土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究

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,但是盾构在穿越塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时,存在土体受扰动发生液化、流砂或由于螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”等许多技术难题。为此,研究了盾构穿越砂性土层时采用合适的添加剂的施工工艺

第24卷 第1期

岩石力学与工程学报 Vol.24 No.1

2005年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2005

土压平衡盾构在砂性土中

施工问题的试验研究

唐益群1，宋永辉2，周念清1，黄 雨1，叶为民1，张庆贺1

(1. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；2. 上海隧道工程股份有限公司，上海 200092)

摘要：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，但是盾构在穿越塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时，存在土体受扰动发生液化、流砂或由于螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”等许多技术难题。为此，研究了盾构穿越砂性土层时采用合适的添加剂的施工工艺，并在盾构(工作面)原位对砂性土层掺入泡沫剂和肥皂水2种添加剂进行盾构推进对比试验，结合室内砂性土土样掺入泡沫剂和肥皂水试验数据，对比分析了掺入2种不同添加剂对减小盾构在砂性土层中的推进阻力及其对改善砂性土层特性的影响。在试验数据分析的基础上，对添加剂增加砂性土的塑流性、保水性以及工作面动态土压平衡机理作了较深入的探讨。研究结果表明，掺入添加剂易形成工作面动态土压平衡，有效控制地面沉降，并可加快螺旋出土器排土，减少刀盘扭矩、千斤顶推力及刀头磨损。

关键词：土力学；土压平衡盾构；砂性土层；扰动液化；抗液化掺加剂

中图分类号：U 455.43 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)01–0052–05

EXPERIMENTAL RESEARCH ON TROUBLES OF EPB SHIELD

CONSTRUCTION IN SANDY SOIL

TANG Yi-qun1，SONG Yong-hui2，ZHOU Nian-qing1，HUANG Yu1，YE Wei-min1，ZHANG Qing-he1

(1. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China； 2. Shanghai Tunnel Engineering Co. Ltd.，TBM Construction Branch，Shanghai 200092，China)

Abstract：Earth pressure balanced(EPB) shield is one of the most important ways in tunneling. While there are still many troubles including disturbing soil liquefaction，quick sand，‘dry cake’ at work-face due to the output difficulty of soil through screw during tunneling in sandy soil with low plasticity，high water content，and large penetration coefficient. The suitable additives (soapy water and foaming agent) are used to improve construction condition when tunnel passes through sandy strata. In-situ tests were conducted to compare shield driving force with different additives blended in sandy strata. Sandy soil mixed with additives is analyzed by laboratory tests. In addition，influences of two different additives on shield driving force in sandy strata for improving characteristic of sandy strata are compared. Based on the tested data，the effects of two additives in improving plasticity-fluid and capability of retaining water of sandy strata as well as the balance mechanics of shield work-face are discussed thoroughly. The research is valuable in improving characteristics of sandy strata to keep shield work normally while reducing construction deformation，controlling ground settlement efficiently，facilitating soil output through screw，decreasing torque and abrasion of cutter head，and decreasing driving force of jack and avoiding geological disaster.

收稿日期：2003–08–01；修回日期：2003–11–10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(40372124)；上海市重点学科基金项目(沪教委科[2001]44号)

作者简介：唐益群(1952–)，男，1977年毕业于同济大学工程地质与水文地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事工程地质与水文地质、环境地质方面的教学与研究工作。E–mail：tangyiqun2@。

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,但是盾构在穿越塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时,存在土体受扰动发生液化、流砂或由于螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”等许多技术难题。为此,研究了盾构穿越砂性土层时采用合适的添加剂的施工工艺

第24卷 第1期 唐益群等. 土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究 53

Key words：soil mechanics；EPB shield；sandy strata；disturbed liquefaction；anti-liquefaction additive

1 引 言

现代城市对地下隧道建设在数量和质量上都有了更高的要求，而盾构作为隧道施工的专用机械，以其施工速度快、对环境影响小等优点，在城市地下隧道建设中被广泛采用。上海、南京、广州等城市的地铁及各种地下管道施工都大量使用了盾构机。不同的盾构机适应不同的土层，但泥水平衡盾构、气压和局部气压盾构因为其自身的局限性而较少使用，而土压平衡盾构机(EPBSM)由于其适用范 围(特别是在软土地层中)广、污染小、不需要昂贵的泥浆处理费用等优点而得以广泛应用。

土压平衡盾构在施工过程中将开挖的土料进行泥土化，通过控制泥土的压力以保证开挖面的稳定性。其对土料的要求为：具有良好的流动性、内摩擦角小以及渗透性差。对于不满足以上条件的土层要进行改良，方法主要有：加水、肥皂水、喷润土、粘土、CMC聚合物和泡沫剂等施工工艺[1

～4]

。目前

在建的上海轨道交通明珠二期，以及南京地铁一号线区间盾构在施工过程中都遇到了流塑性差、含水量高、渗透系数大的砂性土地层，土压平衡盾构在该类土层中施工经常遇到以下技术难题：

(1) 由于砂性土摩擦阻力大，因而刀盘及千斤顶推力波动较大，对前方土体扰动过多，故地面沉降大而不容易控制，再加上砂性土具较好的渗透性，很容易导致流砂甚至液化发生；

(2) 盾构掘进时刀盘及主轴承扭矩、千斤顶推力太大，施工进展较慢，同时导致刀盘、主轴承过度磨损；

(3) 由于砂性土流塑性太差，螺旋出土器出土困难，工作面形成“干饼”；

(4) 注浆压力及注浆量很大，进一步导致地面沉降失控。

盾构通过砂性土层时采用掺入添加剂的方法在国外应用较早，并已开发出适用于砂性土层的泡沫添加剂。国内近几年才大规模地开发软土地区的地下空间，土压平衡盾构作为软土地区首选施工器械被采用，而在砂性土层中施工的技术难题也已引起施工单位的重视，但根据软土地区不同的地质与水文地质条件选用不同性能的添加剂以改善砂性土层特性的研究成果不多，特别是盾构施工工地原位和室内添加剂试验比较研究的成果目前尚未见到。因

此，本文分析土压平衡盾构穿越砂性土层时所遇到

的技术难题并研究其机理，提出采用掺入添加剂的方法以改善施工状况，消除可能引发的上述技术难题。研究成果对当前和今后土压平衡盾构顺利穿越软土地区砂性土层的施工具有较大的理论与实践意义。

2 盾构工作面动态平衡机理分析

土压平衡盾构工作机理是将开挖下来的土料充满开挖面和隔板之间的空间，通过施加适当的推力确保开挖面稳定，同时通过贯穿隔板设置的螺旋式排土器进行排土。要保证开挖面的稳定必须保 证：

(1) 土压平衡盾构施工过程中必须在开挖面和隔板之间充满可塑性土料。

(2) 在盾构推进和管片拼装过程中，盾构密封舱内压力Pi始终略大于正面主动侧压力Ph和水压力Pw之和[2

～5]

，如图1所示，即

Pi≥(1.1～1.2)(Ph+Pw) (1)

式中：Pi为密封舱内压力(MPa)，Ph为正面主动侧

压力(MPa)，Pw为水压力(MPa)。

地下水

图1 土压盾构工作面土压力动态平衡示意图 Fig.1 Dynamic balance on work-face of EPB shield

(3) 土压平衡盾构螺旋排土器出土量与刀盘前方进土量一致，以保持土压力的动态平衡。

为了保证开挖面稳定所需的土压力，必须使盾构压力舱内的土砂混合物具有适宜的流塑性及保水

性，以保证盾构螺旋出土器能顺利排土且不使开挖

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,但是盾构在穿越塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时,存在土体受扰动发生液化、流砂或由于螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”等许多技术难题。为此,研究了盾构穿越砂性土层时采用合适的添加剂的施工工艺

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面发生大面积液化甚至流砂。

土压平衡盾构最理想的施工环境是具有粘性流动的软弱土层，如上海的饱和淤泥质粘性土[5]。在砂性土层、砂质粉土层中，由于砂性土的渗透性较 好，受扰动后水土分离，不能形成具有一定流动性的土料，土体排出困难。其次，刀盘前方土体失水固结，密封舱底部砂土颗粒大量沉淀，密度较大，而上部密度相对较小，致使工作面土压力不能均 衡，同时砂土混合物的c， 值增大，造成推进过程中主刀盘扭矩及千斤顶推力增加，加剧了盾构机切削刀头和面板的磨损。有时，由于工作面不能保持很好的动态平衡，土体受扰动发生液化，变形增大，地面沉降失控。因此，流塑性差、含水量高、渗透系数大的砂土、砂质粉土地层中，很难建立工作面的平衡关系，地面变形控制难寻规律。为改善砂性土层中的施工状况，保证盾构施工顺利进行，采用掺入添加剂的方法已成为在砂性土层中改善施工条件的首选方法。

3 盾构施工工地原位添加剂试验研究

3.1 工程背景

该地铁区间隧道位于上海市临平路车站西端头井和溧阳路车站东端头井之间，采用全断面切削式土压平衡盾构施工。盾构外径6.34 m，内径6.2 m。隧道穿越土层和上覆土层包括：第①层人工填土；第②1层褐黄色粉质粘土(局部穿越)；第②3－1层灰 色粘质粉土；第②3－2层灰色砂质粉土；第⑤2层灰色砂质粉土。其中主要穿越(全断面穿越)的地层为灰色砂质粉土②3－2层，该土层粒径小于0.005 mm的颗粒含量全部小于全重的10％，粘粒含量很低，对盾构掘进带来很大困难。为此，在盾构推进过程中须采用掺入添加剂的方法以改善施工状况，使盾构在砂层中顺利推进。

3.2 盾构施工工地原位试验数据及分析

为了使盾构在砂层中顺利推进，根据地层特征可采用合适的添加剂，如加水、肥皂水、喷润土、粘土、CMC聚合物和泡沫剂等，来改善施工状况。本次在盾构推进时，根据施工工艺与施工条件，采用掺入泡沫剂(742号环)和肥皂水(743号环)2种添加剂进行盾构推进对比试验，目的是确定哪一种添加剂施工效果最佳。表1为掺入泡沫剂和肥皂水2种添加剂对土压平衡盾构施工参数影响的试验结果。

表1 不同掺入剂对土压平衡盾构施工参数的影响 Table 1 Effects of different additives on EPB shield

construction parameters

参数千斤顶油压刀盘油压推进速度 刀盘转速 设定土压/100 kPa/100 kPacm/min r/min 力/100 kPa泡沫剂108～112约1204.6 0.702～0.7121.773 肥皂水

125～135

约130

3.9

0.702～0.712

1.77

从试验结果可以看出，本试验是在设定土压力(决定于上部土层与土层埋深)及盾构刀盘转速基本维持不变的情况下进行的。掺入泡沫剂比掺入肥皂水千斤顶油压降低了15％，刀盘油压降低8％，同时推进速度提高了18％。而在不加任何添加剂的 情况下，刀盘及千斤顶油压都超出了盾构的正常工作范围，盾构施工基本上不能正常进行。由此可见，肥皂水或泡沫剂的掺入对施工状况有很大改善，而泡沫剂的效果又明显优于肥皂水。

4 室内试验研究

4.1 试验取样

工程背景如上所述。本次室内试验所用土样取自地铁区间隧道下行左线742环附近，土样为灰色粘质粉土②3－1层和灰色砂质粉土②3－2层的土体，直接取自盾构机螺旋出土器出口处，从而避免了其他干扰因素的影响。使用的添加剂为肥皂水和泡沫剂。

4.2 试验方案

由于土样取自螺旋出土器出口处，已经被彻底扰动破坏，失去其原有结构特征，因而本次试验是对掺入了肥皂水或泡沫剂的扰动土进行重塑，将扰动土直接放入试验仪器内进行试验(不经过烘干等一系列过程的重塑)。只有这样，才能最大限度地反映掺加了泡沫剂或肥皂水后土性的相对差异。对于重塑土，主要控制其密度，因为土样取自同一地点，其他相应指标均相同。从施工现场取得土样后，立即送到土工实验室进行有关试验研究。

室内试验在同济大学地下建筑与工程系岩土工程实验中心实验室进行，试验内容如下：

(1) 三大常规指标：密度ρ，含水量ω，比重

G；推导常规指标：孔隙比e。它们反映这2类扰动土的基本物理力学性质差异；

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,但是盾构在穿越塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时,存在土体受扰动发生液化、流砂或由于螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”等许多技术难题。为此,研究了盾构穿越砂性土层时采用合适的添加剂的施工工艺

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(2) 压缩试验：反映2类扰动土渗透性指标的差异，指标：渗透系数Kv；

(3) 固结快剪试验：反映2类扰动土的静态强度差异，指标：粘聚力c，内摩擦角 ；

(4) 动三轴试验指标：反映2类土的动强度差异，指标：Ed，Ed–ε关系曲线，这是与施工最直接相关的参数[3]。 4.3 试验结果

(1) 三大常规指标及推导常规指标见表2。

表2 三大常规指标及推导常规指标

Table 2 Three routine parameters and derived routine

parameters

土质

平均密度平均含水量 比重 孔隙比/g cm－3

ω /%

Gs

e

原状土 1.820 33.50 2.70 0.940 肥皂水土 1.852 30.62 2.70 0.904 泡沫剂土 1.695 32.98 2.70 1.120

(2) 压缩试验

通过小环刀的压缩试验，运用时间平方根法求得固结度达到90％的时间t90，

同时通过下式分别求得竖向固结系数Cv及水平向固结系数CH为

C0.848H2

v=

t (2) 90

C0.335R2

H=

t (3) 90式中：H为渗径(排水距离，cm)，R为径向渗径(环刀的半径，cm)。竖向渗透系数Kv和水平向渗透系数KH分别为

KCvαvγw

v=

1+e (4) 1

KCHαvγw

H=

1+e (5) 1

式中：αv为压缩系数(MPa

－1

)，γw为水的容重

(kN/m3)，e1为前一级荷重下的孔隙比。

试验所得的e–Kv曲线见图2，3。

1－s

mc3－ 2

1

01/ v0

K 0.82

0.840.860.880.90孔隙比

e图2 加肥皂水的e–Kv曲线 Fig.2 e–Kv curve with suds additive

1

－

s

1.0mc3－

0.501/vK0.01.05

1.061.071.08

1.091.10

孔隙比

e图3 泡沫剂土的e–Kv曲线 Fig.3 e–Kv curve with foam additive

(3) 固结快剪试验结果见表3。 (4) 动强度指标试验结果见图4。

表3 泡沫剂土和肥皂水土静强度指标对比

Table 3 Static strength comparison between foam-soil and

suds-soil

土质 粘聚力c / kPa

内摩擦角 /(°)

原状土 3.00 46.50 泡沫剂土 3.35 37.80 肥皂水土

8.41 44.00

注：泡沫剂土与肥皂水土c值之比为0.40， 值之比为0.86。

10

% / ε变5

应0

500

1 000

1 500

振次次数N/次

图4 泡沫剂土、肥皂水土振次–应变曲线对比

Fig.4 Comparison of N –εcurve between foam-soil and

suds-soil

4.4 试验结果分析

(1) 砂性土的物理力学性质有所改变：掺入肥皂水后，由于肥皂水的介入，平均密度有所增加，而孔隙比有所减小，含水量也有一定减小；而掺入泡沫剂后，由于泡沫剂土中泡沫的充填作用，土样的平均密度有较大的减小，孔隙比有所提高，含水量比掺入肥皂水时约提高8％；

(2) 小环刀的压缩试验表明，无论肥皂水土样还是泡沫剂土样，渗透系数都随着孔隙比的减小(即轴向压力的增大)而减小，加泡沫剂土的渗透系数远远小于加肥皂水土样的渗透系数；

(3) 掺入泡沫剂和肥皂水后砂性土的粘聚力均有所提高，但内摩擦角有所降低，并且泡沫剂土的

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,但是盾构在穿越塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时,存在土体受扰动发生液化、流砂或由于螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”等许多技术难题。为此,研究了盾构穿越砂性土层时采用合适的添加剂的施工工艺

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粘聚力c和内摩擦角 均低于肥皂水土；

(4) 由动三轴试验结果可知，泡沫剂土的应变随着振动次数的增大而急剧增大，而肥皂水土的应变曲线则比较平缓，这说明泡沫剂土在相同动荷载下强度更低。

由此可见，原状砂性土掺入泡沫剂或肥皂水 后：渗透系数减小，保水性增强，不易发生水土分离，使得土压平衡盾构在渗透性强的砂性土中施工时，可以有效地防止涌水、流砂等不良地质灾害的发生；由于土粒之间被添加剂充填，土粒之间的摩擦力相应地减小，这有利于降低刀盘扭矩，减小千斤顶顶推力，并可以减轻刀盘的磨损。

5 结 语

通过本文试验及分析，可以得出以下结论： (1) 土压平衡盾构在软土地区的砂性土地层施工时，由于其塑流性差、含水量高、渗透系数大，容易产生扰动液化甚至流砂，往往伴随有较大的地面沉降，严重时可能造成施工中断以及重大经济损失；

(2) 通过掺入肥皂水、泡沫剂等添加剂可以增加砂性土的塑流性及保水性，容易形成工作面动态土压平衡，有效控制地面沉降，同时可加快螺旋出土器排土，减少刀盘扭矩、千斤顶推力及刀头磨损；

(3) 对于软土地区砂性土层中改善施工条件的添加剂类型选择，应根据具体施工状况分析。在渗透性和摩擦阻力不是太大，施工要求(对地面沉降 要求)不是很高的施工区间或区段，可以从经济的角度考虑而采用肥皂水添加剂(也可采用喷润土，粘 土添加剂)；在渗透性和摩擦阻力较大且施工要求 高的区段应采用泡沫添加剂(泡沫添加剂价格较高)。

在塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂土、砂质粉土地层中的土压平衡盾构施工，必须根据地层特征采用合适的添加剂(如水、肥皂水、喷润土、粘土、CMC聚合物和泡沫剂等添加剂)，使工作面

达到动态土压平衡，避免土体受扰动发生液化、流砂或螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”， 减小施工变形，有效地控制地面沉降，同时可加快螺旋出土器排土，减少刀盘扭矩、千斤顶推力及刀头磨损。因此，为改善施工状况，保证土压平衡盾构施工顺利进行，采用掺入泡沫剂或肥皂水添加剂已成为上海地区砂性土层中改善施工条件的首选方法。本文的研究成果对当前和今后土压平衡盾构 顺利穿越软土地区砂性土层的施工有参考价值。 参考文献(References)：

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