【文章內(nèi)容簡介】 (頂部的過剩泥水壓力 =Δ Pf) M1=(D2/2+D178。 l)Δ Pf+(D3/3+D2178。 l/2)(γ fγ w) ⑦平衡式 (Fs：安全系數(shù) ) 式中 γ土的單位體積重量 (t/m3) c 土的內(nèi)聚力 (t/m2) φ土的內(nèi)摩擦角 (度 ) B圖 B中 的 ab 長度 (m) α試驗(yàn)常數(shù) = K土壓系數(shù) = 第二章 四、在砂性土層中盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性研究 1 刀頭之間開挖面穩(wěn)定性課題的提出 當(dāng)泥水盾構(gòu)工法用于砂性土層時，對于開挖面的穩(wěn)定機(jī)理，通常都是將作用于開挖面的地壓分為地下水壓和有效土壓兩部分，并用泥水壓力對它們進(jìn)行抗衡。對于其中的有效土壓部分，當(dāng)開挖面有不透水性泥膜完全形成，而且將泥膜介入到開挖面處的壓力抗衡時，常通過泥水壓和地下水壓之間的差壓的有效作用，來謀求開挖面的穩(wěn)定。并采用這種思考方式來設(shè)定泥水壓力和對泥水質(zhì)量進(jìn)行管理。 但是，切 削刀頭每隔 15～ 45秒的間隔時間就對開挖面進(jìn)行一次切削，因此開挖面在一定程度上受到泥水的滲透并使地下水產(chǎn)生流動，提高開挖面土體的孔隙水壓。特別是原來被認(rèn)為在泥膜形成性好、有效泥水壓易形成的透水性小的砂性土層，對于象現(xiàn)場這樣長距離的排水情況，不如大幅度提高孔隙水壓，使有效泥水壓力變得很小。因此，提高這樣的孔隙水壓成為開挖面穩(wěn)定的首要問題。 (1)在現(xiàn)場開挖面土體中孔隙水壓的上升狀況 在日本福岡市高速地鐵 1 號線博多至機(jī)場之間的延伸工程，采用直徑 泥水盾構(gòu)掘進(jìn)，覆土深度為 5～ 10m。根據(jù)當(dāng)時隨著掘 進(jìn)測定的孔隙水壓的變化和土體擾動的事例為依據(jù)，探討過?？紫端畨旱陌l(fā)生量和開挖穩(wěn)定之間的關(guān)系。 在量測斷面的孔隙水壓計和變位計的設(shè)置位置及土質(zhì)構(gòu)成情況見圖 14。 圖 15 是隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)在量測斷面 CE上的各地層孔隙水壓的變化情況。 圖 15 中，遇到開挖面經(jīng)過的土層即花崗巖風(fēng)化砂土 (滲透系數(shù)為 1179。 104cm/s)，其中的孔隙水壓 (CEP4和 CEP5)隨著盾構(gòu)的接近逐漸上升，從通過開挖面的前一天開始就急劇上升。此外，在通過開挖面前30min(約 60cm 距離 )，盾構(gòu)中心位置的孔隙水壓 (CEP5)為 ，對于設(shè)定的泥水壓力 來說，有效泥水壓就顯得很小，僅為 。在沖積砂性土 (滲透系數(shù)為 1179。 103cm/s)和洪積砂性土 (滲透系數(shù)為 1179。 103cm/s)的孔隙水壓中 (CEP CEP CEP3)，即使盾構(gòu)接近幾乎也不發(fā)生變化。這是因?yàn)樯皩犹幵陂_挖面地層外，并且滲透系數(shù)比開挖面土層為花崗巖風(fēng)化砂土的要大一位數(shù)。 圖 14 量測斷面處土質(zhì)及其孔隙水壓計和變位計的設(shè)置位置 圖 15 盾構(gòu)掘進(jìn)時各地層孔隙水壓歷時變化曲線 圖 16 為設(shè)置在盾構(gòu)通過的上部地層中的變位計和在花崗巖風(fēng)化砂土中的孔隙水壓計所顯示的變化曲線。 圖中可看出，孔隙水壓從急劇上升的一刻起，各變位計顯示出沉降。但在即將通過開挖面之前，能看到隆起。 以上結(jié)果表明，在象花崗巖那樣透水性小的地層中，根據(jù)泥水的滲透情況被認(rèn)為孔隙水壓在離開挖面有相當(dāng)距離前開始大幅度上升，在開挖面附近因有效泥水壓變得很小，土體強(qiáng)度下降，在到達(dá)開挖面前一天附近發(fā)生了輕微土體沉降。但是，考慮到這種沉降在以后沒有大的增加，相 反在即將通過開挖面前，開挖面土體出現(xiàn)隆起，這是因?yàn)榈额^壓力被傳到開挖面壓力過大引起的緣故。此外，根據(jù)東京的報告，在孔隙水壓測定現(xiàn)場，有效泥水壓為差壓的 10%左右。因此，通常在泥水盾構(gòu)中，作為對抗開挖面土壓的那部分壓力，泥水壓力的效果極小，主要是依靠刀頭壓力。 圖 16 量測斷面處孔隙水壓和沉降歷時變化曲線 (2)盾構(gòu)刀頭對開挖面的擠壓力及在刀頭之間開挖面穩(wěn)定性方面產(chǎn)生的問題點(diǎn) 與開挖面穩(wěn)定有著密切關(guān)系的刀頭，其對開挖面的擠壓力相當(dāng)于作用在全部刀頭上的合計推力。但在盾構(gòu)施工中，直接測定刀頭合計推力的事例是極少的。即使在上述日本福岡地鐵也不進(jìn)行直接測定，因此用圖 14 所示的土質(zhì)常數(shù)和下述方法推定刀頭的合計推力。作用在全部刀頭上的合計推力 Fb 從 (1)式中求得。此外，將 Fb換算成開挖面 平均單位面積的刀頭壓力 fb從 (2)式中可求得。 即： Fb=Ft(Fp+Fs+Fs1+Fc) (1) fb= (2) 式中： Fb— 作用在全部刀頭上的合計推力 (tf) Ft— 總推力 3900(tf) Fp— 盾構(gòu)殼體和土體的摩擦阻力 827(tf) Fs— 管片和盾構(gòu)殼體的摩擦阻力 33(tf) Fs1— 由泥水壓力產(chǎn)生的反作用力 1552(tf) Fc— 后方車架的牽引阻力 20(tf) Fb— 刀頭壓力 (tf) A— 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的斷面積 (m2) 所以，開挖面平均單位面積的刀頭壓力 fb為： Fb： =3900(827+33+1552+20)=1468(tf) fb： =1468247。 =(tf/m2) 其次，除了盾構(gòu)中心位置的地下水壓，靜止土壓 p K0=1sinφ = 由此： p=K0(γ 1h1+……γ shs) (3) =179。 (++++)=(tf/m2) 因此，刀頭壓力可以推定為 。它是比靜止土壓 。此外，如果說該壓力作用使開挖面得到穩(wěn)定，不如說有 點(diǎn)推壓傾向。在其它現(xiàn)場刀頭壓力的推定值也顯示頗大的值。由于作用在全部刀頭上合計推力的大小非常重要，最好能直接測量。 以上所述，對于開挖面有效土壓，盡管有效泥水壓力很小，用刀頭壓力可以對抗，但是刀頭與刀頭間的開挖面由于刀頭壓力不直接作用并且有效泥水壓力非常小，所以如何維持刀頭間開挖面穩(wěn)定還不明確。 本節(jié)就有關(guān)刀頭之間開挖面部位的開挖面崩塌試驗(yàn)和刀頭間開挖面穩(wěn)定機(jī)理及該穩(wěn)定所需要的壓力(有效泥水壓力 )的大略值等事項(xiàng)進(jìn)行探討。 2 刀頭之間開挖面穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 刀頭之間開挖面部位穩(wěn)定所需要的有效 泥水壓的大小，在泥膜被形成的靜止實(shí)驗(yàn)中也能求得。但是，因和實(shí)際盾構(gòu)的刀頭間部位的開挖面高度有很大差異，所以有必要進(jìn)行以下三種靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，了解其一般的穩(wěn)定機(jī)理和泥水對穩(wěn)定起到更重要的作用。 首先，用水和泥水做加壓開挖面實(shí)驗(yàn) (以后稱水加壓實(shí)驗(yàn)和泥水加壓實(shí)驗(yàn) )。隨后，為了驗(yàn)證泥膜效果，在使開挖面形成泥膜后，在土艙內(nèi)用水置換泥水，然后進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn) (以后稱泥膜水加壓實(shí)驗(yàn) )。為了得到對開挖面穩(wěn)定所需要的壓力，曾進(jìn)行過若干靜態(tài)模型實(shí)驗(yàn)。在一系列實(shí)驗(yàn)中，作為釋放開挖面內(nèi)應(yīng)力方法，以往均采用將加壓板后退到開挖面后方的方式。 這種方式有可能因初期崩塌時砂土的堆積而影響其隨后的崩塌，所以實(shí)驗(yàn)裝置中將加壓板作成拉門式的插板，并且崩塌土能全部落入實(shí)驗(yàn)裝置的土艙內(nèi)。 (1)實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置由土槽、泥水箱及回流水箱組成。裝置概況見圖 17。 圖 17 實(shí)驗(yàn)裝置 土槽高 90cm，長 80cm，寬 40cm，是泥水盾構(gòu)刀頭之間開挖面和土艙的模型裝置，開挖面與土艙之間由拉門隔開。刀頭之間的寬固定為 40cm，高是隨拉門前插板高度的變化可調(diào)整到 5cm、 10cm、 20cm。在土槽上部裝有供上方加荷用的橡皮氣囊。此外，將土槽側(cè)面的一方裝有透明的丙烯板以便能觀察開挖面土體破壞形狀。 其次，在開挖面后方的土槽壁面上有排水層，來自開挖面的滲透水是從排水層流入可供排水用的回流水箱后溢流出去。在土槽壁面上設(shè)有測定孔隙水壓的孔隙水壓計和皮托管。為了能 測定上方加荷壓力，在土艙的頂部安裝了土壓計。此外，在土艙內(nèi)距底部 20cm 處配置了測定泥水壓力的壓力計。 泥水箱是丙烯材料制成的圓形筒體，用鋼絲繩懸吊，通過尼龍管和土艙連接。此外，無級卷揚(yáng)機(jī)和變位計能將水箱在毫米單位的精度內(nèi)上下移動，由此可以測定出土艙內(nèi)的壓力變化范圍為 0～ ，其誤差在177。 以內(nèi)。 回流水箱是用透明的丙烯材料制成的圓筒形可計量的水箱，其作用是可調(diào)整土槽內(nèi)所定地下水壓，由兩根尼龍管和土槽內(nèi)排水層連接。 (2)試驗(yàn)用地層的土料和泥水的使用 用作開挖面地層的 試樣土為豐浦標(biāo)準(zhǔn)砂土。地層壓實(shí)方法，是先將砂土沉入水中，再從下部抽水，盡可能每次制成均一的地層。砂土性狀見表 6。 豐浦標(biāo)準(zhǔn)砂土性狀 表 6 孔隙比 e 比重 Gs 干燥密度ρ d(g/cm3) 水中密度 ρ sub(g/cm3) 滲透系數(shù) k(cm/sec) 179。 102 實(shí)驗(yàn)時使用的泥水材料，選用群馬縣產(chǎn) 300 號膨潤土，泥水濃度用水重量比表示為 14%。作泥方法，用攪拌機(jī)攪拌 10min，養(yǎng)護(hù) 20h， 在實(shí)驗(yàn)開始前再攪拌 3min。使用的泥水特性見表 7。 膨潤土泥水特性 表 7 比重 漏斗粘性 (sec) 屈服值 (lbf/100ft2) ～ 77～ 83 27～ 33 (3)實(shí)驗(yàn)方法 水加壓實(shí)驗(yàn)和泥水加壓實(shí)驗(yàn)，都是將土艙內(nèi)的水壓或泥水壓力保持在 的設(shè)定壓力，并在土層上方加荷載。同時使回流水箱在開挖面作用 的地下水壓，實(shí)驗(yàn)便開始。隨后，拔掉隔離土層和土艙之間的拉門插板，拔門終了后，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的 孔隙水壓時，逐步下降泥水箱位置的高度，以減低土艙內(nèi)的壓力。記錄開挖面崩塌時的土艙壓力，并觀察崩塌狀況。 接下來進(jìn)行泥膜水加壓實(shí)驗(yàn)，將土艙內(nèi)泥水壓力保持在 的設(shè)定壓力，在土層上方加荷載。同時由回流水箱產(chǎn)生地下水壓，拔掉拉門插板。此后，確認(rèn)泥膜已被完全形成后 (在排水面的流量 =0)，用水完全置換土艙內(nèi)泥水。置換終了后，逐步降低土艙壓力，一旦開挖面崩塌，記錄和觀察崩塌時的土艙壓力和崩塌狀況，當(dāng)崩塌波及到土層上端時，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。此外，在各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，每隔 30秒鐘測定土艙壓力、孔隙水壓和土壓。 3 刀頭之 間開挖面的崩塌形狀和穩(wěn)定壓力的比較 (1)崩塌形狀 ①水加壓的場合 圖 18 的刀頭之間的高度為 20cm，上方加荷載壓力為 ，用 土艙壓力和 地下水壓狀態(tài)使水滲透，根據(jù)滲透力確認(rèn)開挖面處于穩(wěn)定后，然后逐漸降低土艙壓力觀察開挖面的崩塌形狀。 圖中，當(dāng)壓差 (土艙壓力 土槽排水端孔隙水壓 )下降到稍低于 時，直立著的初期開挖面的砂土粒子開始連續(xù)落下，首先在圖中②所示的形狀處 (初期崩塌 )停止。這種初期崩塌時的水力坡度為 i=。若進(jìn)一步將壓差降低 到稍低于 時，則再次開始砂土落下，在③處停止，壓差為 和 時，分別在④、⑤形狀處停止。壓差越小崩塌形狀越大。隨后，只要將壓差降低到略小于 時，就發(fā)生了波及至土層表面的最終崩塌。 圖 18 刀頭間開挖面崩塌形狀 (水加壓 ) 此外，僅將刀頭之間的高度變化成 5cm和 10cm 時，開挖面崩塌形狀仍進(jìn)展到如圖 18 所示的同樣崩塌軌跡，直至土層表面。即是說變化刀頭之間的高度，崩塌形狀也為相似形。無論刀頭之間的高度多少，崩塌領(lǐng)域頂部的寬度均約為刀頭之間高度的 倍，開挖面底部起始角均約為 45176。，如一旦變成由圖 18中的虛線⑤形狀，就發(fā)生了最終崩塌。 表 8是將刀頭之間高度變化成 5cm、 10cm 和 20cm 時發(fā)生各種崩塌形狀的壓差。 刀頭之間高度和穩(wěn)定壓力 關(guān)系 表 8 穩(wěn)定壓力 MPa 刀頭之間高度 20cm 10cm 5cm ① ② ③ ④ 最小穩(wěn)定壓力⑤ 表 18 中，刀頭之間的高度即使變化，初期崩塌時的壓差也幾乎相同，但其它崩塌時的壓差同刀之頭間高度呈比例關(guān)系。 ② 泥膜水加壓的場合 和上述 (1)相同刀頭之間的高度為 20cm，在上方加荷載壓力 、土艙壓力 、地下水壓 狀態(tài)下，用泥水取代水進(jìn)行加壓，使不透水性的泥膜形成以后，將土艙中的泥水用水置換后，調(diào)查影響穩(wěn)定壓力的泥膜效果。 崩塌狀況表現(xiàn)為，逐漸降低土艙壓力，沒有發(fā)生如水加壓那樣的階段性崩塌，壓差一旦比 (1)小，達(dá)到 時，土層表面部則會崩塌。這時，這種壓差因是有泥膜的有效壓力，所以也是最小有效穩(wěn)定壓力。 崩塌，首先開始崩落開挖面表面的泥膜和砂土粒子，隨 后和水加壓時相同。圖 18 所示崩塌形狀軌跡直至土層表面崩塌。此外，任何刀頭之間的高度的崩塌形狀為相似形。 ③泥水加壓的場合 泥水加壓也和 (1)、 (2)有相同的初期狀態(tài)，用泥水加壓開挖面，此后，逐漸降低土艙壓力。開挖面的崩塌形狀見圖 19。 圖 19 刀頭之間開挖面崩塌形狀 (泥水加壓 ) 崩塌狀況和泥水膜加壓有不同的階段性崩塌，壓差 (有效壓力 )比 (2)更小，下降到 時發(fā)生了土層表面的最終滑崩。此外，滑動砂土成大象鼻子形狀的土塊并落進(jìn)土艙。 崩塌形狀，因在開挖面底部的直立角約 55～ 65176。，與水加壓或泥膜水加壓形成了不同的形狀。并且無論是怎樣的刀頭間距，崩塌形狀均為相似形。 (2)刀頭之間的高度與開挖面的穩(wěn)定壓力 圖 20，上方加荷載壓力是 ，顯示了將刀頭之 間的高度變化為 20cm 時的水加壓、泥膜水加