７４ 低温建筑技术 ２０１２年第２期（总第１６４期） ・冻土与地基基础・ 隧道自行走式掘进机周围土压力试验研究 卢清国，黄可为 （北京工业大学建筑工程学院。北京１００１２４） 【摘要】通过对土中隧道自行走式工程的现场试验，得到了掘进机施工对周围土压力的影响，从中得出了 掘进机对土体扰动的大小及其扰动范围的规律。为以后再进行实验提供依据。 【关键词】 土中隧道自行走式掘进机；土压力；增阻块 【中图分类号】ＴＵ９４１ 【文献标识码】 Ｂ 【文章编号】 １００１－６８６４｛２０１２）０２—００７４—０３ 新型自行走式隧道掘进技术…的出现，使得地下 隧道线路路径变得灵活，也为地下非开挖领域提出了 一圆周外侧的增阻装置为掘进机提供反力而前进的。 文中介绍了自行走试验过程中，通过埋设于掘进机前 方土中的土压力传感器，实测了掘进机在行走过程中 的土压力的实际变化情况，分析掘进机在其动作执行 过程中对周围土压力的影响。 １ 现场试验 种全新的施工技术。相比于顶管、盾构技术，自行 走隧道掘进机的优势在于：行走距离不受限制，无需 盾构施工中对支护管片的高强度要求 。 试验的土中自行走式掘进机共由四节组成，第一 节主要起掘进切削土体的作用，第四节主要用于在内 进行支护结构的操作。第二节和第三节主要起着掘 进机自行走前行的作用。在第二和三节外侧环向布 置了可以通过人为控制的增阻块撑起系统。通过撑 出的增阻块与土体啮合后产生的啮合力为掘进机各 节在土中的行走前行提供反力。例如，当第三节外侧 增阻块撑起并与土体啮合后，通过连接于第二节与第 三节之间的液压缸的推出动作，可将第二节推向前 进。而当第二节外侧增阻块撑起并与土体啮合后，通 过连接于第二节与第三节之间的液压缸的收缩回拉 动作，可将第三节拖拉前进。根据第二节与第三节这 种相互的推、拉动作，配合工作面前方的出土工作，完 成掘进机在土中自行走开挖隧道的功能 。掘进机 １．１ 试验目的 由于土中自行走式掘进机的掘进前行原理，在土 中进行自行走式隧道施工，不可避免地会对掘进机周 围的土体产生施工扰动，使周围土体出现卸载或加载 等复杂的力学行为，土体的应力应变状态将会发生改 变，进而引起掘进机周围土体的变形，产生土体移 动 ］，对周围环境产生较大影响，通过野外半工程化 试验获取掘进机在自行走前行过程中对周围土压力 的影响，找出其规律是此项新型技术得以推广应用的 前提之一。 １．２试验概况 试验地点选在辽宁省灯塔市一废弃的砖厂，掘进 机自行走穿过的土质主要是烧结粘土砖用的粉质粘 的一个自行走掘进循环步骤：第２节撑出增阻块一＿２３ 拉（拉动第３节）一ｌ２推（推出第１节切削工作面开挖 后剩余刃脚处的土体）一第３节撑出增阻块，同时第２ 节收回增阻块一２３推（推动第２节前行靠拢第１ 节）—３４拉（拉动第４节靠拢第３节）一一个循环结 束，掘进机向前行走一个步长约ｌＯＯｍｍ。试验期间在 土，试验场地的地下水位位于行走路线底部标高以下。 使用土中自行走式隧道掘进机试验的施工长度 为７８ｍ，掘进机外直径 １ｌＯＯｍｍ，人工开挖。设计中 采用第二、三节间共由８只液压缸组成，液压缸活塞直 径６３ｍｍ，限定液压系统内的工作压力为１５ＭＰａ。每只 液压缸最大推、拉力分别可达４６．７ｋＮ和３２．３ｋＮ。掘 进机在出发时的埋深（地表到掘进机轴心）为５．０ｍ， 粉质粘土地层的掘进机最高行进速度达到３．６ｍ／ｈ。 自行走式掘进机是通过不断撑出和收回掘进机 表１ 土工试所穿过土层的主要土工参数见表１。 验参数 【基金项目］ 国家自然科学基金项目（５０６７８０１４）；“十一五”国家科技支撑计划重点项目（２００６ＢＡＪ１６Ｂ０６） 卢清国：隧道自行走式掘进机周围土压力试验研究 ７５ ∞ 幽卅 １．３现场监测内容及布置 根据研究内容，土中自行走式隧道掘进机施工现 场监测共埋设了３个土压力盒，编号ｔｌ—ｔ３（ｔｌ与ｔ２ 位于同一位置，ｔｌ水平放置，ｔ２＝垂直放置），见图１。试 验中同时记录了液压缸的受力变化。 机器的一个循环步骤 图３掘进机尾部距洞１：１４９．５ｍ时土压力值 图１现场试验仪器布置图 机器的一个循环步骤 通 幽叫 避 幽 图４掘进机尾部距洞１２１５１．５ｍ时土压力值 土压力在自行走式掘进机施工过程中是不断发 生变化的。当土压力：盒位于第一节前１．Ｏｍ处时，土 压力值为零，土体未受到挤压。当土压力盒位于第一 节正上方时，由于土体受到强烈的挤压扰动，土压力 机器的一个循环步骤 值变化较大。当土压 勺盒位于第二节中间时，由于土 图２掘进机尾部距洞￣：１４８．Ｏｍ时土压力值 体受到四环增阻块的挤压扰动，最大土压力值进一步 变大。当土压力盒位于第三节中间时，由于土体受到 ２现场监测结果及分析 六环增阻块的挤压扰动，最大土压力值变得更大。当 ２．１现场监测结果 土压力盒位于第四节末端时，掘进机远离土压力盒， 当掘进机头部距洞口５２．２ｍ时，土压力盒位于掘 土体产生应力松弛，压力急剧下降。 进机第一节前端１．Ｏｍ处时，开始进行监测，将此时的 由于施工不连续，相隔时间较长，每次测试之前 各测点土压力值初值仍为零，此处土体不在掘进机扰 土压力已经产生应力松弛，故每次测试时土压力值均 动范围内。 为零。 当掘进机头部距洞口５３．２ｍ，土压力盒位于掘进 测试结果表明，土体在掘进机挤压时扰动变化最 机第一节（无增阻块）前端正上方时，第２节增阻块撑 大，且离管道轴心距离越近，土体受到的扰动就越剧 出时，１、２、３号测点土压力值均显示为零。但执行２３ 烈，土压力变化越大；土压力盒位于掘进机不同位置 拉动作时，３个测点的压力值迅速上升。１２推动作时， 时，最大压力值不同，且位于第三节时压力值最大，表 各测点压力值也在上升。第３节增阻块撑出时，土压 明增阻块环数越多，撑起高度越高，土体扰动越大。 力值有所下降，均降到８ｋＰａ。２３推动作时，又表现出 ３结语 各自上升的趋势。３４拉动作时，分别为９．０、８．３、 （１） 增阻块挤压土体并给相关动作时，与没有 ７．８ｋＰａ，见图２。 增阻块挤压的土体比，增阻块上方的土体扰动更大。 当掘进机头部距洞口５４．７ｍ时，土压力盒位于掘 如图３与图２比，土压力值会更大。 进机第二节（四环增阻块）中间正上方，见图３。当掘 （２） 增阻块环数、撑起高度对周围土体影响较 进机头部距洞口５６．７ｍ时，土压力盒位于掘进机第三 大。第三节增阻块撑起并给２３推动作时，土压力达到 节（六环增阻块，撑起高度比第二节大）中间正上方， 峰值。如图４与图３比，土压力值会更大。第三节比 见图４。当掘进机头部距洞口５８．Ｏｍ时，土压力盒位 第二节多两环，且撑起高度更高。 于掘进机第四节末端。这时土压力值为零。说明此 （３） 土压力盒位于掘进机不同位置时，最大压 时土体已不在掘进机扰动范围内。 力值不同，且位于第三节时最大土压力值达到最大。 ２．２检测结果分析 （４） 实测数据表明掘进机推进过程中，离轴心 ７６ 低温建筑技术 ２０１２年第２期（总第１６４期） 石笼技术对深路堑边坡稳定性研究 柴艳飞 ，徐学燕 ，胡魏 ，李鹏飞 ， 雷学飞 （１．哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨１５００９０；２．中交隧道局（西安）第二工程有限公司，西安７１００７５） 【摘 要】 为研究石笼工程技术对季节冻土区深路堑边坡稳定性的影响，在哈大高铁Ｄ３Ｋ６９１＋７００ Ｄ３Ｋ６９１＋８５０段路堑边坡进行了石笼工程措施与无措施的对比试验工程，并在边坡中设置测斜管，对边坡的稳定 性进行实时监测。监测结果表明：与无措施边坡相比，石笼工程措施边坡坡顶、坡中、坡脚的正向水平位移和位移 速率均有大幅的减小，最大正向水平位移分别减少了７２％、８２％、８２．３％，最大位移速率分别减少了８３％、５０％、 １８％，因此，石笼防冻融滑塌技术可以明显提高季节冻土区深路堑边坡的稳定性。 【关键词】石笼；季节冻土区；深路堑边坡；水平位移；位移速率 【中图分类号】ＴＵ４７５．２ 【文献标识码】Ｂ 【文章编号】１００１—６８６４（２０１２）０２—００７６—０３ 季节冻土区道路工程边坡尤其是深路堑边坡，由 一ｌＯｍ，地貌单元为冲积平原，地势平坦，主要地层为黏 于受冻胀和融沉的反复作用，极易发生滑塌¨ ，其稳 质黄土，黄褐色，中砂，密实，泥岩夹砂岩强风化。 定性严重影响着道路安全运营，因此季节冻土区深路 １．２石笼防冻融滑塌技术的设计 堑边坡的稳定性成为道路工程中十分薄弱的环节，而 Ｄ３Ｋ６９１＋７００一Ｄ３Ｋ６９］＋８５０段（设置５０ｍ无治 我国针对季节冻土区深路堑边坡治理技术研究甚 理措施边坡作对比断面），石笼问隔７．０ｍ，石笼在边坡 少 。石笼因其具有极佳的稳定性和整体性，施工 上的埋深为水平方向１．Ｏｍ，尺寸为２．Ｏｍ Ｘ ０．４ｍ Ｘ 简单迅速及对环境影响小等优点，在内国外，很多河 １．５ｍ，四周铺设１０ｃｍ厚砂加卵石反滤层，石笼外钢丝 道护坡、土体支挡、桥台修筑等均采用石笼防滑塌技 网采用合金含锌钢丝经编成网，直径为２．６ｍｍ，网孔 术 。 ，并且取得了不错的效果。然而到目前为止，石 为９０ｍｍ Ｘ １２０ｍｍ。石笼施工完毕后，采用渗水性Ａ 笼防滑塌技术还没有应用到季节冻土区边坡治理中。 组材料填筑边坡至设计位置，边坡坡率为１：１．５，并于 随着季节冻土区道路工程建设量的增加，如何提高季 路堑顶地表设０．５ｍ二八灰土封闭层，如图１所示。 节冻土区路堑边坡的稳定性是一个急需要深入研究 １．３监测仪器的铺设 的课题。因此，本文以深季节冻土区哈尔滨一大连高 本文试验中采用Ｆ６６８Ａ型数字显示测斜仪，可以 速铁路客运专线Ｄ３Ｋ６９１＋７００～Ｄ３Ｋ６９１＋８５０深路堑 实时监测边坡土体的水平位移及位移速率。路堑边 边坡为试验工程，通过在路堑边坡土体埋设大量测斜 坡测斜管的布置：测斜管主要部设在在各测试断面的 管，对边坡的水平位移和位移速率进行实时监测，来 坡顶、坡中和坡脚处，深度分别为，坡顶１２ｍ，坡中６ｍ， 定量研究石笼防滑塌技术对季节冻土区深路堑边坡 坡脚４ｍ，图２为测斜管的施工过程。 稳定性的影响。 ２试验结果及分析 ，１ 石笼防冻融滑塌技术的设计及监测仪器的埋设 ２．１ 试验过程水平位移分析 １．１ 工程概况 本文分别通过对石笼防滑塌技术和不采取任何 课题试验段位于哈尔滨一大连客运专线Ｄ３Ｋ６９１＋ 措施试验断面测斜孔的逐段测量，测得测斜孔在整个 ７００一Ｄ３Ｋ６９１＋８５０段，长为１５０ｍ，坡率１：１．５，坡高为９ 深度范围内水平方向的位移，来准确地确定试验断面 【基金项目］ 铁道部科技开发计划项目（２００６Ｇ００１一Ｂ一３） ０●００●００●００●００●０ｏ◆０ｏ●００●００◆００◆ｏ０●００●００●００●００●００◆００●００●００●０ｏ●００●００●００●００◆００●００●０ ０●００●００●００●００●００●００●０ｎ●ｒ（●００●（）０◆００◆００●００●００●００●０ ●００◆００◆Ｌ ０◆０ 距离越近，土压力越大，这与实际情况是一致。 ［３ ３卢清国，关圣府，张耀庆．自行走隧道掘进机施工引起地表沉 降规律分析［Ｊ］．山西建筑，２０１１，３７（１６）：１７９—１８０． ［４］魏纲，徐日庆，屠玮．顶管施工引起的土体扰动理论分析及试 参考文献 验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００２，２３（２）：４７６～４８２． ［１］ 卢清国．一种管土间增阻自驱动顶管顶进方法及其顶管装置 ［Ｐ］．中国专利ＺＬＯＩ１２３５０９．８，２００１—７—２７． ［收稿日期］２０１ｌ—ｌＯ—ｌ４ ［２］卢清国．长距离隧道自驱动前行的可行性［Ｃ］／／第三届中日 ［作者简介］卢清国（１９５５一），男，辽宁凌源人，博士，教授。主 盾构隧道技术交流会论文集，２００５． 要从事隧道及地下工程研究工作。