详谈盾构的平衡

 盾构掘进地表沉降如下图，主要发生在刀盘开挖面附近、盾体上方和盾尾处。为了防止盾构掘进地表沉降，笔者提出盾构掘进要达到刀盘开挖面的平衡、盾体的平衡和盾尾的平衡，因此土仓要保压、盾体上要注泥、盾尾要采用同步注双液浆来解决盾构掘进的平衡问题。本文详细谈谈盾构开挖面的平衡。 

平衡就是指在同一截面上力或应力相等。盾构开挖面的平衡理论上是指开挖面后方经改良渣土的水土压力与开挖面外侧原状土的水土压力相等。现今常用的圆弧形刀盘开挖面的内表面如下图。

盾构开挖面分1、2、3区，由于刀盘开挖面是由刀具开挖形成的，如下图，最外缘滚刀挤压破碎原状土后需要周边刮刀将渣土刮进土仓，周边刮刀位置就是开口位置。因此，2区和3区是刀盘开挖面，1区的一小部分也需要渣土与原状土相平衡。

 笔者在以前也论述过盾构开挖面每个点的零变形平衡实际上是从原状土的自重水土应力向静止侧向水土压力渐变的过程。但土仓渣土压力无法保证每个点与原状土的水土压力相等，这就需要土仓保压时有的点大些，有的点小些，开挖面总变形量为0，这也达到了土仓水土压力与原状土水土压力相平衡。

       理论上盾构开挖面的平衡是水土压力共同作用的结果，这就涉及到笔者提出的水土压力计算问题。无论是自重应力还是水土侧压力都可以归结于以下公式：

无论是渣土还是原状土都由两部分组成：土骨架和自由水。土骨架由于呈各向异性特性，土骨架压力传递具有递减效果，因此定义一个土骨架传递系数K₁，土骨架在重力作用下自重的传递系数为1，静止侧向时为K₀，在压力作用下按K₁递减。自由水压力一部分作用于截面的自由水通道上，由于呈各向同性特性，系数为1，自由水另一部分作用于截面上的土骨架上，也有一个传递系数k。传递系数k主要与给水度有关，给水度越大，传递系数越大。原状土和改良渣土都可以采用式（1）进行计算，当然，为了防止渣土喷涌，渣土改良时要尽量降低渣土给水度值和土骨架传递系数K₁值，同时为了防止盾构结泥饼这就需要增加土骨架中的水含量，最优方法是笔者提出的采用低浓度聚合物渣土改良，自由水可转化为弱结合水成为土骨架一部分，理论上聚合物浓度越高，渣土坍落度相同，渣土中含水量越多，越不容易结泥饼，这一论点与以往认识不同，应明白其中道理才会认可它。

        盾构有泥水平衡盾构和土压平衡盾构。土压平衡盾构的理想渣土是无自由水，渣土含大量弱结合水，同时K₁值较小，这样的渣土才不容易喷涌也不容易结泥饼。泥水平衡盾构渣土为泥浆，此时泥水中K₁和k值为1,自由水压力值就是总压力，为了能够与原状土相平衡，必须在开挖面形成一定厚度的泥膜。土仓内的泥浆才不会向四处窜，这里泥浆中的自由水压力与原状土的水土压力相平衡，泥浆中的自由水压力大于原状土的自由水压力。如果泥膜形成不好，泥浆中的自由水大量窜出，就会造成盾构冒顶现象。

       从式（1）可以看出，当土骨架有一定粘结力，成拱效应好，也就是K₁值可以为0，那么k值也为0，盾构需要平衡的只有自由水通道面积上的就力了。

当然，如果自由水从开挖面自由水通道面积上流出，对盾构掘进无影响，那么也可以不需平衡，这就是盾构的敞开式掘进模式。如果原状土密闭性好，也可以采用保气压的掘进模式，这样可降低掘进成本，降低盾构结泥饼的几率。

       综上所述，盾构平衡土仓压力的大小除常规参数外主要取决于K₁值，原状土的性状决定了采用什么模式进行掘进。盾构平衡的主要目的是防止原状土土骨架变形。