蘇白 朱超

摘 要 在地鐵隧道的施工中，應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的是土壓平衡盾構(gòu)，其中渣土性質(zhì)是盾構(gòu)施工的重要影響因素。為了描述理想狀態(tài)下渣土的性質(zhì)指標(biāo)，本文從滲透性、流動(dòng)性、壓縮性、抗剪強(qiáng)度四個(gè)方面對(duì)渣土性質(zhì)做出要求。通過旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定理想狀態(tài)下渣土的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)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(dǎo)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(guān)，與渣土的剪切屈服應(yīng)力無關(guān)。

關(guān)鍵詞 土壓平衡盾構(gòu);渣土;賓漢姆流體

1渣土狀態(tài)分析

1.1 渣土的初始狀態(tài)

土壓平衡盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)通過旋轉(zhuǎn)刀盤切削土層，切削下來的土體首先進(jìn)入在壓力艙。土體在壓力艙中經(jīng)過攪拌混合均勻，在千斤頂?shù)淖饔孟?，壓力艙的土體對(duì)開挖面施加壓力。為了確保開挖面的穩(wěn)定，需使壓力艙中的壓力與開挖面前的水土壓力保持動(dòng)態(tài)平衡。盾構(gòu)在掘進(jìn)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(duì)渣土的狀態(tài)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(shù)較低，一般能滿足止水的要求。同時(shí)黏性土內(nèi)摩擦角較小，能滿足流動(dòng)性要求，壓力艙內(nèi)的渣土具有一定的塑性流動(dòng)狀態(tài)，有利于渣土的排出和壓力艙內(nèi)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(jié)成泥餅，影響刀盤的掘土。

（2）砂性土。砂性土對(duì)刀盤和排土設(shè)備的磨損較大，同時(shí)砂性土流動(dòng)性較差，容易導(dǎo)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(shù)較大，在水壓力較高時(shí)，地下水容易滲入壓力艙，導(dǎo)致在螺旋排土器出口處發(fā)生噴涌等現(xiàn)象。

1.2 渣土的理想狀態(tài)

理想狀態(tài)的渣土有以下四個(gè)方面的性質(zhì)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(xì)顆粒在地下水的滲流力的作用下被攜帶排出，在經(jīng)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(xiàn)象。因此必須要降低渣土的滲透系數(shù)，一般工程上認(rèn)為渣土的滲透系數(shù)要低于1.0×10-4cm/s，才能滿足止水性的要求[3]。

（2）流動(dòng)性。流動(dòng)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(xiàn)象，且對(duì)排土設(shè)備的磨損較大。渣土的流動(dòng)性可以通過坍落度試驗(yàn)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(rèn)為渣土滿足流動(dòng)性要求[4]。

（3）壓縮性。土壓平衡盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，壓力艙傳來的壓力經(jīng)常處在上下波動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)壓力艙的渣土壓縮性較高時(shí)，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(huì)導(dǎo)致土體排水固結(jié)，容易產(chǎn)生結(jié)泥餅的現(xiàn)象。壓力艙內(nèi)的渣土應(yīng)該為中壓縮性土，壓縮系數(shù)的最佳范圍為0.1～0.5MPa-1[5]。

（4）抗剪強(qiáng)度。渣土具有較高的抗剪強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致掘進(jìn)過程中刀盤扭矩上升，加大對(duì)刀具等機(jī)械的磨損。降低渣土的內(nèi)摩擦角可以減小土體與壓力艙內(nèi)壁的摩擦力，減少壓力艙閉塞現(xiàn)象的發(fā)生。渣土的內(nèi)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(jù)流體的流變特性進(jìn)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(yīng)力與剪切速率成正比。賓漢姆流體的剪切應(yīng)力與剪切速率也成正比關(guān)系，與牛頓流體不同的是賓漢姆流體中存在一個(gè)剪切屈服應(yīng)力。

牛頓內(nèi)摩擦定律表達(dá)式為：

壓力艙中渣土的理想狀態(tài)為塑性流動(dòng)狀態(tài)，以下通過試驗(yàn)測(cè)定理想狀態(tài)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(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)渣土流變曲線進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)得出理想狀態(tài)下渣土的流變曲線如圖1所示。

通過對(duì)渣土狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)渣土的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系滿足賓漢姆流體的表達(dá)示，其流變曲線可用下式表示：

式中：τ0——為流體的剪切屈服應(yīng)力（Pa），試驗(yàn)測(cè)得的值為120Pa。μ——黏度（Pa·s），試驗(yàn)測(cè)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(jìn)入螺旋排土器并充滿整個(gè)螺旋排土器，通過螺旋排土器的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)從一個(gè)螺旋曲面簡化為一個(gè)方形長條的形狀。按照當(dāng)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(dòng)模型轉(zhuǎn)化為圓形流動(dòng)管道模型進(jìn)行賓漢姆流體的流動(dòng)分析。

如圖3所示，Pw為地下水壓力，渣土在圓管內(nèi)流動(dòng)需要壓力艙中壓力的驅(qū)動(dòng)，螺旋排土器展開長度L，且處于水平狀態(tài)。取圓管長度x方向?yàn)閐x，圓管截面方向半徑為r的圓柱形單元體進(jìn)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(chǎn)生的剪切應(yīng)力τ相抵消。由此可得單元體的應(yīng)力平衡關(guān)系式：

渣土滿足賓漢姆流體特性：

賓漢姆流體在流動(dòng)過程中存在流核，當(dāng)流核半徑re與圓管半徑r0相等時(shí)，渣土停止流動(dòng)。流核截面內(nèi)速度梯度為du/dr=0時(shí)，流核邊緣的渣土剪切應(yīng)力最小，剪切應(yīng)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(nèi)壁處的渣土的剪切應(yīng)力最大，渣土流速為0。則當(dāng)r=re時(shí)，根據(jù)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(guān)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(nèi)的流速分布u0。當(dāng)公式（5）中r=re時(shí)，可得流核內(nèi)[0，re]的流速分布ue。

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

根據(jù)公式（7）可得渣土在單位時(shí)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(guān)，與渣土的剪切屈服應(yīng)力無關(guān)。隨著壓力艙內(nèi)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(nèi)。

3結(jié)束語

渣土的理想狀態(tài)為塑性流動(dòng)狀態(tài)，理想狀態(tài)下的渣土具有較低的滲透系數(shù)、較大的流動(dòng)性、較低的抗剪強(qiáng)度和適中的壓縮性。

通過旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定理想狀態(tài)下渣土的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)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(tài)參數(shù)對(duì)出渣量的影響關(guān)系，得出渣土流量主要與壓力和黏度有關(guān)，與渣土的剪切屈服應(yīng)力無關(guān)。

參考文獻(xiàn)

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

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[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(yè)院校：南京財(cái)經(jīng)大學(xué)，專業(yè)：應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，研究方向：地鐵盾構(gòu)施工。