土壓平衡盾構渣土流體研究

蘇白 朱超

摘 要 在地鐵隧道的施工中，應用最廣泛、技術最成熟的是土壓平衡盾構，其中渣土性質是盾構施工的重要影響因素。為了描述理想狀態下渣土的性質指標，本文從滲透性、流動性、壓縮性、抗剪強度四個方面對渣土性質做出要求。通過旋轉黏度計測定理想狀態下渣土的剪切應力與剪切速率的關系，將渣土簡化為賓漢姆流體。然后建立壓力艙-螺旋排土器流塑性渣土的受力分析模型，推導出渣土流量的影響公式，得出渣土流量主要與壓力和黏度有關，與渣土的剪切屈服應力無關。

關鍵詞 土壓平衡盾構;渣土;賓漢姆流體

1渣土狀態分析

1.1 渣土的初始狀態

土壓平衡盾構在掘進時通過旋轉刀盤切削土層，切削下來的土體首先進入在壓力艙。土體在壓力艙中經過攪拌混合均勻，在千斤頂的作用下，壓力艙的土體對開挖面施加壓力。為了確保開挖面的穩定，需使壓力艙中的壓力與開挖面前的水土壓力保持動態平衡。盾構在掘進過程中，刀盤的掘土量與螺旋排土器的排土量相等，使壓力艙中的渣土維持在一定的高度。為了確保渣土的排土順暢，對渣土的狀態提出了較高的要求。常見土層有：

（1）黏性土。黏性土的滲透系數較低，一般能滿足止水的要求。同時黏性土內摩擦角較小，能滿足流動性要求，壓力艙內的渣土具有一定的塑性流動狀態，有利于渣土的排出和壓力艙內壓力的建立[1]。但是由于黏土顆粒的黏聚力較大，刀盤切削下來的黏土顆粒容易黏附在刀盤上結成泥餅，影響刀盤的掘土。

（2）砂性土。砂性土對刀盤和排土設備的磨損較大，同時砂性土流動性較差，容易導致螺旋排土器堵塞和壓力艙閉塞等事故[2]。另外，由于砂性土滲透系數較大，在水壓力較高時，地下水容易滲入壓力艙，導致在螺旋排土器出口處發生噴涌等現象。

1.2 渣土的理想狀態

理想狀態的渣土有以下四個方面的性質要求：

（1）滲透性。地層中的地下水從開挖面入滲，不僅容易引起開挖面的坍塌，而且由于渣土中的細顆粒在地下水的滲流力的作用下被攜帶排出，在經過排土口的瞬間壓力迅速降至零附近的范圍，容易引起噴水、噴砂的現象。因此必須要降低渣土的滲透系數，一般工程上認為渣土的滲透系數要低于1.0×10-4cm/s，才能滿足止水性的要求[3]。

（2）流動性。流動性低的渣土容易沉積在壓力艙底部難以排出，造成堵塞和閉艙現象，且對排土設備的磨損較大。渣土的流動性可以通過坍落度試驗來表征，渣土的適合坍落度范圍為15～20cm。坍落后渣土無明顯的傾斜，輕拍不崩塌，可認為渣土滿足流動性要求[4]。

（3）壓縮性。土壓平衡盾構在掘進過程中，壓力艙傳來的壓力經常處在上下波動狀態，當壓力艙的渣土壓縮性較高時，土體的柔性可以緩沖壓力的突然變化，有利于壓力艙中壓力的平衡。但是渣土壓縮性過高會導致土體排水固結，容易產生結泥餅的現象。壓力艙內的渣土應該為中壓縮性土，壓縮系數的最佳范圍為0.1～0.5MPa-1[5]。

（4）抗剪強度。渣土具有較高的抗剪強度時，將導致掘進過程中刀盤扭矩上升，加大對刀具等機械的磨損。降低渣土的內摩擦角可以減小土體與壓力艙內壁的摩擦力，減少壓力艙閉塞現象的發生。渣土的內摩擦角φ<27°為合適的范圍[6]。

2渣土流量的影響因素

2.1 渣土流體類型的選定

根據流體的流變特性進行分類，流體類型主要有：牛頓流體、賓漢姆流體、擬塑性流體、脹塑性流體等[7]。牛頓流體的剪切應力與剪切速率成正比。賓漢姆流體的剪切應力與剪切速率也成正比關系，與牛頓流體不同的是賓漢姆流體中存在一個剪切屈服應力。

牛頓內摩擦定律表達式為：

壓力艙中渣土的理想狀態為塑性流動狀態，以下通過試驗測定理想狀態下的渣土的流變特性來判斷渣土的流體類型，選用NXS-11A型旋轉黏度計對渣土流變曲線進行測定，試驗得出理想狀態下渣土的流變曲線如圖1所示。

通過對渣土狀態進行測試，發現渣土的剪切應力與剪切速率的關系滿足賓漢姆流體的表達示，其流變曲線可用下式表示：

式中：τ0——為流體的剪切屈服應力（Pa），試驗測得的值為120Pa。μ——黏度（Pa·s），試驗測得的值為1.65Pa·s。

2.2 渣土賓漢姆流體模型的建立

螺旋排土器排土過程示意圖如圖2所示，渣土從壓力艙底部進入螺旋排土器并充滿整個螺旋排土器，通過螺旋排土器的轉動把渣土帶出壓力艙。沿螺旋排土器展開可以得到螺旋排土器渣土流動從一個螺旋曲面簡化為一個方形長條的形狀。按照當量直徑的定義，即de=4×流通截面積/濕潤邊周長，可以將矩形流動模型轉化為圓形流動管道模型進行賓漢姆流體的流動分析。

如圖3所示，Pw為地下水壓力，渣土在圓管內流動需要壓力艙中壓力的驅動，螺旋排土器展開長度L，且處于水平狀態。取圓管長度x方向為dx，圓管截面方向半徑為r的圓柱形單元體進行受力分析。單元體在長度x方向的渣土壓力衰減dp與半徑為r的圓柱面上產生的剪切應力τ相抵消。由此可得單元體的應力平衡關系式：

渣土滿足賓漢姆流體特性：

賓漢姆流體在流動過程中存在流核，當流核半徑re與圓管半徑r0相等時，渣土停止流動。流核截面內速度梯度為du/dr=0時，流核邊緣的渣土剪切應力最小，剪切應力為τ0，流速最大。從流核邊緣到圓管邊緣的截面上，流速逐漸減小，在管道內壁處的渣土的剪切應力最大，渣土流速為0。則當r=re時，根據公式（2）可得：

通過公式（1）～（3）可得到渣土在圓管半徑方向上由于流速不同造成的壓力衰減關系式：

將公式（5）沿r方向從re至r積分，利用邊界條件r=r0，u=0得渣土在[re，r0]范圍內的流速分布u0。當公式（5）中r=re時，可得流核內[0，re]的流速分布ue。

圓管內[0，r]范圍渣土平均流速在圓管半徑方向上對流核內外兩部分的流速進行積分平均，可得渣土的斷面平均流速 。

根據公式（7）可得渣土在單位時間的斷面流量q。

由上式可知，渣土流量主要與壓力和黏度有關，與渣土的剪切屈服應力無關。隨著壓力艙內壓力的增大，渣土流量增大;隨著渣土黏度增大，渣土流量降低。在一定的壓力下，為了保持渣土的挖排土量平衡，需要將渣土的黏度控制在合適的范圍內。

3結束語

渣土的理想狀態為塑性流動狀態，理想狀態下的渣土具有較低的滲透系數、較大的流動性、較低的抗剪強度和適中的壓縮性。

通過旋轉黏度計測定理想狀態下渣土的剪切應力與剪切速率的關系，可將渣土簡化為賓漢姆流體。

建立渣土的受力分析模型，分析壓力艙壓力與渣土狀態參數對出渣量的影響關系，得出渣土流量主要與壓力和黏度有關，與渣土的剪切屈服應力無關。

參考文獻

[1] EFNARC.Specification and guidelines for the use of specialist?products for soft ground tunneling[M]. Draft for Industry Comment，2001：23-28.

[2] 孫立建.淺覆土大粒徑無水砂卵石地層盾構施工技術[J].隧道/地下工程，2014（9）：69-76.

[3] 郭彩霞，孔恒，王夢恕.無水大粒徑漂卵礫石地層土壓平衡盾構施工渣土改良分析[J].土木工程學報，2015（S1）：201-205.

[4] 姜厚停，龔秋明，杜修力.卵石地層土壓平衡盾構施工土體改良試驗研究[J].巖土工程學報，2013，35（2）：284-292.

[5] 江華.北京典型砂卵石地層土壓平衡盾構適應性研究[D].北京：中國礦業大學，2012.

[6] 汪國峰.北京砂卵石地層土壓平衡盾構土體改良技術試驗研究[D].北京：中國地質大學，2011.

[7] Liu Q，Yin H. Stability of contact discontinuity for 1-Dcompressible viscous micropolar fluid model[J]. Nonlinear Analysis，2016（149）：41-55.

作者簡介

蘇白，女，江蘇徐州人;畢業院校：南京財經大學，專業：應用統計，學歷：碩士，現就職單位：華設設計集團股份有限公司，研究方向：地鐵盾構施工。