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摘要：土壓平衡盾構(gòu)在掘進(jìn)時有兩種平衡狀態(tài)，一種是盾構(gòu)與前方土體接觸壓力和土水壓力的平衡，另一種是出土的平衡。兩種平衡狀態(tài)只有在刀盤開口率非常大時才等價。由于面板的擠壓作用，開口率較小的盾構(gòu)兩種平衡狀態(tài)將有較大偏離。...

土壓平衡盾構(gòu)平衡控制理論及試驗(yàn)研究

王洪新  傅德明

同濟(jì)大學(xué)  上海200092  上海隧道工程股份有限公司  上海  200082

    土壓平衡盾構(gòu)與其他類型盾構(gòu)相比，有成本相對較低、出土效率高、適用地層范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在我國各類隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。在上海、北京、南京、廣州、深圳及天津等地鐵施工中基本上都采用土壓平衡盾構(gòu)，取得了地鐵建造的巨大成功。截止1995年，上海在各類工程中使用的土壓平衡盾構(gòu)占各種類型盾構(gòu)的44％，在國內(nèi)各地地鐵建設(shè)中基本上都使用土壓平衡盾構(gòu)。

    一般認(rèn)為，土倉內(nèi)的泥土壓力與開挖面土層土水壓力取得平衡時為土壓平衡狀態(tài)，土倉壓力設(shè)定時，采用土層靜止側(cè)向土壓力計(jì)算。實(shí)際上，由于面板的作用，土倉內(nèi)壓力往往小于盾構(gòu)作用于前方土體的實(shí)際壓力。盾構(gòu)與前方土體的接觸壓力是土倉壓力和面板對土體壓力的綜合作用。常說的土壓平衡應(yīng)該是盾構(gòu)與前方土體的接觸壓力與土水壓力的平衡。另外，還是一種平衡對土壓平衡盾構(gòu)控制更有意義，就是盾構(gòu)掘進(jìn)切削的土體量與螺旋機(jī)排出土體量相等。這種平衡對控制地層變形更有意義。盾構(gòu)的兩種平衡狀態(tài)并不完全等價，這一點(diǎn)將在下文證明。

    對第一種平衡狀態(tài)進(jìn)行控制的方法很簡單，就是先設(shè)定土倉壓力初始值，然后通過對前方地層隆沉量進(jìn)行監(jiān)測分析，進(jìn)一步調(diào)整土倉壓力。對第二種平衡狀態(tài)進(jìn)行控制時，由于一般盾構(gòu)的排土量較大，實(shí)際測定有較大困難，控制平衡較為困難。

    研究表明，土壓平衡盾構(gòu)的土倉壓力與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度有明顯的相關(guān)性，這也說明盾構(gòu)的出土情況與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度有相關(guān)性。王洪新等從理論上研究了土倉壓力和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度問的數(shù)理關(guān)系。本文進(jìn)一步研究了出土率與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度間的關(guān)系。研究結(jié)果為出土控制提出了一種新的平衡控制理念，可以作為原控制理論的進(jìn)一步補(bǔ)充，加深了對土壓平衡盾構(gòu)的理解，為土壓平衡盾構(gòu)自動控制提供了一個全新的思路。

    土壓平衡盾構(gòu)施工時，實(shí)現(xiàn)完全平衡掘進(jìn)，即盾構(gòu)掘進(jìn)切削下多少土，螺旋機(jī)就送出多少土的狀態(tài)是很難保證的。根據(jù)上海等地的測試結(jié)果，大多土壓平衡盾構(gòu)出土量都略少于盾構(gòu)切削的土體量，對前方土體產(chǎn)生了一定的擠壓，在盾構(gòu)前方形成了一定的隆起，這種擠壓作用在采用面板式刀盤的盾構(gòu)施工中尤為明顯。這種擠壓作用形成了盾構(gòu)前方一定范圍的附加應(yīng)力場。研究盾構(gòu)掘進(jìn)的正地層損失及附加應(yīng)力場規(guī)律無疑對目前在建(構(gòu))筑物旁近距離推進(jìn)盾構(gòu)時參數(shù)優(yōu)化有重要意義。

1、土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)原理

    土壓平衡盾構(gòu)靠調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速來維持土倉壓力平衡。如果掘進(jìn)速度不變，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速加快時出土量增加，土倉壓力變小；螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速減慢時出土量減小，土倉壓力變大。如果掘進(jìn)時盾構(gòu)切削的土體體積等于被螺旋機(jī)排出的土體體積，則沒有地層損失，對土層擾動最小。此時，盾構(gòu)與前方土體的接觸壓力接近土體的靜止側(cè)向土壓力。如果忽略面板的擠壓作用(開口率較大時)，土倉壓力接近盾構(gòu)與前方土體的接觸壓力。此時，即達(dá)到所謂的土壓平衡狀態(tài)。實(shí)際上完全做到土壓平衡非常困難，推進(jìn)時螺旋機(jī)排出的土體體積或者大于盾構(gòu)切削的土體體積形成欠推進(jìn)狀態(tài)，或者小于盾構(gòu)切削的土體體積形成超推進(jìn)狀態(tài)。兩種狀態(tài)分別造成前方接觸壓力小于或大于土體的靜止側(cè)向土壓力。土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)過程參考圖1，盾構(gòu)推進(jìn)dS，刀盤切削的天然狀態(tài)土體積為dV，在推進(jìn)過程中被螺旋機(jī)排出的相當(dāng)于天然狀態(tài)的土體體積為dV出土。如果dV出土，則對前方土體形成擠壓，擠壓量dV擠壓=dV—dV出土；如果dV出土>dV，則對前方土體形成卸載，欠推量為dV欠推=dV出土-dV。在實(shí)際施工中，盾構(gòu)開口率大多在30％～60％，盾構(gòu)推進(jìn)切削的土體從開口部分進(jìn)人土倉，土體進(jìn)入土倉的效率將低于實(shí)際應(yīng)該達(dá)到的效率，所以要達(dá)到平衡狀態(tài)盾構(gòu)機(jī)面板必然對前方土體形成擠壓。通過大量現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場施工中土壓平衡盾構(gòu)前方或多或少形成少量隆起，開口率越小的刀盤隆起越大，這也說明上述分析的正確性。

圖1  土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)原理圖

2、螺旋輸送機(jī)與出土量計(jì)算

    2.1土壓平衡盾構(gòu)使用的螺旋機(jī)簡介

       螺旋是土壓平衡盾構(gòu)的重要組成部分，它的主要用途是：①送走土倉挖掘的土體；②使充滿在螺旋機(jī)內(nèi)的土或者加入添加材后的混合土形成一個螺旋狀的連續(xù)體來達(dá)到止水的目的；③由螺旋輸送的轉(zhuǎn)數(shù)來達(dá)到排土量的控制。螺旋機(jī)有許多類型，國內(nèi)采用的土壓平衡盾構(gòu)大多采用普通型螺旋輸送機(jī)，具體形式如圖2所示。

圖2土壓平衡盾構(gòu)使用的實(shí)體式螺旋形式

    2.2螺旋機(jī)出土量與螺旋形式關(guān)系

    一般來說，如果土體能填滿螺旋機(jī)通過斷面內(nèi)的空間，螺旋機(jī)一轉(zhuǎn)的出土量可用下式計(jì)算：

    式中：Q為螺旋機(jī)一轉(zhuǎn)出土量；D1為螺旋機(jī)直徑；D2為螺旋機(jī)軸直徑；P為螺旋翼片的間距。

    實(shí)際上施工時，土體一般不能填充滿葉片間的空隙，螺旋機(jī)一轉(zhuǎn)實(shí)際出土小于式(1)計(jì)算結(jié)果。取η=Q實(shí)際/Q，稱為螺旋機(jī)出土效率。所以，式(1)是出土效率達(dá)到100％時的一轉(zhuǎn)出土量。對于不同性質(zhì)的土，螺旋機(jī)的出土效率不同，可參考表1。

表1不同性質(zhì)土螺旋機(jī)出土效率

    試驗(yàn)研究表明螺旋機(jī)的螺旋超過一定的轉(zhuǎn)速時，輸送的顆粒開始產(chǎn)生在垂直輸送方向的跳躍，使輸送過程變得不穩(wěn)定，此時將會造成出土量的不穩(wěn)定，影響土倉內(nèi)壓力的穩(wěn)定。如果土的流塑性不好，過快的轉(zhuǎn)速勢必造成出土的不連續(xù)，也將嚴(yán)重影響土壓平衡盾構(gòu)的平衡狀態(tài)。因此，對于某種類型的螺旋機(jī)，其出土量有一個上限，決定了盾構(gòu)推進(jìn)速度的上限值。  準(zhǔn)確估算螺旋機(jī)許用的最大轉(zhuǎn)速是不容易的，往往采  用下面經(jīng)驗(yàn)公式來確定螺旋的最大許用轉(zhuǎn)速：

    

    式中：D為螺旋直徑(in)；A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，黏性土?xí)r取20，粉土取35，砂土取30，砂礫取25。

    2.3螺旋機(jī)出土量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

    螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速與出土量有明確關(guān)系。由式(1)中可知螺旋機(jī)一轉(zhuǎn)出土量，進(jìn)而推導(dǎo)出下式：

dG=ηkQNdT    (3)

    式中：dT為計(jì)算時間；dG為dT內(nèi)出土的總重量；k為把體積換算為重量的參數(shù)，與土層性質(zhì)有關(guān)；Q為螺旋機(jī)一轉(zhuǎn)出土量，用式(1)計(jì)算；N為螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速；η為螺旋機(jī)出土效率，與土體性質(zhì)、轉(zhuǎn)速等有關(guān)。   

    盾構(gòu)施工中施工人員更關(guān)心在一段時間內(nèi)掘削了多少天然狀態(tài)的土體，所以，把排土量換算為天然狀態(tài)土體體積。如果在盾構(gòu)掘進(jìn)時有添加材料時，還應(yīng)考慮添加材料的重量，取ke=dG天然/(dG天然+dG添加)， 稱為有效出土比。此時，按下式換算出dT內(nèi)由螺旋機(jī)排出的相當(dāng)于天然狀態(tài)土體體積：

 

    式中：γ0為土體的天然容重；dV排土為螺旋排出的相  當(dāng)于天然狀態(tài)土體體積，如圖1所示。

3、出土率與土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)的關(guān)系

    土壓平衡盾構(gòu)出土率是盾構(gòu)推進(jìn)時控制平衡的重要參數(shù)，它決定土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)時地層損失的大小，決定前方產(chǎn)生多大的隆起或沉降。施工時必須嚴(yán)格控制出土率才能達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求。但地鐵等大型盾構(gòu)施工時使用的盾構(gòu)出土量非常大，衡量起來有很大困難。在實(shí)際施工控制時，出土率只能根據(jù)送土設(shè)備體積大概估算，這樣就只能定性控制出土率。因此，施工常常提出的控制出土率為95％-98％，對實(shí)際控制并沒有多大意義。

    盾構(gòu)施工時采集了大量施工參數(shù)，用這些自動采集的數(shù)據(jù)來推算土壓平衡盾構(gòu)的出土率無疑是定量控制出土量的最好途徑。下面通過圖1所示的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)原理推導(dǎo)盾構(gòu)出土率與盾構(gòu)施工參數(shù)的理論關(guān)系。

    盾構(gòu)掘進(jìn)出土的平衡狀態(tài)是盾構(gòu)掘進(jìn)切削的天然土體體積與螺旋機(jī)排出土的相當(dāng)于天然土體體積相等，此時無地層損失，盾構(gòu)對前方土體擾動最小。如果盾構(gòu)處于超推進(jìn)狀態(tài)，盾構(gòu)擠壓前方土體，擠壓量 dV擠壓(均換算為天然狀態(tài)土體)為：

dV擠壓=dV—dV排土    (5)

    假設(shè)盾構(gòu)dT時間內(nèi)推進(jìn)的距離為dS，盾構(gòu)外徑為D，則盾構(gòu)推進(jìn)dS應(yīng)排出原狀土的總體積為：

    式(10)給出了出土率與擠壓率的關(guān)系，得到了出土率與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的定量關(guān)系。土壓平衡盾構(gòu)出土率可以通過螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)得出，而這兩個數(shù)據(jù)是所有土壓平衡盾構(gòu)施工時都采集的。這樣，就可以間接實(shí)現(xiàn)土壓平衡盾構(gòu)出土量的定量控制。但要注意的是由于螺旋機(jī)出土效率η的影響因素較為較多，實(shí)際結(jié)果可能會與式（l0)關(guān)系有所偏離，但其統(tǒng)計(jì)規(guī)律是正確的，也是能滿足控制要求的。下文將通過模型試驗(yàn)證上述理論的正確性。

4、土壓平衡盾構(gòu)平衡狀態(tài)與不平衡狀態(tài)分析

      4.1土壓平衡狀態(tài)時盾構(gòu)施工參數(shù)匹配

      盾構(gòu)掘進(jìn)出土的平衡狀態(tài)是出土率為l00％時，出土量與推進(jìn)應(yīng)該達(dá)到的出土量相等的狀態(tài)。根據(jù)式(10)，此時螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速與盾構(gòu)推進(jìn)速度之比為：

    4.2刀盤面板擠土作用理論分析

    盾構(gòu)出土量與推進(jìn)應(yīng)該達(dá)到的排出量不相等時，處于不平衡掘進(jìn)狀態(tài)。現(xiàn)場測試表明，盾構(gòu)大多處于的超推進(jìn)狀態(tài)，對前方土體形成擠壓，在盾構(gòu)前方產(chǎn)生少量隆起，并在土層中一定范圍內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力場。 

 如果處于出土的完全平衡狀態(tài)(e=100％)時，前  方地層隆起量為零，盾構(gòu)對周圍土體擾動最小。那么，此時是不是就一定達(dá)到第一種平衡狀態(tài)呢?即盾構(gòu)就不會有擠壓作用，地層中也一定沒有附加應(yīng)力場了呢?以圖3所示面板式刀盤為例研究這個問題。

圖3刀盤擠壓前方土體示意圖

    圖中刀盤的開口率可近似計(jì)算為l—θ/120，刀盤面板上距圓心距離為r的一個土體微元，位于面板上圓弧AB上的A點(diǎn)。刀盤以角速度ω旋轉(zhuǎn)時，土體微元進(jìn)入面板前方，在下一個開口部分到達(dá)之前土體微元將一直處于擠壓狀態(tài)。盾構(gòu)前方土體就是這樣在一段時間內(nèi)處于擠壓狀態(tài)，然后被刀盤切削下來進(jìn)入土倉內(nèi)，最后由螺旋機(jī)排出。圖中土體微元在刀盤轉(zhuǎn)動過程中受擠壓時間T=θ/ω，則圖中土體在刀盤轉(zhuǎn)動過程中達(dá)到的最大擠壓量為：

    式中：ΔL為土體微元達(dá)到的最大擠壓量；λ為刀盤的開口率；v為推進(jìn)速度；θ意義見圖3。

    式(l2)說明：

    (1)由于盾構(gòu)刀盤面板的作用，前方土體一直受到周期性的擠壓作用，這種擠壓作用是絕對的。所以，即使盾構(gòu)掘進(jìn)時出土量的平衡控制較好，面板式刀盤推進(jìn)時也一直存在附加應(yīng)力場。這說明了土壓平衡盾構(gòu)的兩種平衡狀態(tài)并不完全等價。如果盾構(gòu)開口率較小，盾構(gòu)達(dá)到出土平衡時，由于面板的擠壓作用，盾構(gòu)與前方土體的接觸壓力將大于土水壓力，兩種平衡狀態(tài)將有所偏離；只有當(dāng)盾構(gòu)開口率非常大時，盾構(gòu)與前方土體接觸壓力和土水壓力的平衡才會與出土的平衡等價。

    (2)盾構(gòu)推進(jìn)的速度快，刀盤的轉(zhuǎn)速越慢，開口率越小，刀盤面板的擠土作用越明顯；反之，則擠土作用越小。

    (3)由于面板的擠土作用，土倉壓力和面板與前方土體的接觸壓力將有較大差異。所以，面板式盾構(gòu)的土倉壓力設(shè)定值會更加難以計(jì)算，造成第一種平衡狀態(tài)的控制標(biāo)準(zhǔn)不明確。

    上述分析表明，盡管面板對控制開挖面穩(wěn)定有利，但對控制盾構(gòu)對土層影響并不有利。當(dāng)盾構(gòu)近距離穿越既有建(構(gòu))筑物時，選擇較大開口率刀盤，刀盤轉(zhuǎn)速相對較快，推進(jìn)速度相對較慢，將更加有利于既有建(構(gòu))筑物的保護(hù)，當(dāng)然，這需要通過工程實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證。

5、出土率與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度關(guān)系及土壓平衡狀態(tài)時施工參數(shù)匹配的試驗(yàn)分析

    5.1土壓平衡盾構(gòu)模擬試驗(yàn)概況

    試驗(yàn)土箱為長方體，其尺寸為2．4 m×2．4 m×1．2 m，箱體一端開Ф42 cm孔，以便模型盾構(gòu)頂入；模型±壓平衡盾構(gòu)直徑為40 cm，螺旋機(jī)為單螺旋結(jié)構(gòu)，掘削刀盤和螺旋取土器為同軸結(jié)構(gòu)。刀盤開口率可調(diào)，本次試驗(yàn)時共采用36％、54％兩種開口率的刀盤。具體試驗(yàn)裝置見圖4，螺旋機(jī)形式見圖5。試驗(yàn)土樣的黏聚力為8．7 kPa，內(nèi)摩擦角為22．6°。試驗(yàn)采用了不同埋深比，每次掘進(jìn)中間調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度一次，具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表2。

圖4試驗(yàn)裝置圖

  

圖5試驗(yàn)螺旋機(jī)形式

表2模型盾構(gòu)模擬試驗(yàn)參數(shù)表

       5.2出土率、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

    統(tǒng)計(jì)各次試驗(yàn)出土率、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度關(guān)系，結(jié)果見圖6、圖7、圖8、圖9。從圖中可以看到，盡管試驗(yàn)掘進(jìn)的總長度很短，出±率與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速/推進(jìn)速度有非常好的線性關(guān)系。但圖7、圖8點(diǎn)子較離散，下文將對此進(jìn)行解釋。

   

圖6出土率、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度關(guān)系(試驗(yàn)l)

 

圖7出土率、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度關(guān)系(試驗(yàn)2)

圖8出土率、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度關(guān)系(試驗(yàn)3)

 

圖9 出土率、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度關(guān)系(試驗(yàn)4)

    根據(jù)圖5及式(1)知螺旋機(jī)一轉(zhuǎn)的理論排土量為1923．45 cm³。稱量掘進(jìn)一段距離(一般為10 cm)螺旋機(jī)排出的土重，取土樣測量土的天然容重，換算出螺旋機(jī)一轉(zhuǎn)排出的相當(dāng)于天然狀態(tài)的土體體積，按η=Q實(shí)際/Q計(jì)算螺旋機(jī)的出土效率。4次試驗(yàn)出土效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖10。圖中只有第l次和第4次試驗(yàn)的后半段螺旋機(jī)出土效率較為穩(wěn)定。證明此時沒有出現(xiàn)明顯的擠土和卸載作用，試驗(yàn)監(jiān)測也表明此時土層表面沒有明顯的隆起和沉降，模型盾構(gòu)接近明顯的土壓平衡狀態(tài)。此時的螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度之比為1.5。

圖10螺旋機(jī)出土效率統(tǒng)計(jì)

    擬合圖6～圖9中各點(diǎn)，通過擬合曲線計(jì)算出土量為l00％H寸的N/v分別為：l．4、2.5、7.9和1.5。理論上這個數(shù)字是土壓平衡狀態(tài)時的N/v，但由于試驗(yàn)時參數(shù)匹配可能偏離平衡狀態(tài)較大，造成出土效率的不穩(wěn)定，有的值可能不是土壓平衡狀態(tài)的參數(shù)匹配結(jié)果。試驗(yàn)l與試驗(yàn)4的參數(shù)控制時N/v都采用了l、1.5，兩者的擬合直線非常接近；根據(jù)擬合曲線計(jì)算的土壓平衡時的N/v值非常接近，并與兩次試驗(yàn)的后半段的控制參數(shù)接近；擬合直線的R2值分別為0．6851、0.6943。這些說明這兩次試驗(yàn)后半段的參數(shù)匹配較合理。根據(jù)擬合結(jié)果，掘進(jìn)時保持土壓平衡的N/v為1.4～1.5。這與前面分析螺旋機(jī)出土效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果的結(jié)論一致。

    上述結(jié)論可以通過下面計(jì)算來證明。根據(jù)圖10，第1、4次試驗(yàn)后半段，螺旋機(jī)出土效率η≈45％。螺旋機(jī)在時間T內(nèi)的理論出土體積可以通過下式計(jì)算： 

    Q排出=Ηqnt=45％×l923．25NT=865．46NTcm³

    根據(jù)前面分析，  (N/v)B≈l．45，即推進(jìn)速度應(yīng)為 N/1．45，則相同時間內(nèi)盾構(gòu)應(yīng)排出的土量可以通過下式計(jì)算：

    則出土率為99．9％，接近土壓平衡狀態(tài)。證明上面結(jié)論的正確性。

    這樣就可以解釋圖中點(diǎn)子的偏離情況。試驗(yàn)1、試驗(yàn)4點(diǎn)子接近線性是因?yàn)閰��?shù)匹配接近平衡狀態(tài)；試驗(yàn)2、試驗(yàn)3中，N/v大值已經(jīng)達(dá)到2～2．5，參數(shù)匹配已經(jīng)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，螺旋機(jī)出土效率不穩(wěn)定，所以點(diǎn)子較為離散。

    綜上所述，模型試驗(yàn)是確定土壓平衡盾構(gòu)平衡狀態(tài)時參數(shù)匹配(Ⅳ/v)B的有效手段。

6、不平衡推進(jìn)對土層影響試驗(yàn)分析

    6.1不平衡推進(jìn)對土層影響分析

    土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時的最佳狀態(tài)理論上應(yīng)該為出土率為100％時的掘進(jìn)狀態(tài)。但由于盾尾脫出、注漿時填充不充分及管片受力變形等影響，盾構(gòu)機(jī)通過后將不可避免產(chǎn)生地層損失并引起沉降。因此，一般都控制出土率為95％～98％，使盾構(gòu)前方地層產(chǎn)生少量隆起，在盾構(gòu)通過后再沉降，可以減小掘進(jìn)時地層沉降的絕對值。前面分析表明，即使是出土率為l00％，由于面板作用，采用面板式刀盤的盾構(gòu)仍然會產(chǎn)生擠土作用。這些都決定土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)處于一定的不平衡狀態(tài)。現(xiàn)場測試及試驗(yàn)表明，土壓平衡盾構(gòu)大多處于超推進(jìn)狀態(tài)，盾構(gòu)前方一定范圍內(nèi)地表土體略有隆起。那么長距離的不平衡掘進(jìn)會對土層產(chǎn)生什么樣的影響呢?下面對此做詳細(xì)的理論及試驗(yàn)分析。

    根據(jù)前面的理論推導(dǎo)，不平衡掘進(jìn)必然會對周圍地層產(chǎn)生兩個方面影響：

    (1)不平衡推進(jìn)產(chǎn)生正負(fù)地層損失。不平衡掘進(jìn)產(chǎn)生的擠壓量或卸載量會產(chǎn)生正負(fù)地層損失，進(jìn)而引起前方土體隆起或沉降。不平衡超推進(jìn)時，每單位掘進(jìn)長度產(chǎn)生的正地層損失率為ε=dl/dS；反之則產(chǎn)生負(fù)的地層損失。在實(shí)際施工中，一般會因?yàn)閿D壓產(chǎn)生正的地層損失，第二種情況出現(xiàn)較少。

    (2)不平衡推進(jìn)產(chǎn)生對前方土體的擠壓或卸載，從而產(chǎn)生附加應(yīng)力場，對周圍土體產(chǎn)生擾動。

    土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時一般處于超推進(jìn)狀態(tài)。根據(jù)前面分析，超推進(jìn)對前方土體的擠壓作用來自兩個方面：①螺旋機(jī)排土量小于盾構(gòu)掘進(jìn)應(yīng)排出的土體量；②面板式刀盤產(chǎn)生擠壓作用。

    擠壓產(chǎn)生的附加應(yīng)力為接觸壓力與土層靜止側(cè)向土壓力之差。對于開口部分，附加應(yīng)力值為：

Δp=kdl/dS=kε    (13)

    式中：ε為開口部分的擠壓率；k為似剛度；△p為開口處的附加應(yīng)力。

    由于面板的作用，面板部分?jǐn)D壓產(chǎn)生的附加應(yīng)力值高于開口部分，面板前方土體受到的最大的擠壓力為：

  

    式中：ε′為面板部分的擠壓率；△p′為面板處的附加  應(yīng)力；μ為刀盤轉(zhuǎn)動過程中面板對前方土體擠壓量的修正值，與刀具布置、土質(zhì)特性等有關(guān)，小于l。

    6.2不平衡掘進(jìn)產(chǎn)生的正地層損失試驗(yàn)研究

    土壓平衡盾構(gòu)出土量小于應(yīng)該達(dá)到的出土量時，會產(chǎn)生對前方土體的擠壓，造成地表隆起。目前還沒有研究者系統(tǒng)測量并研究過盾構(gòu)超推進(jìn)時擠壓土體量與地表隆起量的關(guān)系，一般認(rèn)為對于飽和軟黏土，超推進(jìn)擠壓土體體積量即為地表隆起體積量。本次試驗(yàn)系統(tǒng)測試了盾構(gòu)推進(jìn)時土層表面的隆起量。由于土體約束于土箱內(nèi)，土體隆起的范圍與施工現(xiàn)場會有所區(qū)別，但隆起的總體積是與現(xiàn)場接近的。

  

圖11地層土隆起量與盾構(gòu)累計(jì)超推量對比圖

 

圖12地層土隆起量與盾構(gòu)累計(jì)超推量對比圖

 

圖13出土率與隆起量，超推量對比圖

    測量不同推進(jìn)距離時的地表各測點(diǎn)的隆起量，進(jìn)而計(jì)算土體隆起的體積。不同推進(jìn)距離時土層表面的隆起總體積與超推量(按式（7)計(jì)算)的累計(jì)值對比見圖11；隆起總體積與累計(jì)超推量關(guān)系見圖l2；出土率與隆起量/累計(jì)超推量對比見圖l3：

    從圖11、圖12可以看到：當(dāng)盾構(gòu)處于超推進(jìn)時，隨著土體擠壓量的增加，地層迅速隆起，并且隆起量增量與超推量增量之比趨于一個定值，為0.27。試驗(yàn)結(jié)果說明土壓平衡盾構(gòu)地表隆起量小于盾構(gòu)超推進(jìn)產(chǎn)生的擠壓量，根據(jù)擬合曲線，Ф400盾構(gòu)埋深為2D時，地層隆起量為超推進(jìn)量的27％。

    從圖11、圖13可以看到：當(dāng)盾構(gòu)以接近出土平衡狀態(tài)推進(jìn)時(80％～l00％)，累計(jì)超推量和地表隆起量發(fā)展速度變緩。從圖l3看出，隨著出土率漸漸接近100％，地表隆起量的發(fā)展速度越來越慢；當(dāng)出土率達(dá)到出土平衡狀態(tài)時，地表隆起量不再發(fā)展。從圖13還可以看出：當(dāng)出土率不穩(wěn)定，出現(xiàn)波動時，盡管地表隆起量也略有波動，但波動幅度非常小，說明地表變形是能夠適應(yīng)出土率在一定范圍內(nèi)波動的。 

    圖11和圖l3還表明：頂程50～92 cm時，盾構(gòu)一直處于擠土推進(jìn)狀態(tài)，此階段地表隆起迅速發(fā)展．但隆起量/超推量卻從0．26％增加到l2．86％，說明擠土初期盡管出土率非常小，擠壓量很大，地表隆起占累計(jì)超推量卻很小。這個結(jié)果證明盾構(gòu)擠壓時一部分?jǐn)D壓量造成了體積應(yīng)變，當(dāng)體積應(yīng)變增加到一定值時，地表才開始隆起。圖12中擬合線與橫軸交點(diǎn)即為產(chǎn)生地表隆起前的最大擠壓量。

    以上結(jié)論說明：盾構(gòu)超推進(jìn)擠壓量dV擠壓中只有一部分產(chǎn)生的隆起，其值為αdV擠壓，α稱為有效地層損失率，當(dāng)土層盾構(gòu)類型、土層特性、埋深等一定時，為定值；還有一部分產(chǎn)生了體積變形，變形量為(1一α)dV擠壓，體積應(yīng)變?yōu)?/span>l一α。

    地表變形計(jì)算一般采用隨機(jī)介質(zhì)理論，根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，該理論正地層損失應(yīng)該采用αdV計(jì)算。

    6.3不平衡掘進(jìn)產(chǎn)生的附加應(yīng)力場現(xiàn)場測試研究

    通過在施工現(xiàn)場的盾構(gòu)刀盤前方埋設(shè)土壓力測點(diǎn)可以測得盾構(gòu)推進(jìn)產(chǎn)生的附加應(yīng)力場。本試驗(yàn)盾構(gòu)開口率為40％，測點(diǎn)布置見圖l4所示。共在刀盤前方布置4個測點(diǎn)，測試兩個斷面。試驗(yàn)段盾構(gòu)中心埋深為11．802 m，設(shè)定土倉壓力為0.19～0.20 MPa。同時，采取大型衡重設(shè)備稱量一環(huán)的出土量，根據(jù)土體天然容重計(jì)算出土率。

    盾構(gòu)與前方接觸壓力為：p+λ△p+(1一λ)△p′。根據(jù)測試結(jié)果及前式可知開口率越小盾構(gòu)擠土效應(yīng)越明顯，產(chǎn)生的附加應(yīng)力越大。

    為了統(tǒng)計(jì)盾構(gòu)掘進(jìn)對土體的影響，統(tǒng)計(jì)時扣除土的初始應(yīng)力，即自重應(yīng)力，只考慮盾構(gòu)不平衡掘進(jìn)產(chǎn)生的附加應(yīng)力場。測試結(jié)果見圖l5、圖l6。測試結(jié)果顯示：土中的附加應(yīng)力當(dāng)盾構(gòu)距測點(diǎn)1．5D左右時開始明顯變化，并隨距離的接近不斷增大，接近面板時達(dá)到最大值，此時的附加應(yīng)力值遠(yuǎn)比通常認(rèn)為的附加力(0．02 MPa)大。面板上產(chǎn)生的附加力達(dá)到0.17～0.19 MPa。根據(jù)式(13)、(14)，p+△p′)/（p+△p)=1.89～1.95，P為地層的靜止側(cè)向土壓力。面板上的壓力是土倉內(nèi)壓力的1.89～1.95倍。試驗(yàn)結(jié)果說明，面板式盾構(gòu)掘進(jìn)時擠壓效應(yīng)遠(yuǎn)比想象的大。根據(jù)出土量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，盾構(gòu)實(shí)際出土率為99％，說明此時盾構(gòu)非常接近出土的平衡狀態(tài)，但測試結(jié)果表明土中存在非常大的附加應(yīng)力，說明由于刀盤擠土作用，盾構(gòu)與前方土體的接觸壓力和土水壓力并不處于平衡狀態(tài)。測試結(jié)果說明兩種平衡狀態(tài)并不是完全等價的，證明了前文關(guān)于面板擠土效應(yīng)分析的正確性。

圖14 m6.34 mm盾構(gòu)刀盤前測點(diǎn)布置

圖15盾構(gòu)刀盤前方附加土壓力(斷面l)

 

圖16盾構(gòu)刀盤前方附加土壓力(斷面2)

7、結(jié)語

       本文系統(tǒng)總結(jié)了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時的平衡控制理論。提出土壓平衡兩種狀態(tài)的概念，并論述了面板式刀盤作用下兩種平衡狀態(tài)的不等價性。該理論加深了對土壓平衡盾構(gòu)平衡狀態(tài)的認(rèn)識，為保護(hù)環(huán)境時的施工參數(shù)取值提供了依據(jù)。

       土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時，如果螺旋機(jī)排出量與盾構(gòu)掘進(jìn)切削土量相等，盾構(gòu)處于出土的平衡狀態(tài)，盾構(gòu)產(chǎn)生的地層損失最小。此時，由于面板作用，盾構(gòu)還會在土中形成附加應(yīng)力場，造成盾構(gòu)與前方土體接觸壓力與土水壓力的偏離。采用開口率較小的面板式刀盤的盾構(gòu)會產(chǎn)生擠土作用，開口率越小，擠壓越明顯。這使土倉壓力設(shè)定值很難準(zhǔn)確計(jì)算，從而使通過土倉壓力控制平衡的控制標(biāo)準(zhǔn)較為模糊。

       出土率是土壓平衡盾構(gòu)維持出土平衡的關(guān)鍵，但直接控制出土率較難。出土率正比于螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速/推進(jìn)速度。對于特定的土層、螺旋機(jī)，保持土壓平衡推進(jìn)的螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度比值是特定的，可以通過試驗(yàn)確定其合理值。可以通過控制螺旋機(jī)與推進(jìn)速度間關(guān)系控制出土率，這種控制模式可以作為采用土倉壓力控制模式的補(bǔ)充。 

    現(xiàn)場盾構(gòu)大多處于超推進(jìn)狀態(tài)。超推進(jìn)將造成兩種后果：產(chǎn)生超推進(jìn)量，進(jìn)而產(chǎn)生正的地層損失；產(chǎn)生擠壓力，在前方土體中造成附加應(yīng)力。測試結(jié)果表明：盾構(gòu)產(chǎn)生的超推進(jìn)量一部分產(chǎn)生了體積應(yīng)變，一部分產(chǎn)生了正的地層損失，引起了地表隆起；附加應(yīng)力場明顯比一般認(rèn)為的值大，開口率40％的面板上的土壓力幾乎達(dá)到土倉壓力的兩倍，證明了面板的擠土作用。

參考文獻(xiàn)

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會      文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 編輯    文徑 審核) 

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