富水粉質(zhì)黏土地層土壓平衡和泥水平衡盾構(gòu)掘進模式轉(zhuǎn)換試驗研究

林向陽,李兆平,劉欣然,馬 翔

(1.北京市政建設(shè)集團有限責任公司,北京 100089； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044； 3.北京市市政四建設(shè)工程有限責任公司,北京 100176)

富水黏土地層或粉質(zhì)黏土地層的地鐵隧道若采用盾構(gòu)法施工，首要問題是需確定采用泥水平衡模式還是土壓平衡模式[1-5]。大量工程實踐表明，對于富水黏土地層或砂性土地層，一般采用泥水平衡掘進模式[6-10]，但是若土體中細顆粒含量高，則泥漿中的土壤顆粒分離時間長、導(dǎo)致掘進效率低，影響工期，特別是土體中≤10 μm的顆粒含量將直接影響泥水分離效率。土壓平衡模式的地層適用性較廣，對黏土和砂層、礫石地層均適用[11-14]，關(guān)鍵是做好渣土改良和防止噴涌技術(shù)[15-18]。但是土壓平衡盾構(gòu)主要缺點是在富水黏土地層中土層沉降控制難度大，因此，在下穿建筑物地段，如建筑物為淺基礎(chǔ)或建筑物抵抗變形能力差，選擇土壓平衡盾構(gòu)掘進的風險很大。但其最大的優(yōu)點是不受出渣限制、掘進速度快、施工效率高。

依托沈陽地鐵4號線一期工程望花街站—勞動路站區(qū)間隧道(長720 m)(以下簡稱“望—勞區(qū)間”)以及勞動路站—望花屯站區(qū)間隧道(長1 400 m)(以下簡稱“勞—望區(qū)間”)，其均為地下線，基本呈“S”形敷設(shè)，如圖1所示。隧道采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間隧道穿越地層全部為粉質(zhì)黏土層，具有滲透系數(shù)小、粉黏粒含量高、含水量高等特點。兩個區(qū)間隧道全長約4 251.21 m。望—勞區(qū)間和勞—望區(qū)間穿越眾多建(構(gòu))筑物，且建筑物以居民樓為主，房屋基礎(chǔ)主要為條形基礎(chǔ)等淺基礎(chǔ)，抵抗差異沉降和絕對沉降的能力較差。

圖1 沈陽地鐵四號線一期工程望花街站—勞動路站區(qū)間衛(wèi)星平面

針對本工程盾構(gòu)隧道距離長，穿越眾多淺基礎(chǔ)老舊建筑物，風險控制等級高等特點，采用單一泥水平衡模式或土壓平衡模式都有其各自的局限性。因此，需根據(jù)本工程的地層特點，研究泥水平衡和土壓平衡的適應(yīng)性。目前國內(nèi)關(guān)于在盾構(gòu)隧道掘進中采用土壓-泥水模式互換的掘進方案報道尚不多見[19-20]，為此依托該工程，在勞動路站—望花屯站區(qū)間右線選擇盾構(gòu)隧道起始段未下穿建筑物部位，開展泥水平衡和土壓平衡兩種掘進模式的適用性及模式轉(zhuǎn)換技術(shù)研究。

試驗?zāi)康闹饕幸韵?點。

其一，探討采用不同掘進模式對地層沉降的控制效果。

其二，研究泥水平衡和土壓平衡兩種掘進模式轉(zhuǎn)換技術(shù)。

其三，研究不同掘進模式條件下的盾構(gòu)掘進參數(shù)，從而為后續(xù)的長距離盾構(gòu)掘進模式選擇提供依據(jù)。

1 試驗段工程概述

盾構(gòu)從望花屯站始發(fā)，前290環(huán)無穿越建筑物，地層沉降控制相對較寬松，具備試驗條件，因此，選擇區(qū)間隧道起點至290環(huán)作為泥水平衡和土壓平衡雙模式轉(zhuǎn)換研究試驗段。

1.1 勞動路—望花屯區(qū)間隧道地層特征描述

本工程區(qū)間隧道在多處下穿建(構(gòu))筑物，均為一級風險源，地層沉降控制標準高。區(qū)間盾構(gòu)穿越地層全部為粉質(zhì)黏土層，如圖2所示。黏土地層滲透系數(shù)k=0.02 m/d，弱透水性，天然含水量ω=26.0%，天然孔隙比e=0.725，重力密度1.98 g/cm3，塑限ωP=20.7%，液性指數(shù)IL=0.45，塑性指數(shù)IP=12.0。

圖2 試驗段所在的望勞區(qū)間工程地質(zhì)剖面

地下水主要為上層滯水和孔隙潛水。上層滯水主要賦存于第四系渾河老扇沖洪積形成的粉質(zhì)黏土層中，主要受大氣降水及人為活動影響，由于接近地表和分布局限，上層滯水的季節(jié)性變化劇烈一般多在雨季存在，旱季消失，無特定變化規(guī)律，穩(wěn)定水位深度1.0～4.8 m。第二層地下水類型為微承壓性水，主要含水層為礫砂層及以下透水性地層，穩(wěn)定水位埋深為26.5～27.0 m，低于隧道開挖面1～8 m。

1.2 試驗段粉質(zhì)黏土顆粒分析

為研究試驗段黏土粒度分布特征，對黏土取樣(圖3)，并委托英格爾分析技術(shù)(上海)有限公司進行顆粒粒徑分析的顆粒分析。黏土顆粒粒徑分布如圖4所示，檢測報告顯示，區(qū)間隧道粉質(zhì)黏土中細顆粒較多，中位粒徑6.99 μm，其中粒徑≤10 μm的顆粒占比高達61.23%。這部分土壤顆粒很難分離，造成泥漿黏度較高，旋流器的分離指標會下降，不但對壓濾設(shè)備的處理能力提出了很高的要求，而且由于泥水分離難度大，分離需要時間長，嚴重影響盾構(gòu)掘進效率。

圖3 黏土顆粒分析試件

圖4 黏土顆粒粒徑分布

2 試驗段土壓平衡和泥水平衡模式的分段

從始發(fā)到290環(huán)范圍內(nèi)不下穿建(構(gòu))筑物，具備試驗段條件?？紤]冬季始發(fā)泥水管路容易凍結(jié)，確定了先土壓模式后泥水模式的掘進順序。

考慮始發(fā)段處于設(shè)備磨合階段，各項參數(shù)不穩(wěn)定，不具備參考價值，設(shè)定25環(huán)～130環(huán)為土壓平衡模式試驗段。131環(huán)進行土壓模式轉(zhuǎn)泥水模式，131環(huán)～213環(huán)為泥水平衡模式試驗段。214環(huán)開始又轉(zhuǎn)為土壓平衡模式掘進，至試驗段終點290環(huán)。在此期間經(jīng)歷了“土壓平衡模式轉(zhuǎn)換為泥水平衡模式、泥水平衡模式轉(zhuǎn)換為土壓平衡模式”共2次掘進模式轉(zhuǎn)換，見表1。

表1 試驗段不同模式的轉(zhuǎn)換分段情況

3 土壓平衡和泥水平衡掘進模式轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙模盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)與功能介紹

本工程采用的盾構(gòu)機為中交天和機械設(shè)備制造有限公司設(shè)計制造，具有土壓平衡模式和泥水平衡模式兩種出渣模式，且可以互相轉(zhuǎn)換。如圖5、圖6所示。

圖5 土壓平衡模式示意

圖6 泥水平衡模式示意

3.2 土壓平衡模式轉(zhuǎn)換為泥水平衡模式的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)

土壓平衡模式向泥水平衡模式轉(zhuǎn)換的過程主要分為泥水管路連接、盾構(gòu)機泥水設(shè)施安裝、泥水處理系統(tǒng)安裝調(diào)試、盾構(gòu)泥水系統(tǒng)調(diào)試等4個階段，最后一步為土壓倉內(nèi)渣土置換為泥漿，是轉(zhuǎn)換風險最大的一步，其對置換過程的有效掌控直接影響地面沉降數(shù)值。土倉內(nèi)的渣土置換主要控制環(huán)節(jié)如下。

第一階段，向前掘進20 cm。

(1)啟動刀盤，同時注入膨潤土泥漿，刀盤扭矩穩(wěn)定后開始掘進出渣，掘進20 cm后停止掘進，過程中統(tǒng)計出渣量，該階段主要控制參數(shù)見表2。

表2 模式轉(zhuǎn)換第一階段掘進參數(shù)

第二階段，土壓倉內(nèi)渣土置換。

(2)啟動刀盤，螺旋機，刀盤轉(zhuǎn)速0～0.5 r/min、螺旋轉(zhuǎn)速1.5 r/min，螺旋出渣口緩慢出渣，過程中注意土壓，當上土壓低于0.6 bar，或出渣量達到6 m3時停止出渣。通過隔板向前端注入膨潤土泥漿，注入膨潤土量與出渣量達到平衡，且維持刀盤前端上土壓不低于0.6 bar，同時在盾尾處注入油脂進行密封。

(3)啟動刀盤，螺旋機，刀盤轉(zhuǎn)速0～0.5 r/min、螺旋轉(zhuǎn)速1.5 r/min，土壓倉注入膨潤土，膨潤土兩路注入，每路200 L/min緩慢持續(xù)出渣，到螺旋機出渣口剛出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象停止出渣，調(diào)整螺旋反轉(zhuǎn)；繼續(xù)出渣，如果還存在噴涌現(xiàn)象，逐漸減少螺旋出渣口閘門開度，持續(xù)出渣，直到出渣口噴涌情況連續(xù)；關(guān)閉螺旋出渣口，停止出渣。

(4)連接泥水接料口，連接出料口與排泥管處軟管。

(5)啟動逆洗模式，沖洗螺旋機，時間40 s，逆洗壓力1.9 bar。

(6)啟動循環(huán)模式，對刀盤及土壓倉進行循環(huán)沖洗，循環(huán)過程通過調(diào)整CV1、CV2閥對前端壓力進行調(diào)整及保證排泥濃度等技術(shù)參數(shù)。

(7)啟動刀盤、螺旋機，刀盤轉(zhuǎn)速0～0.5 r/min、螺旋轉(zhuǎn)速1.5 r/min，采取正常泥水模式，但不掘進，以便將土壓倉剩余渣土通過排泥管路排放出來。施工參數(shù)見表3。

表3 模式轉(zhuǎn)換第二階段掘進參數(shù)

第三階段，泥水平衡模式施工。

(8)當原土壓倉的渣土累計排出80%或排泥比重達到正常泥水模式施工要求時，開始進行泥水平衡模式施工。施工參數(shù)見表4。

表4 模式轉(zhuǎn)換第三階段掘進參數(shù)

(9)施工過程中嚴格統(tǒng)計出渣量，指派專人測算并做詳細記錄。

(10)渣土置換過程中盾構(gòu)機所處地面位置加強沉降監(jiān)測及安全巡視。

通過上述3個階段施工，用泥漿置換渣土倉內(nèi)的渣土完成，從而開始正常的泥水平衡模式掘進。

3.3 泥水模式轉(zhuǎn)換為土壓模式的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)

泥水-土壓轉(zhuǎn)換程序相對比較簡單，大致分為拆除螺旋到第一節(jié)臺車前的泥水管路、恢復(fù)皮帶、渣土置換泥漿3個步驟。其中，最重要的環(huán)節(jié)是渣土置換泥漿。

(1)啟動刀盤，當?shù)侗P轉(zhuǎn)速、扭矩穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)動30 s以上，刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.5 r/min，泡沫孔、膨潤土孔注入清水(清水中提前加入碳酸鈉，流量設(shè)定30～50 L/min，開始掘進，掘進速度20 mm/min，待上土壓達到0.16 MPa，打開螺旋閥門20%(根據(jù)實際情況調(diào)整)，排泥，注意上土壓數(shù)值。當?shù)陀?.06 MPa時，關(guān)閉閥門，繼續(xù)向前掘進，掘進速度20 mm/min，維持土倉壓力為0.16 MPa，繼續(xù)打開螺旋閥門20%，排泥，過程中留意上土壓與漿斗中泥水的體積，漿斗快要滿時提前關(guān)閉閥門，等倒完漿斗中泥水后繼續(xù)排泥水。

(2)詳細記錄排泥體積，排泥密度，注入清水體積，掘進長度，防止超挖，持續(xù)排泥水。隨著泥水中土塊增加逐漸增加閥門開度，轉(zhuǎn)動螺旋，直到排出的泥渣大塊變多，通過皮帶就可以運輸，關(guān)閉螺旋閥門，拆除泥水接料斗，安裝皮帶。

(3)轉(zhuǎn)動刀盤30 s以上，刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.5 r/min，掘進速度20～30 mm/min，當土壓穩(wěn)定在0.14 MPa時，打開閘門，開口40%左右即可，通過皮帶持續(xù)出渣，過程中注入泡沫(30～50 L/min，防止出口堵塞，并對渣土改良)，膨潤土注入口注清水(清水中提前加入碳酸鈉，流量30～50 L/min，防止堵塞)，當螺旋出渣連貫時，土倉內(nèi)的轉(zhuǎn)換完成，后續(xù)按照土壓模式正常施工。

4 不同掘進模式的地表變形監(jiān)測結(jié)果分析

試驗段0環(huán)～130環(huán)為土壓模式，131環(huán)～213環(huán)為泥水模式，214環(huán)～290環(huán)(試驗段終點)又轉(zhuǎn)換為泥水平衡模式，在地表隧道中心軸線上布置變形監(jiān)測點。變形監(jiān)測結(jié)果見圖7～圖9。監(jiān)測結(jié)果表明：措施得當，地層變形可控。

圖7 試驗段25環(huán)～130環(huán)地表變形分布曲線(土壓平衡模式)

圖8 試驗段131環(huán)～214環(huán)地表變形分布曲線(泥水平衡模式)

圖9 試驗段215環(huán)～290環(huán)地表變形分布曲線(土壓平衡模式)

5 泥水模式和土壓模式的工效分析

(1)如表1所示，采用泥水平衡模式，21個工作日掘進131環(huán)～213環(huán)，共83環(huán)，平均日進尺3.9環(huán)。泥水模式掘進效率低的主要原因在于：本工程盾構(gòu)隧道穿越的地層為黏土地層，且粒徑≤10 μm的顆粒占比高達61.23%。這部分土壤顆粒很難分離，產(chǎn)生的泥漿含過量的黏粉粒，導(dǎo)致泥漿分離時間長，嚴重影響盾構(gòu)掘進效率。

(2)采用土壓平衡模式，20個工作日共掘進130環(huán)，平均6.5環(huán)/d，掘進效率遠高于泥水模式，由于在土壓模式掘進過程中，從“土倉壓力控制、出土量、渣土塑流化改良、同步注漿、二次補充注漿”等諸多方面采取了嚴格的工程措施，其地表沉降與泥水平衡模式掘進引起的地層沉降幾乎沒有明顯的區(qū)別。

根據(jù)兩種掘進模式的工效和地表變形監(jiān)測結(jié)果的綜合分析，本區(qū)間后續(xù)的424環(huán)(214環(huán)～637環(huán))，全部采用土壓平衡模式，且在290環(huán)以后穿越了密集的建筑物群，平均日進尺高達10.34環(huán)，極大提高了盾構(gòu)掘進效率。建筑物的最大沉降值僅為3.9 mm，小于控制值5 mm。為本區(qū)間按期貫通提供了保證。

通過對試驗段的掘進成果的研討和綜合分析，確定后續(xù)的3段區(qū)間隧道全部采用土壓平衡模式進行掘進，對確保完成洞通目標提供了保障。

6 結(jié)論

(1)本工程盾構(gòu)隧道穿越地層粒徑≤10 μm的顆粒占比高達61.23%。采用泥水平衡模式掘進，地層中這部分顆粒很難分離，導(dǎo)致泥漿含過量的黏粉粒，泥漿分離時間長，嚴重影響盾構(gòu)掘進效率，試驗段泥水模式平均進尺僅有3.9環(huán)/d，而土壓模式掘進效率達到6.5環(huán)/d。

(2)由土壓平衡模式向泥水平衡模式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和最大風險點在于將土壓倉內(nèi)渣土置換為泥漿，提出了“兩階段”置換法，得到每個置換階段的關(guān)鍵技術(shù)和掘進參數(shù)。

(3)由泥水平衡模式向土壓平衡模式轉(zhuǎn)換過程中最重要的環(huán)節(jié)是用渣土置換泥漿，得到排除泥漿和在土倉內(nèi)建立土壓的關(guān)鍵技術(shù)。

(4)監(jiān)測結(jié)果表明：第一段土壓平衡模式的地表變形為+2.5～-10 mm，第二段泥水平衡模式的地表變形為+2～-8.5 mm，第三段又轉(zhuǎn)換為土壓平衡模式的地表變形為+10～-5 mm。由此可見，兩種掘進模式均能有效控制地表變形(沉降和隆起)。

(5)從214環(huán)開始全部采用土壓模式，掘進效率平均10.34環(huán)/d，且穿越密集建筑物，建筑物的最大沉降值僅為3.9 mm，小于控制值5 mm。