飽和砂層泥水平衡盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定研究

蔣加兵，陳子龍，徐 濤

(1.中建四局第五建筑工程有限公司，廣東 深圳 518000；2.航天江南集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550009；3.澳門(mén)大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)系，澳門(mén) 999078)

0 引 言

盾構(gòu)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于城市，特別是城市歷史街區(qū)和建筑密集區(qū)等需要嚴(yán)格控制地面變形區(qū)域的地鐵隧道建設(shè)中。當(dāng)盾構(gòu)隧道位于高水壓、高應(yīng)力環(huán)境下的飽和砂層中時(shí)，如越江、越河和跨海隧道，開(kāi)挖面的穩(wěn)定性尤其重要。開(kāi)挖面支護(hù)壓力過(guò)小可能導(dǎo)致地下水涌入壓力倉(cāng)，導(dǎo)致開(kāi)挖面傾塌；支護(hù)壓力過(guò)大會(huì)造成地面擠出破壞。開(kāi)挖面支護(hù)壓力設(shè)計(jì)或控制不當(dāng)造成的安全事故時(shí)有發(fā)生，特別是隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)造成的地面結(jié)構(gòu)物破壞、路面塌陷等事故屢見(jiàn)不鮮。2018年2月7日佛山市地鐵二號(hào)線隧道透水事故，造成11人死亡；2018年1月25日廣州市軌道交通21號(hào)線突發(fā)坍塌事故，死亡3人。在這種地層條件下，壓力泥漿通常用來(lái)平衡盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面上的水土壓力，以穩(wěn)定開(kāi)挖面。壓力倉(cāng)中的壓力高于地層中的靜水壓力，泥漿會(huì)向地層中入滲。在這種情況下，部分有效支護(hù)力轉(zhuǎn)化為超孔隙水壓力，使開(kāi)挖面上有效支護(hù)壓力減小，降低開(kāi)挖面穩(wěn)定性。在一些隧道的掘進(jìn)過(guò)程中，超孔隙水壓力已被監(jiān)測(cè)到，例如荷蘭第二Heinenoord隧道、綠心隧道、阿姆斯特丹南北線隧道、上海中環(huán)穿越黃浦江隧道等[1-4]。因此，合理的壓力設(shè)計(jì)對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定至關(guān)重要。

N.HORN[5]首次提出了的盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定的倉(cāng)筒理論，如圖1。隨后，這一極限平衡法被很多學(xué)者采用并發(fā)展[6-8]。最近，黃阜等[9]、呂璽林等[10]、P.PERAZZELLI等[11]采用極限平衡法分析了開(kāi)放式盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面滲流對(duì)支護(hù)壓力的影響，并提出了支護(hù)壓力的上限解。但是，泥水平衡或土壓力平衡盾構(gòu)隧道，掘進(jìn)產(chǎn)生的地下水流方向和掘進(jìn)方向相同，這和開(kāi)放式盾構(gòu)隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的地下水流方向相反。另外，地層條件(如均質(zhì)含水承壓層和半封閉含水承壓層)也會(huì)影響開(kāi)挖面上的水力梯度并影響滲流。另?yè)?jù)試驗(yàn)表明，在掘進(jìn)過(guò)程中，由于泥漿和開(kāi)挖土體的混合物填充盾構(gòu)機(jī)和開(kāi)挖面之間的間隙，開(kāi)挖面上沒(méi)有泥膜形成[12]。泥漿的入滲距離隨混合物中土顆粒的含量增加而增加，開(kāi)挖面上的有效支護(hù)壓力和有泥膜形成的情況有所不同。

筆者采用極限平衡法和超孔隙水壓力計(jì)算模型，并結(jié)合室內(nèi)泥漿入滲試驗(yàn)結(jié)果，分別分析土體強(qiáng)度、地層條件和泥漿入滲對(duì)開(kāi)挖面支護(hù)壓力和微觀穩(wěn)定的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 模型建立

楔形體模型的基本框架如圖1。楔形體力學(xué)平衡示意如圖2。

圖1 楔形體模型

圖2 楔形體力學(xué)平衡

1.1.1 支護(hù)力E(θ)

支護(hù)力E(θ)按式(1)計(jì)算[13]：

(1)

式中：G為楔形土體A′B′C′D′E′F′自重，kN；Pv為楔形土體上方塊體C′D′E′F′K′L′M′N(xiāo)′自重產(chǎn)生的豎向均布荷載，kN;θ為楔形土體傾斜面與水平面的夾角，(°)；φ′為開(kāi)挖面區(qū)域土體的有效內(nèi)摩擦角，(°)；c為開(kāi)挖面區(qū)域土體的黏聚力，kPa；T為作用在楔形土體傾斜面上的剪切抵抗力，kN；D為隧道直徑，m。

圖3 臨界傾斜角確定

1.1.2 楔形體重力G

(2)

式中：γ2,av隧道開(kāi)挖面土體平均重度，kN/m3。

1.1.3 楔形體上方土塊豎向荷載Pv

(3)

式中：σv, crown隧道頂部總豎向應(yīng)力，kPa。

1)當(dāng)隧道頂部深度tcrown≤ 2D時(shí)[13]

σv(z)=γ1,av·z

(4)

式中：γ1,av隧道底部土體的平均重度，kN/m3；z為深度，m。

2)當(dāng)tcrown>2D時(shí)[13]

(5)

式中：A為倉(cāng)筒C′D′E′F′K′L′M′N(xiāo)′橫截面積，m2；U為倉(cāng)筒橫截面邊長(zhǎng)，m；K1為倉(cāng)筒橫截面積范圍內(nèi)的側(cè)向土壓力系數(shù)。

1.1.4 楔形體A′B′C′D′E′F′三角平面上的抵抗力T[13]

(6)

(7)

式中：K0為楔形土體上方塊體頂部的側(cè)向土壓力系數(shù)；Ka為朗肯側(cè)向土壓力系數(shù)。

1.2 案例分析

以一個(gè)直徑D=10 m，上覆土層C=20 m，支護(hù)壓力E=50 kPa，水位線位于地下3 m，有效重度γ′=11 kN/m3，干重度γd=17 kN/m3，飽和重度γs=21 kN/m3，黏聚力c=0 kPa，有效內(nèi)摩擦角φ′=36°的現(xiàn)場(chǎng)為例，根據(jù)圖4開(kāi)挖面E、θcr和φ′的相關(guān)關(guān)系可知：模型預(yù)測(cè)的支護(hù)壓力E隨土體有效內(nèi)摩擦角φ′的增大而變小；臨界傾斜角θcr隨內(nèi)摩擦角φ′的增大而增大。表明：對(duì)于無(wú)黏性土而言，土體強(qiáng)度越高，所需支護(hù)壓力越小；開(kāi)挖面臨界傾斜角越大，作用在開(kāi)挖面上的土壓力也越小，所需支護(hù)壓力也會(huì)減小。

圖4 開(kāi)挖面E、θcr和φ′的關(guān)系

2 泥漿入滲影響

一般認(rèn)為泥水平衡盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中，會(huì)在開(kāi)挖面上形成不透水的泥膜，泥漿壓力完全轉(zhuǎn)換為作用在土體骨架上的有效支護(hù)壓力。但室內(nèi)試驗(yàn)證明，當(dāng)開(kāi)挖的土體和泥漿混合物填充盾構(gòu)機(jī)和開(kāi)挖面之間的間隙時(shí)，將沒(méi)有泥膜形成[12]。這種情況可能出現(xiàn)在掘進(jìn)速度大于泥漿入滲速度的掘進(jìn)過(guò)程中。另外，從荷蘭第二Heinenoord隧道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)看，壓力倉(cāng)內(nèi)的泥漿實(shí)為開(kāi)挖土體和泥漿的混合物的密度在1 260～1 470 kg/m3[14]。在這種情況下，泥漿入滲后土體的滲透系數(shù)為：

(8)

式中：ks為土體的滲透系數(shù)，m/s；t為入滲時(shí)間，s。

式(8)計(jì)算所得滲透系數(shù)值和細(xì)砂中的泥漿入滲試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)值的對(duì)比結(jié)果如圖5。由圖5可知，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合。開(kāi)挖面土體的滲透系數(shù)在初期下降迅速，然后趨于緩慢。開(kāi)挖面滲透系數(shù)可以很短時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足開(kāi)挖要求。需要注意的是，被泥漿入滲的土體滲透性會(huì)迅速降低。由于不同土體中泥漿的入滲距離和入滲速度不同，可能導(dǎo)致距開(kāi)挖面不同距離土體滲透性隨時(shí)間的變化也會(huì)不同。文獻(xiàn)[15]的泥漿入滲距離如式(9)：

圖5 泥漿入滲土體的滲透系數(shù)變化

(9)

式中：emax為泥漿入滲的最大距離，m；α為影響因子(2 ≤α≤ 4)；Δp為壓力倉(cāng)內(nèi)壓力和地層靜水壓力的壓力差，Pa；τy為泥漿的屈服強(qiáng)度，Pa；d10為過(guò)篩重量占10%的粒徑，m。

泥漿的入滲速度如式(10)：

(10)

式中：e為任意時(shí)間點(diǎn)的入滲距離，m；a為入滲距離達(dá)到最大入滲距離一半時(shí)的時(shí)間，s；t為時(shí)間，s。

公式(9)對(duì)t求導(dǎo)可得泥漿入滲速度如式(11)：

(11)

從式(8)、(9)可以看出，泥漿入滲距離和速度與壓力倉(cāng)內(nèi)壓力、地層靜水壓力、泥漿屈服強(qiáng)度和土體d10值有關(guān)。因此，設(shè)定一個(gè)固定的支護(hù)壓力對(duì)不同工程而言過(guò)于簡(jiǎn)單。

3 開(kāi)挖面微觀穩(wěn)定

地層條件會(huì)影響到盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的地下水流(超孔隙水壓力)和開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。兩種不同的地層條件如圖6[16]：圖6(a)盾構(gòu)隧道位于是均質(zhì)含水承壓層中，圖6(b)盾構(gòu)隧道位于半封閉含水承壓層中。均質(zhì)含水承壓層中，地下水流會(huì)向四周流動(dòng)的球形水流；但對(duì)于半封閉含水承壓層而言，在水平面內(nèi)地下水流可以看成是一個(gè)一維水流，超孔隙水壓力不隨深度變化。

對(duì)于均質(zhì)含水承壓層，盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面上的水頭可以近似計(jì)算[17]，如式(12):

(12)

將式(12)對(duì)x求導(dǎo)得：

(13)

在開(kāi)挖面上(x=0)有：

(14)

對(duì)于半封閉含水承壓層，開(kāi)挖面上的水頭如式(15)[18]：

(15)

式(15)對(duì)x求導(dǎo)得：

(16)

在開(kāi)挖面上(x=0)有：

(17)

為維持開(kāi)挖面的微觀穩(wěn)定，即穩(wěn)定開(kāi)挖面上的單個(gè)無(wú)黏土顆粒，必須維持一個(gè)由恒定水力梯度(i≥2)提供的拖曳力[19]。對(duì)于均質(zhì)含水承壓層中一個(gè)直徑為5 m或者更小的隧道而言，支護(hù)壓力50 kPa(開(kāi)挖面上的水頭為5 m)可以滿(mǎn)足穩(wěn)定開(kāi)挖面微觀穩(wěn)定的最小水力梯度的要求。但是對(duì)于直徑大或等于10 m的隧道，同樣條件下水力梯度為i≤1。這個(gè)水力梯度難以保證開(kāi)挖面上單個(gè)土顆粒的穩(wěn)定。同樣的，對(duì)于半封閉含水承壓層中一個(gè)直徑大于等于10 m的隧道，假設(shè)滲漏因子為100 m，50 kPa的支護(hù)壓力可以實(shí)現(xiàn)水力梯度i=0.05，不能滿(mǎn)足開(kāi)挖面微觀穩(wěn)定的最小水力梯度的要求。總體而言，在沒(méi)有泥漿支護(hù)的情況下，開(kāi)挖面上的水力梯度很難維持開(kāi)挖面穩(wěn)定，因此建議壓力泥漿用于飽和砂層盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)。

除了微觀穩(wěn)定外，地層分層還在其他方面影響開(kāi)挖面的穩(wěn)定。A.BEZUIJEN 等[20]研究表明盾構(gòu)掘進(jìn)在半封閉含水承壓層時(shí)，會(huì)在盾構(gòu)隧道周?chē)a(chǎn)生更高的超孔隙水壓力。從而降低開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。相較均質(zhì)含水水承壓層而言，需要更大的開(kāi)挖面支護(hù)壓力。同時(shí)，當(dāng)掘進(jìn)在半封閉含水承壓層時(shí)，超孔隙水壓力會(huì)的影響范圍更廣，這將可能導(dǎo)致地面擠出破壞。另外，在半封閉含水承壓層中泥漿的入滲速度更慢。更大的孔隙水壓力范圍和更低的入滲速度將降低開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。

水力梯度也會(huì)影響土體的受力狀態(tài)，這里不做具體展開(kāi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

考慮泥漿入滲和超孔隙水壓力的分析，微觀穩(wěn)定泥水平衡盾構(gòu)隧道被檢視用宏微觀模型?；诜治龊驮囼?yàn)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1)在設(shè)計(jì)支護(hù)壓力時(shí)必須考慮泥漿入滲和超孔隙水壓力的影響，附加額外壓力以彌補(bǔ)泥漿入滲過(guò)程中有效支護(hù)壓力損失。

2)開(kāi)挖面的滲透性是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，而且不同土體中泥漿的入滲距離和入滲速度不同，可能導(dǎo)致距開(kāi)挖面不同距離的土體的滲透性隨時(shí)間的變化也會(huì)不同。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)和停止(維養(yǎng)和管片安裝)兩個(gè)階段的入滲狀態(tài)也不同。因此簡(jiǎn)單的設(shè)定一個(gè)固定的支護(hù)壓力對(duì)不同工程并不適用。

3)相較均質(zhì)承壓含水層而言，盾構(gòu)隧道在半封閉承壓含水層中掘進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面更加穩(wěn)定。在沒(méi)有泥漿支護(hù)的情況下，開(kāi)挖面上的水力梯度很難維持開(kāi)挖面穩(wěn)定，因此建議壓力泥漿用于飽和砂層盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)。