土壓盾構在富水粉砂地層中濃泥渣土改良技術研究

莫振澤,王夢恕, 羅跟東， 王 輝， 錢勇進

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

0 引言

目前，盾構在地鐵和隧道工程中應用越來越廣泛[1]，尤其是土壓平衡盾構，其在地鐵工程中應用越來越廣泛，而泥水盾構則是在越江海底隧道等地層條件較差的環境中應用較多[2-3]。盾構穿越富水粉砂地層時，經常會發生開挖艙及螺旋排土器閉塞，土壓、盾構推力及轉矩參數發生大的波動，進而造成開挖面前后一定范圍內出現大的隆沉現象[4-6]。無錫地鐵新線建設過程中多區間遇到富水粉砂地層，同時上部有重要的建筑及構筑物，對開挖面的穩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，進行土體改良，便于土壓盾構螺旋排土，提高掘進效率。目前關于渣土改良的研究，多集中在改良后渣土的性質方面。郭濤[7]使用氣泡對渣土進行改良，找出氣泡改良土達到塑性流動狀態時氣泡的基本指標及評價方法； 魏康林[8]使用泡沫及膨潤土對土體進行改良，研究2種外加劑對土體作用的內在機制，并給出了不同性質的地層使用何種外加劑的建議； 王海波等[9]發現改良渣土的等效粒徑與其滲透系數呈正相關關系，并且泡沫注入體積達到一定量時改良渣土的滲透系數趨于穩定。這些研究大多都是對土體改良后渣土的性質及狀態進行研究，較少有人研究土體改良對開挖面的穩定及地層沉降的影響。泥水盾構通過泥漿加壓在開挖面滲透形成泥膜，達到維持開挖面穩定的目的。目前關于泥漿滲透成膜方面的研究，多集中在泥漿性質對成膜的影響方面。T.Watanabe等[10]認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時發現，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]研究發現，使用高密度及高黏度的泥漿可以快速形成泥皮型泥膜； 錢勇進等[13]在砂卵石地層添加泥漿混合渣土后進行滲透試驗發現，當泥漿達到一定添加量時會在開挖面形成泥膜效應。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。該技術區別于土壓盾構在土艙中注入少量稀泥漿或氣泡進行渣土改良，濃泥渣土改良技術一方面借鑒泥水盾構泥膜支護開挖面的原理，同時結合土壓盾構螺旋排土器進行排土。其關鍵在于能否在開挖面前方地層中形成泥膜效應，達到穩定開挖面、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段開展濃泥渣土改良技術現場適應性試驗，研究盾構掘進過程中地層孔隙水壓力、盾構掘進參數、艙土流動狀態以及地層隆沉的變化規律。

1 工程概況

1.1 水文地質條件

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

圖1 隧道地質剖面Fig. 1 Tunnel geological profile

場地地下水主要為潛水，潛水穩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給，同時接受沿線地表水的滲漏補給。地下水徑流條件良好，盾構穿越砂層滲透系數在3 m/d左右。穿越區間含有微承壓水，含水層賦存于④1粉質黏土、④2粉砂層中，其隔水頂板一般為③1黏土、③2粉質黏土，隔水底板為⑤1粉質黏土、⑥1黏土，主要補給來源為潛水和地表水。

1.2 周邊環境

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、道路兩側管線損壞、隧道沿線各建(構)筑物的不均勻沉降，嚴重時可導致建筑物失穩。④1粉質黏土及④2粉砂層為微承壓含水層，具有一定的水頭壓力，在施工過程中易產生流砂、涌砂現象，導致發生盾構開挖面失穩及地表沉降過大的風險，對工程安全及周邊施工環境影響控制提出很高的要求。

1.3 盾構選型

本工程根據上述地質條件等要求，選用直徑為6.44 m的土壓平衡盾構，盾構主要技術參數如表2所示。盾構刀盤中心處設置1個注漿孔，刀盤邊緣處沿著圓心對稱設置4個注漿孔，用于掘進過程中向地層注入試驗泥漿。

表2 φ6.44 m土壓平衡盾構主要技術參數Table 2 Main technical parameters of φ6.44 m EPB shield

2 現場試驗方案

2.1 試驗區域選擇及孔壓計埋設

選取離盾構接收段前670環至680環的砂地層作為現場試驗段。選取2個試驗監測段區域，其中674、675環為正常未添加試驗泥漿掘進區，676、677環為掘進過程中添加試驗泥漿掘進區，監測盾構掘進至其斷面前孔隙水壓力的變化情況，監測斷面平面布置如圖2所示。孔隙水壓力變化使用預先埋設的孔壓計進行讀取，孔壓計使用0～200 kPa的振弦式傳感器，可實時精確測量地層中孔隙水壓力的變化。孔壓計埋設深度為地表下17～18 m，處于盾構刀盤所在深度范圍，鉆孔使用阿特拉斯T40鉆機進行，孔徑80 cm，鉆孔完成后立即將孔壓計埋設至相應深度處，埋設完成后向孔內填入粗砂并壓實，粗砂埋至距離地表2 m時，使用水泥漿對鉆孔頂部進行密封。孔壓計埋設過程如圖3所示。

KX01—KX03和KY01—KY03為監測點編號。

(a ) 鉆機鉆孔

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

2.2 現場試驗內容

2.2.1 現場泥漿添加方案

根據現場土壓平衡盾構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，在676、677環管片掘進過程中，注入排出渣土體積量10%左右的泥漿。通過試驗可知，在注入4 m3/環試驗泥漿后，渣土的流動性得到有效提高。現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，根據現場的地層條件進行試驗后，確定泥漿配制的基本參數如下： 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 現場數據監測及記錄

現場孔隙水壓力變化數據使用與孔壓計配套的振弦式頻率讀數儀進行記錄，在盾構掘進過程中每隔5 min讀取一次數據并記錄，在盾構停止掘進時每隔20 min讀取一次孔隙水壓力，持續監測并記錄試驗環(673—678環)盾構管片在掘進過程中開挖面前方孔隙水壓力的變化數據。為研究施工過程中濃泥漿對掘進參數的影響，對試驗段盾構掘進時刀盤的轉矩、推力、掘進速度進行記錄，渣土排出過程中對渣土進行坍落度試驗，記錄渣土的流動性變化。在667環以及677環地表軸線設置沉降觀測點，監測盾構掘進過程中地表沉降變形。

3 試驗結果及分析

3.1 孔隙水壓力隨時間變化規律

土壓盾構掘進施工過程中，地層沉降變化受多方面因素的作用，其中盾構開挖時對地層的擾動對地層沉降具有重要的影響。盾構試驗段穿越砂地層，該地層屬隔水層，地層隔水頂板及底板為黏土層及粉質黏土層，因而在盾構施工過程中，開挖面對地層的擾動將產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: 在盾構正常掘進過程中，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。同時可以發現,在盾構停止掘進后，地層中的孔隙水壓力快速減小并恢復至初始值。隨著盾構刀盤掘進至孔壓計所在管片環位置時，孔隙水壓力隨著管片環數增加而逐漸變大，其最大值從673環的137 kPa變化至675環破壞時的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。而當添加泥漿進行掘進時，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。說明在盾構掘進過程中，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，減小了盾構開挖對地層的擾動。

3.2 孔隙水壓力隨距離變化規律

孔隙水壓力的變化不僅隨盾構掘進時間變化，還隨著孔壓計及刀盤間距離變化而變化。因盾構停止掘進時，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，對盾構掘進過程中孔壓變化量與孔壓計距刀盤之間的距離進行研究，以KX02及KX03監測點為例，分析未添加泥漿與添加泥漿掘進施工中孔隙水壓力變化規律，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行分析，此范圍內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監測點記錄未添加泥漿時地層孔隙水壓力的變化，隨著掘進距離不斷減小，孔隙水壓力值在135～155 kPa變化； KX03監測點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，說明盾構施工過程中，因為泥漿的添加，開挖面存在泥膜效應，使得地層中超靜孔隙水壓力變化量減小，盾構開挖對地層的擾動明顯減小。

3.3 掘進參數的變化規律

3.3.1 轉矩與推力間的相關性

盾構掘進過程中主要相關的掘進參數有轉矩、推力、掘進速度及土艙壓力等。圖6所示為未添加泥漿以及添加泥漿后盾構推力與轉矩之間的相關關系，可以看出刀盤的轉矩與盾構推力之間呈現出一定的相關性[5]。在相同的推力范圍內，未添加泥漿正常掘進時，刀盤的轉矩維持在3 200～4 500 kN·m； 添加泥漿進行掘進時，刀盤轉矩明顯減小，維持在2 600～4 000 kN·m。可以認為添加泥漿后，泥漿在開挖面起到潤滑作用，盾構掘進時的轉矩大大減小。

圖6 轉矩與推力之間的關系Fig. 6 Relationship between torque and thrust

3.3.2 轉矩與掘進速度間的關系

盾構在試驗地層掘進過程中，掘進速度與轉矩之間的關系如圖7所示。盾構在正常掘進過程中，刀盤轉矩與掘進速度之間也呈現出正相關關系，隨著掘進速度的增加，刀盤轉矩逐漸增大。在盾構保持正常掘進速度時，未添加泥漿掘進時刀盤的轉矩維持在3 200～4 500 kN·m，添加泥漿后刀盤轉矩也發生明顯降低，主要維持在2 500～4 000 kN·m，并且添加泥漿后轉矩與掘進速度間相關性進一步提高。在相同掘進速度下，泥漿添加后盾構掘進刀盤的轉矩比未添加泥漿時要小。

圖7 轉矩與掘進速度之間的關系Fig. 7 Relationship between torque and driving speed

3.3.3 渣土的流動性

盾構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高，摩擦角較大，因而在排土過程中易發生閉艙、噴涌等風險。通過對排出渣土的流動性進行實時監測，可以較早地采取相應措施降低閉艙及噴涌的風險。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。通過坍落度試驗可以發現，未添加泥漿掘進時，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

盾構施工時，開挖面水土壓力的變化直接關系到地層的穩定性。圖9所示為667環及677環管片監測點地表沉降變化曲線，其中667環監測點未添加泥漿，677環監測點添加泥漿。

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

監測過程中，隧道壁后注漿材料及注入量均無明顯差異。未添加泥漿的測點地表沉降量較大，長期穩定后的沉降值在6 mm左右。添加泥漿后測點的地表沉降量較小，長期穩定后的沉降值在4.4 mm左右，減小26.7%。當刀盤到達監測點時，由于地層水土壓力的差異，其地表沉降表現出一定的差異，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，故監測點地表沉降較小。

4 結論與建議

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

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，可以有效降低盾構掘進過程中引起的孔隙水壓力變化，減小掘進完成后地層的沉降。

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