粉質(zhì)黏土地層中盾構(gòu)土壓平衡和泥水平衡掘進(jìn)試驗研究

張 剛

(中鐵十八局集團(tuán)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(gòu)法相對于傳統(tǒng)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(gòu)法施工的問題，學(xué)者們已開展了一系列的研究。張云等[1]分析了盾構(gòu)法隧道引起地表發(fā)生變形的主要原因并對此進(jìn)行了詳細(xì)量化和敏感性分析。郭家慶[2]以成都地鐵盾構(gòu)4標(biāo)段為研究對象，通過設(shè)置試驗段，對比了土壓平衡式和泥水平衡式盾構(gòu)導(dǎo)致的地層沉降。南京緯三路過江通道采用泥水平衡式盾構(gòu)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(gòu)土倉壓力的解析解。張潤來等[5]對不同摻料的渣土進(jìn)行室內(nèi)試驗，對比了不同摻料和含量對渣土性質(zhì)的影響。杜勝等[6]通過有限元軟件分析了隧道掘進(jìn)參數(shù)對地層變形的影響規(guī)律。葉新宇等[7]以泥質(zhì)粉砂巖地層隧道施工為研究對象，分析了盾構(gòu)渣土改良技術(shù)。徐敬賀[8]、管會生等[9]基于雙模式盾構(gòu)施工，探討了盾構(gòu)雙模式施工轉(zhuǎn)換技術(shù)，深入分析了盾構(gòu)關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)對地層沉降的影響規(guī)律。趙洪洲[10]、吳迪[11]、劉四進(jìn)[12]等人以泥水平衡盾構(gòu)施工為工程背景，通過室內(nèi)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(shù)的應(yīng)用。

本文針對在粉質(zhì)黏土地質(zhì)中的盾構(gòu)掘進(jìn)施工，比較了土壓平衡和泥水平衡兩種掘進(jìn)模式的效率和沉降控制，并對該兩種模式的轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探討。

2 工程概況

2.1 盾構(gòu)區(qū)間概況

欣嘉園東站～欣嘉園盾構(gòu)區(qū)間土建施工一標(biāo)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(qū)間，線路總長為2 586.6 m。區(qū)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(qū)間設(shè)置兩處聯(lián)絡(luò)通道，其中一處兼作廢水泵房。區(qū)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(guī)劃道路敷設(shè)，到達(dá)欣嘉園站。

該盾構(gòu)隧道區(qū)間在前280環(huán)無建筑物穿過，因而對沉降要求并不嚴(yán)格，比較符合該試驗預(yù)期需求，因此，選擇該盾構(gòu)工程前280環(huán)作為泥水和土壓平衡雙模式轉(zhuǎn)換試驗的研究對象。

根據(jù)工程的地質(zhì)勘測報告，粉質(zhì)黏土為該區(qū)間盾構(gòu)的主要土層。經(jīng)過實地測量和室內(nèi)試驗，獲得該黏土層滲透系數(shù)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(shù)為12.0，液性指數(shù)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(jié)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(guī)律表現(xiàn)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(wěn)定在26～27 m附近，距離隧道開挖位置1～7 m。

2.2 粉質(zhì)黏土性質(zhì)

為研究在試驗區(qū)間內(nèi)該隧道工程的土體特性，對該地區(qū)的主要土成分黏土進(jìn)行取樣和顆粒分析。圖1為土體顆粒級配曲線。根據(jù)圖1可知，該隧道路段土壤中細(xì)粒土含量較高，粒徑中位數(shù)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(dǎo)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(shè)備處理能力，而且需要長時間的分離，會嚴(yán)重降低盾構(gòu)工程的掘進(jìn)效率。

3 盾構(gòu)土壓平衡和泥水平衡掘進(jìn)試驗

3.1 試驗分段

在該隧道工程前280環(huán)區(qū)間沒有穿越的建筑物，因此比較預(yù)備試驗條件。由于泥水管路有可能凍結(jié)，尤其在冬季，故掘進(jìn)過程先進(jìn)行土壓模式，然后再進(jìn)行泥水模式。

在環(huán)數(shù)靠前的區(qū)間，由于處于磨合階段，設(shè)備各項性能參數(shù)有可能不夠穩(wěn)定，對試驗準(zhǔn)確性造成影響，因而參考價值不大，故第一階段由25環(huán)至130環(huán)進(jìn)行土壓平衡試驗。第二階段進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，即在泥水平衡模式下從131環(huán)掘進(jìn)至第220環(huán)。在第三階段又將由泥水平衡模式轉(zhuǎn)換到土壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)，由221環(huán)至最后的第290環(huán)。在此期間共進(jìn)行了兩次掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)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(jìn)尺3.8環(huán)，效率低于平衡模式的日平均進(jìn)尺5.25環(huán)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是細(xì)粒土占比過高，土壤分離難度大，因此導(dǎo)致泥漿分離需要的時間較長。

3.2 土壓平衡模式轉(zhuǎn)換泥水平衡模式

由土壓平衡掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換成泥水平衡掘進(jìn)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(shè)施；(3)調(diào)試泥水處理系統(tǒng)；(4)調(diào)試盾構(gòu)泥水系統(tǒng)。而在這4個階段中，第4階段即盾構(gòu)泥水系統(tǒng)的調(diào)試是存在風(fēng)險系數(shù)最大的一個階段，此階段需要對渣土進(jìn)行置換，將土壓倉內(nèi)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(huán)節(jié)包含以下步驟。

第1階段:盾構(gòu)機向前20 cm掘進(jìn)。

(1)在注入膨脹土泥漿的同時啟動刀盤，當(dāng)?shù)侗P運行一段時間后保持穩(wěn)定，開始保持勻速、連續(xù)地掘進(jìn)并同時向外排出渣土。由專業(yè)人員對渣土排出量進(jìn)行統(tǒng)計，向前掘進(jìn)至20 cm后停止。此階段詳細(xì)的控制參數(shù)如表2所示。

表2 第1階段掘進(jìn)控制參數(shù)

第2階段:渣土置換。

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

(3)啟動螺旋機和刀盤，分別設(shè)置刀盤和螺旋轉(zhuǎn)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(dāng)噴涌現(xiàn)象出現(xiàn)時，停止出渣并將螺旋進(jìn)行反轉(zhuǎn)然后繼續(xù)出渣。當(dāng)噴涌現(xiàn)象連續(xù)出現(xiàn)時，應(yīng)立即停止出渣，并關(guān)閉出渣口。

(4)將水泥接料口與排泥管軟管進(jìn)行連接。

(5)設(shè)置逆洗壓力為1.8 bar，對螺旋機進(jìn)行40 s的逆洗。

(6)循環(huán)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(zhuǎn)速不超過0.5 r/min，螺旋機轉(zhuǎn)速為1.5 r/min，在不掘進(jìn)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(jìn)參數(shù)如表3所示。

表3 第2階段施工參數(shù)

第3階段:采用泥水平衡模式掘進(jìn)。

(8)當(dāng)達(dá)到正常水泥模式排泥比重或累計渣土排出量達(dá)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(jiān)測以及嚴(yán)格記錄統(tǒng)計排渣量。施工參數(shù)如表4所示。

表4 第3階段掘進(jìn)參數(shù)

3.3 泥水平衡模式轉(zhuǎn)換土壓平衡模式

從泥水模式轉(zhuǎn)換成土壓模式過程相對上一轉(zhuǎn)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(fù)和渣土置換泥漿。

(1)將刀盤以1.2～1.4 r/min的轉(zhuǎn)速啟動，等轉(zhuǎn)動30 s刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩較為穩(wěn)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(jìn)行掘進(jìn)，直到上部土壓為0.15 MPa，少量(大約20%)轉(zhuǎn)動螺旋閥門排泥。當(dāng)土壓數(shù)值小于0.06 MPa時，關(guān)閉螺旋閥門同時繼續(xù)保持穩(wěn)定、勻速掘進(jìn)，待倉內(nèi)壓力維持到0.15 MPa時，繼續(xù)少量(大約20%)轉(zhuǎn)動螺旋閥門排泥，當(dāng)漿斗中泥水體積快滿時迅速關(guān)閉閥門進(jìn)行倒?jié){，如此循環(huán)。

(2)在轉(zhuǎn)換過程中，持續(xù)密切記錄排泥密度和體積，以及掘進(jìn)長度和清水體積，以防止出現(xiàn)超挖等情況出現(xiàn)。隨著轉(zhuǎn)換的進(jìn)行，泥水中土塊數(shù)量逐漸增加，螺旋閥門開啟力度開始緩慢增加，直至泥塊數(shù)量多到可以通過皮帶進(jìn)行轉(zhuǎn)移，此時關(guān)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(zhuǎn)速啟動，等轉(zhuǎn)動30 s刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩較為穩(wěn)定之后，以20～30 mm/min的速度進(jìn)行掘進(jìn)。直至土壓穩(wěn)定在0.15 MPa附近時開啟40%左右的閘門進(jìn)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(jìn)行改良處理。最后，當(dāng)螺旋出渣連貫即代表轉(zhuǎn)換成功，后續(xù)可進(jìn)行土壓平衡模式施工。

3.4 試驗結(jié)果分析

對三個階段中的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)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(jìn)，第二階段為泥水平衡模式掘進(jìn)。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(jìn)，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(jìn)地表沉降更為穩(wěn)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(yīng)力，減輕了周圍土體的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致沉降數(shù)值較小且較為穩(wěn)定。另外，監(jiān)測結(jié)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(huán))地表沉降分布曲線

圖3 第二階段(131～220環(huán))地表沉降分布曲線

圖4 第三階段(221～290環(huán))地表沉降分布曲線

根據(jù)表1可知，在土壓平衡模式下，耗時20 d共掘進(jìn)至130環(huán)，日平均進(jìn)尺6.5環(huán)。在掘進(jìn)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(jìn)行等，因而并未產(chǎn)生較大的地表沉降，在沉降方面控制良好。

泥水平衡掘進(jìn)模式下，耗時27 d由第131環(huán)掘進(jìn)至220環(huán)，共89環(huán)，日平均進(jìn)尺3.3環(huán)。效率遠(yuǎn)低于土壓平衡模式下的6.5環(huán)/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(xì)粒土占比過高，土壤分離難度大，因此導(dǎo)致泥漿分離需要的時間較長，這就使得盾構(gòu)機掘進(jìn)效率降低。

通過試驗段掘進(jìn)進(jìn)展的詳細(xì)分析和討論，為保證后續(xù)區(qū)間內(nèi)完成通洞目標(biāo)，故后續(xù)的3個隧道區(qū)間段均采用土壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)。

4 結(jié)論

本文以欣嘉園東站～欣嘉園盾構(gòu)工程為研究對象，針對在粉質(zhì)黏土地質(zhì)中的盾構(gòu)掘進(jìn)施工，對比了土壓平衡和泥水平衡兩種掘進(jìn)模式的效率和沉降控制，并對該兩種模式的轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探討。得出主要結(jié)論如下:

(1)在粉質(zhì)黏土地質(zhì)中由于細(xì)粒土含量過高導(dǎo)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(jìn)效率遠(yuǎn)低于土壓平衡模式掘進(jìn)。

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

(3)通過對地層沉降進(jìn)行監(jiān)測，兩種掘進(jìn)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(jìn)對地層變形影響相對較為穩(wěn)定。