富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究
③滞留于土舱内掘削土通过螺旋传送机滑动闸门作用挡土。 ①面板一次挡土。 高浓度泥水加压②高浓度泥水加压平衡，并确保土体流动。 式土压盾构 ③转斗排土器的泥水压的保持调节作用。 ①向土舱内注入泥土、泥浆或高浓度泥浆，经搅加泥土压盾构 拌后塑流性提高，且不渗水，稳定掘削面。 ②检测土舱内压控制推进量，确保掘削面稳定。 软弱粘土层，易坍的含水砂层及混有卵石的砂砾层。 砂层，砂砾层，易坍层 松软渗透系数大的含水2.1.3 加泥式土压盾构
（1）工作原理
加泥式土压平衡盾构，是靠向掘削面注入泥土、泥浆和高浓度泥水等润滑材料，借助搅拌翼在密封土舱内将其与切削土混合，使之成为塑流性较好和不透水泥状土，以利于排土和使掘削面稳定的一类盾构机。掘进施工中可随时调整施工参数，使掘削土量与排土量基本平衡。盾构机仍由螺旋输送机排土，渣土由出土车运输。加泥式土压平衡盾构(以下简称加泥土压盾构)的构造，如图2.3所示。
这类盾构主要用于在软弱粘土层、易坍塌的含水砂层及混有卵石的砂砾层等地层中隧道的掘进施工。
①为刀盘，②为工作仓，③为压力隔板，④为螺旋出土器， ⑤为推力油缸，⑥为盾尾密封，⑦为管片，⑧为盾尾同步浆液
图2.3 加泥式土压平衡盾构结构示意图
（2）构造特点
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与削土加压式盾构相比较，加泥式盾构是密封土舱内设有泥土注入装置和泥土搅拌装置、排土装置等与前者相同，这类盾构特点如下：
① 可改善切削土的性能。在砂土或砂砾地层中，土体的塑流性差，开挖面有地下水渗入时还会引起崩塌。盾构机有向切削土加注泥土等润滑材料并进行搅拌的功能，可使其成为塑流性好和不透水的泥状土。
② 以泥土压稳定开挖面。泥状土充满密封舱和螺旋输送机后，在盾构推进力的作用下可使切削土对开挖面形成被动土压力，与开挖面上的水、土压力相平衡，以使开挖面保持稳定。
③ 泥土压的监测和控制系统。在密封舱内装有土压计，可随时监测切削土的压力，并自动调控排土量，使之与掘削土量保持平衡。
（3）添加材料
添加材料一般采用由粘土、膨润土CMC、高吸水性树脂及发泡剂等材料制成的泥浆液。切削土体为软弱粘性土时，可不注入泥浆，但在砂土和砂砾等地层中则必须注入泥浆。泥土加压式盾构机添加材注入示意如图2.4所示。
在掘进施工中，加泥量应根据刀盘扭矩、螺旋输送机转速、推进速度和排土量等随时进行调整。
水/泡沫/矿物材料/抗粘结等材料添加处
盾尾密封
同步注浆
图2.4 泥土加压式盾构机添加材注入示意图
2.2 砂卵石地层的掘进模拟计算
本课题对该地层的土压平衡盾构的掘进过程采用离散单元法（DEM）进行模拟
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计算，对计算结果进行分析，得到该地层EPB掘进时的土压平衡特性。
为了分析求解EPB盾构掘进时的掘进特征，综合考虑PFC计算速度及模型需要，建立如下的简化计算模型：
（1）土体模型成样后大小为7.5m×9.5m； （2）土体级配按实际颗粒尺寸； （3）假定为平面问题；
（4）盾构按实际尺寸建立，盾构机外径6m，土仓长度1m；
建立计算模型，示意图如2.5所示。
砂卵石地层 土 仓 压力隔板 刀盘刀具
图2.5 PFC2D的计算示意图
2.3 砂卵石土压平衡特点研究 2.3.1 水平土压力规则系数
计算时分四种工况，包括理想平衡状态、盈压状态、欠压状态和土仓结块，在此分别对每种工况进分析。
（1）理想平衡状态
静止平衡条件下，此时为理想状态，土仓进出土平衡。因此，此时土仓压力上下均匀，前后一致。此时的土仓竖向土压力规则系数R2大小为1。此时的水平应力分布如图2.6所示。
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76.51000009000065.580000700006000054.550000400003000043.52000010000302.5256
图2.6 理想状态下的水平应力分布
（2）盈压状态
由于盾构掘进过程中一般情况是使土仓处于一定的“盈压状态”，本计算重点对两种“盈压状态”进行了计算分析。第一种情况：盈压率2.3%，第二种情况：盈压率3%。计算结果的水平应力云图分别如图2.7和图2.8所示。
两种盈压率情况下沿土仓的竖向应力分布如图2.9所示。根据计算，竖向不规则系数R2都在0.46左右，大大低于在软土地层的0.8-0.9。可见掘进中，土仓内竖向呈现了不均匀的土应力分布，并且中部的应力偏大。
776.56.5670000065000067000006500005.56000005500005.5600000550000550000045000040000055000004500004000004.53500003000004.5350000300000425000020000042500002000003.51500001000003.5150000100000500003500000302.52.52256
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图2.7 盈压率2.3%时水平应力分布云图 图2.8 盈压率3%时土仓水平应力云图
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201816141210864200.000.050.100.150.200.25
图2.9 土仓水平土压力分布
（3） 欠压状态
欠压情况下的应力分布较为均匀，如图2.10所示。
虽然欠压状态的土应力分布较为均匀，但欠压状态下EPB掘进常会带来工作面的不稳定，过量的地层损失，从而导致刀盘被卡和地表沉降过大等问题。因此，在实际掘进中一般的情况是保持一定的“盈压”状态。
76.5100000900005.58000070000600004.55000044000030000200003100000653.52.5256
图2.10 欠压状态下的土压力分布
（4）土仓结块的情况
同时对土仓内结块的情况进行了计算。计算中采用clump来模拟土仓内的渣土块，如图2.11所示。clump定义为某范围内的球体ball的聚合体，该聚合体范围内的ball之间被赋予了很高的bond值，因此一般情况下clump不能被破坏，
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