EPB盾構(gòu)隧道排土同步灌漿再利用研究

作者簡(jiǎn)介：鄭 濤（1993—），碩士，工程師，主要從事巖土工程方面研究與試驗(yàn)工作。

摘要：對(duì)EPB盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的大量排土進(jìn)行回收綜合利用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。同步注漿作為盾構(gòu)施工的關(guān)鍵工序之一，需要大量的膨潤(rùn)土、水泥、粉煤灰、沙子等材料。文章以鄭州地鐵工程為例，開(kāi)展了盾構(gòu)渣作為同步灌漿材料的再利用研究；采用室內(nèi)試驗(yàn)和XRD研究了EPB盾構(gòu)隧道排放土的物理性質(zhì)，結(jié)果表明盾構(gòu)渣能夠滿足同步灌漿材料中膨潤(rùn)土和細(xì)砂的性能要求；綜合考慮滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和注漿及時(shí)性的綜合影響，采用有限差分法分析了注漿壓力對(duì)地表沉降、管片變形能的影響，結(jié)果表明，注漿壓力為0.18 MPa時(shí)，地表沉降和管片變形能得到較好控制。

關(guān)鍵詞：EPB；盾構(gòu)隧道；灌漿

中圖分類號(hào)：U455.43

0 引言

EPB盾構(gòu)法已成為我國(guó)城市地鐵建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的施工方法。盾構(gòu)施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量渣土。盾構(gòu)渣不僅占用大量土地，降低土壤質(zhì)量，影響空氣和水質(zhì)，而且存在一定的安全隱患。此外，將渣土直接運(yùn)送到廢物處理區(qū)的成本很高。因此，對(duì)盾構(gòu)渣的再利用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程師針對(duì)盾構(gòu)渣再利用開(kāi)展了一些研究。通過(guò)威悉河隧道開(kāi)挖中的土碴處理工藝，赫爾穆特·格羅斯^［1］發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的分離技術(shù)回收可重新利用的砂土是可行的，分離出的砂土可以用作承重回填土和隔音墻的覆蓋層。鐘小春等^［2］研究了盾構(gòu)同步注漿中開(kāi)挖粉質(zhì)細(xì)砂的再利用問(wèn)題。楊釗等^［3］為利用泥水盾構(gòu)施工過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢棄泥漿，研究了廢棄泥漿對(duì)壁后注漿砂漿工程性能的影響。張亞洲等^［4］以南京緯三路過(guò)江通道工程為依托，利用泥水盾構(gòu)施工產(chǎn)生的泥漿、廢棄土配制掘進(jìn)用泥漿，廢棄粉細(xì)砂作同步注漿材料等進(jìn)行了研究。房凱等^［5］對(duì)多種廢棄泥漿處理方法進(jìn)行了分析，其中盾構(gòu)施工中對(duì)廢棄泥漿主要采用的是以凈化為主的處理方式。錢鑫等^［6］為解決黏土地層土壓平衡盾構(gòu)渣土再利用問(wèn)題，對(duì)水膠比、膠砂比等因素對(duì)注漿材料性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究分析。綜上所述，雖然學(xué)者們?cè)诙軜?gòu)渣再利用方面取得了豐碩的成果，但關(guān)于EPB盾構(gòu)渣作為同步注漿材料再利用的研究較少，也沒(méi)有系統(tǒng)的研究成果報(bào)道。同步注漿是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，通常是將灌漿注入盾尾與管片之間的間隙以填充間隙并控制地層變形，在隧道周圍形成注漿保護(hù)層，以提高盾構(gòu)隧道的抗?jié)B性。盾構(gòu)所穿過(guò)的地層通常是含有大量黏土顆粒和細(xì)砂的軟土層，如果處理得當(dāng)，排出的土壤是同步灌漿的優(yōu)質(zhì)原料之一。

鑒于此，本文以鄭州地鐵穿越粉質(zhì)黏土層和黏質(zhì)粉沙地層與砂質(zhì)粉砂地層的施工實(shí)例為基礎(chǔ)，探討盾構(gòu)渣再利用的可行性，以及盾構(gòu)渣同步注漿材料的最佳配比。此外，還研究了注漿壓力和灌漿速率對(duì)地表沉降、土體塑性區(qū)和管片變形的影響。研究結(jié)果可為類似項(xiàng)目提供參考。

1 項(xiàng)目概況

鄭州地鐵某段主要地層為粉砂質(zhì)粉砂地層，局部地層為粉砂質(zhì)黏土地層和粉砂質(zhì)粉砂地層。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，隧道穿越的地層中56%為粉質(zhì)黏土，38%為細(xì)砂，6%為粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉砂。施工采用兩臺(tái)直徑為6 250 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，鋼筋混凝土管片用作隧道襯砌。該段的外徑為6.2 m，厚度為0.35 m，寬度為1.5 m。每個(gè)環(huán)的理論渣漿輸出量為49.4 m³，每環(huán)理論注漿量為4.1 m³，充填系數(shù)為1.5～2.0。

2 盾構(gòu)渣作為灌漿材料的可行性

2.1 盾構(gòu)渣工程特性試驗(yàn)

對(duì)盾構(gòu)渣的詳細(xì)成分和物相分析進(jìn)行室內(nèi)分析，主要包括密度、含水量、比重、極限含水率、空隙率、飽和度、級(jí)配特征等物理特性試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，渣樣含水量適中，黏度指數(shù)為0.5，土壤樣品是塑性狀態(tài)的低液限粉質(zhì)黏土。

在粒度組成分析中，0.075 mm以上土壤的粒度分布采用篩分法測(cè)定；0.075 mm以下土壤的粒度分布考慮到粉質(zhì)黏土渣中存在細(xì)小顆粒，采用密度計(jì)法測(cè)定。盾構(gòu)渣顆粒直徑分布曲線如圖1所示。由圖1可知，粉質(zhì)黏土樣品粒度分布不均勻，顆粒級(jí)配良好。樣品中有很多細(xì)顆粒，粒徑＜0.075 mm的細(xì)顆粒占39.32%，粒徑＜0.005 mm的黏土顆粒占8.45%。

2.2 礦物成分分析

使用多功能X射線衍射儀（XRD）對(duì)分析粉質(zhì)黏土和細(xì)砂的物相進(jìn)行分析。結(jié)果顯示淤泥中粉質(zhì)黏土的礦物成分主要為石英（21.35%）、長(zhǎng)石（16.38%）、蒙脫石（31.03%）；細(xì)砂的礦物成分主要為石英（35.03%）和長(zhǎng)石（27.35%）。

2.3 盾構(gòu)渣作為灌漿材料的可行性分析

淤泥中粉質(zhì)黏土的黏土礦物成分較高，具有良好的吸水膨脹性能。此外，土樣粒徑小，單位質(zhì)量土顆粒的比表面積大，可有效提高灌漿液的黏度和穩(wěn)定性。因此，根據(jù)鄭州地鐵某路段渣土的物性、礦物成分、粒度組成等特點(diǎn)，替代同步灌漿液原料中的膨潤(rùn)土是可行的。此外，渣中細(xì)砂的礦物成分主要為石英和長(zhǎng)石，含泥量很少，具備回收利用和作為工程砂利用的基本條件。

3 再利用渣漿配比優(yōu)化

根據(jù)盾構(gòu)段工程情況，選用水泥、粉煤灰、粉質(zhì)黏土（替代膨潤(rùn)土）、細(xì)砂（替代河砂）、膨潤(rùn)土、水作為活性水泥砂漿單液灌漿材料。通過(guò)使用統(tǒng)一設(shè)計(jì)的基本理論和方法，可以有效避免大量的測(cè)試，以較少的試驗(yàn)即可完成復(fù)雜的科研項(xiàng)目和新產(chǎn)品的研發(fā)。其最大的特點(diǎn)是試驗(yàn)次數(shù)可以等于最大水平數(shù)，而不是試驗(yàn)因素個(gè)數(shù)的平方。而且，試驗(yàn)數(shù)量只與要研究的因素的數(shù)量有關(guān)，但試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)為試驗(yàn)因子數(shù)的3倍左右，有利于建模和優(yōu)化。

同步注漿液是一種特殊液體，其特性主要受水膠比、膠砂比、膨潤(rùn)土水比、粉煤灰水泥比四種因素的影響。水膠比是水與膠凝材料的比值；膨潤(rùn)土水比是膨潤(rùn)土與水的比值；膠砂比是膠凝材料與砂的比值；粉煤灰水泥比是粉煤灰與水泥的比值。為分析各影響因素對(duì)灌漿施工性能的影響，設(shè)計(jì)最佳配合比，對(duì)每個(gè)影響因素設(shè)置5個(gè)試驗(yàn)水平，試驗(yàn)次數(shù)為實(shí)際試驗(yàn)水平的3倍。為此，安排了15組測(cè)試，統(tǒng)一設(shè)計(jì)的材料配比見(jiàn)表1。注漿材料性能試驗(yàn)項(xiàng)目主要有比重試驗(yàn)、稠度試驗(yàn)、流動(dòng)性試驗(yàn)、泌水率試驗(yàn)、凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)、石料收縮試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)等。

4 盾構(gòu)渣同步注漿效果數(shù)值模擬研究

4.1 計(jì)算模型和參數(shù)

區(qū)間左行的201環(huán)至210環(huán)作為渣土再利用的測(cè)試路段。選取左線205環(huán)隧道斷面為計(jì)算斷面，利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)同步注漿施工參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)調(diào)查資料顯示，主要掘進(jìn)地層為細(xì)砂和粉質(zhì)黏土。地下穩(wěn)定水位埋深約為16 m，洞頂距地表18 m。該部分兩條線之間的距離約為13.5 m，考慮到右線已經(jīng)開(kāi)挖，計(jì)算中只考慮左線注漿施工的影響。

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)可計(jì)算出理論過(guò)挖間隙（25 mm）為刀徑（6 480 mm）與盾尾外徑之差的50%；盾尾的理論間隙（70 mm）是盾尾內(nèi)徑與管片外徑（6 200 mm）之差的50%；灌漿環(huán)的理論厚度為刀具直徑與管片外徑之差的50%（140 mm）。

由于巖土材料物理力學(xué)性質(zhì)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，數(shù)值模擬采用以下計(jì)算條件和假設(shè)：（1）各地層厚度均勻且不存在互侵，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)是均質(zhì)和各向同性的材料；（2）地下水深度以下的地層是可滲透的；（3）隧道開(kāi)挖過(guò)程中水位保持不變；（4）灌漿不可壓縮、各向同性、不可稀釋且不會(huì)堵塞。根據(jù)圣維南原理，在3～5倍隧道跨度的開(kāi)挖區(qū)外，開(kāi)挖引起的位移和應(yīng)力變化可以忽略不計(jì)。因此，在實(shí)際數(shù)值模擬過(guò)程中，隧道開(kāi)挖區(qū)的左、右、上、下尺寸應(yīng)不小于隧道跨度的3～5倍。計(jì)算模型如圖2所示。邊界約束為模型前后左右的水平約束，模型底部的垂直約束，模型頂部的自由邊界。對(duì)于滲流中的流體邊界，對(duì)左、右、下邊界的流體交換進(jìn)行約束，對(duì)前后邊界不施加流體約束。

地層土采用實(shí)體單元模擬，符合MC破壞準(zhǔn)則；盾構(gòu)段采用實(shí)體單元模擬，符合彈性本構(gòu)模型；通過(guò)將剛度折減系數(shù)設(shè)置為0.7來(lái)考慮節(jié)段接頭；盾構(gòu)機(jī)鋼板采用殼單元模擬，符合彈性本構(gòu)模型；注漿層按照彈性本構(gòu)模型采用實(shí)體單元模擬，視為透水材料；由于灌漿用于填充開(kāi)挖直徑與盾體之間的間隙，填充層采用彈性本構(gòu)模型的實(shí)體單元模擬，視為不透水材料。

4.2 模擬施工步驟

計(jì)算步驟模擬盾構(gòu)施工的三個(gè)階段：

（1）盾構(gòu)機(jī)通過(guò)階段：激活模型中的盾構(gòu)單元和超挖填充層。

（2）盾尾段外管片階段：盾構(gòu)殼單元和超挖填充層被鈍化，模型中盾尾灌漿層和管片襯砌被激活，盾尾全環(huán)施加灌漿壓力?？紤]到漿液的剪切運(yùn)動(dòng)和固結(jié)（固結(jié)初期漿液參數(shù)變化率巨大），應(yīng)注意適時(shí)改變注漿層硬化參數(shù)，降低注漿壓力。

（3）灌漿硬化階段，其硬化參數(shù)見(jiàn)表2。

4.3 不同灌漿壓力下的施工效果分析

4.3.1 注漿壓力范圍及垂直分布

假設(shè)灌漿壓力和灌漿在整個(gè)環(huán)圈內(nèi)均勻分布，采用擴(kuò)散充填方式，盾尾空隙的填充率為100%。為合理、充分地研究注漿壓力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和地表變形的影響，設(shè)置全環(huán)均勻注漿壓力范圍為0.10～0.30 MPa，線性梯度為0.04 MPa，共分6個(gè)工況。由于注漿時(shí)漿液的周向和縱向剪切運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移及漿液的固結(jié)，可以認(rèn)為在環(huán)脫離后1 D內(nèi)（即距環(huán)體9 m處），注漿壓力幾乎降至零。結(jié)合工程實(shí)踐和文獻(xiàn)研究?？v向注漿壓力折減系數(shù)見(jiàn)表3。

4.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同灌漿壓力下的地表沉降情況如圖3所示。不同注漿壓力下的側(cè)向地表沉降曲線基本一致，幾乎符合高斯曲線特征。注漿壓力的變化對(duì)地表沉降有很大的影響，隨著注漿壓力的增加，最大地表沉降逐漸減小，但沉降槽寬度保持不變。當(dāng)注漿壓力＞0.22 MPa 時(shí)，盾構(gòu)兩側(cè)距軸線約 25 m 的地表出現(xiàn)隆起，且隨著注漿壓力的增大，隆起量增大。

如圖后頁(yè)4所示，管片在水土壓力和注漿壓力的作用下呈橢圓形變形，整體下沉。不同注漿壓力下特征點(diǎn)管片變形較大，管片整體沉降隨注漿壓力增加而減小。不同灌漿壓力下管段收斂的變化值如后頁(yè)圖5所示。由圖5可知，隨著注漿壓力的增加，管片的垂向輻合度逐漸增大，而管片的水平輻合度呈先增大后減小的趨勢(shì)。注漿壓力設(shè)定為 0.18 MPa 時(shí)，管片水平收斂達(dá)到最大值4.16 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）盾構(gòu)渣中粉質(zhì)黏土的礦物成分主要為石英（16.38%）、長(zhǎng)石（21.35%）、蒙脫石（31.03%）；細(xì)砂的礦物成分主要為石英（35.03%）和長(zhǎng)石（27.35%）。用盾構(gòu)渣中的粉質(zhì)黏土和細(xì)砂分別代替同步注漿原料中的膨潤(rùn)土和細(xì)砂是可行的。

（2）在統(tǒng)一測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用SPSS多元回歸分析和MATLAB求解非線性規(guī)劃問(wèn)題。盾構(gòu)渣同步注漿材料的最佳配比為：水膠比0.74、膠砂比0.84、膨潤(rùn)土水比0.11、粉煤灰水泥比2.75。

（3）考慮滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和漿液時(shí)變特性的綜合作用，采用有限差分法分析注漿壓力影響。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)注漿壓力約束在0.18 MPa時(shí)，采用渣漿注漿時(shí)地表沉降和管片變形能得到較好的控制。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-28