土压平衡模型盾构掘进试验研究

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1、土压平衡模型盾构掘进试验研究摘要：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，研究结果对土压平

2、衡盾构机的设计和施工具有参考意义。关键词：土压平衡模型盾构；刀盘扭矩；土舱土压力；总推力；刀盘开口率0前言土压平衡盾构是软土地区地铁隧道施工的主要方法之一，早在1963年上海就开始了软土地层盾构隧道工程试验研究和施工技术研究[1]。现在，盾构法已越来越多地应用于我国的城市地铁隧道、市政公用隧道、水电隧道、铁路隧道和公路隧道的施工建设[2]。盾构法适用的地层包括软土地层、砂土地层以及砂砾土地层等。然而，在不同的地层中盾构的适应性是有明显差异的，所以，针对实际工程进行盾构选型时必须慎重考虑盾构对不同地层的适应性。盾构的地层适应性研究包括多方面的内容，就国内外

3、公开发表的相关研究成果来看，对土压平衡盾构的工作参数如刀盘扭矩、盾构总推力、刀盘开口率等与不同地层适应性之间的关系和规律的研究还不多。2.3掘进过程中盾构总推力的变化规律图7和图8是掘进试验过程中总推力的变化曲线，在粘性土层中总推力随推进距离的增大而增大，这是因为在试验平台上随着推进距离的增大盾构机本身和与之连接的钢管节与土体接触面积在增大，因而侧摩阻力在增大，所以总推力随着推进距离的增大而增大。实际上，在土压平衡的情况下盾构在同一均匀土层中匀速推进时盾构机本身的侧摩阻力是不变的，因此总推力不会随着推进距离的增大而增大。可以看到在不同的土层中（粘性土、砂

4、性土、砂砾土），总推力有较大差别，这说明土性对总推力有明显的影响。盾构掘进机在推进过程中，总推力主要用于克服土体作用于盾构掘进机刀盘上的正面阻力和土体作用于盾构掘进机壳体表面上的摩阻力，因此，除了土体本身的性质影响着盾构掘进机总推力之外，土舱内土压力的大小影响了刀盘上的正面阻力的大小，因而也影响总推力的大小。图9反映了总推力与土舱土压力的相关关系，可以看出，土舱土压力和总推力两者几乎在“同步”变化，这说明两者之间有较强的的相关性。2.4盾构总推力和扭矩的关系图10反映了试验中盾构刀盘扭矩与盾构总推力的相关关系曲线。根据图10可以看到，盾构在粘性土层掘进过

5、程中，刀盘扭矩和盾构总推力也具有相当好的相关性，两者的变化基本上是“同步”的。而图10（b）是大阪大川盾构隧道的实测数据，也表明刀盘扭矩与盾构推力之间有良好的相关关系。实际上，由图6可以看到，土舱土压力与刀盘扭矩之间存在着的很好的相关关系，根据前面的分析可知，影响扭矩的主要因素包括土性、刀盘前方土体的应力水平等，而土舱土压力的大小间接反映了刀盘前方土体的应力水平，所以总推力与刀盘扭矩的关系，只是土舱压力与刀盘扭矩关系的反映。试验得出的盾构总推力和扭矩的关系与工程实测中得出的规律也是一致的。3结论通过在新建立的盾构掘进模拟试验平台上先后掘进粘土、砂土和砂砾

6、土3种典型地层的两次盾构掘进试验研究，本文尝试分析了土压平衡模型盾构的刀盘扭矩、刀盘开口率、推力以及土舱内外土压力的变化规律，可得到以下结论：(1)在盾构掘进过程中土舱土压力与开挖面前方土体中（或刀盘面板上）土压力存在一定的土压力差，开挖面前方的土压力大于土舱内的土压。土舱内外这个土压力差值的大小与刀盘开口率大小有关。刀盘开口率较大，则对应的土舱内外土压力差值较小；反之亦然。(2)刀盘切口处土体的应力水平对刀盘的扭矩有明显影响，而切口处土体的应力水平与盾构的埋深有关。另外，在粘性土和砂砾土层中刀盘的扭矩的大小有明显区别，因此埋深、土性等是影响刀盘扭矩的重

7、要因素。(3)盾构掘进试验表明刀盘扭矩的大小与刀盘开口率相关，刀盘开口率较小时刀盘扭矩矩较大，刀盘开口率较大时刀盘扭矩矩较小。因此，开口率较大的刀盘对土层的适应性较好。(4)土性对总推力有明显的影响，盾构总推力也与土舱土压力的大小相关，而土舱土压力大小的设定与主要决定于隧道的埋深和土性等因素，所以，盾构选型或进行盾构总推力的设计计算时要考虑隧道的埋深和土性等因素。参考