全风化岩层渣土改良对盾构隧道开挖面稳定性的影响

加武荣,张孟喜,邹文豪,3,张晓清

(1.中铁二十局集团有限公司,广东 广州 511400；2.上海大学 土木工程系,上海 200444；3.上海申通地铁集团有限公司,上海 200010)

近年来,随着我国城市建设不断发展,各大中城市地表空间不断减少,而城市交通流量却持续增加,中心城区地下空间的开发日渐趋于主流。由于土压平衡盾构隧道具有施工快捷、地层适用范围大、对城市商业和交通功能影响较小等优势,已逐渐代替传统明挖隧道[1]成为国内外隧道工程中普遍使用的开挖方式。

土压平衡盾构机主要由刀盘、螺旋输送机、推进装置、盾尾等组成[2]。土压平衡盾构机中有一密封挡板,其与盾壳、刀盘和螺旋输送机共同组成土仓部分。倘若刀盘切削下来的渣土未经改良,其和易性与透水性通常较差,压力传递能力低,会导致顶推力和刀盘扭矩急剧增大,致使掘进成本增加[3-8]。因此,为保证盾构正常推进、维持开挖面土压力平衡,需将土仓内渣土进行改良,使其具备较好和易性。

本文以佛莞城际铁路工程为依托,添加泡沫剂对全风化岩层渣土改良，开展不固结不排水三轴试验并结合数值模拟方法,分析改良渣土对开挖面稳定性与地层变形的影响,为土压平衡盾构在全风化岩层中安全掘进提供指导。

1 现场试验

1.1 试验材料

试验填料为从工程现场取回的全风化二长花岗岩,褐红色、褐黄色,原岩已风化成土状,浸水易软化、崩解。土从现场取回后烘干,并重新按现场实测含水率向土中添加水。土的物理力学性能指标见表1,级配曲线见图1。泡沫剂采用国产某新型泡沫剂,泡沫浓度为3%，发泡倍率为15,半衰期为10 min。

表1 土的物理力学性能指标

图1 土的级配曲线

1.2 试验仪器

本次三轴试验所用三轴仪为南京电力自动总厂生产的应变控制式常规三轴仪(SJ-1A型)。该三轴仪由压力室、量测系统和试验机3部分组成。采用TSW-3数据采集系统进行数据采集和处理。渗透试验装置在常规变水头试验装置的基础上进行了改进,见图2。

图2 渗透试验装置

1.3 试验方法

不排水不固结三轴试验所用改良剂为施工现场盾构机内取回的泡沫剂,发泡压力为0.3 MPa,泡沫剂溶液浓度为5%,改良后的渣土主要由渣土和气泡组成,为非饱和土,故采用三轴快剪试验研究不同泡沫比对渣土改良效果的影响。

1.4 试验结果分析

1.4.1 主应力差-应变关系

不同泡沫比时渣土主应力差-应变曲线见图3。可见：在围压100 kPa时,泡沫比10%改良渣土的主应力差比未改良渣土减小约50%左右；围压200 kPa时泡沫比10%改良渣土的主应力差比未改良渣土减小50%左右。

图3 不同泡沫比时渣土主应力差-应变曲线

1.4.2 抗剪强度

用最小二乘法拟合渣土抗剪强度曲线,求得每种渣土的抗剪强度,见表2。

由表2可知：改良渣土的黏聚力和内摩擦角比未改良渣土低。泡沫比10%的改良渣土的黏聚力和内摩擦角比未改良渣土分别减少4.07 kPa,8.44°。泡沫比为20%的改良渣土比未改良渣土的黏聚力和内摩擦角分别减少9.72 kPa,11.18°。泡沫剂含量越高,改良渣土的黏聚力和内摩擦角降低幅度越大。

表2 渣土的抗剪强度

1.4.3 渗透性

不同泡沫比时渣土渗透系数时程曲线见图4。可见：加入泡沫后,对渣土的渗透性能改良效果显著。未改良渣土的渗透系数约为泡沫比10%改良渣土的10倍；泡沫比10%的改良渣土在未静置的情况下,其渗透系数约为泡沫比30%改良渣土的1倍。

图4 不同泡沫比时渣土渗透系数时程曲线

2 有限元数值分析

2.1 模型的构建

为分析不同埋深和泡沫比对开挖面稳定性的影响,模型选取C/D=1.2,C/D=2.4,C/D=3.6(C为隧道埋深,D为隧道直径)3种埋深比。模型宽69 m、纵深30 m。对盾构机和渣土进行简化,分析开挖面支护压力和地表沉降。盾构机半径为8.5 m,有限元计算模型见图5。

图5 有限元计算模型

2.2 计算结果与分析

2.2.1 支护压力的分布

开挖面竖向支护压力变化曲线见图6。可见：支护压力沿开挖面竖向呈非线性变化；在刀盘开口处(建模中假设A,B位置开口)出现应力集中现象;随着埋深的增大,支护压力逐渐增大。

图6 开挖面竖向支护压力变化曲线

2.2.2 渗透系数对孔隙水压力的影响

开挖面前方孔隙水压力随渗透系数的变化曲线见图7。可见：随着改良渣土渗透系数的增大,开挖面前方孔隙水压力显著减小。表明渣土经泡沫改良后可有效降低地下水(或承压水)对开挖面的渗透作用。

图7 孔隙水压力随渗透系数的变化曲线

2.2.3 地表沉降

图8 开挖面上方地表沉降曲线

开挖面上方地表沉降曲线见图8。可见：地表出现明显的沉降槽,在顶推力相同且满仓条件下泡沫比对地表沉降有显著影响。泡沫比越大,开挖面上方地表沉降越大。此外,随着埋深比的增大,沉降槽宽度有增加的趋势,最大沉降量逐渐减小。该趋势与实际相符。

3 改良效果验证

在佛莞城际铁路盾构掘进中,采用土压平衡模式时土仓内土压设定值过高,加之渣土改良不到位,导致切削下来的渣土不能顺利通过螺旋机排出,在土仓内堆积挤压,密实度和密度越来越大,最终形成泥饼。

为改善渣土的和易性,在刀盘和土仓内加入水、膨润土以及本次试验所用的泡沫剂。由于三者具有膨化、润滑、降低附着力、降低砂土和刀盘刀具温度的作用,最终渣土被顺利排出(如图9所示)。

图9 渣土改良前后的出渣情况

4 结论

1)不同泡沫比的渣土主应力差-应变曲线均呈指数型。渣土抗剪强度随泡沫比的增大而减小。

2)开挖面竖向支护压力呈非线性变化。随着泡沫比的增大,开挖面竖向支护压力减小。随着土体渗透系数的增大,开挖面前方孔隙水压力呈减小趋势,土仓内渣土经泡沫改良后可降低地下水对开挖面的渗透作用。

3)在顶推力一定且土仓处于满仓状态下,渣土中泡沫比越大,地表沉降越大；采用相同泡沫比的渣土时,开挖面上方地表沉降随埋深的增大而减小。