第1章 绪论
1.1 土压平衡盾构工法简介
随着我国城市化进程的加快和城市人口的不断增长，不得不开发利用更多的地下空间。如今，我国已经成为世界上隧道及地下工程数量*多、规模*大、穿越地层条件*复杂、修建技术发展*快的国家。地铁在提高城市土地利用效率、缓解城市交通压力、改善人类生活环境以及保护城市历史文化景观等方面都具有十分明显的作用，已成为现代城市的重要标志，也是城市地下空间重点开发的对象。在地铁隧道的修建过程中，大部分用盾构法施工修建[1-5]。盾构法是采用暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法，也是将盾构在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩，进而防止围岩向隧道内坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，利用出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，*终形成隧道结构的一种机械化施工方法[6]。盾构法主要分为土压平衡盾构工法和泥水平衡盾构工法两大类[7]。泥水平衡盾构工法存在占地面积大、环保隐患和造价高等缺点，穿江、跨海等水下隧道施工优先考虑采用泥水平衡盾构工法，陆域隧道往往采用土压平衡盾构工法。
土压平衡盾构的基本结构包括刀盘、驱动系统、盾壳、承压隔板、盾尾密封系统、密封压力舱、千斤顶、管片、螺旋出土器等[8]（图1.1）。
图1.1 土压平衡盾构的基本组成及其平衡原理
土压平衡盾构刀盘切削面与承压隔板之间所形成的空间为密封压力舱（土舱），刀盘旋转切削下来的土料（即渣土，必要时添加泡沫、膨润土等对其进行改良）通过刀盘上的开口进入土舱。千斤顶的推力通过承压隔板传递到土舱内的渣土上，并形成土舱压力，以抵消开挖面处的地下水压和土压，进而使开挖面保持稳定。同时，利用螺旋出土器进行排土，并通过调节刀盘转速和螺旋出土器转速维持开挖土量与排土量的动态平衡，进而保证土舱压力稳定在预定范围内[9]。
1.2 土压平衡盾构渣土改良
1.2.1 常见渣土改良难题
目前，我国所应用的盾构机类型主要为土压平衡盾构，其特点是用切削下来的渣土作为支撑开挖面稳定的介质。一方面，渣土作为支撑开挖面稳定的介质，其土性对开挖面的稳定起着决定性的作用；另一方面，渣土源源不断地从螺旋出土器向外排出，其土性的好坏直接影响出土是否顺利。因此，为了提高土压平衡盾构的地层适应性，便于排土、控制土舱压力和维持开挖面稳定，往往需要使渣土具有良好的流塑性、较低的抗剪强度和黏附强度、较小的渗透性和一定的压缩性。然而，隧道穿越地层往往复杂多变，因此开挖出来的渣土一般不能完全满足上述特性，从而给施工带来困难，常见渣土改良难题主要有以下几种。
1. 刀盘和土舱结泥饼
刀盘和土舱结泥饼易发生在黏土矿物含量高（超过25%）的土层和风化岩层[10-12]。岩土体具有很高的黏性，在盾构机推进压力的作用和较高的温度环境下，刀盘开口及不平整位置极易被渣土黏附，进而出现刀盘结泥饼现象；同时，土舱内的渣土也很容易发生压密、固结排水，进而形成坚硬泥饼（图1.2）。盾构渣土一旦饼化，轻则导致盾构推力和扭矩增大，掘进效率降低，重则导致刀盘开口闭塞，刀盘主轴承损坏，土舱进排土不畅，盾构被迫停机开舱去除泥饼，更换刀具。盾构机掘进常见施工问题如图1.3所示。
刀盘和土舱结泥饼主要是由渣土流塑性低、渣土黏附强度高、掌子面岩土体切削后有较高的黏性、渣土固结能力强、岩土体遇水膨胀等造成的。因此，应该提高渣土流塑性，降低渣土黏附强度，减弱渣土固结能力，从而避免刀盘和土舱结泥饼。
土舱结泥饼实例：在北京地铁9号线04标丰—六盾构区间和10号线二期11标西—六盾构区间采用土压平衡盾构掘进时，压力舱内的结泥饼和闭塞等导致舱内的压力失控，进而造成地面隆起和扭矩上升，甚至无法掘进，因此必须停机开舱，采用人工丰镐破除，严重影响了施工进度。北京地铁9号线04标丰—六盾构区间由于土舱结泥饼不得不停机开舱处理，并引发了地面塌陷等问题，对周围环境产生了重大影响。
图1.2 刀盘和土舱结泥饼
图1.3 盾构机掘进常见施工问题
2. 螺旋出土器堵塞
在盾构机穿越泥质膨胀性粉砂岩过程中，被切削下来的岩土体遇到刀盘内部的水，从而体积膨胀，产生的渣土具有很高的黏性，渣土在压力作用下极易固结，从而在螺旋出土器出渣过程中，机身外壳内表面和螺旋轴内部极易出现大量渣土黏聚，导致螺旋出土器扭矩增大，进而堵塞螺旋出土器，使得螺旋出土器出土不畅，甚至无法正常出土。
螺旋出土器堵塞的主要原因为渣土流塑性太低，且渣土粒径小、黏附强度高，细粒和粉粒成分高容易固结成块，岩土体在螺旋出土器内部遇水体积膨胀等。基于此，为了保障螺旋出土器正常出渣，应尽量提高渣土流塑性，降低渣土黏附强度，使渣土具有较高的流动能力。
3. 刀盘及刀具磨损
随着盾构法在国内地铁施工中的广泛应用，刀具磨损已经成为一个影响盾构隧道施工质量和进度的关键问题。这类问题易出现在石英含量高的粗颗粒土地层，尤以风化花岗岩和砂卵石等地层为典型。刀盘及刀具作为盾构机的关键部件，在地下掘进过程中会遇到各种地层，从淤泥、黏土、砂层到软岩及硬岩等，刀盘在一定转速和压力条件下进行地下挖掘，刀具要承受非常高的工作压力和温度，恶劣的工作条件会降低刀具的使用寿命。特别是在砂卵石地层，盾构刀具往往磨损严重，容易破损和脱落（图1.4），经常导致工程事故的发生，给整个工程的工期和造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。
刀盘及刀具磨损主要是由于其外表面与掌子面接触摩擦而产生的，可以通过对刀盘及刀具表面添加润滑剂，减小摩擦力和摩擦热来降低磨损，延长刀盘及刀具的使用寿命。
图1.4 刀盘及刀具磨损
4. 螺旋出土器喷涌
螺旋出土器喷涌易出现在高水压强渗透性粗颗粒土地层，原因是土舱和螺旋出土器内的土体不能完全有效地抵抗开挖面上较高的水压力，从而在螺旋出土器的出口处发生喷砂、喷泥和喷水的现象。螺旋出土器严重喷涌会导致出渣速率难以有效控制，土舱内压力急剧下降，进而引发地层变形过大甚至开挖面失稳。螺旋出土器轻度喷涌虽然不至于威胁地层的稳定性，但是频繁性喷涌会导致泥水喷射在隧道内，影响施工环境，进而导致设备污渍不堪（图1.5）。为避免拼装接缝止水效果不佳，需要用水冲刷管片，这会严重影响施工效率，给施工人员带来极大困扰。
图1.5 螺旋出土器喷涌[13]
1.2.2 渣土改良状态评价
1. 渣土改良的作用
土压平衡盾构施工中刀具切削后的渣土流入土舱，通过螺旋出土器排出。当盾构机切削下来的渣土未具有良好的流塑性、较低的抗剪强度和黏附强度、较小
的渗透系数和一定的压缩性时，需要对切削下来的渣土进行改良，使其具有良好的物理力学特性，进而确保盾构顺利掘进。
渣土改良是通过盾构配置的专用装置向刀盘面、土舱内、螺旋出土器内注入不同种类的添加剂，利用刀盘的旋转搅拌装置、土舱搅拌装置、螺旋出土器旋转搅拌装置使添加剂与渣土混合，从而改良渣土的物理力学性能，改善盾构机开挖环境的一种方法。渣土改良一般流程如图1.6所示。渣土改良剂的主要功能有：
（1）提高掘削渣土流塑性，有利于提高出土效率、保持掌子面稳定以及控制地表沉降等；
（2）提高掘削渣土渗透性，避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故，防止或减轻螺旋出土器排土时的喷涌现象；
（3）润滑土体颗粒，降低渣土的内摩擦角和黏聚力，减少渣土对刀盘及刀具的磨损，降低刀盘扭矩，提高土舱内渣土的可塑性，防止渣土黏附在刀盘上结成泥饼；
（4）提高土舱内渣土的和易性，使切削下来的渣土顺利快速进入土舱并利于螺旋出土器顺利排土；
（5）使渣土具有较好的土压平衡效果，并使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确，更有利于稳定开挖面控制地表沉降；
（6）冷却，适当降低刀盘及刀具的工作温度。
图1.6 渣土改良一般流程
2. 渣土改良状态评价指标
为了使土压平衡盾构顺利施工，土舱内渣土的力学性质应满足一定的物理力学特性，一般指渣土应具有良好的塑性流动状态，即流塑性。就具体的土体性质而言，从土力学角度分析，盾构机土舱内渣土的塑性流动状态评价应包括抗剪强度、压缩性、流塑性、渗透性、黏附性和磨蚀性等六个方面，具体如下。
1）抗剪强度
渣土的抗剪强度对盾构机内的开挖装置和排土机械的损耗有着直接影响。通过减小渣土的内摩擦角，可以减小土体与土舱侧壁的摩擦力，从而有效防止盾构土舱和刀盘开口发生闭塞；通过减小开挖刀盘和刀头所受土体的抗力，可以大大降低对开挖刀盘和刀头的磨损；通过降低开挖土体的强度，可以有效减小刀盘的扭矩，以及能量的消耗。更重要的是，在较高的抗剪强度下，扭矩的上升会导致盾构机无法继续施工。从安全性和经济性两方面来考虑，降低开挖土体的强度都是必要的。
盾构渣土需要有较小的抗剪强度，添加改良剂可以显著降低渣土内摩擦角。Efnarc[14]提出了渣土合理的不排水抗剪强度应为10～25kPa。目前，渣土抗剪强度的确定方法主要包括以下几种。
（1）直剪试验。
将渣土放入直剪盒内，施加法向压力后开始进行剪切，即可得到渣土的抗剪强度。在实际施工过程中，土舱内及刀盘前方的渣土受改良剂的影响，具有一定的保水性，且盾构在掘进过程中渣土来不及排水，因此室内试验一般采用直剪试验得到土样的不排水抗剪强度，进而对渣土的状态进行评价。
（2）十字板剪切试验。
十字板剪切试验是一种用十字板测定饱和软黏性土不排水抗剪强度和灵敏度的试验。该试验将十字板头由钻孔压入孔底砂土中，以均匀的速度转动，通过测量系统测得其转动时所需力矩，直至土体破坏，从而计算出土体的抗剪强度。大气压条件下土样的不排水抗剪强度 的计算公式为
（1.1）
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