層中盾構(gòu)的適應(yīng)性是有明顯差異的，所以，針對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行盾構(gòu)選型時(shí)必須慎重考慮盾構(gòu)對(duì)不同地層的適應(yīng)性。盾構(gòu)的地層適應(yīng)性研究包括多方面的內(nèi)容，就國(guó)內(nèi)外

3、公開發(fā)表的相關(guān)研究成果來看，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)的工作參數(shù)如刀盤扭矩、盾構(gòu)總推力、刀盤開口率等與不同地層適應(yīng)性之間的關(guān)系和規(guī)律的研究還不多。2.3掘進(jìn)過程中盾構(gòu)總推力的變化規(guī)律圖7和圖8是掘進(jìn)試驗(yàn)過程中總推力的變化曲線，在粘性土層中總推力隨推進(jìn)距離的增大而增大，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)平臺(tái)上隨著推進(jìn)距離的增大盾構(gòu)機(jī)本身和與之連接的鋼管節(jié)與土體接觸面積在增大，因而側(cè)摩阻力在增大，所以總推力隨著推進(jìn)距離的增大而增大。實(shí)際上，在土壓平衡的情況下盾構(gòu)在同一均勻土層中勻速推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)本身的側(cè)摩阻力是不變的，因此總推力不會(huì)隨著推進(jìn)距離的增大而增大?？梢钥吹皆诓煌耐翆又校ㄕ承酝?、砂

4、性土、砂礫土），總推力有較大差別，這說明土性對(duì)總推力有明顯的影響。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在推進(jìn)過程中，總推力主要用于克服土體作用于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤上的正面阻力和土體作用于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)殼體表面上的摩阻力，因此，除了土體本身的性質(zhì)影響著盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)總推力之外，土艙內(nèi)土壓力的大小影響了刀盤上的正面阻力的大小，因而也影響總推力的大小。圖9反映了總推力與土艙土壓力的相關(guān)關(guān)系，可以看出，土艙土壓力和總推力兩者幾乎在“同步”變化，這說明兩者之間有較強(qiáng)的的相關(guān)性。2.4盾構(gòu)總推力和扭矩的關(guān)系圖10反映了試驗(yàn)中盾構(gòu)刀盤扭矩與盾構(gòu)總推力的相關(guān)關(guān)系曲線。根據(jù)圖10可以看到，盾構(gòu)在粘性土層掘進(jìn)過

5、程中，刀盤扭矩和盾構(gòu)總推力也具有相當(dāng)好的相關(guān)性，兩者的變化基本上是“同步”的。而圖10（b）是大阪大川盾構(gòu)隧道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，也表明刀盤扭矩與盾構(gòu)推力之間有良好的相關(guān)關(guān)系。實(shí)際上，由圖6可以看到，土艙土壓力與刀盤扭矩之間存在著的很好的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)前面的分析可知，影響扭矩的主要因素包括土性、刀盤前方土體的應(yīng)力水平等，而土艙土壓力的大小間接反映了刀盤前方土體的應(yīng)力水平，所以總推力與刀盤扭矩的關(guān)系，只是土艙壓力與刀盤扭矩關(guān)系的反映。試驗(yàn)得出的盾構(gòu)總推力和扭矩的關(guān)系與工程實(shí)測(cè)中得出的規(guī)律也是一致的。3結(jié)論通過在新建立的盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)上先后掘進(jìn)粘土、砂土和砂礫

6、土3種典型地層的兩次盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)研究，本文嘗試分析了土壓平衡模型盾構(gòu)的刀盤扭矩、刀盤開口率、推力以及土艙內(nèi)外土壓力的變化規(guī)律，可得到以下結(jié)論：(1)在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土艙土壓力與開挖面前方土體中（或刀盤面板上）土壓力存在一定的土壓力差，開挖面前方的土壓力大于土艙內(nèi)的土壓。土艙內(nèi)外這個(gè)土壓力差值的大小與刀盤開口率大小有關(guān)。刀盤開口率較大，則對(duì)應(yīng)的土艙內(nèi)外土壓力差值較小；反之亦然。(2)刀盤切口處土體的應(yīng)力水平對(duì)刀盤的扭矩有明顯影響，而切口處土體的應(yīng)力水平與盾構(gòu)的埋深有關(guān)。另外，在粘性土和砂礫土層中刀盤的扭矩的大小有明顯區(qū)別，因此埋深、土性等是影響刀盤扭矩的重

7、要因素。(3)盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)表明刀盤扭矩的大小與刀盤開口率相關(guān)，刀盤開口率較小時(shí)刀盤扭矩矩較大，刀盤開口率較大時(shí)刀盤扭矩矩較小。因此，開口率較大的刀盤對(duì)土層的適應(yīng)性較好。(4)土性對(duì)總推力有明顯的影響，盾構(gòu)總推力也與土艙土壓力的大小相關(guān)，而土艙土壓力大小的設(shè)定與主要決定于隧道的埋深和土性等因素，所以，盾構(gòu)選型或進(jìn)行盾構(gòu)總推力的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要考慮隧道的埋深和土性等因素。參考