全風(fēng)化巖層渣土改良對(duì)盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性的影響

加武榮,張孟喜,鄒文豪,3,張曉清

(1.中鐵二十局集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 511400；2.上海大學(xué) 土木工程系,上海 200444；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司,上海 200010)

近年來,隨著我國城市建設(shè)不斷發(fā)展,各大中城市地表空間不斷減少,而城市交通流量卻持續(xù)增加,中心城區(qū)地下空間的開發(fā)日漸趨于主流。由于土壓平衡盾構(gòu)隧道具有施工快捷、地層適用范圍大、對(duì)城市商業(yè)和交通功能影響較小等優(yōu)勢(shì),已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)明挖隧道[1]成為國內(nèi)外隧道工程中普遍使用的開挖方式。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要由刀盤、螺旋輸送機(jī)、推進(jìn)裝置、盾尾等組成[2]。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)中有一密封擋板,其與盾殼、刀盤和螺旋輸送機(jī)共同組成土倉部分。倘若刀盤切削下來的渣土未經(jīng)改良,其和易性與透水性通常較差,壓力傳遞能力低,會(huì)導(dǎo)致頂推力和刀盤扭矩急劇增大,致使掘進(jìn)成本增加[3-8]。因此,為保證盾構(gòu)正常推進(jìn)、維持開挖面土壓力平衡,需將土倉內(nèi)渣土進(jìn)行改良,使其具備較好和易性。

本文以佛莞城際鐵路工程為依托,添加泡沫劑對(duì)全風(fēng)化巖層渣土改良，開展不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬方法,分析改良渣土對(duì)開挖面穩(wěn)定性與地層變形的影響,為土壓平衡盾構(gòu)在全風(fēng)化巖層中安全掘進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)填料為從工程現(xiàn)場取回的全風(fēng)化二長花崗巖,褐紅色、褐黃色,原巖已風(fēng)化成土狀,浸水易軟化、崩解。土從現(xiàn)場取回后烘干,并重新按現(xiàn)場實(shí)測(cè)含水率向土中添加水。土的物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1,級(jí)配曲線見圖1。泡沫劑采用國產(chǎn)某新型泡沫劑,泡沫濃度為3%，發(fā)泡倍率為15,半衰期為10 min。

表1 土的物理力學(xué)性能指標(biāo)

圖1 土的級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)儀器

本次三軸試驗(yàn)所用三軸儀為南京電力自動(dòng)總廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式常規(guī)三軸儀(SJ-1A型)。該三軸儀由壓力室、量測(cè)系統(tǒng)和試驗(yàn)機(jī)3部分組成。采用TSW-3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。滲透試驗(yàn)裝置在常規(guī)變水頭試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),見圖2。

圖2 滲透試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)方法

不排水不固結(jié)三軸試驗(yàn)所用改良劑為施工現(xiàn)場盾構(gòu)機(jī)內(nèi)取回的泡沫劑,發(fā)泡壓力為0.3 MPa,泡沫劑溶液濃度為5%,改良后的渣土主要由渣土和氣泡組成,為非飽和土,故采用三軸快剪試驗(yàn)研究不同泡沫比對(duì)渣土改良效果的影響。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.4.1 主應(yīng)力差-應(yīng)變關(guān)系

不同泡沫比時(shí)渣土主應(yīng)力差-應(yīng)變曲線見圖3?？梢姡涸趪鷫?00 kPa時(shí),泡沫比10%改良渣土的主應(yīng)力差比未改良渣土減小約50%左右；圍壓200 kPa時(shí)泡沫比10%改良渣土的主應(yīng)力差比未改良渣土減小50%左右。

圖3 不同泡沫比時(shí)渣土主應(yīng)力差-應(yīng)變曲線

1.4.2 抗剪強(qiáng)度

用最小二乘法擬合渣土抗剪強(qiáng)度曲線,求得每種渣土的抗剪強(qiáng)度,見表2。

由表2可知：改良渣土的黏聚力和內(nèi)摩擦角比未改良渣土低。泡沫比10%的改良渣土的黏聚力和內(nèi)摩擦角比未改良渣土分別減少4.07 kPa,8.44°。泡沫比為20%的改良渣土比未改良渣土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別減少9.72 kPa,11.18°。泡沫劑含量越高,改良渣土的黏聚力和內(nèi)摩擦角降低幅度越大。

表2 渣土的抗剪強(qiáng)度

1.4.3 滲透性

不同泡沫比時(shí)渣土滲透系數(shù)時(shí)程曲線見圖4?？梢姡杭尤肱菽?對(duì)渣土的滲透性能改良效果顯著。未改良渣土的滲透系數(shù)約為泡沫比10%改良渣土的10倍；泡沫比10%的改良渣土在未靜置的情況下,其滲透系數(shù)約為泡沫比30%改良渣土的1倍。

圖4 不同泡沫比時(shí)渣土滲透系數(shù)時(shí)程曲線

2 有限元數(shù)值分析

2.1 模型的構(gòu)建

為分析不同埋深和泡沫比對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響,模型選取C/D=1.2,C/D=2.4,C/D=3.6(C為隧道埋深,D為隧道直徑)3種埋深比。模型寬69 m、縱深30 m。對(duì)盾構(gòu)機(jī)和渣土進(jìn)行簡化,分析開挖面支護(hù)壓力和地表沉降。盾構(gòu)機(jī)半徑為8.5 m,有限元計(jì)算模型見圖5。

圖5 有限元計(jì)算模型

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.2.1 支護(hù)壓力的分布

開挖面豎向支護(hù)壓力變化曲線見圖6?？梢姡褐ёo(hù)壓力沿開挖面豎向呈非線性變化；在刀盤開口處(建模中假設(shè)A,B位置開口)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;隨著埋深的增大,支護(hù)壓力逐漸增大。

圖6 開挖面豎向支護(hù)壓力變化曲線

2.2.2 滲透系數(shù)對(duì)孔隙水壓力的影響

開挖面前方孔隙水壓力隨滲透系數(shù)的變化曲線見圖7。可見：隨著改良渣土滲透系數(shù)的增大,開挖面前方孔隙水壓力顯著減小。表明渣土經(jīng)泡沫改良后可有效降低地下水(或承壓水)對(duì)開挖面的滲透作用。

圖7 孔隙水壓力隨滲透系數(shù)的變化曲線

2.2.3 地表沉降

圖8 開挖面上方地表沉降曲線

開挖面上方地表沉降曲線見圖8?？梢姡旱乇沓霈F(xiàn)明顯的沉降槽,在頂推力相同且滿倉條件下泡沫比對(duì)地表沉降有顯著影響。泡沫比越大,開挖面上方地表沉降越大。此外,隨著埋深比的增大,沉降槽寬度有增加的趨勢(shì),最大沉降量逐漸減小。該趨勢(shì)與實(shí)際相符。

3 改良效果驗(yàn)證

在佛莞城際鐵路盾構(gòu)掘進(jìn)中,采用土壓平衡模式時(shí)土倉內(nèi)土壓設(shè)定值過高,加之渣土改良不到位,導(dǎo)致切削下來的渣土不能順利通過螺旋機(jī)排出,在土倉內(nèi)堆積擠壓,密實(shí)度和密度越來越大,最終形成泥餅。

為改善渣土的和易性,在刀盤和土倉內(nèi)加入水、膨潤土以及本次試驗(yàn)所用的泡沫劑。由于三者具有膨化、潤滑、降低附著力、降低砂土和刀盤刀具溫度的作用,最終渣土被順利排出(如圖9所示)。

圖9 渣土改良前后的出渣情況

4 結(jié)論

1)不同泡沫比的渣土主應(yīng)力差-應(yīng)變曲線均呈指數(shù)型。渣土抗剪強(qiáng)度隨泡沫比的增大而減小。

2)開挖面豎向支護(hù)壓力呈非線性變化。隨著泡沫比的增大,開挖面豎向支護(hù)壓力減小。隨著土體滲透系數(shù)的增大,開挖面前方孔隙水壓力呈減小趨勢(shì),土倉內(nèi)渣土經(jīng)泡沫改良后可降低地下水對(duì)開挖面的滲透作用。

3)在頂推力一定且土倉處于滿倉狀態(tài)下,渣土中泡沫比越大,地表沉降越大；采用相同泡沫比的渣土?xí)r,開挖面上方地表沉降隨埋深的增大而減小。