全風化巖層渣土改良對盾構隧道開挖面穩定性的影響

加武榮,張孟喜,鄒文豪,3,張曉清

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

近年來,隨著我國城市建設不斷發展,各大中城市地表空間不斷減少,而城市交通流量卻持續增加,中心城區地下空間的開發日漸趨于主流。由于土壓平衡盾構隧道具有施工快捷、地層適用范圍大、對城市商業和交通功能影響較小等優勢,已逐漸代替傳統明挖隧道[1]成為國內外隧道工程中普遍使用的開挖方式。

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

本文以佛莞城際鐵路工程為依托,添加泡沫劑對全風化巖層渣土改良，開展不固結不排水三軸試驗并結合數值模擬方法,分析改良渣土對開挖面穩定性與地層變形的影響,為土壓平衡盾構在全風化巖層中安全掘進提供指導。

1 現場試驗

1.1 試驗材料

試驗填料為從工程現場取回的全風化二長花崗巖,褐紅色、褐黃色,原巖已風化成土狀,浸水易軟化、崩解。土從現場取回后烘干,并重新按現場實測含水率向土中添加水。土的物理力學性能指標見表1,級配曲線見圖1。泡沫劑采用國產某新型泡沫劑,泡沫濃度為3%，發泡倍率為15,半衰期為10 min。

表1 土的物理力學性能指標

圖1 土的級配曲線

1.2 試驗儀器

本次三軸試驗所用三軸儀為南京電力自動總廠生產的應變控制式常規三軸儀(SJ-1A型)。該三軸儀由壓力室、量測系統和試驗機3部分組成。采用TSW-3數據采集系統進行數據采集和處理。滲透試驗裝置在常規變水頭試驗裝置的基礎上進行了改進,見圖2。

圖2 滲透試驗裝置

1.3 試驗方法

不排水不固結三軸試驗所用改良劑為施工現場盾構機內取回的泡沫劑,發泡壓力為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研究不同泡沫比對渣土改良效果的影響。

1.4 試驗結果分析

1.4.1 主應力差-應變關系

不同泡沫比時渣土主應力差-應變曲線見圖3。可見：在圍壓100 kPa時,泡沫比10%改良渣土的主應力差比未改良渣土減小約50%左右；圍壓200 kPa時泡沫比10%改良渣土的主應力差比未改良渣土減小50%左右。

圖3 不同泡沫比時渣土主應力差-應變曲線

1.4.2 抗剪強度

用最小二乘法擬合渣土抗剪強度曲線,求得每種渣土的抗剪強度,見表2。

由表2可知：改良渣土的黏聚力和內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摩擦角降低幅度越大。

表2 渣土的抗剪強度

1.4.3 滲透性

不同泡沫比時渣土滲透系數時程曲線見圖4。可見：加入泡沫后,對渣土的滲透性能改良效果顯著。未改良渣土的滲透系數約為泡沫比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,其滲透系數約為泡沫比30%改良渣土的1倍。

圖4 不同泡沫比時渣土滲透系數時程曲線

2 有限元數值分析

2.1 模型的構建

為分析不同埋深和泡沫比對開挖面穩定性的影響,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。對盾構機和渣土進行簡化,分析開挖面支護壓力和地表沉降。盾構機半徑為8.5 m,有限元計算模型見圖5。

圖5 有限元計算模型

2.2 計算結果與分析

2.2.1 支護壓力的分布

開挖面豎向支護壓力變化曲線見圖6。可見：支護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A,B位置開口)出現應力集中現象;隨著埋深的增大,支護壓力逐漸增大。

圖6 開挖面豎向支護壓力變化曲線

2.2.2 滲透系數對孔隙水壓力的影響

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

圖7 孔隙水壓力隨滲透系數的變化曲線

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。可見：地表出現明顯的沉降槽,在頂推力相同且滿倉條件下泡沫比對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,最大沉降量逐漸減小。該趨勢與實際相符。

3 改良效果驗證

在佛莞城際鐵路盾構掘進中,采用土壓平衡模式時土倉內土壓設定值過高,加之渣土改良不到位,導致切削下來的渣土不能順利通過螺旋機排出,在土倉內堆積擠壓,密實度和密度越來越大,最終形成泥餅。

為改善渣土的和易性,在刀盤和土倉內加入水、膨潤土以及本次試驗所用的泡沫劑。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 結論

1)不同泡沫比的渣土主應力差-應變曲線均呈指數型。渣土抗剪強度隨泡沫比的增大而減小。

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

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