土壓盾構(gòu)在富水粉砂地層中濃泥渣土改良技術(shù)研究

莫振澤,王夢恕, 羅跟東， 王 輝， 錢勇進(jìn)

(1. 北京交通大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院, 北京 100044； 2. 無錫地鐵集團(tuán)有限公司, 江蘇 無錫 214000; 3. 中鐵十七局集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030006； 4. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

0 引言

目前，盾構(gòu)在地鐵和隧道工程中應(yīng)用越來越廣泛[1]，尤其是土壓平衡盾構(gòu)，其在地鐵工程中應(yīng)用越來越廣泛，而泥水盾構(gòu)則是在越江海底隧道等地層條件較差的環(huán)境中應(yīng)用較多[2-3]。盾構(gòu)穿越富水粉砂地層時，經(jīng)常會發(fā)生開挖艙及螺旋排土器閉塞，土壓、盾構(gòu)推力及轉(zhuǎn)矩參數(shù)發(fā)生大的波動，進(jìn)而造成開挖面前后一定范圍內(nèi)出現(xiàn)大的隆沉現(xiàn)象[4-6]。無錫地鐵新線建設(shè)過程中多區(qū)間遇到富水粉砂地層，同時上部有重要的建筑及構(gòu)筑物，對開挖面的穩(wěn)定以及地面隆沉控制提出了非常高的要求。

在富水粉砂地層施工過程中，進(jìn)行土體改良，便于土壓盾構(gòu)螺旋排土，提高掘進(jìn)效率。目前關(guān)于渣土改良的研究，多集中在改良后渣土的性質(zhì)方面。郭濤[7]使用氣泡對渣土進(jìn)行改良，找出氣泡改良土達(dá)到塑性流動狀態(tài)時氣泡的基本指標(biāo)及評價方法； 魏康林[8]使用泡沫及膨潤土對土體進(jìn)行改良，研究2種外加劑對土體作用的內(nèi)在機(jī)制，并給出了不同性質(zhì)的地層使用何種外加劑的建議； 王海波等[9]發(fā)現(xiàn)改良渣土的等效粒徑與其滲透系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，并且泡沫注入體積達(dá)到一定量時改良渣土的滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定。這些研究大多都是對土體改良后渣土的性質(zhì)及狀態(tài)進(jìn)行研究，較少有人研究土體改良對開挖面的穩(wěn)定及地層沉降的影響。泥水盾構(gòu)通過泥漿加壓在開挖面滲透形成泥膜，達(dá)到維持開挖面穩(wěn)定的目的。目前關(guān)于泥漿滲透成膜方面的研究，多集中在泥漿性質(zhì)對成膜的影響方面。T.Watanabe等[10]認(rèn)為隨著泥漿密度的增加，泥漿濾失量逐漸減小； P. Fritz[11]在高滲透性砂地層中試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，向泥漿中加入砂、蛭石及高分子添加劑可以有效滿足泥漿成膜的要求； 閔凡路等[12]研究發(fā)現(xiàn)，使用高密度及高黏度的泥漿可以快速形成泥皮型泥膜； 錢勇進(jìn)等[13]在砂卵石地層添加泥漿混合渣土后進(jìn)行滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泥漿達(dá)到一定添加量時會在開挖面形成泥膜效應(yīng)。這些研究主要針對泥漿在高滲透性地層中對滲透成膜的影響，但對成膜后掘進(jìn)時的攜渣效率及泥漿對渣土排出的影響方面較少有人研究。

本文提出一種新型的濃泥渣土改良技術(shù)。該技術(shù)區(qū)別于土壓盾構(gòu)在土艙中注入少量稀泥漿或氣泡進(jìn)行渣土改良，濃泥渣土改良技術(shù)一方面借鑒泥水盾構(gòu)泥膜支護(hù)開挖面的原理，同時結(jié)合土壓盾構(gòu)螺旋排土器進(jìn)行排土。其關(guān)鍵在于能否在開挖面前方地層中形成泥膜效應(yīng)，達(dá)到穩(wěn)定開挖面、提高土艙開挖面氣密性避免壓力損失及地下水滲流引起的地表沉降過大的問題。在粉砂性地層中選擇試驗(yàn)段開展?jié)饽嘣粮牧技夹g(shù)現(xiàn)場適應(yīng)性試驗(yàn)，研究盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地層孔隙水壓力、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、艙土流動狀態(tài)以及地層隆沉的變化規(guī)律。

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)條件

無錫地鐵3號線永樂東路站—金海里站區(qū)間盾構(gòu)由永樂東路站始發(fā)，線路出永樂東路站后以小半徑400 m曲線段轉(zhuǎn)入長江北路，后直行進(jìn)入金海里站。區(qū)間長度約852.76 m，主要穿越富水粉砂層(占總盾構(gòu)區(qū)間線路長度50%以上)，最大覆土深度為16.1 m，最小覆土深度為10.5 m。隧道穿越區(qū)間地層主要為④1粉質(zhì)黏土、④2粉砂、⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1黏土。隧道地質(zhì)剖面及地層物理力學(xué)參數(shù)分別如圖1和表1所示。

圖1 隧道地質(zhì)剖面Fig. 1 Tunnel geological profile

場地地下水主要為潛水，潛水穩(wěn)定水位埋深在地面下0.78～1.50 m。地下水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，同時接受沿線地表水的滲漏補(bǔ)給。地下水徑流條件良好，盾構(gòu)穿越砂層滲透系數(shù)在3 m/d左右。穿越區(qū)間含有微承壓水，含水層賦存于④1粉質(zhì)黏土、④2粉砂層中，其隔水頂板一般為③1黏土、③2粉質(zhì)黏土，隔水底板為⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1黏土，主要補(bǔ)給來源為潛水和地表水。

1.2 周邊環(huán)境

隧道主要下穿無錫市電信局興竹分局、太湖大道隧道、歐尚超市、冷瀆港河、長江北路等。區(qū)間輪廓距歐尚超市約5.5 m，距長江路1號橋1.5～7.1 m。道路兩側(cè)管線密布，施工過程中若地面沉降過大可能造成路面開裂、道路兩側(cè)管線損壞、隧道沿線各建(構(gòu))筑物的不均勻沉降，嚴(yán)重時可導(dǎo)致建筑物失穩(wěn)。④1粉質(zhì)黏土及④2粉砂層為微承壓含水層，具有一定的水頭壓力，在施工過程中易產(chǎn)生流砂、涌砂現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)生盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)及地表沉降過大的風(fēng)險，對工程安全及周邊施工環(huán)境影響控制提出很高的要求。

1.3 盾構(gòu)選型

本工程根據(jù)上述地質(zhì)條件等要求，選用直徑為6.44 m的土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。盾構(gòu)刀盤中心處設(shè)置1個注漿孔，刀盤邊緣處沿著圓心對稱設(shè)置4個注漿孔，用于掘進(jìn)過程中向地層注入試驗(yàn)?zāi)酀{。

表2 φ6.44 m土壓平衡盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of φ6.44 m EPB shield

2 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)區(qū)域選擇及孔壓計埋設(shè)

選取離盾構(gòu)接收段前670環(huán)至680環(huán)的砂地層作為現(xiàn)場試驗(yàn)段。選取2個試驗(yàn)監(jiān)測段區(qū)域，其中674、675環(huán)為正常未添加試驗(yàn)?zāi)酀{掘進(jìn)區(qū)，676、677環(huán)為掘進(jìn)過程中添加試驗(yàn)?zāi)酀{掘進(jìn)區(qū)，監(jiān)測盾構(gòu)掘進(jìn)至其斷面前孔隙水壓力的變化情況，監(jiān)測斷面平面布置如圖2所示。孔隙水壓力變化使用預(yù)先埋設(shè)的孔壓計進(jìn)行讀取，孔壓計使用0～200 kPa的振弦式傳感器，可實(shí)時精確測量地層中孔隙水壓力的變化。孔壓計埋設(shè)深度為地表下17～18 m，處于盾構(gòu)刀盤所在深度范圍，鉆孔使用阿特拉斯T40鉆機(jī)進(jìn)行，孔徑80 cm，鉆孔完成后立即將孔壓計埋設(shè)至相應(yīng)深度處，埋設(shè)完成后向孔內(nèi)填入粗砂并壓實(shí)，粗砂埋至距離地表2 m時，使用水泥漿對鉆孔頂部進(jìn)行密封?？讐河嬄裨O(shè)過程如圖3所示。

KX01—KX03和KY01—KY03為監(jiān)測點(diǎn)編號。

(a ) 鉆機(jī)鉆孔

(b) 放置孔壓計圖3 孔壓計埋設(shè)過程Fig. 3 Embedding process of pore pressure device

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 現(xiàn)場泥漿添加方案

根據(jù)現(xiàn)場土壓平衡盾構(gòu)的泵送能力和管路的泵送功率，考慮到粉砂地層滲透性大的特點(diǎn)，在676、677環(huán)管片掘進(jìn)過程中，注入排出渣土體積量10%左右的泥漿。通過試驗(yàn)可知，在注入4 m3/環(huán)試驗(yàn)?zāi)酀{后，渣土的流動性得到有效提高。現(xiàn)場泥漿配制的主要材料為膨潤土、黏土、羧甲基纖維素鈉(CMC)及清水，根據(jù)現(xiàn)場的地層條件進(jìn)行試驗(yàn)后，確定泥漿配制的基本參數(shù)如下： 密度為1.20 g/cm3，黏度為55 s，24 h泌水量為0，泥漿的代表粒徑d85為60 μm[14]。

2.2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測及記錄

現(xiàn)場孔隙水壓力變化數(shù)據(jù)使用與孔壓計配套的振弦式頻率讀數(shù)儀進(jìn)行記錄，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中每隔5 min讀取一次數(shù)據(jù)并記錄，在盾構(gòu)停止掘進(jìn)時每隔20 min讀取一次孔隙水壓力，持續(xù)監(jiān)測并記錄試驗(yàn)環(huán)(673—678環(huán))盾構(gòu)管片在掘進(jìn)過程中開挖面前方孔隙水壓力的變化數(shù)據(jù)。為研究施工過程中濃泥漿對掘進(jìn)參數(shù)的影響，對試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)時刀盤的轉(zhuǎn)矩、推力、掘進(jìn)速度進(jìn)行記錄，渣土排出過程中對渣土進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，記錄渣土的流動性變化。在667環(huán)以及677環(huán)地表軸線設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，監(jiān)測盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地表沉降變形。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 孔隙水壓力隨時間變化規(guī)律

土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，地層沉降變化受多方面因素的作用，其中盾構(gòu)開挖時對地層的擾動對地層沉降具有重要的影響。盾構(gòu)試驗(yàn)段穿越砂地層，該地層屬隔水層，地層隔水頂板及底板為黏土層及粉質(zhì)黏土層，因而在盾構(gòu)施工過程中，開挖面對地層的擾動將產(chǎn)生較大的孔隙水壓力，如圖4所示。

圖4 孔隙水壓力隨時間的變化曲線Fig. 4 Variation curves of pore pressure vs. time

由圖4可知: 在盾構(gòu)正常掘進(jìn)過程中，因開挖面對地層的擾動，孔隙水壓力快速增加，最大超靜孔隙水壓力波動范圍為60～100 kPa。同時可以發(fā)現(xiàn),在盾構(gòu)停止掘進(jìn)后，地層中的孔隙水壓力快速減小并恢復(fù)至初始值。隨著盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)至孔壓計所在管片環(huán)位置時，孔隙水壓力隨著管片環(huán)數(shù)增加而逐漸變大，其最大值從673環(huán)的137 kPa變化至675環(huán)破壞時的178 kPa，說明隨著刀盤與孔壓計距離的減小，孔隙水壓力的最大值逐漸變大。而當(dāng)添加泥漿進(jìn)行掘進(jìn)時，孔隙水壓力的最大值變化減小，泥漿添加后可以有效使地層孔隙水壓力變化減小。說明在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于泥漿添加后地層中孔隙淤堵，阻礙了開挖面前方超靜孔隙水壓力消散至地層中，形成類泥膜的效果，減小了盾構(gòu)開挖對地層的擾動。

3.2 孔隙水壓力隨距離變化規(guī)律

孔隙水壓力的變化不僅隨盾構(gòu)掘進(jìn)時間變化，還隨著孔壓計及刀盤間距離變化而變化。因盾構(gòu)停止掘進(jìn)時，加泥漿與未加泥漿引起的孔隙水壓力均保持在初始值附近小幅波動，對盾構(gòu)掘進(jìn)過程中孔壓變化量與孔壓計距刀盤之間的距離進(jìn)行研究，以KX02及KX03監(jiān)測點(diǎn)為例，分析未添加泥漿與添加泥漿掘進(jìn)施工中孔隙水壓力變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 孔隙水壓力隨距離變化曲線Fig. 5 Variation curves of pore pressure vs. distance between pore pressure device and cutterhead

選取刀盤距離孔壓計600～2 000 mm孔隙水壓力的變化進(jìn)行分析，此范圍內(nèi)孔壓的變化非常明顯。隨著孔壓計距刀盤距離的減小，孔隙水壓力值逐漸增大，其中KX02監(jiān)測點(diǎn)記錄未添加泥漿時地層孔隙水壓力的變化，隨著掘進(jìn)距離不斷減小，孔隙水壓力值在135～155 kPa變化； KX03監(jiān)測點(diǎn)記錄添加泥漿后地層孔隙水壓力的變化情況，孔隙水壓力值變化范圍為120～140 kPa。相同距離情況下，地層中孔隙水壓力值存在較大差異，最大可相差20 kPa。添加泥漿后地層孔隙水壓力變化量明顯減小，說明盾構(gòu)施工過程中，因?yàn)槟酀{的添加，開挖面存在泥膜效應(yīng)，使得地層中超靜孔隙水壓力變化量減小，盾構(gòu)開挖對地層的擾動明顯減小。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律

3.3.1 轉(zhuǎn)矩與推力間的相關(guān)性

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中主要相關(guān)的掘進(jìn)參數(shù)有轉(zhuǎn)矩、推力、掘進(jìn)速度及土艙壓力等。圖6所示為未添加泥漿以及添加泥漿后盾構(gòu)推力與轉(zhuǎn)矩之間的相關(guān)關(guān)系，可以看出刀盤的轉(zhuǎn)矩與盾構(gòu)推力之間呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性[5]。在相同的推力范圍內(nèi)，未添加泥漿正常掘進(jìn)時，刀盤的轉(zhuǎn)矩維持在3 200～4 500 kN·m； 添加泥漿進(jìn)行掘進(jìn)時，刀盤轉(zhuǎn)矩明顯減小，維持在2 600～4 000 kN·m?？梢哉J(rèn)為添加泥漿后，泥漿在開挖面起到潤滑作用，盾構(gòu)掘進(jìn)時的轉(zhuǎn)矩大大減小。

圖6 轉(zhuǎn)矩與推力之間的關(guān)系Fig. 6 Relationship between torque and thrust

3.3.2 轉(zhuǎn)矩與掘進(jìn)速度間的關(guān)系

盾構(gòu)在試驗(yàn)地層掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)速度與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系如圖7所示。盾構(gòu)在正常掘進(jìn)過程中，刀盤轉(zhuǎn)矩與掘進(jìn)速度之間也呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，隨著掘進(jìn)速度的增加，刀盤轉(zhuǎn)矩逐漸增大。在盾構(gòu)保持正常掘進(jìn)速度時，未添加泥漿掘進(jìn)時刀盤的轉(zhuǎn)矩維持在3 200～4 500 kN·m，添加泥漿后刀盤轉(zhuǎn)矩也發(fā)生明顯降低，主要維持在2 500～4 000 kN·m，并且添加泥漿后轉(zhuǎn)矩與掘進(jìn)速度間相關(guān)性進(jìn)一步提高。在相同掘進(jìn)速度下，泥漿添加后盾構(gòu)掘進(jìn)刀盤的轉(zhuǎn)矩比未添加泥漿時要小。

圖7 轉(zhuǎn)矩與掘進(jìn)速度之間的關(guān)系Fig. 7 Relationship between torque and driving speed

3.3.3 渣土的流動性

盾構(gòu)施工的排土過程對渣土的流動性有一定的要求，在砂地層中由于地層滲透系數(shù)高，摩擦角較大，因而在排土過程中易發(fā)生閉艙、噴涌等風(fēng)險。通過對排出渣土的流動性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可以較早地采取相應(yīng)措施降低閉艙及噴涌的風(fēng)險。圖8所示為未添加泥漿及添加泥漿后土艙排出渣土坍落度的變化。通過坍落度試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，未添加泥漿掘進(jìn)時，土艙中渣土的坍落度平均值為7.5 cm，添加泥漿后，土艙中渣土坍落度平均值為14.5 cm。添加泥漿后渣土的流動性得到顯著提高。

(a) 未添加泥漿(b) 添加泥漿

3.4 地表沉降曲線

盾構(gòu)施工時，開挖面水土壓力的變化直接關(guān)系到地層的穩(wěn)定性。圖9所示為667環(huán)及677環(huán)管片監(jiān)測點(diǎn)地表沉降變化曲線，其中667環(huán)監(jiān)測點(diǎn)未添加泥漿，677環(huán)監(jiān)測點(diǎn)添加泥漿。

圖9 地表沉降曲線Fig. 9 Curves of ground settlement

監(jiān)測過程中，隧道壁后注漿材料及注入量均無明顯差異。未添加泥漿的測點(diǎn)地表沉降量較大，長期穩(wěn)定后的沉降值在6 mm左右。添加泥漿后測點(diǎn)的地表沉降量較小，長期穩(wěn)定后的沉降值在4.4 mm左右，減小26.7%。當(dāng)?shù)侗P到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)時，由于地層水土壓力的差異，其地表沉降表現(xiàn)出一定的差異，由于泥漿添加后地層中孔隙水壓力變化較小，因此對地層擾動較小，故監(jiān)測點(diǎn)地表沉降較小。

4 結(jié)論與建議

1)在富水粉砂層掘進(jìn)過程中，通過注入濃泥漿能夠有效改善渣土的坍落度，降低或避免盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的閉艙和噴涌風(fēng)險，同時減小盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土壓、推力及轉(zhuǎn)矩的變化波動。

2)通過向地層中注入濃泥漿后，泥漿在開挖面形成泥膜效應(yīng)，可以有效降低盾構(gòu)掘進(jìn)過程中引起的孔隙水壓力變化，減小掘進(jìn)完成后地層的沉降。

3)通過濃泥渣土改良可以有效地進(jìn)行開挖面穩(wěn)定控制，同時對渣土進(jìn)行改良。但現(xiàn)場試驗(yàn)仍存在如現(xiàn)場孔隙水壓力及沉降監(jiān)測點(diǎn)少、孔壓計測量值有一定的波動、現(xiàn)場泥漿添加量單一等不足，本文僅討論濃泥渣土改良技術(shù)對現(xiàn)場適用性的可能性。在今后的研究中，有必要對泥漿添加量、現(xiàn)場孔隙水壓力變化進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，以期產(chǎn)生更有價值的研究成果，更好地指導(dǎo)富水粉砂層盾構(gòu)施工。