肖超，陽(yáng)軍生，王樹英，何杰，葉新宇(.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，40075；.湖南工業(yè)大學(xué)　土木工程學(xué)院，湖南 株洲，4007；.Department of Civil,Surveying and Environmental Engineering,University of Newcastle, NSW 08,Australia)

土壓平衡盾構(gòu)改良渣土力學(xué)行為及其地層響應(yīng)特征

肖超1，陽(yáng)軍生1，王樹英1，何杰2，葉新宇3
(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；
2.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 株洲，412007；
3.Department of Civil,Surveying and Environmental Engineering,University of Newcastle, NSW 2308,Australia)

基于土壓平衡盾構(gòu)改良渣土的力學(xué)行為直接影響著土艙壓力傳遞性、地層沉降和開挖面穩(wěn)定性，以南昌地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖和礫砂作為試驗(yàn)材料，采用泡沫劑和膨潤(rùn)土泥漿為改良劑，對(duì)渣土進(jìn)行三軸快剪(不固結(jié)不排水)試驗(yàn)，并基于三維數(shù)值模擬，分析渣土改良對(duì)地層響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：改良和未改良渣土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都近似于硬化型曲線，并且硬化曲線特征不受改良劑的影響；改良后渣土的抗剪強(qiáng)度大幅度減小，改良劑添加率越高，渣土抗剪強(qiáng)度越低，改良效果越好；泡沫和膨潤(rùn)土泥漿對(duì)渣土的改良機(jī)理存在一定差異，采用泡沫改良渣土能降低渣土內(nèi)摩擦角和黏聚力；采用膨潤(rùn)土泥漿改良渣土能減小渣土內(nèi)摩擦角，而其黏聚力小幅度增大；考慮改良渣土和盾構(gòu)機(jī)刀盤的影響時(shí)，開挖面支護(hù)應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出非線性，其分布受刀盤開口分布位置的影響；開挖面的支護(hù)應(yīng)力和地層響應(yīng)均受到渣土改良的影響，改良效果越好，開挖面支護(hù)應(yīng)力越小，開挖面前方地層沉降越大；與采用膨潤(rùn)土泥漿改良渣土相比，采用泡沫改良渣土后開挖面支護(hù)應(yīng)力較小，地層沉降較大。

渣土改良；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；不排水抗剪強(qiáng)度；支護(hù)應(yīng)力；地層響應(yīng)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，地表發(fā)生塌陷主要是由開挖面失穩(wěn)造成的，而開挖面失穩(wěn)除了受到掘進(jìn)參數(shù)選取[1]和工程地質(zhì)條件的影響外，還受到土艙內(nèi)渣土狀態(tài)的影響。在復(fù)雜地層條件下，盾構(gòu)機(jī)刀盤切削下來的渣土一般流動(dòng)性差，止水性弱，傳遞壓力的能力低。在黏土地層，盾構(gòu)機(jī)刀盤和螺旋輸送機(jī)容易出現(xiàn)結(jié)泥餅的不利情況，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率降低，能耗增加；在富水砂土地層，螺旋輸送機(jī)容易出現(xiàn)噴涌，造成土艙壓力急劇減小、開挖面失穩(wěn)等[2-3]，因此，需要對(duì)刀盤切削下來的渣土力學(xué)行為進(jìn)行分析，進(jìn)而分析渣土改良對(duì)地層響應(yīng)的影響。渣土改良劑包括泡沫劑、膨潤(rùn)土和聚合物等，這些改良劑主要是從刀盤上孔口和土艙內(nèi)的孔口注入。為了評(píng)價(jià)改良后渣土的狀態(tài)，研究者對(duì)改良后的渣土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，如：肖超等[4]對(duì)采用泡沫劑改良的渣土進(jìn)行了大量的坍落度試驗(yàn)，揭示了泡沫的添加能改善渣土的流塑性；PEILA等[5]研發(fā)了小型螺旋輸送機(jī)，研究了泡沫改良后的渣土的傳力特性；ZUMSTEG等[6]研究了渣土的類型和不同壓力對(duì)泡沫改良渣土的影響。對(duì)于盾構(gòu)開挖面地層響應(yīng)，ATTEWELL等[7-8]進(jìn)行了研究。韋良文等[9]闡述了開挖面微觀破壞分析模型、塑性極限分析模型及楔形體極限平衡模型，并指出了今后的研究重點(diǎn)。韓月旺等[10]基于拉格朗日有限差分計(jì)算程序研究了壓力艙土體改良效果對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響。然而，上述研究未分析改良渣土的剪切力學(xué)性能及渣土改良對(duì)開挖面地層響應(yīng)的影響。為此，本文作者依托南昌地鐵1號(hào)線五標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間工程，以礫砂與泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層作為試驗(yàn)材料，采用泡沫和膨潤(rùn)土泥漿作為改良劑，對(duì)渣土進(jìn)行三軸快剪試驗(yàn)，分析渣土剪切力學(xué)行為，并基于三維數(shù)值仿真技術(shù)，分析渣土改良對(duì)地層響應(yīng)的影響。

1　試驗(yàn)方案

1.1試樣材料的選取

南昌地鐵1號(hào)線是江西省第1條城市地鐵工程，主要位于泥質(zhì)粉砂巖和礫砂地層中。泥質(zhì)粉砂巖屬于第三系新余群，呈紫紅色，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖石遇水易軟化，失水易干裂。礫砂為第四系全新統(tǒng)沖積層，呈灰色，稍密，飽和。兩者基本物理性質(zhì)見表1[11]。

采用Rigaku D/max 2500全自動(dòng)X線衍射儀對(duì)泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行物相分析，獲得其礦物成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明：泥質(zhì)粉砂巖中含有較多的黏土礦物，其中高嶺土、伊利土、和蒙脫土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.7%，8.3%和4.4%。HOLLMANN等[12-13]的研究表明：蒙脫土、伊利土和高嶺土等黏土礦物是刀盤結(jié)泥餅的主要原因，特別是蒙脫土和伊利土。礫砂層滲透系數(shù)為0.127 cm/s，滲透性較高，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)噴涌等異常情況，因此，很有必要對(duì)渣土進(jìn)行改良，以保證盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)。

為了使室內(nèi)試驗(yàn)渣土級(jí)配與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際渣土級(jí)配基本一致，本試驗(yàn)采取如下方法：1)首先在盾構(gòu)掘進(jìn)地層為全斷面泥質(zhì)粉砂巖區(qū)域采集泥質(zhì)粉砂巖渣土(用Y代替)，并進(jìn)行室內(nèi)烘干篩分，獲得泥質(zhì)粉砂巖渣土級(jí)配曲線，見圖1?？紤]到盾構(gòu)刀盤切削對(duì)礫砂的影響較小，礫砂渣土(用S代替)的級(jí)配曲線可與原礫砂地層級(jí)配曲線保持一致。2)從現(xiàn)場(chǎng)采集泥質(zhì)粉砂巖巖塊，在室內(nèi)進(jìn)行破碎篩分，再按原泥質(zhì)粉砂巖渣土級(jí)配曲線把不同粒徑的泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行混合，形成泥質(zhì)粉砂巖渣土。3)把2種渣土按試驗(yàn)要求的體積比進(jìn)行混合，并獲得不同渣土的級(jí)配曲線(見圖1)。設(shè)V(Y)/V(S)表示泥質(zhì)粉砂巖渣土與礫砂渣土體積比。本試驗(yàn)結(jié)合南昌地鐵1號(hào)線五標(biāo)段實(shí)際地層和渣土改良情況，選取3種不同構(gòu)成比例的復(fù)合地層渣土作為實(shí)驗(yàn)材料， V(Y)/V(S)分別為1/2，1/1和2/1，它們的級(jí)配曲線見圖1。分析這3種的渣土不均系數(shù)和曲率系數(shù)(表2)可知：各類渣土的粒徑分布不均勻，但渣土的級(jí)配良好。

表1　地基土的物理力學(xué)特性Table 1　Physical mechanical properties of ground

圖1　渣土級(jí)配曲線Fig.1　Grain size distributions of muck

表2　不同渣土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)Table 2　Coefficients of nonuniform coefficient and curvature coefficient for different soils

試驗(yàn)所用改良劑與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用改良劑相同。泡沫劑采用國(guó)內(nèi)某廠家泡沫劑，發(fā)泡壓力為0.2 MPa，泡沫劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。膨潤(rùn)土采用鈣基膨潤(rùn)土，膨潤(rùn)土與水按質(zhì)量比1/8進(jìn)行膨化。結(jié)合地層的工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)改良劑的實(shí)際使用情況，選擇渣土改良劑，如表3所示。

表3　試驗(yàn)渣土與改良劑選用Table 3　Conditioned materials for different types of soils

1.2試驗(yàn)方法及過程

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程改良后的渣土透水性較好，且渣土不斷被螺旋輸送機(jī)輸送出，渣土來不及排水固結(jié)，故選用三軸快剪試驗(yàn)。李建華等[14-15]對(duì)非飽和土三軸快剪試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明非飽和土在三軸快剪試驗(yàn)下存在內(nèi)摩擦角。而改良后渣土是由渣土、氣泡或膨潤(rùn)土等混合而成的特殊的非飽和土，因此，可以采用三軸快剪試驗(yàn)分析渣土的力學(xué)性能。

添加率(ζ)的計(jì)算公式如下：式中：V1為改良劑體積；V3為渣土體積。由土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[16]可知，三軸試驗(yàn)過程中試樣的最小直徑為35 mm，最大直徑為101 mm，且對(duì)試樣顆粒直徑有一定的要求。當(dāng)試樣直徑大于100 mm時(shí)，允許最大粒徑為試樣直徑的1/5。由渣土級(jí)配曲線可知，泥質(zhì)粉砂巖與粒砂復(fù)合地層渣土最大粒徑為20 mm時(shí)，所以，應(yīng)選用試樣直徑為101 mm三軸試驗(yàn)儀器。本試驗(yàn)共20組(見表4)，三軸試驗(yàn)圍壓為50，100，150，200 和300 kPa。軸向剪切應(yīng)變速率為應(yīng)變0.5%/min，每0.2 mm記錄1次測(cè)力計(jì)讀數(shù)和軸向變形。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1渣土的剪切力學(xué)行為特征

為提高長(zhǎng)大縱坡瀝青路面各項(xiàng)路用性能，本試驗(yàn)段施工選用高低溫性能均較好的中石化產(chǎn)東海牌SBS（I—D）型改性瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

不排水剪切強(qiáng)度定義為試樣達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)偏應(yīng)力(31σσ-)的1/2。圖2所示為未改良渣土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。分析圖2可知：隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力逐漸增大，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值后，應(yīng)力保持不變，這類應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近硬化型曲線。圖3所示為改良后渣土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。對(duì)比圖3與圖2可知：改良劑對(duì)渣土的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征無影響，改良后渣土剪切曲線也呈現(xiàn)出硬化型。相對(duì)于未改良渣土，改良劑的添加能大幅度減小渣土的抗剪強(qiáng)度。

表4　快剪試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Table 4　Test program

2.2添加率對(duì)渣土剪切力學(xué)行為的影響

圖2　V(Y)/V(S)為1/2的未改良渣土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2　Stress-strain curves of non-conditioned soils that volume ratio between argillaceous siltstone and gravelly sand is 1/2

不同情況下渣土的不排水抗剪強(qiáng)度見表4。在圍壓為200 kPa、添加率不同、V(Y)/V(S)為1/2渣土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。分析圖4可知：渣土中添加10%的膨潤(rùn)土后，相對(duì)于未改良的渣土，其抗剪強(qiáng)度下降46%；添加10%膨潤(rùn)土泥漿+5%泡沫渣土抗剪強(qiáng)度比未改良渣土抗剪強(qiáng)度下降70%。在圍壓為100 kPa、添加率不同、V(Y)/V(S)為1/1渣土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖5可見：添加10%泡沫的渣土抗剪強(qiáng)度比未添加泡沫的渣土抗剪強(qiáng)度低50%左右，而添加20%泡沫的渣土抗剪強(qiáng)度比未添加泡沫的渣土低66%。在圍壓為100 kPa、添加率不同、V(Y)/V(S)為2/1的渣土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖6可見：添加10%泡沫的渣土強(qiáng)度下降44%左右；而添加20%泡沫的渣土強(qiáng)度下降59%左右。這表明添加率與渣土的抗剪強(qiáng)度成反比，渣土中改良劑的添加率越高，其抗剪強(qiáng)度越降低，渣土越接近流塑性狀態(tài)，越有利于土壓平衡盾構(gòu)土艙壓力傳遞和螺旋輸送機(jī)出渣。

圖3　改良后V(Y)/V(S)為1/2時(shí)渣土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Stress-strain curves of conditioned soils that volume ratio between argillaceous siltstone and gravelly sand is 1/2

圖4　在200 kPa圍壓下，V(Y)/V(S)為1/2時(shí)的渣土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4　Stress-strain curves of 200 kPa confining pressure for soils composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 1/2

圖5　在100 kPa圍壓下，V(Y)/V(S)為1/1時(shí)的渣土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5　Stress-strain curves of 100 kPa confining pressure for soils composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 1

圖6　在100 kPa圍壓下，V(Y)/V(S)為2/1時(shí)的渣土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6　Stress-strain curves of 200 kPa confining pressure for soils composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 2/1

2.3抗剪強(qiáng)度

圖7所示為抗剪強(qiáng)度與改良劑添加率的關(guān)系。分析圖7可知：隨著改良劑添加率增大，渣土的強(qiáng)度逐漸降低；不同改良劑對(duì)渣土抗剪強(qiáng)度影響也存在一定差異；相對(duì)于添加10%泡沫的渣土，渣土中添加10%的膨潤(rùn)土后，其抗剪強(qiáng)度減小幅度更大。

通過繪制未改良和改良后渣土的摩爾包絡(luò)線，獲得未改良和改良后渣土的內(nèi)摩擦角和黏聚力。V(Y)/V(S)為2/1時(shí)改良后渣土摩爾包絡(luò)線如圖8所示。該渣土包絡(luò)線呈現(xiàn)出1條斜線，這是因?yàn)樵撂幱诜秋柡蜖顟B(tài)，其存在一定內(nèi)摩擦角。

未改良和改良后渣土的黏聚力和內(nèi)摩擦角見表5。分析表5可知：采用泡沫對(duì)V(Y)/V(S)為1/1和2/1的渣土進(jìn)行改良后，渣土的內(nèi)摩擦角和黏聚力都出現(xiàn)一定減??；采用泡沫加膨潤(rùn)土對(duì)V(Y)/V(S)為1/2的渣土進(jìn)行改良后，渣土的內(nèi)摩擦角出現(xiàn)大幅度減小，而黏聚力出現(xiàn)小幅度增大。這表明采用泡沫和膨潤(rùn)土改良渣土的機(jī)理存在一定差異。泡沫的添加能減小渣土的內(nèi)摩擦角和黏聚力；膨潤(rùn)土的添加能減小渣土內(nèi)摩擦角，小幅度增加渣土的黏聚力。

圖7　抗剪強(qiáng)度與添加率ζ的關(guān)系Fig.7　Relationship between undrained shear strength and ζ

圖8　V(Y)/V(S)為2/1、添加20%泡沫渣土的摩爾包絡(luò)線Fig.8　Intrinsic shear strength curve for conditioned soils which added to 20%foam composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 2/1

表5　渣土的內(nèi)摩擦角和黏聚力Table 5　Inner friction and cohesive cohesion of soil

本次試驗(yàn)改良劑添加率最高為20%，這主要是受三軸試驗(yàn)制樣問題的影響。改良劑添加率越高，渣土的流塑性越好，制樣越困難。隨著添加劑增加，添加劑會(huì)完全充填渣土的孔隙，從而使渣土達(dá)到理想的流塑性狀態(tài)?；谠囼?yàn)獲得的渣土改良力學(xué)特征，可進(jìn)一步推斷出：理想狀態(tài)渣土的剪切強(qiáng)度將更低，其內(nèi)摩擦角將很小，接近于0°，這可為今后土壓平衡盾構(gòu)渣土改良提供指導(dǎo)。在黏土礦物較高的地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)選泡沫劑對(duì)渣土進(jìn)行改良。因?yàn)榕菽牧己笤恋酿ぞ哿?huì)減小，不易黏在刀盤和刀具上，能降低刀盤結(jié)泥餅的可能性。而在黏土礦物含量較低和富水地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，選用膨潤(rùn)土對(duì)渣土進(jìn)行改良，因?yàn)榕驖?rùn)土泥漿的黏性較大，能降低噴涌的可能性。

3　開挖面地層響應(yīng)分析

3.1模型的建立

為了分析渣土改良對(duì)開挖面地層的影響，選擇礫砂與泥質(zhì)粉砂巖質(zhì)量比為1:1時(shí)的上軟下硬地層作為研究對(duì)象。模型長(zhǎng)×寬×高為30 m×30 m×30 m。模型包含地層、簡(jiǎn)化盾構(gòu)機(jī)(刀盤，土艙和部分盾殼)和渣土(見圖9和圖10)，其中刀盤開口率為39%。

3.2參數(shù)的選取及應(yīng)力邊界條件

本次數(shù)值分析主要分析土壓平衡盾構(gòu)模式下盾構(gòu)停機(jī)狀態(tài)時(shí)渣土改良對(duì)開挖面支護(hù)應(yīng)力及地層響應(yīng)的影響?；诟牧紕?duì)渣土力學(xué)行為的影響規(guī)律，選擇4種改良渣土作為分析對(duì)象(見表6)，主要是改變?cè)恋牧W(xué)參數(shù)，以模擬不同改良劑的改良效果。Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)渣土采用泡沫改良，Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)渣土采用膨潤(rùn)土泥漿改良。

圖9　模型剖面Fig.9　Profile of analysis model

圖10　簡(jiǎn)化盾構(gòu)模型剖面Fig.10　Profile of simplified shield machine

表6　分析模型參數(shù)的選取Table 6　Analysis model parameters

模型的邊界條件見圖11。在分析過程中，在盾構(gòu)機(jī)隔板上內(nèi)徑為2.3 m、外徑為2.8 m的圓環(huán)區(qū)域施加2 MN的總推力(即3.92×108Pa的應(yīng)力)，螺旋輸送機(jī)口處限制產(chǎn)生位移。

圖11　模型邊界條件Fig.11　Boundary conditions of model

為了更精確地反映盾構(gòu)機(jī)與周圍地層和渣土間的接觸問題，在它們之間設(shè)置接觸面。本次數(shù)值分析共設(shè)置3個(gè)接觸面，分別位于礫砂與盾構(gòu)機(jī)之間、泥質(zhì)粉砂巖與盾構(gòu)機(jī)之間、盾構(gòu)機(jī)土艙與渣土之間。

式中：kn和ks分別為接觸面的法向剛度和切向剛度；K為接觸雙方較弱一方的體積模量；G為接觸雙方較弱一方的剪切模量；Δzmin為接觸面法向方向上連接區(qū)域上最小尺寸[17]。本次分析模型中Δzmin為0.2 m。接觸面模型中摩擦角設(shè)置為10°，黏聚力設(shè)置為0 kPa，以保證盾構(gòu)機(jī)與地層之間、土艙與渣土之間能產(chǎn)生滑動(dòng)。

3.3結(jié)果分析

對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行整理，提取隧道縱向剖面上開挖面的支護(hù)應(yīng)力，繪制開挖面支護(hù)應(yīng)力變化曲線，見圖12。分析圖12可知：開挖面支護(hù)應(yīng)力明顯小于側(cè)向靜止土壓力，且支護(hù)應(yīng)力曲線不是呈線性變化，而是表現(xiàn)出非線性關(guān)系。在支護(hù)應(yīng)力變化曲線1號(hào)和2號(hào)位置，支護(hù)應(yīng)力相對(duì)較小，這主要是因?yàn)檫@2處位置處于刀盤開口處(見圖9)。同時(shí)，刀盤開口兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，其應(yīng)力較大，這表明刀盤面板上開口的位置對(duì)支護(hù)應(yīng)力的分布有很重要影響。相對(duì)于未改良渣土的支護(hù)應(yīng)力，改良渣土的支護(hù)應(yīng)力明顯較小，且改良渣土越接近理想渣土，兩者的差值越大。同時(shí)，渣土改良劑不同，也會(huì)對(duì)開挖面支護(hù)應(yīng)力有一定影響，但影響較小，泡沫改良渣土的支護(hù)應(yīng)力略小于膨潤(rùn)土泥漿改良渣土的支護(hù)應(yīng)力。

圖13所示為隧道開挖面前方3.2 m與隧道頂部3.2 m位置的沉降。分析圖13可知：盾構(gòu)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，土艙渣土為滿艙，且在施加一定的總推力情況下，開挖面前方地層的沉降較小，小于1 mm。相對(duì)于未改良渣土，渣土改良后開挖面地層沉降相對(duì)較大，渣土越接近理想渣土，地層沉降相對(duì)較大。改良劑的選擇對(duì)開挖面前方地層沉降也有一定影響，相對(duì)于膨潤(rùn)土泥漿改良渣土，泡沫改良渣土的開挖面前方地層沉降相對(duì)較大。

圖12　開挖面縱向支撐應(yīng)力變化曲線Fig.12　Curves of supporting force on work face

圖13　開挖面前方某點(diǎn)的沉降曲線Fig.13　Settlement curves of a point ahead of excavation face

4　結(jié)論

1)改良后和未改良渣土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近硬化型，即隨著應(yīng)變?cè)龃?，?yīng)力逐漸增大，直到進(jìn)入臨界破壞狀態(tài)。改良劑的添加不會(huì)影響渣土應(yīng)力應(yīng)變硬化型特征。泡沫或膨潤(rùn)土對(duì)渣土進(jìn)行改良后，渣土的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度減小，且渣土的流塑性得到有效改善。改良劑的添加率與渣土抗剪強(qiáng)度成反比，添加率越高，渣土抗剪強(qiáng)度越小。

2)泡沫和膨潤(rùn)土改良渣土的機(jī)理存在一定差異。采用泡沫改良時(shí)，渣土的內(nèi)摩擦角和黏聚力出現(xiàn)一定減小。相對(duì)于泡沫改良，采用膨潤(rùn)土改良時(shí)，渣土的黏聚力出現(xiàn)小幅度增大，而渣土的內(nèi)摩擦角大幅度減小。

3)考慮土艙渣土及盾構(gòu)機(jī)刀盤時(shí)，開挖面支護(hù)應(yīng)力呈現(xiàn)非線性的形式。在刀盤開口處支護(hù)應(yīng)力較小，且渣土改良效果越好，支護(hù)應(yīng)力越小。相對(duì)刀盤開口處的支護(hù)應(yīng)力，開口兩側(cè)產(chǎn)生一定應(yīng)力集中，其應(yīng)力較大。改良劑的選擇對(duì)開挖面支護(hù)應(yīng)力也一定影響，采用泡沫改良渣土?xí)r，其支護(hù)應(yīng)力小于采用膨潤(rùn)土泥漿改良渣土?xí)r的支護(hù)應(yīng)力，尤其在刀盤開口處比較明顯。

4)在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)狀態(tài)，且土艙為滿倉(cāng)時(shí)，千斤頂施加一定推力的前提下，隧道頂部地層產(chǎn)生一定沉降，而底部地層稍微隆起。開挖面頂部地層沉降整體相對(duì)較小，其受到渣土改良效果的影響。渣土改良效果越好，沉降會(huì)出現(xiàn)小幅度增加。改良劑的選擇對(duì)開挖面前方地層沉降也有一定影響，相對(duì)于采用膨潤(rùn)土泥漿改良渣土，采用泡沫改良渣土?xí)r，開挖面前方地層沉降較大。

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(編輯陳燦華)

Conditioned soils mechanical behavior of earth pressure balance shield tunneling and its impact on formation response

XIAO Chao1,YANG Junsheng1,WANG Shuying1,HE Jie2,YE Xinyu3
(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;
2.School of Civil Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China;
3.Department of Civil,Surveying and Environmental Engineering,University of Newcastle,NSW 2308,Australia)

Considering that mechanical behavior of conditioned soils of earth pressure balance shield tunneling directly affects pressure transmission in soil tank and ground settlement and stability of work face,agillaceous siltstone and gravelly sand of Nanchang were used as test materials,soils were conditioned with foam and bentonite slurry,and undrained unconsolidated tests of conditioned soils were carried out.Based on 3-D numerical simulation,soil conditioning impact on formation response was studied.The results show that the type of stress-strain curves of conditioned and unconditioned soils is a hardening type and additives do not affect the characteristics of the curve.Compared with unconditioned soils,the strength of conditioned soils decreases greatly.Undrained shear strength gradually reduces with the increase of additive ratio,and performance of soils is also better.There are some differences between the mechanism of foam and bentonite slurry to condition soils.The internal friction angle and cohesion of conditioned soils conditioned by foam decrease.For conditioned soils conditioned by bentonite slurry,its internal friction angle decreases,and its cohesion slightly increases.In consideration of conditioning soils and cutterhead of shield machine,the supported stress curve is nonlinear,which is affected by distribution of the opening of cutterhead,when the shield machine stops to assemble segment.Soil conditioning has certain impact on the supported stress of work face and formation response.The supported stress of work face reduces and ground settlement increases when soils is conditioned. Compared to bentonite slurry,when foam is used to condition soils,the supported stress of work face is smaller and the ground settlement is greater.

soil conditioning;stress-strain curve;undrained shear strength;supported stress;formation response

陽(yáng)軍生，教授，從事隧道與地下空間研究；E-mail:jsyang@csu.edu.cn

U445.4

A

1672-7207(2016)07-2432-09

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.034

2015-12-20；

2016-02-28

國(guó)家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(51208516)；湖南省博士生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2014B072)(Project(51208516)supported by the National Natural Science Foundation of China for Youths;Project(CX2014B072)supported by Hunan Provincial Innovation Foundation for Postgraduate)