土压平衡盾构平衡控制理论及试验研究

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。出土率是控制土压平衡的重要指标,当其接近100%时,盾构处于出土的平衡掘进状态。盾构掘进时很难直接控制出土率,可通过施工参数间接控制。推导出土率与螺旋机转速、推进速度的定量关系,通过模型试验验证三者关系;推导平衡状态时上述三个参数的关系,该关系可作为通过施工参数控制平衡状态的标准;提出通过模型试验确定平衡状态时参数匹配的方法。当出土率小于或大于100%时及采用开口率较小的面板式刀盘时,盾构将产生不平衡掘进。大部分土压平衡盾构不平衡掘进产生挤土作用,造成正的地层损失及附加的应力场。试验结果表明,不平衡推进时挤土量一部分产生体积应变,一部分形成正的地层损失,使盾构前方地表产生了隆起;现场试验测试了刀盘前方附加应力场的大小和范围。研究成果可以指导土压平衡盾构推进时的参数控制,对控制推进时地表变形有指导意义。     

土压平衡盾构刀盘环向开口率研究

盾构刀盘开口率是指刀盘开口部分的面积与刀盘总面积的比值,是盾构选型时需要考虑的重要指标,但这一指标无法反映刀盘开口位置是否合理。为了更好地反映刀盘开口状况,提出了刀盘环向开口率的概念。运用环向开口率特征曲线对北京地铁9号线军事博物馆站—东钓鱼台站区间土压平衡盾构刀盘环向磨损事件进行了分析,阐明了刀盘发生环向磨损的主要原因是刀盘上某一区域环向开口率过小,部分渣土淤积在此区域,另外渣土从开口率小的区域向开口率大的区域流动也造成了刀盘的环向磨损。刀盘环向开口率特征曲线是判断刀盘开口位置合理性的重要依据,开口位置合理的刀盘,除刀盘中心区域外其环向开口率特征曲线应该是平缓的,以保证刀盘上每一个区域都有合理的开口区域,确保渣土顺畅进入土舱,土压平衡盾构刀盘设计时应充分考虑环向开口率这一指标。     

可以在岩层中掘进的土压平衡盾构机--深圳水库截排工程φ4.65m隧道施工实践

在复杂地层特别是在含有中风化岩的硬质地层进行盾构掘进，其刀盘刀具的形式、刀盘的开口率、扭矩匹配、刀盘的密封、刀盘前的注浆系统及盾构的出土形式，是施工成败的关键，新设计的复合式土压平衡盾构成功地满足了工程的需要。     

土压平衡盾构刀盘开口率对土舱压力的影响

土舱压力与刀盘开口处的土压力并不相等,两者之间存在压力差,该压力差是开挖面土体正常进入土舱的保证。试验及现场监测数据表明,刀盘开口率是影响该压力差的重要因素之一;其它条件相同时,刀盘开口率越小,土舱压力差越大,反之,则越小。采用流体力学理论推导了近似的土舱压力及刀盘开口处压力差计算方法,通过通过现场监测数据和离散元分析结果对公式进行了验证和修正。研究成果使定量分析开口率对盾构推进的影响成为可能,对土压平衡盾构的土舱压力管理及开口率选型有重要意义。     

均质地层中土压平衡盾构施工刀盘切削扭矩分析

在盾构的掘削过程中,刀盘切削矩是一个重要的施工参数,它不仅决定着施工的难易程度,而且还影响着盾构顶进推力、推进速度、刀盘转速、驱动功率等参数。应用数学和力学方法,从土压平衡盾构刀盘的切削工作机理入手,研究刀盘扭矩的计算方法及其影响因素;随后,开展了土压平衡盾构的掘削模型试验,研究在不同埋深、不同刀盘开口率、不同转速以及不同推进速度时刀盘扭矩的变化规律,对前述理论研究成果加以验证,并取得了较为满意的结果。     

盾构土舱压力变化规律测试试验与理论分析

为研究刀盘开口率对盾构土舱内、外压力的影响,利用土压平衡盾构模型机,在多种不同刀盘开口率条件下进行模拟掘进试验,监测刀盘开口处土压力和土舱压力,分析不同刀盘开口率条件下的土舱内、外压力的变化规律,试验结果表明,随着刀盘开口率的增加,土舱压力传递系数逐渐增大,土舱内、外压差逐渐减小。借鉴黏性流体理论,针对盾构施工渣土运动过程中的应力变化建立力学模型,提出土压力变化公式,考虑土体运动过程中的沿程损失和刀盘结构处的局部损失,使计算过程更加贴近于实际状况,可以定量分析刀盘开口率、隧道洞径、土体参数、附加应力等参数对土舱内、外土压力变化的影响。根据该力学公式可得,土体内摩擦角和黏聚力越大,盾构土舱内、外土压力差值越大;盾构刀盘开口率越大、隧道直径越大,盾构土舱内、外土压力差值越小。为确认理论分析的合理性和适用性,将理论计算公式和实际工程的监测数据、离散元模拟结果以及模型试验结果进行了对比分析,进一步论证了计算理论的合理。     

复杂地层土压平衡盾构推力和刀盘扭矩计算研究

千斤顶推力、刀盘扭矩是盾构设计制造及掘进的重要控制参数。通过对盾构推进过程中盾构与围岩相互作用规律的分析,系统分析了土压平衡盾构总推力、刀盘扭矩的影响因素。提出了考虑刀盘挤土效应及土舱内压力分布模式影响的推力计算修正公式,及综合考虑了刀盘挤土效应与开挖面土体渗透性的刀盘扭矩计算修正公式。通过对深圳地铁二号线香香区间掘进载荷实测数据的分析,对修正公式在复杂地质条件下的适应性进行了验证。该修正公式对复杂地层中土压平衡盾构掘进载荷的确定有一定的指导意义,可用于盾构刀盘装备扭矩设计和施工参数的预测。     

土压平衡模型盾构掘进试验研究

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,研究结果对土压平衡盾构机的设计和施工具有参考意义。     

不截流条件下长距离穿湖盾构的选型及控制参数研究

湖底富水砂砾黏土地层具有水压高、渗水性强、地下水径流通畅和补给迅速以及自稳能力较差、卵石粒径大等特点,盾构在不截流条件下长距离和小半径曲线穿湖施工常面临由于大粒径卵石排除困难、刀盘和刀具磨损严重、盾构机卡壳、管片损伤、地层扰动造成的塑性区隆沉开裂和贯通、停机进行刀盘刀具更换或修复难度大等风险。本文以北京地铁14号线盾构隧道下穿朝阳公园北湖和南湖工程为背景,对盾构机选型中的外径、刀盘开口率、刀具磨损量、刀盘扭矩和排土量等重要参数进行了计算分析和合理性验证。同时提出了辐条式土压平衡盾构在富水砂砾黏土地层中长距离下穿湖泊的合理掘进参数和相关控制措施,并通过井下监控和地面监控实时跟踪盾构机掘进姿态来保证盾构顺利掘进。最后工程实践表明辐条式土压平衡盾构在富水砂砾黏土地层应用可行。     

济南复合地层土压平衡盾构掘进效能实测分析#br#

依托济南轨道交通一号线复合地层土压平衡盾构掘进施工,提出一种在盾构机额定配置条件下的分项功耗和施工参数离散性指标双结合的掘进效能评价方法,并据此分析得到刀盘切削、盾构推进和螺机出土效能的变化特征。结果表明：①土压平衡盾构穿越济南复合地层时,盾构掘进总功耗在400~1250kW变化,其中,刀盘切削和盾构推进是盾构掘进功耗的主要组成部分,占总功耗的66%~84%;②刀盘切削的扭矩和转速具有明显的聚集特征,而盾构推进速度和推力分布形态的聚集特征弱于刀盘参数;③螺机出土的转速和扭矩在不同地层中的差异性不大,螺机参数的聚集特征不明显;④由于盾构掘进的分项功耗与其离散性指标不存在必然的联系,盾构施工中可能存在掘进功耗小但施工控制困难的情况,应在盾构选型及施工过程中予以充分考虑。     

Experimental study on working parameters of earth pressure balance shield machine tunneling in soft ground

Deep sedimentary deposits of soft clays are widely distributed in coastal areas as well as many interior major cities in China. In order to study the stratum adaptability of earth pressure balance (EPB) shield machine tunneling in such types of soft ground, model tests of tunneling excavation, using the running tunnel of the Shanghai Metro Line M8 as a background, are carried out with different over burden ratios, opening rates of cutter head, driving speeds and rotation speeds of screw conveyor. Based on the test results, the interrelationships between chamber pressure and mucking efficiency, mucking rate and driving speed, thrust force and torque are obtained. The influences of tunnel depth, opening rate of cutter head and driving speed on thrust force and torque are revealed. Such findings can not only facilitate establishing relationships between shield working parameters and soil properties, but also serve as a guide for the design and construction of shield tunnel in soft ground.     

软土地层土压平衡盾构施工参数的模型试验研究

我国沿海经济发达城市及一些内陆中心城市正在兴建或筹建地铁,这些地区的地下广泛分布着较厚的软黏土沉积层。为研究土压平衡盾构在这种软土地层中施工的适应性,以上海地铁M8线某区间隧道工程为研究背景,采用室内模型试验的方法,开展在不同埋深、不同刀盘开口率、不同推进速度以及不同螺旋机转速等情况下的盾构掘削模型试验。通过对试验结果的整理与分析,得出土仓压力与排土效率、单位时间排土量与推进速度、推力和扭矩之间的内在联系,以及隧道埋深、刀盘开口率、推进速度对推力和扭矩的影响。这些结论的取得为盾构施工参数之间及其与地层特性之间的适应性理论提供了有益的帮助,并为更好地指导软土地层盾构隧道的设计与施工服务。     

土压平衡式盾构掘进过程的相似模型试验

土压平衡式盾构掘进过程是一个多系统综合运作的复杂力学过程。为实现土压平衡盾构掘进过程的相似模拟,设计制造能够完成掘削面开挖、螺旋出土器出土、盾构机推进、管片拼装、盾尾注浆等全过程模拟的土压平衡式模型盾构机。其次对盾构-地层系统的相关参量进行甄别,选出对试验结果有重要影响的参量,同时基于相似理论,通过量纲分析的方法得到盾构-地层系统的相似准则。基于该相似准则,进行土压平衡式盾构掘进过程的室内相似模型试验,获得土压平衡式盾构掘进对地层影响的一般规律,该试验结果经过相似关系换算后可直接反映出原型中的实际地层沉降量。这种能够实现掘进全过程模拟的土压平衡式模型盾构机为深入研究盾构施工对地层及周围环境的影响提供新手段。     

Experimental study on working parameters of earth pressure balance shield machine tunneling in soft ground

Deep sedimentary deposits of soft clays are widely distributed in coastal areas as well as many interior major cities in China. In order to study the stratum adaptability of earth pressure balance (EPB) shield machine tunneling in such types of soft ground, model tests of tunneling excavation, using the running tunnel of the Shanghai Metro Line M8 as a background, are carried out with different over burden ratios, opening rates of cutter head, driving speeds and rotation speeds of screw conveyor. Based on the test results, the interrelationships between chamber pressure and mucking efficiency, mucking rate and driving speed, thrust force and torque are obtained. The influences of tunnel depth, opening rate of cutter head and driving speed on thrust force and torque are revealed. Such findings can not only facilitate establishing relationships between shield working parameters and soil properties, but also serve as a guide for the design and construction of shield tunnel in soft ground. __________ Translated from China Civil Engineering Journal, 2007, 40(9): 87–94 [译自: 岩土工程学报]     

Laboratory model tests and field investigations of EPB shield machine tunnelling in soft ground in Shanghai

In the last decades, many studies have been presented by different scholars on the environmental problems induced by the shield tunnelling in soft ground. But it mainly concentrated on ground surface settlement, tunnel surface stability and the influence to existing structures. Among them, little attention was paid to soil disturbance caused by the mismatch of machine’s operation parameters. In order to reveal this inherent relation, a series of laboratory model tests were carried out in the 1/16 scale for a field tunnel in practice where the tunnel had 6.4 m diameter. The tests to simulate earth pressure balance (EPB) shield tunnelling in soft ground were conducted with a microshield machine (0.4 m diameter). Measurements were carried out simultaneously in each test for total jack thrust force, cutting torque, chamber pressure, mucking ratio, ground surface displacement, and earth pressure. Based on the analysis of test results under different overburden ratio, cutterhead aperture ratio and screw rotation speed, the relationships between machine’s operation parameters themselves and its influence on disturbance to surrounding soil mass were discovered. Such discoveries were also verified by the field investigations. These results are useful for engineers and technicians to select suitable and serviceable machine operation parameters and reduce environmental influence at all stages of tunnel construction.     

土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失及影响因素

收集中国已有地表沉降监测数据及土体损失率统计分析数据,结合长株潭城际高铁Ⅱ标树木岭盾构隧道进口树木林车站区间16个监测断面数据及其详细地层信息,分析土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失规律影响因素。分析表明,土压平衡盾构隧道施工引起的土体损失率的累积概率较好的服从对数正态分布;土体损失率随着埋深或深径比的增大,呈现逐渐减小并趋于稳定的趋势,且两者关系可近似采用幂函数拟合;当H大于20m或H/D大于3.25时,土体损失率基本稳定在0.75%附近,且对应地层信息表明盾构隧道施工时其上覆岩层呈现拱效应,说明盾构隧道施工中其顶部土层成拱效应可较好的控制土体损失;土体损失率或名义土体损失率随着盾构开挖通过时间的增加而逐渐增大,且趋于稳定,说明固结变形对名义土体损失率的影响较大,最大可达瞬时沉降所引起土体损失率的4.58倍。     

土压平衡盾构土舱压力建立机制及设定准则研究

 土压平衡盾构掘进施工中,土舱压力的设定对于控制盾构施工对周围环境的影响意义重大。结合超大直径土压平衡盾构施工的上海市迎宾三路隧道工程,利用理论分析和实测数据分析的方法对土压平衡盾构的土舱压力建立机制和设定准则进行研究。基于进出土平衡理念研究土舱压力建立过程中各施工参数间的关系,提出开挖面土体挤压量这一概念以揭示土舱压力的建立机制。建立盾构刀盘的细化模型,分析刀盘挤压作用下盾构开挖面上土体的挤压情况。基于控制开挖面土体不发生二次扰动的理念,提出土压平衡盾构土舱压力的设定准则,并对该土舱压力设定准则进行工程应用。现场监测数据显示,盾构掘进施工引起的地表隆沉得到有效的控制。