砂卵石地层土压平衡盾构开挖添加剂优化配比试验研究-北京工业大学博士研究生开题报告论文开题报告

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土压平衡盾构掘进中泡沫改良砂土的实验研究的开题报告

土压平衡盾构掘进中泡沫改良砂土的实验研究的开题报告一、研究背景和意义随着城市地铁建设的不断推进，土压平衡盾构机作为一种高效、安全、环保的隧道掘进设备，被广泛应用于隧道建设领域。

然而，在实际的隧道掘进中，盾构机所遇到的难题不在少数，其中最突出的问题就是隧道掘进过程中土壤固结失稳引起的隧道变形和塌陷事故，严重影响着隧道掘进的安全和进度。

针对土压平衡盾构机掘进中出现的难题，改良土的研究成为当下的热点话题。

其中，泡沫改良砂土是一种常用的改良方法，它可以改善砂土的力学性质、降低砂土的液性、提高砂土的稳定性，从而有效地提高隧道掘进的效率和安全性。

因此，本研究旨在通过实验研究的方式，探究泡沫改良砂土对于土压平衡盾构掘进中土体固结失稳的影响，为隧道建设的安全和高效掘进提供重要的参考和指导。

二、研究内容和方法本研究将选用室内试验的方式进行研究，主要包括以下内容：1. 研究泡沫改良砂土对砂土液性和强度特性的影响。

2. 研究泡沫改良砂土对土压平衡盾构掘进过程中固结失稳的控制作用。

3. 探究不同泡沫改良比例和控制参数对砂土和盾构掘进效率的影响。

在实验过程中，将利用泡沫发生器、压缩试验机、三轴试验机等实验设备，通过设计不同的试验方案和实验参数，实现对泡沫改良砂土的力学性能和控制效果的测定和分析。

三、研究预期结果和意义通过本研究的实验研究，我们可以得到以下结果：1. 确定泡沫改良砂土的最佳比例，从而提高土体的稳定性和强度特性。

2. 探究泡沫改良砂土对于土压平衡盾构掘进中固结失稳的控制作用，从而提高隧道掘进的安全性。

3. 分析不同泡沫改良比例和控制参数对砂土和盾构掘进效率的影响，为隧道建设提供了重要的掘进技术和参考标准。

综上所述，本研究的开展具有很高的理论和实用意义，在改善土压平衡盾构掘进难题和提高隧道掘进效率方面具有重要的应用前景。

土压平衡式盾构机添加剂系统

土压平衡式盾构机添加剂系统摘要：本文介绍了土压平衡式盾构机添加剂系统的重要作用，分析粘土、膨润土，泡沫剂，高分子材料的特点及其注入量的计算，为盾构施工提供参考。

关键字：添加剂系统，膨润土，泡沫剂，高分子材料Abstract: this paper introduces the earth pressure balance type shield construction machine to the important role of additives system, analyzes the clay, bentonite, foam agents, polymer material characteristics and the calculation of the quantity of injection, for shield construction to provide the reference.Key word: additive system, bentonite, foam agents, polymer materials正文：土压平衡式盾构机添加剂系统的作用目前我国应用的盾构机类型主要是土压平衡式盾构机，其原理是使开挖面切口环内被动土压力与开挖面刀盘外侧主动土压力保持平衡，因此要求作为支撑介质的土砂具有良好的塑流性。

但是由于一般土壤不能完全满足这些特征，需要对其进行土体改良，具体技术方法就是在刀盘前部和土仓中注入水、膨润土、粘土、泡沫剂和高分子材料等添加材料，经刀盘搅拌改善开挖土砂的塑流性，并降低渣土的透水性。

一般土压平衡式盾构机不适用于渗透系数K>10-5 m/s的土体,但是由于添加剂系统的发展正在不断扩大土压平衡式盾构机的适用范围。

（如下图所示）合理注入添加剂，能增加渣土塑流性，容易形成工作面动态土压平衡，有效控制地表沉降，改善刀盘、刀具、螺旋输送机的工作环境，改善土仓和螺旋输送机内渣土的性能，便于渣土的流动与运输，降低刀盘刀具和螺旋机的磨损，降低刀盘扭矩，降低了土仓内形成泥饼的可能性，降低土砂的透水性，使地下水更易于控制。

北京工业大学研究生开题报告论文开开题报告

土体的性质。
四、试验方案
1、坍落度试验

1.1 将砂卵石进行筛分试验，画出试样的颗粒级配。 1.2 做不同含水量的坍落度试验，试样的含水量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%，比较试样坍落度随含水量增大的变化规律，得到能接近盾构施工要求最佳的含水量。

1.3本试验的发泡液为1%、2%、3%三种浓度，制成不同稳定性和发泡倍率的气泡，以考虑气泡稳定性和发泡倍率对试验结果的影响；
此试验可以验证坍落度试验的结果，并与之做比较；试验仪器：小型砂浆搅拌机，电流表。

3、模型试验
设计一套简易试验装置，在坍落度试验和搅拌试验的基础上，监测混合土体在压力舱和螺旋输送机内压力的变化。
试验结果分析

4.1分析混合土体在不同添加剂情况下的坍落度，并找到添加剂最佳注入量。做出坍落度随时间变化的
测得混合土体的流塑性
渗透试验
(2)Degussa气泡公司的Qiu Ling Feng博士通过坍落度试验和小型搅拌机试验对混合土体进行了研究。
(3)学者Raffaele Vinai 等通过坍落度试验和压力舱模型试验设备对改良土进行研究，其模型如下所示：
(4)牛津大学的Sotiris Psomas硕士对粗砂和细砂进行了一系列的室内试验，对不同添加剂的改良土分别做了搅拌试验、压缩试验、直剪试验和渗透性试验，得到了下
数。
(5)多伦多大学的Nikol Kochmanova博士
(2007)对土体改良做了一系列的室内试验，试验材料为EPK高岭土和ASTM 20/30砂，采用坍落度试验对不同发泡剂和不同泡沫注入比的混合土体做了研究。
国内土体改良的研究状况

砂卵石地层中土压平衡盾构施工问题与对策研究

砂卵石地层中土压平衡盾构施工问题与对策研究作者：郭亮来源：《城市建设理论研究》2013年第21期摘要：本文依托北京地铁7号线广渠门外～广渠门内区间工程，对盾构在砂卵石地层中掘进时出现的问题做出分析，并提出针对性措施。

在工程实践中取得了良好的效果，结果对类似地层中类似工程具有一定的借鉴和参考价值。

中图分类号： TU7 文献标识码： A 文章编号：一、工程与地质概况1.1 工程概况本工程为北京地铁7号线工程广渠门内站～广渠门外站区间，本区间线路主要沿现状道路布置，呈东西走向，起点为广渠门内站，线路出站后在广渠门站后设置盾构吊出井，再沿广渠门内大街路中向东延伸，盾构区间先后下越本家润园人行天桥、京山线广渠门铁路框架桥、东护城河，旁穿领行国际地下车库、广渠门立交桥、及忠实里2栋16层楼，进入广渠门外大街，在广渠门外大街与广和里路交汇处设置广渠门外站。

左线K10+671.304～K11+705.700，长1033.057m；右线K10+670.154～K11+705.700，长1035.546m，本区间采用盾构法施工。

盾构机采用全封闭加泥式土压平衡盾构，所选择的土压平衡盾构适用于各种土层及这些土层的互层，适用范围广，采用直径6.14m 土压平衡盾构机，具有铰接装置。

面板式刀盘，开口率38%。

1.2 地质概况区间隧道覆土10～19m，隧道洞身主要穿过的地层有中粗砂层、圆砾层、砂卵石层、粉质粘土层、粉土层、细中砂层。

沿线地层条件复杂，区间隧道主要走行于渗透系数很大（约60m/d）的砂卵石地层。

区间地下水位埋深为7.00～8.60m，地下水位高程1514.90～1515.98m。

地下水主要赋存于粉土、粉质黏土及卵石土层中，属潜水类型。

该地质段的地层状况见图1。

图3 粉细砂、圆砾及卵石层地质纵断面图1 - 杂填土；2 - 粘质粉土；3 - 粉质粘土；4 - 粉细沙；5 - 中粗沙；6 - 卵石；7 - 圆砾层隧道围岩分级为Ⅵ级，土石可挖性等级为Ⅱ级，盾构掘进难度较大、施工精度不易保证。

砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究

可控的前提下，采用满舱欠压掘进模式可以提高砂卵石地层盾构掘进的效率。关键词：盾构隧道；砂卵石地层；土体改良；掘进模式
中图分类号：Ｕ４５２．１１文献标识码：Ａ
盾构法作为一种较为成熟的地铁施工手段已经
机进行现场掘进试验。盾构机的刀盘为面板式结
力学与建筑工程学院，北京摘
１０００８３；３．北京市轨道交通建设管理有限公司，北京
１０００３７）
要：盾构机在卵石含量高、粒径大的砂卵石地层中掘进时，由于土体塑流性差，土体在土舱内无法及
时排出，时常出现盾构推力、刀盘扭矩异常增大，推进速度极其缓慢等现象；由于土舱内土体颗粒间力的传递是点对点，使支护压力不能有效施加到开挖面上，极易出现地表沉降超限、塌方等事故。为此，以北京地铁９号线盾构隧道工程为背景，进行砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究。试验结果表明：采用泡沫＋膨润土作为土体改良剂对砂卵石地层土体进行改良是可行的；在土体改良过程中应根据出土量、土压力、盾构推力及刀盘扭矩等参数的控制情况，及时调整土体改良剂的注入时间、注入量等参数；在确保盾构出土量
１５～３Ｏ。
北京地铁９号线穿越的砂卵石地层卵砾石含量高，颗粒之间空隙大，无黏聚力，土体塑流性差，
盾构掘进时刀盘及土舱堵塞严重，掘进效率低。采
用常规土体改良剂使用量大，且无法达到预期效果，大大阻碍了盾构施工的正常、有序开展。本文

卵石地层土压平衡盾构施工添加剂配比优化试验

卵石地层土压平衡盾构施工添加剂配比优化试验
姜厚停
【期刊名称】《市政技术》
【年(卷),期】2016(034)004
【摘要】土压平衡盾构在城市隧道施工中得到了广泛的应用,尤其在软土地层中取得了良好的施工效果.然而,在卵石地层的施工中却出现了许多问题,主要原因是卵石地层土体改良效果差.因此针对北京地铁10号线2期某盾构区间的卵石地层盾构施工现状,对现场常用的添加剂(泡沫和泥浆)进行了性能测量,并对卵石土样使用不同添加剂进行了土体改良试验,通过坍落度试验评价了添加剂对卵石塑流性的影响规律,优化了土压平衡盾构施工添加剂配比方案,可为类似地层盾构施工添加剂的使用提供参考.
【总页数】4页(P88-91)
【作者】姜厚停
【作者单位】北京市政建设集团有限责任公司,北京 100045
【正文语种】中文
【中图分类】U455.43
【相关文献】
1.兰州地铁富水砂卵石地层土压平衡盾构施工关键技术 [J], 程高军;周小娟
2.砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良试验 [J], 张润来;宫全美;周顺华;钟毅
3.大直径土压平衡盾构在成都富水砂卵石
地层施工的关键技术 [J], 张英明;郭宏浩;李腾飞;罗良乾
4.富水砂卵石地层中大直径土压平衡盾构近距离下穿既有线施工风险管控措施 [J], 何自敬
5.富水砂卵石地层中大直径土压平衡盾构近距离下穿既有线施工风险管控措施 [J], 何自敬
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砂卵石地层盾构

盾构所经地层的砂卵石
北京地区砂卵石地层盾构掘进
如何解决砂卵石地层盾构掘进问题
是北京盾构选型的关键问题
粒径超过200mm
切削刀工作原理图
粉质粘土及重粉质粘土
圆砾层
中粗砂
粉细砂层
粘质粉土砂质粉土粘质粉土素填土
刀盘
粉细砂层地面,45.55
41.0539.35
36.35
34.45
33.95
31.15
26.95
22.05
粉质粘土及粘质粉土盾构机所在位置地质横断面 (k9+124.52)
盾构刀盘所在位置断面图
★刀盘大部分位于圆砾层中可预见其磨损将相当严重
219min
88 min
外周边刀已完全磨损
刀具磨损状况
（1）B-C 辐条间边刀（3）先行刀C1（4）先行刀B2（5）先行刀F4（6）切削刀DL1
件等因素，确定合理的可能换刀位置。

土压平衡盾构砂卵石地层施工技术

土压平衡盾构砂卵石地层施工技术作者：唐兴华来源：《装饰装修天地》2017年第24期摘要：近年来，砂卵石地层盾构施工问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。

本文首先對相关内容做了概述，分析了其中的施工风险与对策，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就掘进参数控制及渣土改良问题展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。

关键词：砂卵石地层；土压平衡盾构；施工1 前言盾构隧道不同的地质条件下盾构机和刀具选型与施工方式都有很大区别，土压平衡盾构机通常应用在地质条件为砂土砾砂岩石粘土等地层以及由上述几种不同的软硬土质构成的不均匀的软硬地层；泥水平衡盾构机主要适应的土质为砂土砾砂石粘土等地层，尤其是适合含水量大且水压高的地层。

盾构机选型也和土层的渗透系数相关。

如果土层的渗透系数较大那么可以考虑泥水盾构机，而土层的渗水系数如果较小可以考虑采用土压平衡盾构机，如果渗水系数处于中间值那么两种盾构机都可以采用。

作为一项实际要求较高的施工工作，采用土压平衡盾构在砂卵石地层施工的特殊性不言而喻。

该项课题的研究将会更好地提升对土压平衡盾构砂卵石地层施工的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化该项施工工作的最终整体效果。

2 工程概况某地铁盾构区间隧道围岩分类为Ⅰ～Ⅴ级，隧道上部第四系底层厚6～27米，区间岩性分布较复杂，岩层厚度变化大，上方覆盖层不稳定。

从上到下地层主要为：填土、粉质粘土、粗砂、砾砂、卵石层、强中风化泥岩层。

采用土压平衡盾构机进行区间隧道掘进施工，盾构施工隧道范围内主要为砂卵石、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩，遇水崩解。

3 施工风险分析与对策3.1 掘进中地表沉降塌陷风险及控制措施⑴风险分析。

①隧道顶部覆土自稳能力差，盾构掘进时平衡土压力过小，可能引起地面塌陷。

②受砂卵石土层和较大渗透率的影响，土仓内不易形成不透水流塑性状态的碴土而不能建立土压平衡机理，同时容易产生涌水、涌砂，造成细颗粒物质大量流失引而造成地表塌陷。

北京工业大学研究生S200904143开题报告

北京工业大学研究生开题报告√学位级别：□博士□硕士□工程硕士学号：S200904143研究生姓名：马超指导教师姓名：龚秋明副教授专业名称：岩土工程所在学院：建筑工程学院开题报告时间：2011年01月14日北京工业大学研究生部制表一、基本情况报告正文（一）选题依据与研究内容1、选题依据1.1课题来源国家自然科学基金（90715032，50938006，50908005）1.2 研究意义土压平衡盾构是土层适应性较强的盾构类型，可以在广泛的土层中使用，用于世界各地的隧道工程中，尤其在软土地层施工中优势明显，在掘进时一般不需要辅助技术措施，但因土压平衡盾构刀具和土体改良技术的局限性，其传统的使用界限可以用土体的颗粒级配表示[12]，如图1-4所示。

图1-4 土压平衡式盾构施工传统适用地层Fig 1-4 General conditioning for EPB tunnelling 按土质的其他参数综合考虑，土压平衡盾构的适用范围如图1-5所示，可以得到渗透系数在10-7~10-12细砂、粘土，粉砂层适用土压平衡盾构机。

小于某粒径百分数/％土体粒径/mm图1-5土压平衡盾构施工适用地层参数[13]Fig 1-5 Soil mechanical for EPB Tunnelling然而通过对不良土层进行土体改良，土压平衡盾构可以在砂砾、砂、粉砂，粘土等密实程度低、软、硬相间的地层以及砾层、砂层等地层中使用[25]，如在塑流性不能满足土压平衡盾构施工的地层中，需注入大量泥浆和泡沫添加剂来改善土体的塑流性和渗透性，这样可以大大增加了土压平衡盾构的适用范围，经土体改良土压平衡盾构增加的土层范围如图1-6所示[14]：图1-6 土压平衡式盾构施工突破传统的适用地层界限[14]Fig1-6 The approximate range of soil conditioning for EPB machines小于某粒径百分数/％土体粒径/mm随着对土压平衡盾构工法研究的不断深入，以及各种添加剂料应用于土体改良中，土压平衡式盾构工法适用的土层范围不断扩大，1.3 国内外研究现状。

北京砂卵石地层土压平衡盾构土体改良技术试验研究

通过室内和现场测试,结果表明:该改良剂效果良好。(4)总结了室内与现场土体改良经验,解决了北京在建地铁施工的一些技术难题;根据地层颗粒级配和试验确定注入材料合理的配比,砂卵石地层盾构施工土体改良需选择复合性的添加材料,泡沫加矿物材料能很好的提高渣土流塑性、抗渗性,取得了很好的土体改良效果,并能减少刀具磨损和节约掘进成本,既经济、又保证了良好的效果。
主要内容包括以下几个部分:(1)初步建立了土体改良性能评价体系及评价方法,提出了土体改良效果的计算公式;并设计了搅拌试验、摩擦系数试验、粘附阻力试验、塌落度试验等室内试验来检验砂卵石改良效果。(2)研制了环保型泥浆改良剂,并进行了砂卵石改良室内和现场试验。
环保型泥浆改良剂充分考虑经济环保等要素,引入了瓜尔胶、粘土中粒等新材料,通过一系列试验,找到合理的泥浆制备方案,取得最衰期这两个技术指标入手,发泡倍数介于5～20倍,半衰期大于5分钟为宜。
北京砂卵石地层土压平衡盾构土体改良技术试验研究
北京市城市轨道交通建设已经迎来了史无前例的建设高潮。在隧道施工中,常常遇到砂卵石地层与土压平衡盾构(EPBS)施工的适应性问题,给工程参建者们带来了新的技术难题和挑战。
土压平衡盾构施工能否顺利进行的关键技术之一就是土体改良技术,土体改良技术是在土体中加入土体改良剂使得土体达到理想的“塑性流动状态”,从而满足施工要求。本文对EPBS施工中的砂卵石地层进行改良技术、土压平衡特性等关键技术进行了系统研究。

国内典型砂卵石地层土压平衡盾构设计改进及应用

ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７４１Ｘ．２０１３．１１．０１４
中图分类号：Ｕ４５
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７２— ７４１Ｘ（２０１３）１１ — ０９７１一Ｏ６
ＯｐｔｉｍｉｚｅｄＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥＰＢＳｈｉｅｌｄｓｆ０ｒＴｙｐｉｃａｌＳａｎｄｙＣｏｂｂｌｅＧｒｏｕｎｄｉｎＣｈｉｎａ
ｓｈｉｅｌｄｓａｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｉｎｔｅｒｍｓｏｆｃｕｔｔｅｒｈｅａｄａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｓ，ｓｃｒｅｗｃｏｎｖｅｙｏｒ，ｓｏｉｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｇｒｏｕｔｉｎｇｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆＥＰＢｓｈｉｅｌｄｓｆｏｒｓａｎｄｙｃｏｂｂｌｅｇｒｏｕｎｄａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｐａｐｅｒｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｒｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＥＰＢｓｈｉｅｌｄｓｏｒｆｓｉｍｉｌａｒｇｒｏｕｎｄｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓａｎｄｙｃｏｂｂｌｅｇｒｏｕｎｄ；ＥＰＢｓｈｉｅｌｄ；ｄｅｓｉｇｎ；ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌ；ｓｃｒｅｗｃｏｎｖｅｙｏｒ；ｓｏｉｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ；

下穿施工时盾构-卵石地层-既有隧道相互作用模型试验研究

第47卷第4期2021年4月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.47No.4Apr.2021下穿施工时盾构-卵石地层-既有隧道相互作用模型试验研究林庆涛1,路德春1,雷春明2,李晓强1,苗金波1,龚秋明1,杜修力1(1.北京工业大学岩土与地下工程研究所,北京　100124;2.中国电力工程咨询集团新能源有限公司,北京　100120)摘　要:以实际工程为背景,设计了具有单一卵石层和2个既有隧道的试验模型.基于自主研发的土压平衡盾构试验平台,开展了卵石地层盾构下穿既有马蹄形隧道和矩形隧道的模型试验.在试验过程中,记录了盾构机的施工动力和排土量,同时监测了试验模型的地表沉降,以及既有隧道的应变和作用在其上的土压力.通过盾构机施工动力和排土量的变化,分析了既有隧道对盾构施工状态的影响.利用盾构下穿过程中盾构排土量的变化,解释了既有隧道周围卵石土体发生塌落破坏的原因.基于实测的地表沉降和作用在既有隧道上土压力的变化规律,揭示了盾构下穿过程中既有隧道与卵石土体的相互作用机理.关键词:盾构下穿;既有隧道;卵石地层;模型试验;隧道变形;地表沉降中图分类号:U 461;TP 308文献标志码:A文章编号:0254-0037(2021)04-0328-10doi :10.11936/bjutxb2020110007收稿日期:2020⁃11⁃04基金项目:国家自然科学基金资助项目(51421005,51538001,51778026);国家杰出青年科学基金资助项目(52025084)作者简介:林庆涛(1987 ),男,博士研究生,主要从事城市地下工程方面的研究,E⁃mail:lqt⁃26@ 通信作者:路德春(1977 ),男,教授,博士生导师,主要从事城市地下工程方面的研究,E⁃mail:dechun@Model Test Study on Interaction Between Shield⁃Cobble Strata⁃Existing Tunnels During Under⁃crossing ProcessLIN Qingtao 1,LU Dechun 1,LEI Chunming 2,LI Xiaoqiang 1,MIAO Jinbo 1,GONG Qiuming 1,DU Xiuli 1(1.Institute of Geotechnical and Underground Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.China Power Engineering Consulting Group New Energy Co.,Ltd.,Beijing 100120,China)Abstract :Taking a field project as the background,a test model with single cobble strata and two existing tunnels was designed.Then,a test of shield under⁃crossing the existing horseshoe and rectangular tunnels in the cobble strata was conducted based on the self⁃developed platform of the EPB shield.Physical quantities,including motive power of the shield as well as the weight of the discharged soil,the surface settlement of the test model,the strain of the existing tunnels,and the earth pressure acting on the existing tunnels,were measured during the test process.The influence of the existing tunnel on the shield advancing was clarified through the changes of motive power of the shield and the amount of soil discharged.Based on the change of the amount of soil discharged,the reason for the collapse of the cobble soil around the existing tunnel was explained.Based on the measured surface settlement and the variation of earth pressure acting on the existing tunnel,the interaction mechanism between the existing tunnel and cobble soil was revealed.Key words :shield under⁃crossing;existing tunnel;cobble strata;model test;tunnel deformation;surface settlement　第4期林庆涛,等:下穿施工时盾构-卵石地层-既有隧道相互作用模型试验研究我国城市中广泛分布着卵石地层.据统计,北京㊁兰州㊁沈阳㊁成都等20多个城市的地铁隧道穿越卵石地层[1].卵石地层中土颗粒之间孔隙较大,黏聚力接近于零,地层响应灵敏,开挖条件下容易发生塌落破坏,属于典型的力学不稳定层[2⁃5].盾构掘进时,在刀盘扰动和掌子面卸载共同作用下,容易发生地层塌陷事故[6⁃9].尤其是既有隧道存在时,如果不采取加固措施,盾构下穿施工导致地层发生坍塌破坏的可能性显著提高[9⁃10],既有隧道可能产生不可恢复的扰动[11⁃14].黏土或砂土地层中盾构下穿既有隧道的问题已经被广泛研究.这些研究主要关注盾构下穿过程中既有隧道的扰动特征,包括位移㊁附加应力和变形[15⁃21].对于卵石地层,多数研究关注于盾构掘进的控制,包括盾构施工参数的选择[3,21]和渣土改良[22⁃24];以及盾构掘进过程中卵石地层的扰动,如地表沉降[6,25⁃26]和掌子面塌陷[27⁃28]特征.目前,关于卵石地层中盾构施工的研究还比较缺乏,尤其是卵石地层中盾构下穿既有隧道的研究.开展相关的图1　清华园隧道与北京地铁10号线区间隧道的位置Fig.1　Positions of Qinghuayuan Tunnel and the interval tunnels of Beijing Metro Line 10研究,获得盾构下穿施工对既有隧道及其周围卵石土的扰动特征,以及既有隧道和卵石土体对盾构施工状态的影响规律,提出合理的盾构下穿施工方式,以及既有隧道及其周围的卵石土的加固措施,对实际工程的安全施工有重要的参考价值.基于自主研发的土压平衡盾构试验平台,开展了卵石地层中盾构下穿既有隧道的模型试验.试验过程中,记录了盾构的施工动力,用于分析既有隧道的存在对盾构施工状态的影响;称量了螺旋出土器的排土量,用于揭示既有隧道周围卵石土体发生塌落破坏的原因;监测了地表沉降㊁作用在既有隧道上的土压力,以及既有隧道的应变,用于探究盾构下穿对卵石地层和既有隧道的相互作用机理.1摇工程背景新京张铁路清华园隧道位于北京市海淀区,隧道入口位于学院南路北侧(DK14+090),出口位于双清路北侧(DK19+420),全长5330m,入口段(DK14+090~DK14+450)长度为360m,中段(DK14+450~DK18+200)长度为3750m,出口段(DK18+200~DK19+420)长度为1220m.入口段和出口段采用明挖法施工,中段采用准12.6m 的泥水平衡盾构施工.盾构开挖直径12.64m,隧道采用外径12.2m㊁内径11.1m 的衬砌支护[29].清华园隧道位于知春路地铁站西侧,由北向南下穿通过北京地铁10号线区间既有隧道.清华园隧道与既有隧道的夹角为79°.既有隧道位于知春路正下方,隧道顶部与知春路路面之间土层的厚度为9.18m,如图1所示.北京地铁10号线区间既有隧道采用浅埋暗挖法施工,采用复合式衬砌支护,隧道横断面为马蹄形,其高度×宽度为6.7m ×6.5m.既有隧道的初衬为C25网喷混凝土,厚度为250mm;二衬为300mm 厚的C30混凝土.新建隧道采用外径为12.2m㊁内径为11.1m 的管片支护,每环管片宽度923北　京　工　业　大　学　学　报2021年为2.0m,由8个标准块和1个关键块拼装而成,相邻管片采用错缝拼装.新建清华园隧道拱顶埋深约为21.36m,新隧道洞顶与既有隧道底板间距为5.48m,如图1所示.建设清华园隧道时,盾构机在典型的北京砂卵石复合地层中施工.地层自下而上依次为人工填土层(2.2m)㊁粉质黏土层(23.8m)㊁中密卵石层(9.8m)㊁粉质黏土层(2.5m)㊁粉砂层(2.9m)㊁密实卵石层.地下水位位于地表以下24.0m左右.新建隧道洞顶位于中密卵石地层中,盾构掘进过程中刀盘前方土体可能发生坍塌破坏. 2　试验模型设计利用自主设计的土压平衡盾构试验平台,基于背景工程和相似理论建立了试验模型,并开展了盾构下穿既有隧道的模型试验.试验过程中对盾构动力和排土量,以及地表沉降,作用在既有隧道上的土压力和既有隧道的应变进行了监测.2.1　土压平衡盾构试验平台如图2所示,试验平台由模型箱㊁盾构机和控制系统组成.模型箱内部尺寸为2.0m×2.0m×1.5m(长×宽×高).盾构机由开挖机构㊁推进机构㊁出土机构和支护机构组成.开挖机构:刀盘为辐板式,外径为280mm,开口率为45%,可实现正反转,转速精度为0.1r/min,最大扭矩为1800N㊃m.推进机构:盾构推进利用长行程高精度丝杠实现,最大推力为60kN,行程为2200mm,掘进速度精度为0.1mm/min.出土机构:螺旋出土器为轴式,外径为64mm,可排出直径10mm的土颗粒,转速范围为0~50r/min,最大扭矩为60N㊃m.支护机构:盾壳外面设置隧道衬砌,其外径为280mm,厚度为12mm,与盾壳间隙为10mm,采用低密度聚乙烯(LDPE)制作.LDPE 密度为0.91~0.93g/cm3,弹性模量为172MPa,其几何尺寸和力学性能基本满足相似理论的要求.控制系统可以实现盾构施工参数的控制和存储.2.2　试验模型试验模型采用与盾构相同的几何相似常数设计,即C l=45.试验模型尺寸为2000mm×2000mm×1400mm(长×宽×高),如图3所示.盾构隧道直径280mm,洞顶埋深620mm.试验模型中左侧既有隧道参照北京地铁10号线设计,横截面为马蹄形;为了研究隧道横截面形状的影响,既有隧道右线设计为矩形隧道.2条既有隧道的高度×宽度都为138mm×144mm,两隧道轴线之间的水平距离为400mm.同时,两既有隧道埋深相同,底板与图2　土压平衡盾构试验平台Fig.2　Test platform for the earth pressure balance shield 新建盾构隧道顶部之间土体的厚度为122mm.新建盾构隧道与既有隧道空间位置如图3所示.图3　试验模型布置及尺寸(单位:mm) Fig.3　Layout and dimensions of the test model(unit:mm)2.2.1　相似卵石地层实际工程中盾构主要在卵石地层中掘进,同时既有隧道正好位于卵石地层上方,盾构施工时既有结构的扰动程度主要取决于卵石地层的扰动,因此试验中将地层简化为单一的卵石地层.根据相似理论,岩土工程试验中土体应该满足土体颗粒几何相似和物理力学特性的相似.土体的一些力学参数,包括临界应力比M㊁泊松比ν,初始孔隙比e0量纲为1,相似常数为1;另外一些力学参数(如压缩指数λ和回弹指数κ)的相似常数难以确定.土颗粒粒径大小对其物理力学特性有着重要影响,模型试验中实现土颗粒粒径几何相似十分必要.砂土和黏土颗粒粒径较小,试验中很难实现其颗粒粒径的相似,但是对于卵石地层土颗粒的几何相似可以实现.因此,试验中根据几何相似比1/45对实际工程卵石颗粒进行缩尺得到了相似卵石地层的级配.在实际工程中,卵石土的颗粒直径为60~033　第4期林庆涛,等:下穿施工时盾构-卵石地层-既有隧道相互作用模型试验研究150mm㊁20~60mm 和0~20mm,质量占比分别为55%㊁15%和30%.采用3种不同粒径范围的砂配置相似的卵石层,达到目标级配时,3种砂的质量比m (粗砂)∶m (细砂1)∶m (细砂2)=1.129∶1.097∶1.000.试验用土的级配曲线如图4所示.配置好的卵石土不均匀系数C u =3.91<5,曲率系数C c =1.02>1.试验土体的力学参数见表 1.图4　实际卵石和试验用土的级配曲线Fig.4　Grading curves of the field cobble strata and test soil表1　相似卵石土力学参数Table 1　Mechanical parameters of the similar cobble 参数临界应力比M 压缩指数λ回弹指数κ初始孔隙比e 0数值1.20.0420.0110.4642.2.2　模型隧道实际工程中,既有隧道的变形通常处于弹性变形阶段,因此模型隧道的尺寸和弹性模量应满足相似理论的要求.模型隧道的几何相似常数为C l =45,弹性模量的相似常数为C E =C γC l .在该相似常数时,LDPE 是制作模型隧道的理想材料,因此既有的模型隧道采用LDPE 制作,如图5所示.图5　制作完成的既有隧道Fig.5　Model tunnels in the test模型隧道制作完成后,对其纵向抗弯刚度进行测试.测试过程中,将既有隧道当作简支梁,在其中间横截面顶部逐级施加荷载,以获得其挠度.模型隧道的纵向抗弯刚度可利用ω=Fl 348EI(1)计算.式中ω是模型隧道的挠度.加载至109.07N 时,马蹄形隧道和矩形隧道的相应挠度分别为1.07㊁0.56mm,以此为基础计算两隧道的纵向抗弯刚度分别为8831.6㊁15405.14Pa ㊃m 4.2.3　监测方案和试验过程在试验过程中,对地表沉降㊁作用在既有隧道上的土压力,以及既有隧道的应变进行了监测.设置SD 1㊁SD 2㊁SD 3㊁SD 4㊁SD 5五个横向监测断面测量地表沉降,这些监测断面分别位于盾构掘进距离y 为300㊁785㊁1000㊁1215和1700mm 的位置,其中y =785㊁1215mm 监测断面分别对应于马蹄形隧道和矩形隧道轴线正上方,监测点位置如图6(a)所示.同时,在马蹄形和矩形隧道上设置9个监测断面,测量其纵向变形,如图6(b)所示;在两既有隧道的顶拱㊁底板和两侧墙的外表面设置土压力传感器和应变片,测量作用在中间横截面上的法向土压力和其环向变形,如图6(c)(d)所示.模型试验中,地表位移采5G106直线位移计测量,量程50mm,测量精度0.25%FS,无限分辨率.土压力采用应变式微型土压力盒测量,量程50kPa,测量精度0.5%FS.DH3816N 静态应变采集仪被用于采集和记录传感器的数据,采集仪频率1~200Hz,采集范围±3×10-2ε,分辨率1×10-6ε.试验模型采用逐层压实法填筑.填筑每层时,首先称量724kg 的试验土体,并倒入模型箱中铺成厚度均匀的一层,然后在其上方悬挂水平弹性绳,测试该层的平整度.之后,将试验土压实至预设标高.试验土体干密度为1800kg /m 3,相对密实度为55%.当填土厚度分别达到30㊁50和80cm 时,埋入铝盒测量填土的密度.当填土厚度达到90cm 时,将2个模型隧道放置在设计位置,如图7(a)所示.然后,根据监测方案将土压力传感器固定在模型隧道上,如图7(b)所示.在此之后,继续填土直到完成试验模型.最后将位移计安装在设计位置,如图7(c)所示,并将位移计和土压力传感器的信号线与采集仪相连,如图7(d)所示,并根据试验要求对采集系统进行设置和调试.隧道开挖开始之前,首先根据实际工程和相似理论设置盾构机的施工参数.实际工程中,在卵石133北　京　工　业　大　学　学　报2021年图6　试验模型监测方案Fig.6　Monitored scheme of the test model地层掘进时,盾构机的掘进速度为20~60mm/min.本试验中几何相似常数C l=45,时间相似常数C t= 45,试验中盾构掘进速度应为2.98~8.96mm/ min,因此试验中盾构掘进速度设定为3.0mm/min.实际工程中,刀盘的转速通常为1.0~2.0r/min,因此试验中刀盘转速设定为1.0r/min.另一方面,试验中通过调节螺旋出土器的转速控制盾构开挖引起的地层损失率,实际工程中盾构施工引起的地层损失率约为2%,为了保证试验中的地层损失率与实际工程接近,试验中螺旋输送机的实际转速为4.0~ 5.0r/min.图7　试验模型建立过程Fig.7　Establishment process of the test model3　试验结果分析基于盾构下穿施工引起的地表沉降㊁作用在既有隧道上的土压力,以及既有隧道的应变的监测数据,分析了盾构开挖㊁卵石土体和既有隧道之间的相互作用.3.1　既有隧道对盾构开挖的影响盾构掘进时需要的施工动力与作用在盾壳和刀盘上的土压力有关,土压力越大,盾构开挖掘进所需要的刀盘扭矩和推进力越大.新建隧道上方的既有隧道为中空结构,其整体质量较小,因此既有结构下方土体的压力比无既有结构位置同埋深处土体的压力低;同时既有隧道刚度较大,开挖扰动后起到横梁的作用阻止其上部土体的土压力作用在盾构机上.因此,盾构下穿既有隧道时盾构机的推进力和刀盘扭矩会有一定程度降低,如图8所示.另一方面,当施工参数不变时,土压力越大,土体流入土压力舱的速度就越快,盾构排土量也越大,233　第4期林庆涛,等:下穿施工时盾构-卵石地层-既有隧道相互作用模型试验研究图8　盾构掘进动力和排土量Fig.8　Shield motive power and weight of thedischarged soil土压力越小时则相反.图8给出了盾构掘进过程中螺旋出土器的排土量,可以看出刀盘在无既有隧道位置掘进时盾构排土量较为稳定,当盾构刀盘掘进至既有隧道附近时排土量逐渐减小,当盾构刀盘驶过既有隧道轴线后排土量又开始逐渐增加.也就是说,当盾构刀盘从既有结构下方驶出时,盾构开挖断面的地层损失会逐渐增大,以至于既有隧道盾构驶出侧的卵石土更容易发生塌落破坏.3.2　既有隧道对地层变形的影响图9给出了盾构掘进过程中螺旋出土器的排土量,以及开挖完成时刻对应位置处的地表沉降.可以看出,在无既有隧道的位置掘进时,盾构的排土量较为稳定,地表的沉降量很小;当下穿既有隧道时,盾构的排土量先减小再增加,表明盾构刀盘从既有结构下方驶出时,新建隧道开挖断面的地层损失会逐渐增大.同时,图9显示马蹄形隧道和矩形隧道盾构驶出一侧的地表都出现了塌陷破坏,可以推断地层损失的增加是导致这2个位置处地层发生塌陷破坏的重要原因.同时,图10㊁11分别给出了马蹄形隧道和矩形隧道轴线所在横断面的地表沉降.对于马蹄形隧道轴线横截面,盾构刀盘掘进至y=505mm(-1.0D)时,地表开始出现沉降;刀盘掘进至y= 1345mm(2.0D)时,地表沉降不再增加;刀盘掘进至y=785mm(0.0D)时,地表塌陷还未发生,此时地表沉降远小于刀盘掘进至y=1345mm时的值.同时可以看出,盾构掘进的过程中既有隧道对其正上方土体的沉降有一定的阻拦作用,刀盘驶过马蹄形隧道轴线之前既有隧道和新建隧道相交位置处地表的沉降与其附近位置的沉降接近,但由于塌陷破图9　地表沉降和盾构机排土量Fig.9　Surface settlement and weight of the dischanged soil图10　马蹄形隧道轴线横断面地表沉降Fig.10　Surface settlement of the transverse sectionof the horseshoe tunnel axis图11　矩形隧道轴线横断面地表沉降Fig.11　Surface settlement of the transverse section ofthe rectangular tunnel axis坏的发生,该点的最终沉降远大于其他位置.对于矩形隧道轴线横断面,位移计所在位置土体未发生塌落,地表沉降量较小.盾构刀盘掘进至y=655mm (-2.0D)时,该横截面开始出现地表沉降;刀盘掘333北　京　工　业　大　学　学　报2021年进至y=1775mm(2.0D)时,地表沉降不再增加.矩形隧道对其正上方地表沉降发展的影响与马蹄形隧道相似,如图11所示.3.3　地层对既有隧道变形的影响既有隧道周围土体发生变形的同时,作用在既有隧道上的土压力也发生变化,从而导致既有结构产生附加变形.作用在马蹄形隧道拱顶和拱底的土压力沿其轴线方向的分布如图12所示,相对应的马蹄形隧道的纵向变形如图13所示.图12(a)显示,随着盾构掘进,作用在马蹄形隧道顶板的土压力逐渐增大,距离中间截面越远的位置增加量越小;图12(b)为作用在马蹄形隧道底板的土压力,在中间横截面处,随着盾构掘进土压力逐渐减小,在x=±140cm位置处土压力随着盾构掘进先增大后减小,在x=±420cm处土压力逐渐增大.图12中呈现的土压力的变化规律表明,马蹄形隧道中间横截面附近产生向下的挠度,呈现顶板受压底板受拉的变形模式;远离中间横截面的位置产生向上的挠度,呈现顶板受拉底板受压的变形模式,如图13中的纵向应变结果所示.作用在马蹄形隧道中间横截面拱顶㊁拱底,以及两拱腰的土压力随盾构掘进的变化如图14所示.刀盘掘进至马蹄形隧道轴线之前,拱底和两拱腰的土压力逐渐减小,但左拱腰和拱底土压力的减小更为显著,拱顶土压力变化较小;刀盘通过轴线后,右拱腰土压力进一步减小,拱顶土压力显著增加,左拱腰和拱底则变化不大.盾构掘进至马蹄形隧道轴线和通过轴线2.0D后,马蹄形隧道的环向应变也展示在了图13中,可以看出盾构掘进至马蹄形隧道轴线之前,马蹄形隧道近似沿135~ 315°轴线方向被压扁,盾构开挖完成后马蹄形隧道压扁的轴线方向变为22.5~202.5°.马蹄形隧道中间截面变形随盾构掘进的演化与该截面上土压力的变化趋势一致.矩形隧道纵向变形如图15所示,在x=±420mm之间,随着盾构掘进矩形隧道顶板受压㊁底板受拉的变形特征更加显著;在x=±420mm 之外,矩形隧道受到的扰动较小.作用在矩形隧道中间横截面拱顶㊁拱底,以及两拱腰的土压力随盾构掘进的变化规律与马蹄形隧道相似,但是矩形隧道的环向变形与马蹄隧道差别较大,如图16所示.盾构刀盘掘进至矩形隧道轴线之前,矩形隧道近似在竖直方向上被压扁,但其顶板的变形较为图12　马蹄形隧道上不同位置处土压力变化规律Fig.12　Incremental earth pressure on differentlocations of the horseshoe tunnel 图13　马蹄形隧道纵向应变Fig.13　Longitudinal strain of the horseshoe tunnel 复杂,同时左侧墙的变形程度远大于右侧墙;盾构刀盘通过矩形隧道轴线之后,矩形隧道右侧墙的变形显著增加,最终左右侧墙都呈现显著的外拉内压变形,矩形隧道表现为竖直方向压扁㊁水平方向拉长的变形特征.433　第4期林庆涛,等:下穿施工时盾构-卵石地层-既有隧道相互作用模型试验研究图14　马蹄形隧道中间截面的法向土压力变化及其环向应变Fig.14　Circumferential earth pressure and strains of the horseshoe tunnel图15　矩形隧道纵向应变.Fig.15　Longitudinal strain of the rectangular tunnel4摇结论基于自主研发的土压平衡盾构试验平台,开展了卵石地层盾构穿下穿既有隧道模型试验,获得了下穿施工过程中盾构的推进力㊁刀盘扭矩和排土量,监测了地表沉降㊁既有隧道应变,以及作用在既有隧道上的法向土压力.以此为基础,分析了盾构-卵石地层-既有隧道的相互作用机理.主要结论如下.1)盾构开挖引起地层损失,使得刀盘周围的土体产生变形,同时作用在既有隧道上的土压力重新分布,既有隧道发生附加变形.既有隧道使作用在盾壳和刀盘上的土压力减小,盾构下穿既有隧道时掘进力和刀盘扭矩出现一定程度降低,同时使得刀盘驶入既有隧道下方时盾构排土量减小,从既有隧道下方驶出时排土量增加,以至于既有隧道盾构驶出一侧土体的扰动程度更大.卵石地层受扰动时易发生塌落破坏,因此盾构在卵石地层中下穿既有隧道时,既有隧道盾构驶出侧的土体更易发生塌落破坏.同时,卵石地层成拱能力较强,地层塌落破坏发展至地表存在滞后性.伴随着地层塌落的发展,作用在既有隧道上的土压力不断变化,既有隧道的变形也继续发展,直至地层塌落破坏不再发展.2)盾构下穿过程中马蹄形隧道和矩形隧道的纵向变形相似,但是两既有隧道中间横截面的环向变形差别显著.对于纵向变形:两既有隧道最大拉应变都发生在中间横截面的拱底位置,环向的拉伸裂缝在该位置处最先产生.对于环向变形:盾构刀盘掘进至既有隧道轴线下方时,马蹄形隧道的右拱肩和左拱脚的拉应变最大,矩形隧道左拱腰的拉应变最大;盾构刀盘远离既有隧道轴线2.0D 时,马蹄形隧道拉应变最大的位置转移至左拱肩和右拱脚,矩形隧道右拱腰拉应变超过左拱腰.对于马蹄形隧道和矩形隧道发生纵向拉伸裂缝的位置显著不同,现场施工时需要关注的位置不同.盾构下穿过程中,作用在马蹄形隧道中间横截面和矩形隧道中间横截面的围岩压力的变化规律相似,截面形式的不同是导致2个既有隧道变形显著不同的主要原因.533北　京　工　业　大　学　学　报2021年图16　矩形隧道的法向土压力变化以及环向变形Fig.16　Circumferential earth pressure and strains of the rectangular tunnel3)由于土体变形具有强非线性的特征,模型试验中土体难以完全满足相似理论的要求,以至于模型试验结果与现场工程结果存在差异.但是对于试验模型和现场工程相对应位置处土体,其变形趋势相同,模型试验的结果可以定性地揭示现场工程中地层和结构的受力变形规律,从而为实际工程的施工提供一定指导.参考文献:[1]张佩.砂卵石地层隧道开挖模拟及分析方法研究[D].北京:北京工业大学,2018.ZHANG P.Numerical simulation and analysis method on tunnel excavation in sandy cobble stratum [D].Beijing:Beijing University of Technology,2018.(in Chinese)[2]范祚文,张子新.砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(12):2506⁃2512.FAN Z W,ZHANG Z X.Model test of excavation face stability of EPB shield in sandy cobble ground and adjacent building effect[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(12):2506⁃2512.(in Chinese)[3]江英超.盾构掘进对砂卵石地层的扰动机理研究[D].成都:西南交通大学,2014.JIANG Y C.Study on the soil disturbance mechanism of shield tunnelling in sandy cobble stratum[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2014.(in Chinese)[4]FARGNOLI V,BOLDINI D,AMOROSI A.TBMtunnelling⁃induced settlements in coarse⁃grained soils:the case of the new Milan underground line 5[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2013,38:336⁃347.[5]FARGNOLI V,BOLDINI D,AMOROSI A.Twin tunnelexcavation in coarse grained soils:observations and numerical back⁃predictions under free field conditions and in presence of a surface structure [J ].Tunnelling and Underground Space Technology,2015,49:454⁃469.[6]ZHANG Z X,ZHANG H,YAN J Y.A case study on thebehavior of shield tunneling in sandy cobble ground.Environ[J].Earth Science,2013,69(6):1891⁃1900.[7]ZHANG P,JIN L,DU X L,et putationalhomogenization for mechanical properties of sand cobblestratum based on fractal theory[J].Engineering Geology,2018,232:82⁃93.[8]DU X L,ZHANG P,JIN L,et al.A multi⁃scale analysismethod for the simulation of tunnel excavation in sandy cobble stratum [J ].Tunnelling and Underground Space Technology,2019,83:220⁃230.[9]牛学超,杨仁树,孙忠辉,等.卵砾石层大断面斜井井筒支护方法现场试验研究[J].岩土力学,2009,30(增刊2):72⁃78.NIU X C,YANG R S,SUN Z H,et al.Field test study of methods for supporting large⁃section inclined shaft in gravel layer[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(Suppl 2):72⁃78.(in Chinese)[10]韩冠楠.砂卵石地层大断面平顶直墙隧道下穿运营地铁变形控制研究[D].北京:北京交通大学,2019.HAN G N.Study on the deformation control of tunnelswith flat top and vertical wall in large section of sand⁃633。

北京地区卵石地层盾构应用技术探讨

北京地区卵石地层盾构应用技术探讨针对两种品牌盾构在同一地层掘进的施工案例，结合盾构机在北京地铁卵石地层中施工的经验，本文重点讲述了盾构机关键部件刀盘以及螺旋输送机在卵石地层中的实际应用，通过对盾构机施工参数对比、螺旋输送机的选型以及刀盘开口率匹配等的探索性试验，为以后北京地区卵石地层盾构施工提供了参考。

标签：卵石地层盾构机刀盘土压平衡盾构法施工在我国城市地铁隧道、过江河公路隧道、城市排污管道、过江输水或气管道中使用越来越普遍。

而作为施工主机械的盾构机选型工作在施工中直接影响着工程的进度快慢，在北京地区卵石掘进的盾构机经常出现螺旋机卡死、盾构刀盘结泥饼和卵石块无法排出、刀盘卡死、刀盘磨损等地层现象，该地层中刀盘开口率、刀盘大圆环形式、螺旋输送机的形式、使用参数以及螺机土仓内的伸出量都会影响到出渣的连续性与流畅性。

本文通过对同地层两种参数进行对比分析，力求寻找出一个适应北京地区卵石地层的刀盘以及螺旋输送机得使用方法，为以后同类地层盾构施工提供参考。

一、地质状况盾构机通过的地层自上往下主要为：①粉土填土，①1杂填土、④2粉土、④3粉细砂、⑥粉质粘土、⑤2粉细砂、⑤卵石、⑦卵石。

盾构穿越地层主要为卵石⑤层、粉质粘土⑥层、卵石⑦层，全段连续分布，局部为粉细砂⑤2层、粉质粘土⑤4层。

整个区间各地层比例所占比例如图1。

卵石的颗粒物最大粒径不小于390mm，卵石、漂石主要成份为石英砂岩、辉绿岩、安山岩、硅质白云岩等坚硬岩类，且地下水稀少。

二、盾构主要参数对比刀盘是土压平衡盾构机的重要组成部分，主要功能有：1）挤压、切削刀盘前方地层中的渣土，通过旋转刀盘的方式使其进入土仓；2）刀盘有支撑前方土层的作用；3）通过渣土的搅拌使土仓内及刀盘前方的渣土能够形成有效的搅拌改良。

刀盘主要结构由支撑臂、刀盘面板、刀具、搅拌轴及泡沫孔等组成，目前国内土压平衡盾构使用的刀盘主要有面板式和辐条式，我们介绍的为不同开口率的面板式刀盘在该地层中应用。

盾构在富水砂砾(卵)石地层掘进时应用的泥浆配比优化试验研究

脱石为主要成分的黏土矿物，相对密度２．４～２．９，遇水体积
２０１７・６・ＢｕｉｌｄｉｎｇＣｏｎｓ￣＇ｕｃｔｉｏｎ１１８５７］
堡
盾构在富水砂砾（卵）石地层掘进时
应用的泥浆配比优化试验研究
柳毅强
上海域建市政工程（集团）有限公司上海２０００６５
摘要：沈阳地铁１０号线１１标在富水砂砾（卵）石地层中泥水盾构掘进时，通过对泥膜形成及泥浆配比优化等关键技术问题进行调研分析，以及室内试验、现场试验验证，牢牢地把握了其中的关键点和技术要点。为降低过河段施工风险和指导施工提供参考，具有较大的理论价值和实际工程意义。
ＲｉｃｈＷａｔｅｒＳａｎｄ（Ｐｅｂｂｌｅ）ＳｔｏｎｅＳｔｒａｔｕｍ
ＬＩＵＹｉｑｉａｎｇ
ＳｈａｎｇｈａｉＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００６５，Ｃｈｉｎａ
关键词：泥水盾构；富水地层；泥膜形成；泥浆配比中图分类号：ＴＵ７５５．１文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．１４１４４４．ｃｎｋｉ，ｊｚｓｇ．２０１７．０６．０４４