粉質黏土地層中盾構土壓平衡和泥水平衡掘進試驗研究

張 剛

(中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 300459)

1 引言

由于城市建筑物密集，修建地鐵隧道必須要降低施工對周邊建筑物的影響。盾構法相對于傳統的礦山法、全斷面開挖法等，其施工過程對周邊建筑物影響小，因此成為城市地鐵隧道施工的首選。

針對盾構法施工的問題，學者們已開展了一系列的研究。張云等[1]分析了盾構法隧道引起地表發生變形的主要原因并對此進行了詳細量化和敏感性分析。郭家慶[2]以成都地鐵盾構4標段為研究對象，通過設置試驗段，對比了土壓平衡式和泥水平衡式盾構導致的地層沉降。南京緯三路過江通道采用泥水平衡式盾構機，張寧等[3]以此為背景開展了泥漿配制試驗，確定了該工程最適宜的泥漿配比。高鵬興等[4]通過理論方法獲得了計算土壓平衡盾構土倉壓力的解析解。張潤來等[5]對不同摻料的渣土進行室內試驗，對比了不同摻料和含量對渣土性質的影響。杜勝等[6]通過有限元軟件分析了隧道掘進參數對地層變形的影響規律。葉新宇等[7]以泥質粉砂巖地層隧道施工為研究對象，分析了盾構渣土改良技術。徐敬賀[8]、管會生等[9]基于雙模式盾構施工，探討了盾構雙模式施工轉換技術，深入分析了盾構關鍵掘進參數對地層沉降的影響規律。趙洪洲[10]、吳迪[11]、劉四進[12]等人以泥水平衡盾構施工為工程背景，通過室內試驗研究了泥漿配制影響因素、泥漿成膜性能以及絮凝-帶式壓濾技術的應用。

本文針對在粉質黏土地質中的盾構掘進施工，比較了土壓平衡和泥水平衡兩種掘進模式的效率和沉降控制，并對該兩種模式的轉換關鍵技術進行了詳細探討。

2 工程概況

2.1 盾構區間概況

欣嘉園東站～欣嘉園盾構區間土建施工一標段施工范圍:出入線段(含)～欣嘉園東站(含)～欣嘉園站(不含)，共1站1出入段線1區間，線路總長為2 586.6 m。區間起訖里程左線為ZDK2+290.017～ZDK3+608.386，在ZDK3+200.000處存在長鏈20.93 m，總長1 339.299 m，右線為YDK2+220.086～YDK3+619.900，總長1 399.814 m。區間設置兩處聯絡通道，其中一處兼作廢水泵房。區間東起欣嘉園東站，出站后往西北斜穿欣嘉園地塊，再折向西沿規劃道路敷設，到達欣嘉園站。

該盾構隧道區間在前280環無建筑物穿過，因而對沉降要求并不嚴格，比較符合該試驗預期需求，因此，選擇該盾構工程前280環作為泥水和土壓平衡雙模式轉換試驗的研究對象。

根據工程的地質勘測報告，粉質黏土為該區間盾構的主要土層。經過實地測量和室內試驗，獲得該黏土層滲透系數k為0.03 m/d，天然含水量ω約為25.5%，透水性較弱，孔隙比e為0.75，重度γ為1.96 g/cm3，塑性指數為12.0，液性指數為0.45。

通過對該隧道工程的水文勘測可知，該工程地下水為兩種，從上到下依次為滯水和孔隙潛水。上層地下水主要分布在沖洪形成的黏土層，受季節降水和人為活動影響較大，1.5～4.7 m水位深度不等，變化主要集中在降水較多的雨季，變化規律表現不明顯。下層的孔隙潛水屬于微承壓性水類型，主要分布于透水性地層，比如礫砂層，水位埋深大約穩定在26～27 m附近，距離隧道開挖位置1～7 m。

2.2 粉質黏土性質

為研究在試驗區間內該隧道工程的土體特性，對該地區的主要土成分黏土進行取樣和顆粒分析。圖1為土體顆粒級配曲線。根據圖1可知，該隧道路段土壤中細粒土含量較高，粒徑中位數為6.97 μm。而其中黏土顆粒粒徑小于 10 μm的占總體的61.42%，該部分顆粒由于粒徑太小將會導致在泥水平衡模式中很難被分離，造成了較高的泥漿黏度，降低了旋流器的分離效率，因此，該土壤不僅會要求較高的壓濾設備處理能力，而且需要長時間的分離，會嚴重降低盾構工程的掘進效率。

3 盾構土壓平衡和泥水平衡掘進試驗

3.1 試驗分段

在該隧道工程前280環區間沒有穿越的建筑物，因此比較預備試驗條件。由于泥水管路有可能凍結，尤其在冬季，故掘進過程先進行土壓模式，然后再進行泥水模式。

在環數靠前的區間，由于處于磨合階段，設備各項性能參數有可能不夠穩定，對試驗準確性造成影響，因而參考價值不大，故第一階段由25環至130環進行土壓平衡試驗。第二階段進行模式轉換，即在泥水平衡模式下從131環掘進至第220環。在第三階段又將由泥水平衡模式轉換到土壓平衡模式進行掘進，由221環至最后的第290環。在此期間共進行了兩次掘進模式轉換，具體分段情況見表1。

表1 試驗段不同階段分段情況

從表1可以看出，第二階段采用泥水平衡模式，日平均進尺3.8環，效率低于平衡模式的日平均進尺5.25環。造成這種現象的主要原因是細粒土占比過高，土壤分離難度大，因此導致泥漿分離需要的時間較長。

3.2 土壓平衡模式轉換泥水平衡模式

由土壓平衡掘進模式轉換成泥水平衡掘進模式主要分為4個階段，從前到后依次為:(1)連接泥水管路；(2)安裝泥水設施；(3)調試泥水處理系統；(4)調試盾構泥水系統。而在這4個階段中，第4階段即盾構泥水系統的調試是存在風險系數最大的一個階段，此階段需要對渣土進行置換，將土壓倉內的渣土置換成泥漿，地面沉降對該階段較為敏感。渣土置換環節包含以下步驟。

第1階段:盾構機向前20 cm掘進。

(1)在注入膨脹土泥漿的同時啟動刀盤，當刀盤運行一段時間后保持穩定，開始保持勻速、連續地掘進并同時向外排出渣土。由專業人員對渣土排出量進行統計，向前掘進至20 cm后停止。此階段詳細的控制參數如表2所示。

表2 第1階段掘進控制參數

第2階段:渣土置換。

(2)啟動螺旋機和刀盤，分別設置刀盤和螺旋轉速0～0.5 r/min、1.5 r/min，同時，注意土壓控制，當出渣量達到6 m3或者土壓低于0.5 bar時應立即停止轉換。泥漿通過長隔板注入。當泥漿量與出渣量達到平衡時，對盾尾處通過油脂進行密封處理。

(3)啟動螺旋機和刀盤，分別設置刀盤和螺旋轉速0～0.5 r/min、1.5 r/min，將膨脹土分兩路注入土壓倉中，每路出渣速度為200 L/min，當噴涌現象出現時，停止出渣并將螺旋進行反轉然后繼續出渣。當噴涌現象連續出現時，應立即停止出渣，并關閉出渣口。

(4)將水泥接料口與排泥管軟管進行連接。

(5)設置逆洗壓力為1.8 bar，對螺旋機進行40 s的逆洗。

(6)循環沖洗模式開啟，并控制排泥濃度。

(7)啟動螺旋機和刀盤，保持刀盤轉速不超過0.5 r/min，螺旋機轉速為1.5 r/min，在不掘進的情況下開啟泥水模式，通過排泥管路將剩余渣土排盡。第2階段的掘進參數如表3所示。

表3 第2階段施工參數

第3階段:采用泥水平衡模式掘進。

(8)當達到正常水泥模式排泥比重或累計渣土排出量達80%以上時，泥水平衡施工開始。

(9)加強在置換過程中的地面沉降監測以及嚴格記錄統計排渣量。施工參數如表4所示。

表4 第3階段掘進參數

3.3 泥水平衡模式轉換土壓平衡模式

從泥水模式轉換成土壓模式過程相對上一轉換較為簡略和易操作，主要分為3個步驟，依次分別為拆除泥水管路、皮帶恢復和渣土置換泥漿。

(1)將刀盤以1.2～1.4 r/min的轉速啟動，等轉動30 s刀盤轉速和扭矩較為穩定之后，把加入碳酸鈉的清水注入到泡沫孔和膨潤土孔中，然后開始以20 mm/min的速度進行掘進，直到上部土壓為0.15 MPa，少量(大約20%)轉動螺旋閥門排泥。當土壓數值小于0.06 MPa時，關閉螺旋閥門同時繼續保持穩定、勻速掘進，待倉內壓力維持到0.15 MPa時，繼續少量(大約20%)轉動螺旋閥門排泥，當漿斗中泥水體積快滿時迅速關閉閥門進行倒漿，如此循環。

(2)在轉換過程中，持續密切記錄排泥密度和體積，以及掘進長度和清水體積，以防止出現超挖等情況出現。隨著轉換的進行，泥水中土塊數量逐漸增加，螺旋閥門開啟力度開始緩慢增加，直至泥塊數量多到可以通過皮帶進行轉移，此時關閉閥門，將泥水接料斗拆除并安裝皮帶。

(3)將刀盤以1.2～1.4 r/min的轉速啟動，等轉動30 s刀盤轉速和扭矩較為穩定之后，以20～30 mm/min的速度進行掘進。直至土壓穩定在0.15 MPa附近時開啟40%左右的閘門進行出渣。在此過程中，不斷注入泡沫和清水以防止堵塞和對渣土進行改良處理。最后，當螺旋出渣連貫即代表轉換成功，后續可進行土壓平衡模式施工。

3.4 試驗結果分析

對三個階段中的地表沉降進行監測，結果如圖2～圖4所示。其中第一階段和第三階段為土壓平衡模式掘進，第二階段為泥水平衡模式掘進。從圖中可以看出，對地表變形影響最大的為第三階段土壓平衡模式掘進，最大地表沉降接近10 mm。同時，從圖中可以看出，相對于土壓平衡模式，泥水平衡掘進地表沉降更為穩定，起伏較小，這是由于在該模式下，地下水承受了一部分施工應力，減輕了周圍土體的負擔，導致沉降數值較小且較為穩定。另外，監測結果說明了若采取的措施合理，地層變形是可控的。

圖2 第一階段(25～130環)地表沉降分布曲線

圖3 第二階段(131～220環)地表沉降分布曲線

圖4 第三階段(221～290環)地表沉降分布曲線

根據表1可知，在土壓平衡模式下，耗時20 d共掘進至130環，日平均進尺6.5環。在掘進過程中，由于采取了諸多措施，如控制土倉壓力、改良渣土塑流特性、注漿同步進行等，因而并未產生較大的地表沉降，在沉降方面控制良好。

泥水平衡掘進模式下，耗時27 d由第131環掘進至220環，共89環，日平均進尺3.3環。效率遠低于土壓平衡模式下的6.5環/d。造成此種情況的主要原因在于，該隧道工程穿越的地層為黏土地層，細粒土占比過高，土壤分離難度大，因此導致泥漿分離需要的時間較長，這就使得盾構機掘進效率降低。

通過試驗段掘進進展的詳細分析和討論，為保證后續區間內完成通洞目標，故后續的3個隧道區間段均采用土壓平衡模式進行掘進。

4 結論

本文以欣嘉園東站～欣嘉園盾構工程為研究對象，針對在粉質黏土地質中的盾構掘進施工，對比了土壓平衡和泥水平衡兩種掘進模式的效率和沉降控制，并對該兩種模式的轉換關鍵技術進行了詳細探討。得出主要結論如下:

(1)在粉質黏土地質中由于細粒土含量過高導致泥漿含有過量的黏性粉粒，致使泥漿分離需要的時間長，因而泥水平衡模式掘進效率遠低于土壓平衡模式掘進。

(2)土壓平衡模式和泥水平衡模式之間的轉換關鍵環節在于將土壓倉內的渣土置換為泥漿，提出了針對此種轉換情況的兩階段置換法并給出相關參數。

(3)通過對地層沉降進行監測，兩種掘進模式對地基變形的控制效果均較為理想，而泥水平衡模式掘進對地層變形影響相對較為穩定。