(国家863课题)软土地层土压平衡盾构施工参数的模型试验研究

土木工程学报ＣＨＩＮＡＣＩＶＩＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＪＯＵＲＮＡＬ第４０卷第９期２００７年９月Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．９Ｓｅｐ．２００７软土地层土压平衡盾构施工参数的模型试验研究朱合华１徐前卫２，３郑七振３廖少明１（１．同济大学，上海２０００９２；２．上海交通大学，上海２０００３０；３．上海理工大学，上海２０００９３）摘要：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。

关键词：软土地层；模型试验；土压平衡盾构机；土体－盾构系统；地层适应性中图分类号：Ｕ２３１＋．３Ｕ４５５．４３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１３１Ｘ（２００７）０９－００８７－０８ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＥＰＢｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄＺｈｕＨｅｈｕａ１ＸｕＱｉａｎｗｅｉ２，３ＺｈｅｎｇＱｉｚｈｅｎ３ＬｉａｏＳｈａｏｍｉｎｇ１（１．ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｈａｉＪａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３０，Ｃｈｉｎａ；３．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤｅｅｐｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｄｅｐｏｓｉｔｓｏｆｓｏｆｔｃｌａｙｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｉｎｃｏａｓｔａｌａｒｅａｓａｓｗｅｌｌａｓｉｎｍａｎｙｉｎｔｅｒｉｏｒｃｉｔｉｅｓｉｎＣｈｉｎａ．ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｔｒａｔｕｍａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＥＰＢｓｈｉｅｌｄｔｉｎｓｕｃｈｔｙｐｅｓｏｆｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ，ｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓｏｆｔｕｎｎｅｌｉｎｇｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｕｓｉｎｇｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌｏｆｔｈｅＳｈａｎｇｈａｉＭｅｔｒｏＬｉｎｅＭ８ａｓａｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｕｎｎｅｌｄｅｐｔｈｓ，ｏｐｅｎｉｎｇｒａｔｅｓｏｆｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ，ｄｒｉｖｉｎｇｓｐｅｅｄｓａｎｄｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｓｏｆｓｃｒｅｗｃｏｎｖｅｙｏｒ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｃｈａｍｂｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｍｕｃｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｍｕｃｋｉｎｇｒａｔｅａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｔｈｒｕｓｔｆｏｒｃｅａｎｄｔｏｒｑｕｅａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｕｎｎｅｌｄｅｐｔｈ，ｏｐｅｎｉｎｇｒａｔｅｏｆｃｕｔｔｅｒｈｅａｄａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｓｐｅｅｄｏｎｔｈｒｕｓｔｆｏｒｃｅａｎｄｔｏｒｑｕｅａｒｅｒｅｖｅａｌｅｄ．Ｓｕｃｈｆｉｎｄｉｎｇｓｎｏｔｏｎｌｙｆａｃｉｌｉｔａｔｅｆｏｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｓｈｉｅｌｄｗｏｒｋｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｓｏｉｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｂｕｔａｌｓｏｓｅｒｖｅａｓａｇｕｉｄｅｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ；ｍｏｄｅｌｔｅｓｔ；ＥＰＢｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ；ｓｏｉｌｂｏｄｙ－ｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｓｙｓｔｅｍ；ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｔｏｓｔｒａｔｕｍｐｒｏｐｅｒｔｙＥ－ｍａｉｌ：ｘｕｑｗｔｊｕ＠１２６．ｃｏｍ引言随着我国大规模地铁建设逐步开展，城市地下工程施工技术的研究开发已成为一个重要的课题。

盾构法隧道以其具有绿色环保的特点已广泛受到了各方面的注目。

虽然我国在盾构隧道施工方面已有了一定的成功经验和技术积累，但仍然存在大量的技术问题，迄今为止的研究开发主要还是以掌握施工技术、解决具体施工问题为主要内容，为了能够使盾构技术更加适合于我国工程实际的具体情况，一些基础性、试验性的研究也是必不可少的［１］。

目前，我国的地铁隧道主要分布在沿海地区（如上海、天津、苏州、杭州等地）以及一些内陆中心城基金项目：国家８６３计划项目———大深度大断面地下穿越工程与微扰动施工研究（２００６ＡＡ１１Ｚ１０２）、上海高校选拨培养优秀青年教师科研专项基金作者简介：朱合华，博士，教授收稿日期：２００７－０１－１１・・土木工程学报２００７年市（如武汉、南京等），这些地区的地下广泛分布着很深的软黏土沉积层，它具有土壤颗粒细（一般在０．１￣０．００２ｍｍ）、抗剪强度低、含水量高（ｗ＝４０％以上）、天然孔隙比大（ｅｍａｘ＝１．５）、灵敏度高（Ｓｒ＝４￣５）、高压缩性和流变性等显著的工程特性，而且土体经扰动后强度明显降低，且在长时间内存在固结和次固结沉降［２］。

在这些软弱地层中进行盾构法施工，一个很突出的特点就是地层适应性问题，即盾构设备对土层介质类型的适应性、刀盘结构型式及刀具布置型式对地层的适应性、盾构机工作参数之间的匹配性、盾构工作参数对地层扰动的适应性以及对经济性要求的适应［３］。

因此，为确保能够在这种软弱地层中采取与之相适应的盾构工法和降低工程造价，本文通过开展软土地层中土压平衡盾构的掘削模型试验，研究盾构机工作参数的匹配性及其对地层特性的适应性。

关于盾构掘削的模型试验研究，国内外学者已做了不少有益的探索，如Ｃｈａｍｂｏｎ＆Ｃｏｒｔ′ｅ［４］通过离心试验研究了不同埋深情况下均质砂土层开挖面的极限压力大小，以及不同压力下开挖对周围环境的影响；Ｉｍａｍｕｒａ［５］利用微型盾构机进行隧道开挖和衬砌脱出盾尾过程的离心模型试验，研究在不同的隧道埋深和有盾尾间隙情况下衬砌顶部土压力及地面的沉降情况；西村均［６］利用离心模型试验，研究了在冲积砂土地层中因盾构掘进而引起的土体内部附加土压力；周小文［７］模拟了砂土地层中利用盾构法开挖隧道条件下，隧道内支护压力与地层位移的关系以及砂土地层的稳定与破坏机理，并提出了相应的支护压力计算公式；松本嘉司等人［８］为研究多圆断面盾构的基本特性，进行了检验掘削性能的模型试验；Ｙ．ｋａｓｈｉｍａ［９］为开发ＤＥＰＬＸ盾构，特制备了４种典型模拟地层———松散细砂、压实细砂、砾石及夹有大卵石的砾石层，并在其中进行了检验盾构开挖性能和切削面稳定性的模型试验；陈明雄［１０］进行了上海软土地区浅覆土盾构隧道冻结加固模拟试验的研究；李围［１１］采用三维相似模型试验，研究了在南京玄武湖公路隧道下新建地铁盾构隧道时两重叠隧道间的相互影响；朱卫平［１２］根据Ｇｏｏｄｉｅｒ理论建立了盾构法隧道模型试验中结构参数、施工参数及相应位移之间的相似关系；杨洪杰［１３］利用模型试验和数值模拟对盾构周围土压力变化及刀盘开口率对土舱内外土压力的影响进行了研究。

综上可见，上述模型试验多属于检验盾构机械的掘削性能和工法选择合理与否的验证性试验，而很少有开展盾构施工参数之间及其与地层特性的匹配性研究；另一方面，上述试验大都在砂石地层中进行的，而很少有在软土地层中盾构掘削的模型试验研究。

故此，本文作者在开展砂土地层中盾构施工参数的系列地层适应性模型试验基础上［１４－１６］，进一步开展了软土地层中盾构施工参数的地层适应模型试验。

１盾构掘进模型试验的相似关系由于盾构的掘削作业是一个很复杂的过程，实质上是一种土体与盾构机器之间相互作用的过程。

因此，如果要想通过模型试验的方法来研究盾构对地层的适应性，就必须将土体与盾构机器作为一个系统即“土体－盾构系统”来加以研究，并确定哪些参量是影响系统性能的主要因素，在此基础上再建立起模型与原型之间的联系桥梁。

根据对“土体－盾构系统”的相似理论研究，可以得出土压平衡盾构掘进模型试验所涉及的全部物理参量如下［３］：（１）土体特性：土体变形模量Ｅ、黏聚力ｃ、内摩擦角φ，土体密度ρ；（２）土体－机械系统：覆土厚度Ｈ、直径Ｄ、盾构推进速度ｖ、螺旋器转速ｎ、刀盘开口率ξ；（３）因变量：驱动扭矩Ｔ、推进力Ｐ、土体内部应力σ、土体变形量δ。

利用量纲分析法以及相似理论第２定理，最终得到如下的相似关系：ＣＴ＝ＣＥＣ３ｌ、ＣＰ＝ＣＥＣ２ｌ、Ｃσ＝ＣＥ、Ｃδ＝Ｃｌ、ＣＨ＝ＣＤ＝Ｃｌ、ＣρＣ２ｖ＝ＣＥ、ＣｎＣｌ＝Ｃｖ、Ｃｃ＝ＣＥ、Ｃφ＝１、Ｃξ＝１（１）式中：Ｃｌ表示模型试验的几何相似比，其余皆类推。

从中可见，只要选定Ｃｌ、Ｃσ和Ｃρ，就可确定其他的相似关系。

２原型地层基本概况及模型土配制模型试验所参照的原型地层是上海地铁Ｍ８线某区间隧道工程，本工程的上、下行线隧道分别采用法国ＦＣＢ和日本小松土压平衡式盾构施工，盾构直径均为６．３４ｍ，盾构主要穿越②３－２灰色砂质粉土层、④灰色淤泥质黏土层及⑤１灰色粉质黏土层。

试验过程中，主要以盾构所在的第④层灰色淤泥质黏土为参照对象，表１列出了这种土的实验结果。

按照式（１），要求原型土体材料与模型土体材料的强度相似比Ｃσ、几何相似比Ｃｌ以及重度相似比Ｃγ满足关系式Ｃσ＝ＣｌＣγ，据此可以进行模型土的配制。

本次试验所选取的几何相似比Ｃｌ＝１６，经过大量的试验反复验证，最终确定采用如下的方法来配制：即重晶石粉、粉煤灰、铁粉、高岭土、红粉砂、黏土、机油及水，按照一定的配合比经过拌和均匀后加压，再８８・・第４０卷第９期试验组别盾构埋深比Ｈ／Ｄ刀盘开口率ξ（％）刀盘转速ｎ（ｒ／ｍｉｎ）推进速度ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）土层性质Ｎｏ．１２３６２２模型黏土３２Ｎｏ．２３３６４２模型黏土５２Ｎｏ．３４３６２２模型黏土４２Ｎｏ．４４５４３６３４模型黏土表２试验内容Ｔａｂｌｅ２Ｃｏｎｔｅｎｔｏｆｍｏｄｅｌｔｅｓｔ静置一段时间后，就可以得到性能比较稳定的人工模型土，其各项性能指标如表１所示［３］。

与原型黏土相比，这里Ｃｌ＝１６，Ｃρ＝０．９３２，Ｃｃ＝１１．７０２，Ｃσｃ＝８．１０１，可以看出，Ｃρ近似等于１，此时Ｃｌ≈Ｃｃ≈Ｃσｃ，也就是近似有Ｃｌ＝Ｃσ。

由于绝对相似是做不到的，只要主要的相似关系能够满足，就可以认为模型黏土与原型黏土是相似的。