土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究(2)

土压平衡盾构掘进是软土地区地铁隧道施工的主要方法之一,但是盾构在穿越塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时,存在土体受扰动发生液化、流砂或由于螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”等许多技术难题。为此,研究了盾构穿越砂性土层时采用合适的添加剂的施工工艺

第24卷 第1期 唐益群等. 土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究 53

Key words：soil mechanics；EPB shield；sandy strata；disturbed liquefaction；anti-liquefaction additive

1 引 言

现代城市对地下隧道建设在数量和质量上都有了更高的要求，而盾构作为隧道施工的专用机械，以其施工速度快、对环境影响小等优点，在城市地下隧道建设中被广泛采用。上海、南京、广州等城市的地铁及各种地下管道施工都大量使用了盾构机。不同的盾构机适应不同的土层，但泥水平衡盾构、气压和局部气压盾构因为其自身的局限性而较少使用，而土压平衡盾构机(EPBSM)由于其适用范 围(特别是在软土地层中)广、污染小、不需要昂贵的泥浆处理费用等优点而得以广泛应用。

土压平衡盾构在施工过程中将开挖的土料进行泥土化，通过控制泥土的压力以保证开挖面的稳定性。其对土料的要求为：具有良好的流动性、内摩擦角小以及渗透性差。对于不满足以上条件的土层要进行改良，方法主要有：加水、肥皂水、喷润土、粘土、CMC聚合物和泡沫剂等施工工艺[1

～4]

。目前

在建的上海轨道交通明珠二期，以及南京地铁一号线区间盾构在施工过程中都遇到了流塑性差、含水量高、渗透系数大的砂性土地层，土压平衡盾构在该类土层中施工经常遇到以下技术难题：

(1) 由于砂性土摩擦阻力大，因而刀盘及千斤顶推力波动较大，对前方土体扰动过多，故地面沉降大而不容易控制，再加上砂性土具较好的渗透性，很容易导致流砂甚至液化发生；

(2) 盾构掘进时刀盘及主轴承扭矩、千斤顶推力太大，施工进展较慢，同时导致刀盘、主轴承过度磨损；

(3) 由于砂性土流塑性太差，螺旋出土器出土困难，工作面形成“干饼”；

(4) 注浆压力及注浆量很大，进一步导致地面沉降失控。

盾构通过砂性土层时采用掺入添加剂的方法在国外应用较早，并已开发出适用于砂性土层的泡沫添加剂。国内近几年才大规模地开发软土地区的地下空间，土压平衡盾构作为软土地区首选施工器械被采用，而在砂性土层中施工的技术难题也已引起施工单位的重视，但根据软土地区不同的地质与水文地质条件选用不同性能的添加剂以改善砂性土层特性的研究成果不多，特别是盾构施工工地原位和室内添加剂试验比较研究的成果目前尚未见到。因

此，本文分析土压平衡盾构穿越砂性土层时所遇到

的技术难题并研究其机理，提出采用掺入添加剂的方法以改善施工状况，消除可能引发的上述技术难题。研究成果对当前和今后土压平衡盾构顺利穿越软土地区砂性土层的施工具有较大的理论与实践意义。

2 盾构工作面动态平衡机理分析

土压平衡盾构工作机理是将开挖下来的土料充满开挖面和隔板之间的空间，通过施加适当的推力确保开挖面稳定，同时通过贯穿隔板设置的螺旋式排土器进行排土。要保证开挖面的稳定必须保 证：

(1) 土压平衡盾构施工过程中必须在开挖面和隔板之间充满可塑性土料。

(2) 在盾构推进和管片拼装过程中，盾构密封舱内压力Pi始终略大于正面主动侧压力Ph和水压力Pw之和[2

～5]

，如图1所示，即

Pi≥(1.1～1.2)(Ph+Pw) (1)

式中：Pi为密封舱内压力(MPa)，Ph为正面主动侧

压力(MPa)，Pw为水压力(MPa)。

地下水

图1 土压盾构工作面土压力动态平衡示意图 Fig.1 Dynamic balance on work-face of EPB shield

(3) 土压平衡盾构螺旋排土器出土量与刀盘前方进土量一致，以保持土压力的动态平衡。

为了保证开挖面稳定所需的土压力，必须使盾构压力舱内的土砂混合物具有适宜的流塑性及保水

性，以保证盾构螺旋出土器能顺利排土且不使开挖

土压平衡盾构掘进是软土地区地铁隧道施工的主要方法之一,但是盾构在穿越塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时,存在土体受扰动发生液化、流砂或由于螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”等许多技术难题。为此,研究了盾构穿越砂性土层时采用合适的添加剂的施工工艺

54 岩石力学与工程学报 2005年

面发生大面积液化甚至流砂。

土压平衡盾构最理想的施工环境是具有粘性流动的软弱土层，如上海的饱和淤泥质粘性土[5]。在砂性土层、砂质粉土层中，由于砂性土的渗透性较 好，受扰动后水土分离，不能形成具有一定流动性的土料，土体排出困难。其次，刀盘前方土体失水固结，密封舱底部砂土颗粒大量沉淀，密度较大，而上部密度相对较小，致使工作面土压力不能均 衡，同时砂土混合物的c， 值增大，造成推进过程中主刀盘扭矩及千斤顶推力增加，加剧了盾构机切削 …… 此处隐藏：1570字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……