土压平衡模型盾构掘进试验研究论文

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1、土压平衡模型盾构掘进试验研究论文摘要：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，然而，它在不同的土层中的适应性是不一样的。为研究土压平衡盾构机的盾构施工参数以及刀盘开口率对土层的适应性，在新建立的大型盾构模拟试验平台上，利用直径为1.8m的土压平衡模型盾构机在软土、砂土、砂砾土层中进行了盾构掘进模拟试验。试验平台的监测系统实时采集了盾构推进过程中的各种工作参数，通过分析试验数据，本文尝试对盾构掘进过程中土舱内外土压力的相关关系、刀盘扭矩和推力的变化及其影响因素进行了试验研究，还研究了不同刀盘开口率对盾构总推力和刀盘扭矩的影响规律.freel×35m）

2、的试验盾构机开挖四种模拟地层——细砂、压实砂、砾石及夹有大卵石的砾石层。试验研究了盾构在4种模拟地层中的适应性以及所需扭矩的大小。文献4试验研究了盾构穿越砂性土层时为改善其地层适应性采用合适的添加剂的施工工艺，在试验数据分析的基础上，对添加剂增加砂性土的塑流性、保水性以及工作面动态土压平衡机理作了较深入的探讨。文献5就盾构机扭矩、刀具形状与布置及作用等关键技术方面根据北京地区的工程地质和水文条件研究了北京地区地铁隧道盾构的地层适应性，并提出了该地区的盾构机型和盾构机基本配置的技术要求。文献6结合广州地铁二号线某区间隧道盾构施工实际情况，分析了盾构适应性的因素，提

3、出了盾构选型的流程并阐述了刀盘刀具对不同地层的切削机理。文献7通过模型试验,对泥浆盾构施工中泥浆维持开挖面稳定的力学机理,开挖面前缘土体的应力变化规律,泥浆压力作用机理及泥皮形态进行了研究,提出了中粗砂地基中临界泥浆压力公式。为适应我国地铁隧道蓬勃发展的需要，研究土压平衡盾构在典型土层中的适应性，本文尝试在我国新建立的大型多功能盾构掘进模拟试验平台上（见图1）8，对土压平衡盾构的地层适应性进行了初步的试验研究，试验中选定了上海软土，北京和沈阳的砂性土和砂砾土作为3种典型地层并在大型土箱中模拟这3种土层，通过盾构在粘土、砂土、砂砾地层的模拟掘进试验，研究了刀盘开口

4、率、盾构总推力、刀盘扭矩、土舱内外土压力等主要盾构施工参数的相互关系以及盾构推力和刀盘扭矩的影响因素和变化规律，研究结果可为我国的土压平衡盾构的设计和土压平衡盾构的隧道掘进施工提供参考。1模型盾构掘进试验过程1.1试验土的布置和模拟在新建立的盾构试验平台上一共进行两次盾构掘进试验，每次掘进试验盾构先后穿越3种典型土层，在盾构掘进模拟试验平台的大型土箱（φ4000mm×8600mm）中，参照选定的典型土的土性进行配置和模拟。其中，模拟的软土采用上海轨道交通M8线某区间隧道盾构掘进过程中掘出的土重塑而成；砂土和砂砾土系参考北京砂性土和沈阳砂砾土的土性和颗粒级配曲线配

5、置模拟而成的。在土箱内，沿盾构掘进预定轴线分别布置了粘土、砂土和砂砾土，见图2。填土完毕后,关闭土箱开口，通过布置在土箱内壁上的水袋给土箱内的土体加压，使土箱内的土层密实。土箱中3种土的土性见表1所示。第一次掘进试验时，刀盘的开口率为30%，盾构在3种典型土层中的推进距离分别是2250mm（粘土）、2000mm（砂土）和2000mm以上（砂砾土）；第二次盾构掘进试验时，刀盘的开口率为70%，总推进距离约为5700mm，盾构在3种典型土层中的推进距离分别是2400mm（粘土）、2000mm（砂土）和2000mm以上（砂砾土）。1.2试验数据的采集试验需要采集的数据

6、有：模型盾构机的推力和推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速、螺旋机转速、土舱土压力、土箱内土体土压力等，这些数据采用各种传感器通过PLC采集，可以实时地显示所需要的数据和曲线，并能自动存储下来，以供分析。2掘进试验及其试验数据的分析2.1土舱内外土压的相关关系分析土舱土压力是土压平衡盾构掘进过程中一个重要的监测数据，因为土舱土压力的变化反映了盾构推进过程是否平稳，直接影响到开挖面的稳定。图3（a）（b）为盾构掘进试验过程中土舱外土压力与土舱内土压力的差值随推进距离的变化曲线，可以看出，盾构掘进过程中土舱内外存在一定的土压力差，刀盘开口率为30%时在粘性土层中平均为0.0

7、4～0.05MPa，刀盘开口率为70%时在粘性土层中土压力差的平均值为0.03～0.04MPa，这表明在其它条件一定的情况下，该压力差的大小与刀盘开口率大小有关，刀盘开口率大则土舱内外土压力差值小，显然开挖面前方的土压力大于土舱内的土压力，并且砂性土层中土舱内外土压力差值更明显。通过工程实测数据反映的规律与试验反映出的规律是一致的。图49表示上海地铁一号线某区间隧道（刀盘开口率为30%）和上海双圆隧道某区间（双圆盾构刀盘开口率为85%）实测的土压力数据，土压力计的埋深约为10m。在切口到达处，对于刀盘开口率为30%的盾构来说，土舱内外土压力差值达到近0.08MP

8、a，而开口率较大的双圆盾