泥水平衡盾构开挖面稳定性模型试验研究

发布时间：2020-03-12 03:30

【摘要】：在泥水平衡盾构施工过程中,如何确保施工安全并减少对周边环境的影响受到国内外学者的广泛关注,地层土体稳定性问题显得尤为重要,但对于砂质地层开挖面稳定性的失稳机制及其稳定性分析尚处于经验阶段。利用大尺寸模型试验,研究了不同水头高度(无水、0.9 m和1.1 m)下两种地层中开挖面主动破坏的发展模式和受力情况。试验中分析了不同水头高度对开挖面主动破坏的影响,研究结果表明:砂质土层中盾构隧道开挖面失稳时,存在土拱效应,使得地表对开挖面主动破坏的响应存在滞后效应;根据水头高度不同,可将砂质地层中开挖面主动破坏发展模式划分为无水模式、低水头模式和高水头模式;在形成泥膜和提供支护力的过程中,会在砂质土层中产生超孔隙水压力,在确定支护力时,应在静止土压力和静水压力的基础上,考虑超孔隙水压力的影响。研究结果对确定开挖面极限支护压力有重要的指导意义。
【图文】：

模型图,试验系统,单位

强度、开挖面水土压力和泥水舱压力等分布特性进行模型试验研究。通过在泥水舱内部和开挖面上埋设水、土压力传感器，观测开挖面失稳过程中泥水舱压力和开挖面前方水、土压力的分布和发展情况。对观测结果和盾构掘进参数进行了研究，讨论了泥水舱压力、开挖面水、土压力和不同要素（覆土厚度、水头高度、泥浆配比和土体性质等）间的关系。2试验概况2.1模型制作及布置本文试验采用独立设计研发的泥水平衡盾构试验系统进行。包括模型土箱、泥水平衡盾构模型机及其推力系统、泥浆循环系统、测试系统组成，具体布置见图1。根据相似比计算得到的模型箱尺寸数据，由2cm厚有机玻璃板焊接而成，并用三角钢设置了横向和纵向的钢肋，以保证其有足够的刚度。盾构模型由前端细格栅、缓冲区和气液压力室组成，模型图1试验系统组成简图（单位：cm）Fig.1Sketchofexperimentsystem(unit:cm)盾构机直径为50cm。气液压力室内安设土压力计用以量测舱压，气液压力室与注浆管直接相连，进气管与出气管均与气囊相连。泥浆循环系统由泥浆槽和调压组合阀组成，调压组合阀由4个阀门组成，可方便地通过调节调压组合阀将注浆压力调至所需压力，将泥浆池内泥浆注入到地层中。同时，舱压的稳定由位于气液压力室内的气囊进行调节。试验测试系统由传感器和采集器组成。传感器包括微型土压力盒、YY-2B型孔隙水压力计、GECO-16A多路数据采集仪等，采集仪能够实现数据动态实时采集；地表土体位移采用高精度激光测距仪进行观测。在距离模拟开挖面大约3cm左右的竖向平面布设孔、土压力传感器，监测开挖面土体的土压力和孔隙水压力变化情况，具体布设如图2所示。同时，在泥水舱内中间位置布设一个压力盒，用于监测舱压的变化情况。试验中采用高精度激光?

传感器,开挖面

第8期刘泉维等：泥水平衡盾构开挖面稳定性模型试验研究2257(a)纵剖面示意图(b)实物图(c)横剖面示意图图2传感器布设图Fig.2Thelayoutofsensors图3地表监测点分布Fig.3Thelayoutofgroundsettlementmonitoringpoints图4颗粒级配曲线Fig.4Thegradingcurvesofparticles表1地层基本性质Table1Basicpropertiesofstratum地层种类密度/(g/cm3)压缩模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)中粗砂2.1225.00.330.735.0粉细砂1.9113.80.3018.728.7（2）制备地层。先将砂充分搅拌均匀，然后往模型箱内填砂，分层夯实，20cm为一层，，并采用微型十字板剪切仪和普氏贯入仪进行土层均匀性测试，每层土层表面剪切强度在6kPa左右，干密度为1.5g/cm3，然后加水饱和固结48h。（3）调节土层中水头高度，同时按比例配置泥浆，并将泥浆膨化12h。（4）开始试验，通过调压开关，以一定的压力将泥浆注入到泥水舱内，透过格栅在砂层中形成泥膜。（5）由气压来维持舱压稳定，缓慢后撤盾构机模型使其与开挖面脱离，此时开挖面的舱压维持开挖面的稳定。（6）调节注浆压力来模拟开挖面失稳的两种情况，降低舱压，则开挖面主动破坏。（7）试验过程中进行舱压、开挖面土压、孔隙水压力等方面的动态监测；模型试验前、中、后，分别进行砂层贯入强度、微型十字板剪切强度、地表位移的观测。（8）最后将模型箱内土体进行剖切分层取样，找出泥浆渗透范围及路径，并对泥膜进行取样，进行相关土工试验，测试其物理力学性质。按照以上方法，在覆跨比C/D0.6、1.0（其中：C为覆土厚度，D为隧道直径），水头高度h0、0.9、1.1m时分别在两种土层中进行试验，研究开挖面主动破坏和被动破坏时极限支护力、土拱效应及地表沉降发展规律。3?

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