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摘要:土压平衡盾构在掘进时有两种平衡状态,一种是盾构与前方土体接触压力和土水压力的平衡,另一种是出土的平衡。两种平衡状态只有在刀盘开口率非常大时才等价。由于面板的挤压作用,开口率较小的盾构两种平衡状态将有较大偏离。...

土压平衡盾构平衡控制理论及试验研究

王洪新  傅德明

同济大学  上海200092  上海隧道工程股份有限公司  上海  200082

    土压平衡盾构与其他类型盾构相比,有成本相对较低、出土效率高、适用地层范围广等优点,在我国各类隧道施工中得到了广泛的应用。在上海、北京、南京、广州、深圳及天津等地铁施工中基本上都采用土压平衡盾构,取得了地铁建造的巨大成功。截止1995年,上海在各类工程中使用的土压平衡盾构占各种类型盾构的44%,在国内各地地铁建设中基本上都使用土压平衡盾构。

    一般认为,土仓内的泥土压力与开挖面土层土水压力取得平衡时为土压平衡状态,土仓压力设定时,采用土层静止侧向土压力计算。实际上,由于面板的作用,土仓内压力往往小于盾构作用于前方土体的实际压力。盾构与前方土体的接触压力是土仓压力和面板对土体压力的综合作用。常说的土压平衡应该是盾构与前方土体的接触压力与土水压力的平衡。另外,还是一种平衡对土压平衡盾构控制更有意义,就是盾构掘进切削的土体量与螺旋机排出土体量相等。这种平衡对控制地层变形更有意义。盾构的两种平衡状态并不完全等价,这一点将在下文证明。

    对第一种平衡状态进行控制的方法很简单,就是先设定土仓压力初始值,然后通过对前方地层隆沉量进行监测分析,进一步调整土仓压力。对第二种平衡状态进行控制时,由于一般盾构的排土量较大,实际测定有较大困难,控制平衡较为困难。

    研究表明,土压平衡盾构的土仓压力与螺旋机转速、推进速度有明显的相关性,这也说明盾构的出土情况与螺旋机转速、推进速度有相关性。王洪新等从理论上研究了土仓压力和螺旋机转速与推进速度问的数理关系。本文进一步研究了出土率与螺旋机转速、推进速度间的关系。研究结果为出土控制提出了一种新的平衡控制理念,可以作为原控制理论的进一步补充,加深了对土压平衡盾构的理解,为土压平衡盾构自动控制提供了一个全新的思路。

    土压平衡盾构施工时,实现完全平衡掘进,即盾构掘进切削下多少土,螺旋机就送出多少土的状态是很难保证的。根据上海等地的测试结果,大多土压平衡盾构出土量都略少于盾构切削的土体量,对前方土体产生了一定的挤压,在盾构前方形成了一定的隆起,这种挤压作用在采用面板式刀盘的盾构施工中尤为明显。这种挤压作用形成了盾构前方一定范围的附加应力场。研究盾构掘进的正地层损失及附加应力场规律无疑对目前在建()筑物旁近距离推进盾构时参数优化有重要意义。

1、土压平衡盾构掘进原理

    土压平衡盾构靠调整螺旋机转速来维持土仓压力平衡。如果掘进速度不变,螺旋机转速加快时出土量增加,土仓压力变小;螺旋机转速减慢时出土量减小,土仓压力变大。如果掘进时盾构切削的土体体积等于被螺旋机排出的土体体积,则没有地层损失,对土层扰动最小。此时,盾构与前方土体的接触压力接近土体的静止侧向土压力。如果忽略面板的挤压作用(开口率较大时),土仓压力接近盾构与前方土体的接触压力。此时,即达到所谓的土压平衡状态。实际上完全做到土压平衡非常困难,推进时螺旋机排出的土体体积或者大于盾构切削的土体体积形成欠推进状态,或者小于盾构切削的土体体积形成超推进状态。两种状态分别造成前方接触压力小于或大于土体的静止侧向土压力。土压平衡盾构的掘进过程参考图1,盾构推进dS,刀盘切削的天然状态土体积为dV,在推进过程中被螺旋机排出的相当于天然状态的土体体积为dV出土。如果dV出土,则对前方土体形成挤压,挤压量dV挤压=dV—dV出土;如果dV出土>dV,则对前方土体形成卸载,欠推量为dV欠推=dV出土-dV。在实际施工中,盾构开口率大多在30%~60%,盾构推进切削的土体从开口部分进人土仓,土体进入土仓的效率将低于实际应该达到的效率,所以要达到平衡状态盾构机面板必然对前方土体形成挤压。通过大量现场调查发现,现场施工中土压平衡盾构前方或多或少形成少量隆起,开口率越小的刀盘隆起越大,这也说明上述分析的正确性。

土压平衡盾构掘进原理图

2、螺旋输送机与出土量计算

    2.1土压平衡盾构使用的螺旋机简介

       螺旋是土压平衡盾构的重要组成部分,它的主要用途是:送走土仓挖掘的土体;使充满在螺旋机内的土或者加入添加材后的混合土形成一个螺旋状的连续体来达到止水的目的;由螺旋输送的转数来达到排土量的控制。螺旋机有许多类型,国内采用的土压平衡盾构大多采用普通型螺旋输送机,具体形式如图2所示。

2土压平衡盾构使用的实体式螺旋形式

    2.2螺旋机出土量与螺旋形式关系

    一般来说,如果土体能填满螺旋机通过断面内的空间,螺旋机一转的出土量可用下式计算:

    式中:Q为螺旋机一转出土量;D1为螺旋机直径;D2为螺旋机轴直径;P为螺旋翼片的间距。

    实际上施工时,土体一般不能填充满叶片间的空隙,螺旋机一转实际出土小于式(1)计算结果。取η=Q实际/Q,称为螺旋机出土效率。所以,式(1)是出土效率达到100%时的一转出土量。对于不同性质的土,螺旋机的出土效率不同,可参考表1

1不同性质土螺旋机出土效率

    试验研究表明螺旋机的螺旋超过一定的转速时,输送的颗粒开始产生在垂直输送方向的跳跃,使输送过程变得不稳定,此时将会造成出土量的不稳定,影响土仓内压力的稳定。如果土的流塑性不好,过快的转速势必造成出土的不连续,也将严重影响土压平衡盾构的平衡状态。因此,对于某种类型的螺旋机,其出土量有一个上限,决定了盾构推进速度的上限值。  准确估算螺旋机许用的最大转速是不容易的,往往采  用下面经验公式来确定螺旋的最大许用转速:

    

    式中:D为螺旋直径(in)A为经验系数,黏性土时取20,粉土取35,砂土取30,砂砾取25

    2.3螺旋机出土量与转速的关系

    螺旋机转速与出土量有明确关系。由式(1)中可知螺旋机一转出土量,进而推导出下式:

dG=ηkQNdT    (3)

    式中:dT为计算时间;dGdT内出土的总重量;k为把体积换算为重量的参数,与土层性质有关;Q为螺旋机一转出土量,用式(1)计算;N为螺旋机转速;η为螺旋机出土效率,与土体性质、转速等有关。   

    盾构施工中施工人员更关心在一段时间内掘削了多少天然状态的土体,所以,把排土量换算为天然状态土体体积。如果在盾构掘进时有添加材料时,还应考虑添加材料的重量,取ke=dG天然/(dG天然+dG添加) 称为有效出土比。此时,按下式换算出dT内由螺旋机排出的相当于天然状态土体体积:

 

    式中:γ0为土体的天然容重;dV排土为螺旋排出的相  当于天然状态土体体积,如图1所示。

3、出土率与土压平衡盾构施工参数的关系

    土压平衡盾构出土率是盾构推进时控制平衡的重要参数,它决定土压平衡盾构推进时地层损失的大小,决定前方产生多大的隆起或沉降。施工时必须严格控制出土率才能达到环境保护的要求。但地铁等大型盾构施工时使用的盾构出土量非常大,衡量起来有很大困难。在实际施工控制时,出土率只能根据送土设备体积大概估算,这样就只能定性控制出土率。因此,施工常常提出的控制出土率为95-98%,对实际控制并没有多大意义。

    盾构施工时采集了大量施工参数,用这些自动采集的数据来推算土压平衡盾构的出土率无疑是定量控制出土量的最好途径。下面通过图1所示的土压平衡盾构掘进原理推导盾构出土率与盾构施工参数的理论关系。

    盾构掘进出土的平衡状态是盾构掘进切削的天然土体体积与螺旋机排出土的相当于天然土体体积相等,此时无地层损失,盾构对前方土体扰动最小。如果盾构处于超推进状态,盾构挤压前方土体,挤压量 dV挤压(均换算为天然状态土体)为:

dV挤压=dV—dV排土    (5)

    假设盾构dT时间内推进的距离为dS,盾构外径为D,则盾构推进dS应排出原状土的总体积为:

    式(10)给出了出土率与挤压率的关系,得到了出土率与螺旋机转速、推进速度的定量关系。土压平衡盾构出土率可以通过螺旋机转速和推进速度统计得出,而这两个数据是所有土压平衡盾构施工时都采集的。这样,就可以间接实现土压平衡盾构出土量的定量控制。但要注意的是由于螺旋机出土效率η的影响因素较为较多,实际结果可能会与式(l0)关系有所偏离,但其统计规律是正确的,也是能满足控制要求的。下文将通过模型试验证上述理论的正确性。

4、土压平衡盾构平衡状态与不平衡状态分析

      4.1土压平衡状态时盾构施工参数匹配

      盾构掘进出土的平衡状态是出土率为l00%时,出土量与推进应该达到的出土量相等的状态。根据式(10),此时螺旋机转速与盾构推进速度之比为:

    4.2刀盘面板挤土作用理论分析

    盾构出土量与推进应该达到的排出量不相等时,处于不平衡掘进状态。现场测试表明,盾构大多处于的超推进状态,对前方土体形成挤压,在盾构前方产生少量隆起,并在土层中一定范围内产生附加应力场。 

 如果处于出土的完全平衡状态(e=100)时,前  方地层隆起量为零,盾构对周围土体扰动最小。那么,此时是不是就一定达到第一种平衡状态呢?即盾构就不会有挤压作用,地层中也一定没有附加应力场了呢?以图3所示面板式刀盘为例研究这个问题。

3刀盘挤压前方土体示意图

    图中刀盘的开口率可近似计算为l—θ/120,刀盘面板上距圆心距离为r的一个土体微元,位于面板上圆弧AB上的A点。刀盘以角速度ω旋转时,土体微元进入面板前方,在下一个开口部分到达之前土体微元将一直处于挤压状态。盾构前方土体就是这样在一段时间内处于挤压状态,然后被刀盘切削下来进入土仓内,最后由螺旋机排出。图中土体微元在刀盘转动过程中受挤压时间T=θ,则图中土体在刀盘转动过程中达到的最大挤压量为:

    式中:ΔL为土体微元达到的最大挤压量;λ为刀盘的开口率;v为推进速度;θ意义见图3

    (l2)说明:

    (1)由于盾构刀盘面板的作用,前方土体一直受到周期性的挤压作用,这种挤压作用是绝对的。所以,即使盾构掘进时出土量的平衡控制较好,面板式刀盘推进时也一直存在附加应力场。这说明了土压平衡盾构的两种平衡状态并不完全等价。如果盾构开口率较小,盾构达到出土平衡时,由于面板的挤压作用,盾构与前方土体的接触压力将大于土水压力,两种平衡状态将有所偏离;只有当盾构开口率非常大时,盾构与前方土体接触压力和土水压力的平衡才会与出土的平衡等价。

    (2)盾构推进的速度快,刀盘的转速越慢,开口率越小,刀盘面板的挤土作用越明显;反之,则挤土作用越小。

    (3)由于面板的挤土作用,土仓压力和面板与前方土体的接触压力将有较大差异。所以,面板式盾构的土仓压力设定值会更加难以计算,造成第一种平衡状态的控制标准不明确。

    上述分析表明,尽管面板对控制开挖面稳定有利,但对控制盾构对土层影响并不有利。当盾构近距离穿越既有建()筑物时,选择较大开口率刀盘,刀盘转速相对较快,推进速度相对较慢,将更加有利于既有建()筑物的保护,当然,这需要通过工程实践进一步验证。

5、出土率与螺旋机转速、推进速度关系及土压平衡状态时施工参数匹配的试验分析

    5.1土压平衡盾构模拟试验概况

    试验土箱为长方体,其尺寸为24 m×24 m×12 m,箱体一端开Ф42 cm孔,以便模型盾构顶入;模型±压平衡盾构直径为40 cm,螺旋机为单螺旋结构,掘削刀盘和螺旋取土器为同轴结构。刀盘开口率可调,本次试验时共采用36%、54%两种开口率的刀盘。具体试验装置见图4,螺旋机形式见图5。试验土样的黏聚力为87 kPa,内摩擦角为226°。试验采用了不同埋深比,每次掘进中间调整螺旋机转速、掘进速度一次,具体试验参数设置见表2

4试验装置图

  

5试验螺旋机形式

2模型盾构模拟试验参数表

       5.2出土率、螺旋机转速与推进速度关系试验结果统计分析

    统计各次试验出土率、螺旋机转速与推进速度关系,结果见图6、图7、图8、图9。从图中可以看到,尽管试验掘进的总长度很短,出±率与螺旋机转速/推进速度有非常好的线性关系。但图7、图8点子较离散,下文将对此进行解释。

   

6出土率、螺旋机转速、推进速度关系(试验l)

 

7出土率、螺旋机转速、推进速度关系(试验2)

8出土率、螺旋机转速、推进速度关系(试验3)

 

9 出土率、螺旋机转速、推进速度关系(试验4)

    根据图5及式(1)知螺旋机一转的理论排土量为192345 cm³。称量掘进一段距离(一般为10 cm)螺旋机排出的土重,取土样测量土的天然容重,换算出螺旋机一转排出的相当于天然状态的土体体积,按η=Q实际/Q计算螺旋机的出土效率。4次试验出土效率统计结果见图10。图中只有第l次和第4次试验的后半段螺旋机出土效率较为稳定。证明此时没有出现明显的挤土和卸载作用,试验监测也表明此时土层表面没有明显的隆起和沉降,模型盾构接近明显的土压平衡状态。此时的螺旋机转速与推进速度之比为1.5

10螺旋机出土效率统计

    拟合图6~图9中各点,通过拟合曲线计算出土量为l00H寸的N/v分别为:l42.57.91.5。理论上这个数字是土压平衡状态时的N/v,但由于试验时参数匹配可能偏离平衡状态较大,造成出土效率的不稳定,有的值可能不是土压平衡状态的参数匹配结果。试验l与试验4的参数控制时N/v都采用了l1.5,两者的拟合直线非常接近;根据拟合曲线计算的土压平衡时的N/v值非常接近,并与两次试验的后半段的控制参数接近;拟合直线的R2值分别为068510.6943。这些说明这两次试验后半段的参数匹配较合理。根据拟合结果,掘进时保持土压平衡的N/v1.41.5。这与前面分析螺旋机出土效率统计结果的结论一致。

    上述结论可以通过下面计算来证明。根据图10,第14次试验后半段,螺旋机出土效率η≈45%。螺旋机在时间T内的理论出土体积可以通过下式计算: 

    Q排出=Ηqnt=45×l92325NT=86546NTcm³

    根据前面分析,  (N/v)Bl45,即推进速度应为 N/145,则相同时间内盾构应排出的土量可以通过下式计算:

    则出土率为999%,接近土压平衡状态。证明上面结论的正确性。

    这样就可以解释图中点子的偏离情况。试验1、试验4点子接近线性是因为参数匹配接近平衡状态;试验2、试验3中,N/v大值已经达到225,参数匹配已经远离平衡状态,螺旋机出土效率不稳定,所以点子较为离散。

    综上所述,模型试验是确定土压平衡盾构平衡状态时参数匹配(/v)B的有效手段。

6、不平衡推进对土层影响试验分析

    6.1不平衡推进对土层影响分析

    土压平衡盾构掘进时的最佳状态理论上应该为出土率为100%时的掘进状态。但由于盾尾脱出、注浆时填充不充分及管片受力变形等影响,盾构机通过后将不可避免产生地层损失并引起沉降。因此,一般都控制出土率为95%~98%,使盾构前方地层产生少量隆起,在盾构通过后再沉降,可以减小掘进时地层沉降的绝对值。前面分析表明,即使是出土率为l00%,由于面板作用,采用面板式刀盘的盾构仍然会产生挤土作用。这些都决定土压平衡盾构掘进处于一定的不平衡状态。现场测试及试验表明,土压平衡盾构大多处于超推进状态,盾构前方一定范围内地表土体略有隆起。那么长距离的不平衡掘进会对土层产生什么样的影响呢?下面对此做详细的理论及试验分析。

    根据前面的理论推导,不平衡掘进必然会对周围地层产生两个方面影响:

    (1)不平衡推进产生正负地层损失。不平衡掘进产生的挤压量或卸载量会产生正负地层损失,进而引起前方土体隆起或沉降。不平衡超推进时,每单位掘进长度产生的正地层损失率为ε=dl/dS;反之则产生负的地层损失。在实际施工中,一般会因为挤压产生正的地层损失,第二种情况出现较少。

    (2)不平衡推进产生对前方土体的挤压或卸载,从而产生附加应力场,对周围土体产生扰动。

    土压平衡盾构掘进时一般处于超推进状态。根据前面分析,超推进对前方土体的挤压作用来自两个方面:螺旋机排土量小于盾构掘进应排出的土体量;面板式刀盘产生挤压作用。

    挤压产生的附加应力为接触压力与土层静止侧向土压力之差。对于开口部分,附加应力值为:

Δp=kdl/dS=kε    (13)

    式中:ε为开口部分的挤压率;k为似刚度;p为开口处的附加应力。

    由于面板的作用,面板部分挤压产生的附加应力值高于开口部分,面板前方土体受到的最大的挤压力为:

  

    式中:ε′为面板部分的挤压率;p′为面板处的附加  应力;μ为刀盘转动过程中面板对前方土体挤压量的修正值,与刀具布置、土质特性等有关,小于l

    6.2不平衡掘进产生的正地层损失试验研究

    土压平衡盾构出土量小于应该达到的出土量时,会产生对前方土体的挤压,造成地表隆起。目前还没有研究者系统测量并研究过盾构超推进时挤压土体量与地表隆起量的关系,一般认为对于饱和软黏土,超推进挤压土体体积量即为地表隆起体积量。本次试验系统测试了盾构推进时土层表面的隆起量。由于土体约束于土箱内,土体隆起的范围与施工现场会有所区别,但隆起的总体积是与现场接近的。

  

11地层土隆起量与盾构累计超推量对比图

 

12地层土隆起量与盾构累计超推量对比图

 

13出土率与隆起量,超推量对比图

    测量不同推进距离时的地表各测点的隆起量,进而计算土体隆起的体积。不同推进距离时土层表面的隆起总体积与超推量(按式(7)计算)的累计值对比见图11;隆起总体积与累计超推量关系见图l2;出土率与隆起量/累计超推量对比见图l3

    从图11、图12可以看到:当盾构处于超推进时,随着土体挤压量的增加,地层迅速隆起,并且隆起量增量与超推量增量之比趋于一个定值,为0.27。试验结果说明土压平衡盾构地表隆起量小于盾构超推进产生的挤压量,根据拟合曲线,Ф400盾构埋深为2D时,地层隆起量为超推进量的27%。

    从图11、图13可以看到:当盾构以接近出土平衡状态推进时(80%~l00),累计超推量和地表隆起量发展速度变缓。从图l3看出,随着出土率渐渐接近100%,地表隆起量的发展速度越来越慢;当出土率达到出土平衡状态时,地表隆起量不再发展。从图13还可以看出:当出土率不稳定,出现波动时,尽管地表隆起量也略有波动,但波动幅度非常小,说明地表变形是能够适应出土率在一定范围内波动的。 

    图11和图l3还表明:顶程5092 cm时,盾构一直处于挤土推进状态,此阶段地表隆起迅速发展.但隆起量/超推量却从026%增加到l286%,说明挤土初期尽管出土率非常小,挤压量很大,地表隆起占累计超推量却很小。这个结果证明盾构挤压时一部分挤压量造成了体积应变,当体积应变增加到一定值时,地表才开始隆起。图12中拟合线与横轴交点即为产生地表隆起前的最大挤压量。

    以上结论说明:盾构超推进挤压量dV挤压中只有一部分产生的隆起,其值为αdV挤压,α称为有效地层损失率,当土层盾构类型、土层特性、埋深等一定时,为定值;还有一部分产生了体积变形,变形量为(1一α)dV挤压,体积应变为l一α。

    地表变形计算一般采用随机介质理论,根据本试验结果,该理论正地层损失应该采用αdV计算。

    6.3不平衡掘进产生的附加应力场现场测试研究

    通过在施工现场的盾构刀盘前方埋设土压力测点可以测得盾构推进产生的附加应力场。本试验盾构开口率为40%,测点布置见图l4所示。共在刀盘前方布置4个测点,测试两个断面。试验段盾构中心埋深为11802 m,设定土仓压力为0.190.20 MPa。同时,采取大型衡重设备称量一环的出土量,根据土体天然容重计算出土率。

    盾构与前方接触压力为:p+λp+(1一λ)p′。根据测试结果及前式可知开口率越小盾构挤土效应越明显,产生的附加应力越大。

    为了统计盾构掘进对土体的影响,统计时扣除土的初始应力,即自重应力,只考虑盾构不平衡掘进产生的附加应力场。测试结果见图l5、图l6。测试结果显示:土中的附加应力当盾构距测点15D左右时开始明显变化,并随距离的接近不断增大,接近面板时达到最大值,此时的附加应力值远比通常认为的附加力(002 MPa)大。面板上产生的附加力达到0.170.19 MPa。根据式(13)(14)p+p)/p+p)=1.891.95P为地层的静止侧向土压力。面板上的压力是土仓内压力的1.891.95倍。试验结果说明,面板式盾构掘进时挤压效应远比想象的大。根据出土量统计结果,盾构实际出土率为99%,说明此时盾构非常接近出土的平衡状态,但测试结果表明土中存在非常大的附加应力,说明由于刀盘挤土作用,盾构与前方土体的接触压力和土水压力并不处于平衡状态。测试结果说明两种平衡状态并不是完全等价的,证明了前文关于面板挤土效应分析的正确性。

14 m6.34 mm盾构刀盘前测点布置

15盾构刀盘前方附加土压力(断面l)

 

16盾构刀盘前方附加土压力(断面2)

7、结语

       本文系统总结了土压平衡盾构掘进时的平衡控制理论。提出土压平衡两种状态的概念,并论述了面板式刀盘作用下两种平衡状态的不等价性。该理论加深了对土压平衡盾构平衡状态的认识,为保护环境时的施工参数取值提供了依据。

       土压平衡盾构掘进时,如果螺旋机排出量与盾构掘进切削土量相等,盾构处于出土的平衡状态,盾构产生的地层损失最小。此时,由于面板作用,盾构还会在土中形成附加应力场,造成盾构与前方土体接触压力与土水压力的偏离。采用开口率较小的面板式刀盘的盾构会产生挤土作用,开口率越小,挤压越明显。这使土仓压力设定值很难准确计算,从而使通过土仓压力控制平衡的控制标准较为模糊。

       出土率是土压平衡盾构维持出土平衡的关键,但直接控制出土率较难。出土率正比于螺旋机转速/推进速度。对于特定的土层、螺旋机,保持土压平衡推进的螺旋机转速、推进速度比值是特定的,可以通过试验确定其合理值。可以通过控制螺旋机与推进速度间关系控制出土率,这种控制模式可以作为采用土仓压力控制模式的补充。 

    现场盾构大多处于超推进状态。超推进将造成两种后果:产生超推进量,进而产生正的地层损失;产生挤压力,在前方土体中造成附加应力。测试结果表明:盾构产生的超推进量一部分产生了体积应变,一部分产生了正的地层损失,引起了地表隆起;附加应力场明显比一般认为的值大,开口率40%的面板上的土压力几乎达到土仓压力的两倍,证明了面板的挤土作用。

参考文献

[1]侯学渊,钱达仁,杨林德,软土工程施工新技术。合肥:安徽科学技术出版社,1999

[2]程骁,潘国庆,盾构施工技术。上海:上海科学技术文献出版社,1990

[3]王洪新,傅德明。土压平衡盾构掘进的数学物理模型及各参数间关系研究。土木工程学报,2006

[4]胡宗武,徐履冰,石来德。非标准机械设备设计手册。北京:机械工业出版社,2005

(本文来源:陕西省土木建筑学会      文径网络:尹维维 编辑    文径 审核

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