土压平衡盾构研究热点论文

土压平衡盾构是软土地区地铁隧道施工的主要方法之一。但是盾构在穿越流塑性差、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、推进速度慢、刀盘形成“干饼”等一些技术难题。工程实践证明，使用泡沫不仅有利于保持开挖面土压力平衡，而且机械负荷及刀盘扭矩明显减少，解决了施工难题。前言自1974年第一台土压平衡盾构（EarthPressureBalanceShieldMachine）在东京投入使用以来，土压平衡盾构已经被世界各国广泛的应用于隧道工程中。就盾构技术本身而言，地质条件决定了施工的相对难易度，因此对于典型不良地层条件下的盾构控制仍然是工程界普遍关注的问题。针对土压平衡盾构穿越砂性土遇到的种种困难，国内外有关专家对此进行一定的研究：日本开发了以泡沫作为填加材料，来改善砂土流动性和止水性的泡沫盾构工法。英国牛津大学工程实验室也对掺加泡沫前后砂土的物理力学性质的改变进行了研究。在国内对盾构气泡法施工地铁隧道虽然进行了一定的研究，但真正运用于工程实践的很少。本文针对上海地铁M8线曲阳路站～四平路站区间隧道成功使用法国CONDAT泡沫发生剂在全断面砂型土中推进的工程案例，总结出合理的使用方法和参数，供其他工程参考。1、工程概况上海地铁M8线曲阳路站～四平路站区间隧道使用法国FCB土压平衡盾构进行推进，出洞段约200m距离内为全断面②3-2灰色砂质粉土。2、盾构气泡法推进的优点对非粘透水性土层可以通过注射泡沫进行改良处理。粒状结构中的气泡可以降低土浆密度，减小颗粒摩擦，使土浆混合物在较宽的形变范围内有最理想的弹性，以利于控制开挖面支撑压力。由于化学的和物理的粘着力的作用，加入适当泡沫的土料可以变得非常粘着，完全可以用带式输送机进行输送。泡沫的90%都是空气，而空气在几天后就会全部逃逸，土料可以恢复原来的稠度，在对开挖出土料的储置或进一步利用上这是一个显著的优点，而且不需要复杂昂贵的分离设备。加泡沫技术用于含水土层里还可抵抗较高的地下水压，它的发展可使土压平衡式盾构机也可用在原先只适于泥水式盾构机的土层中。泡沫混合物在使用后几天内化学物质会完全生物分解，基本不存在环境污染的问题。3、泡沫添加剂泡沫的作用泡沫注入土体后，可产生以下作用：使盾构前方土体均匀；加大土的坍落度；降低土的渗透系数，起到隔水的作用；降低刀盘扭矩，减少机具磨损；减少土的粘性，防止“泥饼”现象。发泡率发泡率ka指一个标准大气压Pa下泡沫中气体体积和液体体积之比。在某一压力P下的泡沫的发泡倍率kp为泡沫中气体体积同泡沫体积之比称为泡沫的含气量α，有α=1-（1/kp）（2）泡沫的密度ρf和起泡液的密度ρ1以及空气的密度ρg之间的关系如下：ρf=（1-α）ρ1 αρg（3）由于气体密度ρg极低，可以忽略不计，因此ρf≈（1-α）ρ1一般起泡液的密度ρ1约为，因此ρf=（1-α）则发泡倍率kp为：kp=1/ρf（4）4、施工参数土压平衡盾构在砂性土层中施工时，会遇到以下难题：盾构推进导致砂土扰动液化，孔隙水压力迅速消散，甚至导致全断面流砂工作面失稳；压力舱内土体在盾构顶推过程中排水固结，在工作面形成“干饼”，从而导致螺旋面失稳；压力舱内土体在盾构顶推过程中排水固结，在工作面形成“干饼”，从而导致螺旋出土器排土困难，盾构推进速度慢，刀盘扭矩增大，刀盘主轴承严重磨损甚至断裂；注浆压力、注浆量增大很多，地面沉降失控。本工程前期曾试用刀盘前加水、加膨润土浆液的方法进行砂性土推进，但都没有取得明显效果，仍无法正常推进。使用CONDATCLBF4TM型号的泡沫添加剂后，推进速度、刀盘扭矩及地面沉降均得到了改善，能够正常推进。刀盘扭矩的变化从刀盘扭矩变化图1可以看出，随着泡沫注入量的增加，刀盘油压由原来的100～160bar逐渐降低到100bar左右，这个变化在开始阶段尤其明显。随着泡沫注入量的继续增加，在加入泡沫量达到80以后，刀盘油压趋向稳定。推进速度变化图2可看出，未加入泡沫时，盾构进掘进速度小于1cm/min，而且刀盘扭矩每次达到极限就必须暂时停止推进一段时间，盾构机原地正反转动刀盘以降低扭矩，才能继续推进；随泡沫注入量的增加，盾构能够连续推进，推进速度逐渐增加，可达到接近4cm/地面沉降曲线以上推进中盾构推进中土压力设定中，取F=γh，比正常土压力设定高。同步注浆量为.可看出，在砂性土中，加入泡沫推进后，地面沉降仍较难控制，因此必须及时进行二次补浆。5、结语土压平衡盾构本身不适应砂性土的推进，加泥式土压平衡盾构后来被用于砂性土中开挖隧道，但效果不良，因此逐渐对泡沫技术进行研究，拓宽了土压平衡盾构的使用范围。通过对上海M8线曲阳路站～四平路站区间土压平衡盾构穿越全断面工程数据分析，得出盾构在砂型土中采用气泡法适合的参数，供其它类似地质条件下盾构推进做参考。更多关于工程/服务/采购类的标书代写制作，提升中标率，您可以点击底部官网客服免费咨询：

深埋隧道工程的灾害地质问题论文

摘要 ：在进行深埋隧道工程施工过程中，由于洞程较长，洞深埋设较大，地质条件较复杂，在施工时，如果处理措施不当会出现高地温、岩爆、高压涌水等问题。鉴于此，以实际工程为例，对深埋隧道工程主要存在的灾害地质问题进行了分析和探讨，保证了施工的顺利进行，以期为类似工程提供参考与借鉴。

关键词 ：深埋隧道工程；灾害地质；高压涌水

1工程概况

太行山高速公路邯郸东坡隧道位于武安市岭底村南、七水岭村东、涉县东坡村东北处。隧道为分离式特长隧道，隧道工程总施工长度为3134m。左幅为ZK38+624~ZK41+740，长3116；右幅为K38+642~K41+776。最大埋深为176m。本文以此工程为例，对深埋隧道工程主要灾害地质问题进行分析和探讨。

2深埋隧道中的高地温难题

深埋地下隧道的工程中，地质问题是需要进行探索和研究的关键领域，最先要通过预测天然地温，一旦地温超过30℃一般将其称之为高地温。高地温不仅会恶化深埋隧道作业的环境，还会严重降低工人的劳动生产率，甚至会对现场施工人员的生命造成极大危害。此外，对深埋隧道施工材料选取的难度也相应增加[1]。然而，地温值是随着地下工程埋深在不断变化的，但地下工程的最大埋深和地温值的增加关系不是呈线性的，因为造成这种深埋隧道中的高地温问题的原因主要是地下水活动以及近期岩浆活动中放射性生热元素含量较高等。

3深埋隧道与岩爆的高地应力问题

在深埋地下隧道的工程中，其中一个突出的地质难题就是岩爆问题。地下隧道工程埋得越深，其地应力就会越高。深埋隧道工程和近地表工程的不同之处除了具有较高的水平构造应力外，最主要取决于围岩出现的高地应力。它不仅在硐侧壁引起高压应力，还导致硐顶部出现高拉应力，这样会导致硐室围岩不稳定，埋下隐患。由于高地应力的存在，一些黏性土含量较高，而硬岩含量较低的围岩就会产生被塑性挤出的可能。高地应力不断释放，地下隧洞就会发生变形，往往会出现隧洞短时间内突然变小的异常现象。就好比从掌子面距离正洞30m开始，洞身变形的长度有40m，起初的支架保护结构破坏就会非常严重，通过测量计算，隧洞拱顶的下沉在10~20cm之间，隧洞的拱脚和边墙也出现不同程度的挤压和移位，甚至还有混凝土开裂的情况[2]。这时就需设计一套科学有效、刚柔结合、综合治理的施工方案。为克制高地应力，考虑使用约1万根超长锚杆，要求总长超过11×104m，把地下隧洞中的断面改成环形成拱，做到先柔后刚、先放后抗的设计要求。岩爆受影响的原因有地震爆破，也有相邻岩爆或机械等外因动力的振动，但其中影响岩爆的最基本原因是岩石的结构特征。经过大量的数据分析发现，岩石颗粒排列呈定向排列还是随机排列，岩石是胶结连接还是结晶连接，是钙质胶结还是硅质胶结，这最终关系着岩爆烈度的强弱。例如：（1）随机排列的花岗岩、闪长岩等岩石的岩爆烈度，会比片麻岩、花岗片麻岩、糜棱岩等具有定向排列的围岩颗粒更强一些；（2）结晶连接的深层岩浆岩石中的岩爆烈度比胶结连接的沉积岩强；（3）具有硅质胶结岩石的天生桥二级水电站引水隧洞比关村坝的隧道中钙质胶结岩石的爆烈度强。

4深埋隧道中的高压涌水难题

深埋地下隧道的施工过程中，除了高地温以外，涌水问题也成为隧道运营中亟待解决的又一难题。由于地质条件复杂，隧道通过的地段会挖掘出很多水流量大的地质单元，一般就会出现涌水量大或水头压力高的情况。地下水水压在深部岩体中极高时，就会导致岩体水力劈裂。这就说明在高水头压力的作用下，在岩体的突水点附近，岩体断续裂隙、裂缝是朝着某个方向的，受网状交织的构造裂隙影响，经过融合后发生扩展的裂隙、空隙最终张裂开来。随着隧道深部岩体涌水量越来越大，地下水水压越来越高，会导致深埋隧道工程围岩水力劈裂。一旦出现水力劈裂的情况，就会迅速连通裂隙，空隙的张裂程度就会越来越大，涌水的渗透力会越来越强。再加上动水压力的影响，裂隙会再扩展，而使在裂隙面上的充填物发生剪切变形和位移。不论是在深埋隧道工程中还是在浅埋隧道中，容易发生的地质灾害主要表现为断层破碎带，岩体不整合接触面和结构不利组合段造成的塌方、地震，还有瓦斯爆炸、有害气体以及溶岩塌陷、泥屑流等[3]。其中，瓦斯爆炸主要指甲烷CH4在相对封闭的煤系构造地层中，由冲击波的产生、剧烈的氧化作用而导致的爆破，其灾害性极强。

5基岩裂隙水

基岩裂隙水的含义

只有储存在坚硬岩石裂隙中的非可溶性地下水，才被统一归纳在基岩裂隙水的`传统范畴中，根据含水介质的基础特征，可以将地下水分为空隙、裂隙、岩溶3种，但并非在地下水、岩石以及岩石中的空隙这3者之中产生对应关系。贮水空隙系统具有双重空隙介质，在地下水勘探中，关于贮水空隙类型还探索到了新的领域。基岩裂隙水主要存在于受符合地质构造条件的属坚硬或半坚硬的岩石所控制的以裂隙为主的贮水空间，是具有运动、富集规律的地下水。不管是溶蚀裂隙地下水在可溶性岩石中的部分，还是孔隙裂隙水中的半坚硬岩石，都属于基岩裂隙水，而它与其他类型地下水的基本区别，关键在于是不是受地质构造因素的严格控制。岩石含水的裂隙有成岩裂、构造裂和风化裂，主要是依照它的成因来划分的。如果非要与风化裂隙水和成岩裂隙水作比较，那么水源集中、水量较大的必定是构造裂隙。

基岩裂隙水的特点

由于主控因素作用，不同的蓄水构造中分布、富集基岩裂隙水的基本规律和决定主控的因素也基本相同，具有独特的分布和运动规律。我国基岩裂隙水富集的基本特色理论就是蓄水构造系统，其主要特点如下。（1）基岩裂隙水具有复杂多样的埋藏和分布形态。将储存、运移基岩裂隙水的空间和通道，叫做岩石裂隙。基岩裂隙的大小和基岩裂隙的形状，以及控制埋藏和分布裂隙发育带的产状，都是受地质构造、地层岩性、地貌条件等影响的。埋藏、分布不均匀的基岩裂隙水，大多具有不规则的含水层、多种多样形态、分布呈带状的特点[4]。比如用脆性和塑性这两种地层做比较，会产生较强的赋水性。若裂隙发育在褶皱构造中，像褶皱轴、转折、背斜倾伏等处，富水段的形成就会比较容易，而压性断裂破碎带中的赋水性是比较差的。（2）复杂的基岩裂隙水中，由于储存空间中不均匀的介质，埋深程度不同的同一含水层，其地下水的运动状态也各有不同。对于岩石中所要形成和分布的空隙，最基础的因素是地质构造，主要表现在：岩石裂隙的发育和裂隙水的储存都是受地质构造和地层岩性所影响，其中，基岩裂隙水的运动规律也被地质构造所牵制。由于地下水面的不同，即便是在基岩相同的裂缝水中，也是有时而出现无压水，时而出现承压水的情况[5]。层流、管道流、紊流、明渠流水是在岩石裂隙、溶洞的特殊形态作用下形成水运动的不同状态，因此，基岩裂隙水的不均一性以及强烈的方向感，是导致裂隙岩体的透水复杂多样、不具有规律性的根本原因。

6结论

在深埋地下隧道的工程中，比较突出的几大地质难题包括高地应力及岩爆问题、高压涌水突水问题、高地温问题等。此外，还有像地震震害、瓦斯有害气体爆炸以及涌水突泥、围岩塌方、岩溶塌陷、泥屑流等。于是，在这个复杂的、系统的深埋隧道工程中，关于灾害地质的研究，对隧道工程能否顺利开展是关键的一步，在隧道工程施工前应按照隧道工程的各方面具体情况，采取有效、有针对性的防御措施。

参考文献：

[1]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范：JTGD70—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]上海市隧道工程轨道交通设计研究院，清华大学.隧道工程防水技术规范：CECS370—2014[S].北京：中国计划出版社，2014

[3]孙赤.锦屏二级深埋隧道大理岩段突水破坏机理研究[D].成都：成都理工大学，2014.

[4]王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J].土木工程学报，2010（3）：88-92．

[5]武力，屈福政，孙伟，等.基于离散元的土压平衡盾构密封舱压力分析[J].岩土工程学报，2010，32（1）：18-23．