土压盾构在富水粉砂地层中浓泥渣土改良技术研究

莫振泽,王梦恕, 罗跟东， 王 辉， 钱勇进

(1. 北京交通大学土木与建筑工程学院, 北京 100044； 2. 无锡地铁集团有限公司, 江苏 无锡 214000; 3. 中铁十七局集团有限公司， 山西 太原 030006； 4. 河海大学土木与交通学院， 江苏 南京 210098)

0 引言

目前，盾构在地铁和隧道工程中应用越来越广泛[1]，尤其是土压平衡盾构，其在地铁工程中应用越来越广泛，而泥水盾构则是在越江海底隧道等地层条件较差的环境中应用较多[2-3]。盾构穿越富水粉砂地层时，经常会发生开挖舱及螺旋排土器闭塞，土压、盾构推力及转矩参数发生大的波动，进而造成开挖面前后一定范围内出现大的隆沉现象[4-6]。无锡地铁新线建设过程中多区间遇到富水粉砂地层，同时上部有重要的建筑及构筑物，对开挖面的稳定以及地面隆沉控制提出了非常高的要求。

在富水粉砂地层施工过程中，进行土体改良，便于土压盾构螺旋排土，提高掘进效率。目前关于渣土改良的研究，多集中在改良后渣土的性质方面。郭涛[7]使用气泡对渣土进行改良，找出气泡改良土达到塑性流动状态时气泡的基本指标及评价方法； 魏康林[8]使用泡沫及膨润土对土体进行改良，研究2种外加剂对土体作用的内在机制，并给出了不同性质的地层使用何种外加剂的建议； 王海波等[9]发现改良渣土的等效粒径与其渗透系数呈正相关关系，并且泡沫注入体积达到一定量时改良渣土的渗透系数趋于稳定。这些研究大多都是对土体改良后渣土的性质及状态进行研究，较少有人研究土体改良对开挖面的稳定及地层沉降的影响。泥水盾构通过泥浆加压在开挖面渗透形成泥膜，达到维持开挖面稳定的目的。目前关于泥浆渗透成膜方面的研究，多集中在泥浆性质对成膜的影响方面。T.Watanabe等[10]认为随着泥浆密度的增加，泥浆滤失量逐渐减小； P. Fritz[11]在高渗透性砂地层中试验时发现，向泥浆中加入砂、蛭石及高分子添加剂可以有效满足泥浆成膜的要求； 闵凡路等[12]研究发现，使用高密度及高黏度的泥浆可以快速形成泥皮型泥膜； 钱勇进等[13]在砂卵石地层添加泥浆混合渣土后进行渗透试验发现，当泥浆达到一定添加量时会在开挖面形成泥膜效应。这些研究主要针对泥浆在高渗透性地层中对渗透成膜的影响，但对成膜后掘进时的携渣效率及泥浆对渣土排出的影响方面较少有人研究。

本文提出一种新型的浓泥渣土改良技术。该技术区别于土压盾构在土舱中注入少量稀泥浆或气泡进行渣土改良，浓泥渣土改良技术一方面借鉴泥水盾构泥膜支护开挖面的原理，同时结合土压盾构螺旋排土器进行排土。其关键在于能否在开挖面前方地层中形成泥膜效应，达到稳定开挖面、提高土舱开挖面气密性避免压力损失及地下水渗流引起的地表沉降过大的问题。在粉砂性地层中选择试验段开展浓泥渣土改良技术现场适应性试验，研究盾构掘进过程中地层孔隙水压力、盾构掘进参数、舱土流动状态以及地层隆沉的变化规律。

1 工程概况

1.1 水文地质条件

无锡地铁3号线永乐东路站—金海里站区间盾构由永乐东路站始发，线路出永乐东路站后以小半径400 m曲线段转入长江北路，后直行进入金海里站。区间长度约852.76 m，主要穿越富水粉砂层(占总盾构区间线路长度50%以上)，最大覆土深度为16.1 m，最小覆土深度为10.5 m。隧道穿越区间地层主要为④1粉质黏土、④2粉砂、⑤1粉质黏土、⑥1黏土。隧道地质剖面及地层物理力学参数分别如图1和表1所示。

图1 隧道地质剖面Fig. 1 Tunnel geological profile

场地地下水主要为潜水，潜水稳定水位埋深在地面下0.78～1.50 m。地下水主要接受大气降水的入渗补给，同时接受沿线地表水的渗漏补给。地下水径流条件良好，盾构穿越砂层渗透系数在3 m/d左右。穿越区间含有微承压水，含水层赋存于④1粉质黏土、④2粉砂层中，其隔水顶板一般为③1黏土、③2粉质黏土，隔水底板为⑤1粉质黏土、⑥1黏土，主要补给来源为潜水和地表水。

1.2 周边环境

隧道主要下穿无锡市电信局兴竹分局、太湖大道隧道、欧尚超市、冷渎港河、长江北路等。区间轮廓距欧尚超市约5.5 m，距长江路1号桥1.5～7.1 m。道路两侧管线密布，施工过程中若地面沉降过大可能造成路面开裂、道路两侧管线损坏、隧道沿线各建(构)筑物的不均匀沉降，严重时可导致建筑物失稳。④1粉质黏土及④2粉砂层为微承压含水层，具有一定的水头压力，在施工过程中易产生流砂、涌砂现象，导致发生盾构开挖面失稳及地表沉降过大的风险，对工程安全及周边施工环境影响控制提出很高的要求。

1.3 盾构选型

本工程根据上述地质条件等要求，选用直径为6.44 m的土压平衡盾构，盾构主要技术参数如表2所示。盾构刀盘中心处设置1个注浆孔，刀盘边缘处沿着圆心对称设置4个注浆孔，用于掘进过程中向地层注入试验泥浆。

表2 φ6.44 m土压平衡盾构主要技术参数Table 2 Main technical parameters of φ6.44 m EPB shield

2 现场试验方案

2.1 试验区域选择及孔压计埋设

选取离盾构接收段前670环至680环的砂地层作为现场试验段。选取2个试验监测段区域，其中674、675环为正常未添加试验泥浆掘进区，676、677环为掘进过程中添加试验泥浆掘进区，监测盾构掘进至其断面前孔隙水压力的变化情况，监测断面平面布置如图2所示。孔隙水压力变化使用预先埋设的孔压计进行读取，孔压计使用0～200 kPa的振弦式传感器，可实时精确测量地层中孔隙水压力的变化。孔压计埋设深度为地表下17～18 m，处于盾构刀盘所在深度范围，钻孔使用阿特拉斯T40钻机进行，孔径80 cm，钻孔完成后立即将孔压计埋设至相应深度处，埋设完成后向孔内填入粗砂并压实，粗砂埋至距离地表2 m时，使用水泥浆对钻孔顶部进行密封。孔压计埋设过程如图3所示。

KX01—KX03和KY01—KY03为监测点编号。

(a ) 钻机钻孔

(b) 放置孔压计图3 孔压计埋设过程Fig. 3 Embedding process of pore pressure device

2.2 现场试验内容

2.2.1 现场泥浆添加方案

根据现场土压平衡盾构的泵送能力和管路的泵送功率，考虑到粉砂地层渗透性大的特点，在676、677环管片掘进过程中，注入排出渣土体积量10%左右的泥浆。通过试验可知，在注入4 m3/环试验泥浆后，渣土的流动性得到有效提高。现场泥浆配制的主要材料为膨润土、黏土、羧甲基纤维素钠(CMC)及清水，根据现场的地层条件进行试验后，确定泥浆配制的基本参数如下： 密度为1.20 g/cm3，黏度为55 s，24 h泌水量为0，泥浆的代表粒径d85为60 μm[14]。

2.2.2 现场数据监测及记录

现场孔隙水压力变化数据使用与孔压计配套的振弦式频率读数仪进行记录，在盾构掘进过程中每隔5 min读取一次数据并记录，在盾构停止掘进时每隔20 min读取一次孔隙水压力，持续监测并记录试验环(673—678环)盾构管片在掘进过程中开挖面前方孔隙水压力的变化数据。为研究施工过程中浓泥浆对掘进参数的影响，对试验段盾构掘进时刀盘的转矩、推力、掘进速度进行记录，渣土排出过程中对渣土进行坍落度试验，记录渣土的流动性变化。在667环以及677环地表轴线设置沉降观测点，监测盾构掘进过程中地表沉降变形。

3 试验结果及分析

3.1 孔隙水压力随时间变化规律

土压盾构掘进施工过程中，地层沉降变化受多方面因素的作用，其中盾构开挖时对地层的扰动对地层沉降具有重要的影响。盾构试验段穿越砂地层，该地层属隔水层，地层隔水顶板及底板为黏土层及粉质黏土层，因而在盾构施工过程中，开挖面对地层的扰动将产生较大的孔隙水压力，如图4所示。

图4 孔隙水压力随时间的变化曲线Fig. 4 Variation curves of pore pressure vs. time

由图4可知: 在盾构正常掘进过程中，因开挖面对地层的扰动，孔隙水压力快速增加，最大超静孔隙水压力波动范围为60～100 kPa。同时可以发现,在盾构停止掘进后，地层中的孔隙水压力快速减小并恢复至初始值。随着盾构刀盘掘进至孔压计所在管片环位置时，孔隙水压力随着管片环数增加而逐渐变大，其最大值从673环的137 kPa变化至675环破坏时的178 kPa，说明随着刀盘与孔压计距离的减小，孔隙水压力的最大值逐渐变大。而当添加泥浆进行掘进时，孔隙水压力的最大值变化减小，泥浆添加后可以有效使地层孔隙水压力变化减小。说明在盾构掘进过程中，由于泥浆添加后地层中孔隙淤堵，阻碍了开挖面前方超静孔隙水压力消散至地层中，形成类泥膜的效果，减小了盾构开挖对地层的扰动。

3.2 孔隙水压力随距离变化规律

孔隙水压力的变化不仅随盾构掘进时间变化，还随着孔压计及刀盘间距离变化而变化。因盾构停止掘进时，加泥浆与未加泥浆引起的孔隙水压力均保持在初始值附近小幅波动，对盾构掘进过程中孔压变化量与孔压计距刀盘之间的距离进行研究，以KX02及KX03监测点为例，分析未添加泥浆与添加泥浆掘进施工中孔隙水压力变化规律，如图5所示。

图5 孔隙水压力随距离变化曲线Fig. 5 Variation curves of pore pressure vs. distance between pore pressure device and cutterhead

选取刀盘距离孔压计600～2 000 mm孔隙水压力的变化进行分析，此范围内孔压的变化非常明显。随着孔压计距刀盘距离的减小，孔隙水压力值逐渐增大，其中KX02监测点记录未添加泥浆时地层孔隙水压力的变化，随着掘进距离不断减小，孔隙水压力值在135～155 kPa变化； KX03监测点记录添加泥浆后地层孔隙水压力的变化情况，孔隙水压力值变化范围为120～140 kPa。相同距离情况下，地层中孔隙水压力值存在较大差异，最大可相差20 kPa。添加泥浆后地层孔隙水压力变化量明显减小，说明盾构施工过程中，因为泥浆的添加，开挖面存在泥膜效应，使得地层中超静孔隙水压力变化量减小，盾构开挖对地层的扰动明显减小。

3.3 掘进参数的变化规律

3.3.1 转矩与推力间的相关性

盾构掘进过程中主要相关的掘进参数有转矩、推力、掘进速度及土舱压力等。图6所示为未添加泥浆以及添加泥浆后盾构推力与转矩之间的相关关系，可以看出刀盘的转矩与盾构推力之间呈现出一定的相关性[5]。在相同的推力范围内，未添加泥浆正常掘进时，刀盘的转矩维持在3 200～4 500 kN·m； 添加泥浆进行掘进时，刀盘转矩明显减小，维持在2 600～4 000 kN·m。可以认为添加泥浆后，泥浆在开挖面起到润滑作用，盾构掘进时的转矩大大减小。

图6 转矩与推力之间的关系Fig. 6 Relationship between torque and thrust

3.3.2 转矩与掘进速度间的关系

盾构在试验地层掘进过程中，掘进速度与转矩之间的关系如图7所示。盾构在正常掘进过程中，刀盘转矩与掘进速度之间也呈现出正相关关系，随着掘进速度的增加，刀盘转矩逐渐增大。在盾构保持正常掘进速度时，未添加泥浆掘进时刀盘的转矩维持在3 200～4 500 kN·m，添加泥浆后刀盘转矩也发生明显降低，主要维持在2 500～4 000 kN·m，并且添加泥浆后转矩与掘进速度间相关性进一步提高。在相同掘进速度下，泥浆添加后盾构掘进刀盘的转矩比未添加泥浆时要小。

图7 转矩与掘进速度之间的关系Fig. 7 Relationship between torque and driving speed

3.3.3 渣土的流动性

盾构施工的排土过程对渣土的流动性有一定的要求，在砂地层中由于地层渗透系数高，摩擦角较大，因而在排土过程中易发生闭舱、喷涌等风险。通过对排出渣土的流动性进行实时监测，可以较早地采取相应措施降低闭舱及喷涌的风险。图8所示为未添加泥浆及添加泥浆后土舱排出渣土坍落度的变化。通过坍落度试验可以发现，未添加泥浆掘进时，土舱中渣土的坍落度平均值为7.5 cm，添加泥浆后，土舱中渣土坍落度平均值为14.5 cm。添加泥浆后渣土的流动性得到显著提高。

(a) 未添加泥浆(b) 添加泥浆

3.4 地表沉降曲线

盾构施工时，开挖面水土压力的变化直接关系到地层的稳定性。图9所示为667环及677环管片监测点地表沉降变化曲线，其中667环监测点未添加泥浆，677环监测点添加泥浆。

图9 地表沉降曲线Fig. 9 Curves of ground settlement

监测过程中，隧道壁后注浆材料及注入量均无明显差异。未添加泥浆的测点地表沉降量较大，长期稳定后的沉降值在6 mm左右。添加泥浆后测点的地表沉降量较小，长期稳定后的沉降值在4.4 mm左右，减小26.7%。当刀盘到达监测点时，由于地层水土压力的差异，其地表沉降表现出一定的差异，由于泥浆添加后地层中孔隙水压力变化较小，因此对地层扰动较小，故监测点地表沉降较小。

4 结论与建议

1)在富水粉砂层掘进过程中，通过注入浓泥浆能够有效改善渣土的坍落度，降低或避免盾构掘进过程中的闭舱和喷涌风险，同时减小盾构掘进过程中土压、推力及转矩的变化波动。

2)通过向地层中注入浓泥浆后，泥浆在开挖面形成泥膜效应，可以有效降低盾构掘进过程中引起的孔隙水压力变化，减小掘进完成后地层的沉降。

3)通过浓泥渣土改良可以有效地进行开挖面稳定控制，同时对渣土进行改良。但现场试验仍存在如现场孔隙水压力及沉降监测点少、孔压计测量值有一定的波动、现场泥浆添加量单一等不足，本文仅讨论浓泥渣土改良技术对现场适用性的可能性。在今后的研究中，有必要对泥浆添加量、现场孔隙水压力变化进行系统的试验研究，以期产生更有价值的研究成果，更好地指导富水粉砂层盾构施工。