卵砾石下伏中等膨胀岩地层土压平衡盾构姿态演化规律*

张亚男 季 昌 周顺华 张世荣

ZHANG Yanan①② JI Chang② ZHOU Shunhua② ZHANG Shirong③



卵砾石下伏中等膨胀岩地层土压平衡盾构姿态演化规律*

张亚男①②季 昌②周顺华②张世荣③

南宁地铁1号线区间盾构隧道局部穿过卵砾石下伏中等膨胀岩地层，为得到盾构在该地层中掘进的姿态演化过程，通过现场实测数据分析了下部膨胀岩地层遇水膨胀后对盾构姿态变化的影响。研究表明：下部泥岩遇水膨胀后与同步浆液混合物包裹于盾构机下方，导致姿态控制困难； 掘进过程中增大上部推力可使盾头姿态下降，但盾构中后部姿态会上升，停机拼装管片时遇水膨胀的泥岩会导致盾头姿态上升； 掘进过程中应保持合理的上下推力差值，并配合采取其他控制技术。

盾构隧道 中等膨胀岩 盾构姿态 现场监测

ZHANG Yanan①②JI Chang②ZHOU Shunhua②ZHANG Shirong③

0 引 言

膨胀岩土主要是由强亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石组成的，是一种具有膨胀结构、多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性黏性土(李雄威等， 2012)，在我国湖北、陕西、云南、广西、河南、江苏等20多个省和自治区均有分布(谭罗荣等， 2006)。随着地铁建设的发展，在膨胀岩土地区将会有越来越多的盾构隧道工程。膨胀岩土是一种典型的“灾害性”土，膨胀岩土遇水体积膨胀，当变形受到约束时会产生较大内应力，对掘进盾构机械和后部成型隧道均会有较大附加外荷载作用； 此外膨胀岩土内含有大量的黏粒成分，极易造成盾构掘进过程中的背土，导致盾构掘进功效滞后，严重时还会导致盾构姿态失控。因此，只有明确膨胀岩土特性对盾构姿态的影响，才能针对性地进行相应的施工控制措施。

目前对膨胀岩土的研究主要侧重于膨胀岩土的自身膨胀机制和本构模型等方面。一些学者通过直剪试验研究了膨胀土强度与含水量的关系(缪林昌等， 1999)； 研究了膨胀土膨胀特性的变化规律(谭罗荣等， 2004)； 利用离心模型试验的方法研究了膨胀土边坡长期强度变形特性和稳定性(陈生水等， 2007)； 在不同约束压力下进行膨胀力和膨胀率试验，结果表明约束压力对膨胀土膨胀性有很大的影响，且约束压力越大，膨胀性越小(罗冲等， 2007)； 通过室内有荷膨胀率试验，研究了膨胀土的膨胀率与压实度、初始含水率、上覆荷载之间的关系(黄斌等， 2011)； 利用颗粒流离散元方法，分析膨胀土路基在干湿胀缩循环下的破坏特征及过程(郑立宁等， 2011)。

在膨胀岩土地区修建地铁区间盾构隧道实例较少，关于膨胀岩土对盾构隧道影响的研究主要依托成都地铁2号线展开。一些学者理论推导了膨胀岩土局部膨胀、层状膨胀、环状膨胀引起的附加荷载计算公式，结合数值计算和现场监测分析了其对盾构隧道衬砌结构内力的影响规律(方勇等， 2013a， 2013b， 2014a， 2014b， 2014c)。上述研究主要偏重于弱膨胀岩土地区膨胀荷载计算和对隧道结构性能的影响，对盾构施工过程并未研究。

南宁盆地内分布有大面积中等膨胀岩层，且上部地层为强透水性卵砾石层，盾构在卵砾石下伏中等膨胀岩地层掘进时的掘进安全与功效面临巨大的考验。为了研究中等膨胀岩土的膨胀特性对盾构姿态的影响规律，本文以南宁地铁1号线某区间盾构隧道工程为背景，通过现场实测数据，重点分析盾构在卵砾石下伏中等膨胀岩土地层掘进时的姿态变化规律，为国内后续中等膨胀岩层盾构隧道工程实践提供参考。

1 工程概况

南宁地铁1号线某区间隧道主要沿城市道路下方敷设，在区间中部下穿某河流，区间全长1943.496m，采用盾构法掘进，左右线中心间距13.5m。线路平面最小曲线半径为500m，最小竖曲线半径为3000m，最大纵坡为24.248‰，最小纵坡为2‰，盾构隧道最大覆土厚度为20.7m，最小覆土厚度为9.3m。左右线均采用海瑞克土压平衡盾构机掘进，盾构机刀盘型式为辐板式，开口率为35%，开挖直径为6.28m，同步注浆管道内置在盾尾钢结构中，直径为50mm，采用4孔注浆， 4个注浆管均与水平、竖直位置呈45°。盾构隧道采用管片拼装式衬砌，由6块管片组成，管片外径6m，内径5.4m，环宽1.5m，采用错缝拼装。

工程场地属邕江北岸Ⅱ级阶地，属侵蚀堆积河谷阶地区，从上至下为填土层、黏性土层、粉土层、砂土层、砾卵石层，以及泥岩层共6层。地质勘查报告表明，该泥岩地层具有膨胀性，其自由膨胀率为24.7%～70.1%，相对膨胀率为0.10～1.75，胀缩总率为2.01%～2.89%，最大膨胀力达100kPa，属于中等胀缩土(广西壮族自治区质量技术监督局， 2007)。盾构穿越的地层有粉质黏土、粉土、粉细砂、中砂、圆砾、卵石、泥岩粉砂质泥岩，其中盾构穿越卵砾石下伏膨胀泥岩地层约占区间总长的1/3。区间沿线地下水主要赋存于圆砾、卵石及砂土层中，属松散岩类孔隙水，具承压性，水量丰富，在丰水期主要为邕江水向地下水补给，而在枯水期地下水向邕江排泄。区间隧道地质纵断面示意图(图1)，其中盾构穿越卵砾石下伏膨胀泥岩地层约占区间总长的1/3。主要地层物理力学性质指标(表1)。

图1 区间隧道地质纵断面图

表1 主要地层物理力学性质指标

Table1 Physical and mechanical parameters of main strata

序号名称密度ρ/g·cm-3压缩模量E/MPa渗透系数/m·d-1黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)⑤1-1圆砾2.06/76034⑤1-2卵石2.07/105037⑦1-1泥岩粉砂质泥岩2.1414.60.015820⑦1-2泥岩粉砂质泥岩2.1716.30.016525

2 现场实测数据分析

2.1 盾构姿态控制原则

盾构掘进施工中需要沿隧道设计线型掘进，其空间位置偏差需保持在一定范围内(中华人民共和国住房和城乡建设部， 2008)。在盾构姿态满足隧道设计轴线要求的基础上，应遵循“频纠偏、小纠偏、不超限”的原则，避免“急纠偏、大纠偏、屡超限”的现象存在，保证地铁隧道的工程质量。盾构掘进过程中偏离设计轴线时，一般通过调整上、下、左、各区的推力来进行纠偏。

2.2 卵砾石下伏中等膨胀岩地层盾构掘进状态概况

在盾构掘进过程中，对盾构姿态进行监测，发现盾构在卵砾石下伏中等膨胀岩地层掘进时，姿态波动较大。如图2所示，盾构掘进1051-1190环时，姿态虽有波动但均在可控范围内； 2015年2月15日掘进至1090环(YSK8+045)时，因春节假期而停机； 2015年2月22日恢复掘进后， 1091环盾头垂直偏差由-19mm升至-1mm，激光靶垂直偏差由-29mm升至-7mm，且两者在此后持续上升，管片在盾尾带动下垂直偏差也持续上升，并出现大量的错台、破损和渗漏水(图3)。

图2 区间右线盾构停机前后盾构姿态变化

图3 盾构姿态失控区段管片错台、破损和渗漏水

此外在盾构恢复掘进后，盾构总推力明显增大，而刀盘扭矩和推进速度则逐渐减小，出现典型的盾构机被“卡住”或“裹住”的现象(图4)。这是由于盾构外壳阻力增大导致总推力增大，而刀盘结泥饼使得刀具贯入度减小导致刀盘扭矩减小，进而导致推进速度减小。

图4 区间右线盾构停机前后掘进参数变化

表2 卵砾石下伏中等膨胀岩地层盾构姿态统计

Table2 Statistics of shield attitude in complex strata of gravel-cobble and medium expansive rock

允许偏差值按照±50mm控制

在卵砾石下伏中等膨胀岩地层的其他掘进区段，盾构姿态未出现失控情况，但盾构姿态偏差均较大(表2)。

2.3 卵砾石下伏中等膨胀岩地层盾构推力与姿态变化规律

盾构恢复掘进出现姿态持续上升后，为了控制盾构姿态偏差，采取常规措施即增大上部推力以增大上下推力差值的方法，期望将盾构姿态“压”回设计轴线。但在施工过程中发现上部推力越大即上下推力差值越大，盾构姿态反而上升更快。将盾构垂直偏差变化速度进行定义，如式(1)：

(1)

式中，yi为第i环的垂直偏差； yi-1为i-1环的垂直偏差。

由此可以得到盾头和激光靶的垂直偏差变化速度与该环上下推力差值的变化曲线及趋势图(图5～图8)。

图5 盾头垂直偏差变化速度与上下推力差值变化曲线

图6 激光靶垂直偏差变化速度与上下推力差值变化曲线

图7 盾头垂直偏差变化速度与上下推力差值变化趋势

图8 激光靶垂直偏差变化速度与上下推力差值变化趋势

在增大上下推力差值后，盾头的垂直偏差并没有如期的下降(图5、图7)，反而是激光靶的垂直偏差变化速度与上下推力差值有着良好的正相关性(图6、图8)。即在卵砾石下伏中等膨胀岩地层增大上下推力差值后，由于下部的膨胀岩层的膨胀特性或整体强度较大的原因，盾头垂直偏差并不能如期的下降，而上部的地层较为松散，则给盾构中后部提供了上升的条件，且在该地层中上下推力差值越大，激光靶即盾构中后部的垂直偏差上升越快。

2.4 盾构姿态实时变化规律

盾构掘进过程中的姿态是一直在变化的，而上一节中的盾构姿态均为一环掘进完成后的盾构姿态，因此不能反映盾构在掘进过程中姿态的变化过程。为了揭示在卵砾石下伏中等膨胀岩地层增大上下推力差值不能使盾构姿态下降的原因，需要对盾构掘进过程中的姿态变化进行研究。

区间右线1116～1120环盾构掘进过程中的姿态进行了记录(图9，图10)。图中每条线分别记录了盾构掘进2环的垂直偏差变化情况，横坐标中的0～1表示盾构掘进第1环， 1～2表示盾构掘进第2环，其中盾构在横坐标1位置处掘进完成第1环后停机拼装管片，之后再继续掘进下一环，纵坐标分别表示盾头和激光靶的垂直偏差。

图9 盾构掘进过程中盾头垂直偏差变化趋势

图10 盾构掘进过程中激光靶垂直偏差变化趋势

在上下推力差值的作用下，盾头垂直偏差在掘进过程中呈下降趋势，如图9 中的0～1阶段和1～2阶段，说明上一节中盾头垂直偏差不能如期下降的原因并非下部膨胀岩整体强度较大。当盾构处于一环掘进完成而进行管片拼装的位置处，盾头垂直偏差则发生突变，突然上升； 这是因为下伏的泥岩地层具有中等膨胀特性，盾构开挖后地层原有的平衡状态被破坏，同时上部卵砾石地层中的空隙给地下水进入提供了良好的通道，下方的泥岩遇水之后发生膨胀而产生较大的力，在拼装管片时把盾头“顶”上去，当盾构进行下一环掘进时盾头的初始垂直偏差已大于上一环的盾头结束垂直偏差，因而在1环位置处变现为突然上升。激光靶的垂直偏差在两环之间变化不大，这是因为盾构中后部由于有管片的约束，同时也因为该处的泥岩在之前的掘进过程中已经发生一定的膨胀，因而在该处激光靶的垂直偏差上升不明显。

2.5 卵砾石下伏中等膨胀岩地层膨胀特性作用下盾构姿态演化过程

卵砾石下伏中等膨胀岩地层中盾构在膨胀特性作用下的姿态演化过程(图11)。

图11 卵砾石下伏中等膨胀岩地层盾构姿态演化过程

盾构姿态演化规律为：

(1)卵砾石下伏中等膨胀岩地层中，盾构垂直姿态控制难度较大，掘进过程中出现盾构机轴线高于设计轴线情况，盾构垂直偏差较大(图11a)。

(2)为减小盾构垂直偏差，使盾构机轴线靠近设计轴线，增大上部推力迫使盾构机低头； 上部推力过大时，可能会导致后方管片出现错台甚至破损(图11b)。

(3)地下水通过上部卵砾石地层中的空隙流入到盾构机下方，下伏的膨胀岩遇水膨胀，产生较大的力，在盾构停机进行管片拼装时导致盾头上移(图11c)。遇水膨胀的泥岩黏附在盾构机下方，随盾构掘进，导致盾构掘进状态难以控制。

该过程中，盾构前后的姿态均为上升，导致增大上部推力后，盾构姿态非但没有下降，反而相比之前的垂直偏差更大。该过程不断循环，便有可能导致盾构姿态持续上升而失去控制，发生类似区间右线的事故，而不得不重新设计隧道轴线。

在右线区间施工完成后，对盾构机进行检查，发现盾构机外壳下方包裹着较厚的泥岩和同步浆液的混合物，如图12 所示，表明盾构在掘进过程中携带泥岩前进； 同时如图13 所示，盾构机土仓下部的油漆在掘进完成之后仍清晰可见，说明土仓曾经被泥岩长时间黏附而磨损较小，这也可以佐证盾构机下部携带泥岩的情况。这便可以解释盾构恢复掘进后出现的盾构机被“卡住”或“裹住”的现象，也可以验证盾构姿态的演化过程。

图12 盾构机下方的泥岩与同步浆液混合物

图13 盾构机土仓

3 卵砾石下伏中等膨胀岩地层施工控制技术

为了抑制区间右线盾构姿态的持续上升，现场采取了一系列的施工控制技术，其中下列措施对于控制盾构姿态具有一定的效果：

(1)避免在卵砾石下伏中等膨胀岩地层停机。 如有必须停机的情况，需提前调整施工进度，选择在其他地层停机。区间左线春节期间停机位置处于全断面卵砾石地层中，因此后续掘进过程中盾构姿态基本处于控制标准以内。

(2)盾构机从其他地层进入卵砾石下伏中等膨胀岩地层中时，要保持盾构推力的平稳变化，不可突然增大上部推力。

(3)掘进过程中保持上下推力差值稳定； 停机前盾构以23‰的坡度上坡掘进时，上下推力差值在-1500kN上下浮动时，盾构姿态基本在控制标准以内。

(4)掘进中发现推进行程在1200mm以下，姿态变化缓慢，但行程超过1200mm后姿态上浮变化大； 要求推进至1.2m后停机依次收放下部油缸，再次紧固管片螺栓； 每环推进行程至1700mm就进行管片拼装。

(5)前盾增加30t配重(1200块砝码，每块25kg)，堆放位置靠近土仓隔板，恢复掘进后变化趋势略微变缓。若后续工程出现盾构上漂情况，在具备条件时可采取增加配重的措施。

(6)提高同步浆液性能，实现快速初凝，掘进中在脱出盾尾第四环管片上部注入双液浆，停机时禁止注入。

(7)保证盾构机开挖面支护压力与外部压力平衡，土压力比尽量维持在1.01～1.05之间。

(8)尽量减少拼装管片所用时间，以缩短下伏膨胀岩的膨胀过程。

4 结 论

本文通过现场数据分析，研究了盾构在卵砾石下伏中等膨胀岩地层中的姿态演化规律，得出如下结论：

(1)盾构在卵砾石下伏中等膨胀岩地层掘进开挖后，地下水通过上部地层中的空隙进入盾构下方引起下部地层产生膨胀，膨胀后的泥岩与同步浆液的混合物包裹在盾构机下方，导致盾构姿态控制难度较大，需要实时监测盾构姿态并及时进行调整，防止盾构出现姿态失控及管片错台、破损、漏水等情况。

(2)当盾构姿态高于设计轴线时，掘进过程中通过增大上部推力可以使盾头姿态下降，但盾构中后部姿态会上升； 盾构停机拼装管片时，遇水膨胀的泥岩会导致盾头姿态上升，是盾构姿态持续上升的根本原因。因此应尽量保持盾构连续掘进，减少管片拼装时间，以减少盾构在膨胀荷载作用下的垂直姿态上升量。

(3)在卵砾石下伏中等膨胀岩地层掘进时，应保持合理的上下推力差值，并注意采取有效的控制技术，以保证盾构姿态的稳定和成型隧道的质量。

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喜马拉雅山地区重大地质灾害遥感调查研究

童立强 祁生文 安国英 刘春玲 著 科学出版社

内容介绍

本书介绍了西起阿里地区札达县、葛尔县,东侧以雅鲁藏布江为界,北界为雅鲁藏布江大断裂,南至国界的广大喜马拉雅山地区的重大地质灾害遥感调查成果。从遥感信息源、图像处理、地质灾害分类、地质灾害遥感解译等方面详细介绍了地质灾害遥感调查技术路线；从气候环境特征、地形地貌环境特征、植被类型及盖度、土地利用特征等方面详细分析了区内地质灾害发育的区域环境特征；从断裂特征、地层与岩性、工程地质岩组、新构造运动与地震等方面详细分析了区内地质灾害发育的区域地质特征；根据遥感调查结果分析了地质灾害分布特征；从10个方面分析了滑坡区域发育规律,从18个方面分析了泥石流区域发育规律,从5个方面分析了崩塌区域发育规律；详细介绍了区内溃决冰湖分布情况和产生的灾害情况,总结分析了冰湖溃决影响因素；详细介绍了区内重大地质灾害隐患分布及可能影响区域；建立了区域地质灾害易发性评价和危险性评价数学模型。本书可为西藏喜马拉雅山地区减灾防灾工作提供基础数据和科学决策依据。

本书可供从事工程地质、水文地质、环境地质、区域地质等相关领域的本科生、研究生以及生产、科研人员使用。

JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 0806- 09

EVOLUTION LAWS OF EARTH PRESSURE BALANCE SHIELD ATTITUDE IN MEDIUM EXPANSIVE ROCK UNDERLYING GRAVEL-COBBLE LAYER

The Nanning metro line 1 partly passes through the complex strata of gravel-cobble and medium expansive rock. In order to obtain the evolution process of shield attitude when tunneling in this complex strata， the influence of water-swelling expansive rock on shield attitude is analyzed by measured data. The result shows that the mixture of water-swelling mudstone and synchronous grout can adhere under the shield when encountering water， and makes it difficult to control the shield attitude. The attitude in head part of shield can be descend by enlarge shield thrust in upper region when tunneling. But the attitude in postmedian of the shield can ascend. The water-swelling mudstone can raise the head part of shield when assembling shield segments. The thrust difference between upper and lower regions should be kept in a reasonable value when tunneling. Other control measures should be taken as well．

Shield tunnel， Medium expansive rock， Shield attitude， Field monitoring

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.009

2016-05-30;

2016-08-17.

张亚男(1990-)，男，硕士，助理工程师，从事工程设计工作. Email：zhangyanan_1990@163.com

P642

A