饱和砂层泥水平衡盾构隧道开挖面稳定研究

蒋加兵，陈子龙，徐 涛

(1.中建四局第五建筑工程有限公司，广东 深圳 518000；2.航天江南集团有限公司，贵州 贵阳 550009；3.澳门大学 土木与环境工程学系，澳门 999078)

0 引 言

盾构技术已被广泛应用于城市，特别是城市历史街区和建筑密集区等需要严格控制地面变形区域的地铁隧道建设中。当盾构隧道位于高水压、高应力环境下的饱和砂层中时，如越江、越河和跨海隧道，开挖面的稳定性尤其重要。开挖面支护压力过小可能导致地下水涌入压力仓，导致开挖面倾塌；支护压力过大会造成地面挤出破坏。开挖面支护压力设计或控制不当造成的安全事故时有发生，特别是隧道开挖面失稳造成的地面结构物破坏、路面塌陷等事故屡见不鲜。2018年2月7日佛山市地铁二号线隧道透水事故，造成11人死亡；2018年1月25日广州市轨道交通21号线突发坍塌事故，死亡3人。在这种地层条件下，压力泥浆通常用来平衡盾构隧道开挖面上的水土压力，以稳定开挖面。压力仓中的压力高于地层中的静水压力，泥浆会向地层中入渗。在这种情况下，部分有效支护力转化为超孔隙水压力，使开挖面上有效支护压力减小，降低开挖面稳定性。在一些隧道的掘进过程中，超孔隙水压力已被监测到，例如荷兰第二Heinenoord隧道、绿心隧道、阿姆斯特丹南北线隧道、上海中环穿越黄浦江隧道等[1-4]。因此，合理的压力设计对开挖面稳定至关重要。

N.HORN[5]首次提出了的盾构隧道开挖面稳定的仓筒理论，如图1。随后，这一极限平衡法被很多学者采用并发展[6-8]。最近，黄阜等[9]、吕玺林等[10]、P.PERAZZELLI等[11]采用极限平衡法分析了开放式盾构隧道开挖面渗流对支护压力的影响，并提出了支护压力的上限解。但是，泥水平衡或土压力平衡盾构隧道，掘进产生的地下水流方向和掘进方向相同，这和开放式盾构隧道掘进产生的地下水流方向相反。另外，地层条件(如均质含水承压层和半封闭含水承压层)也会影响开挖面上的水力梯度并影响渗流。另据试验表明，在掘进过程中，由于泥浆和开挖土体的混合物填充盾构机和开挖面之间的间隙，开挖面上没有泥膜形成[12]。泥浆的入渗距离随混合物中土颗粒的含量增加而增加，开挖面上的有效支护压力和有泥膜形成的情况有所不同。

笔者采用极限平衡法和超孔隙水压力计算模型，并结合室内泥浆入渗试验结果，分别分析土体强度、地层条件和泥浆入渗对开挖面支护压力和微观稳定的影响。

1 计算模型

1.1 模型建立

楔形体模型的基本框架如图1。楔形体力学平衡示意如图2。

图1 楔形体模型

图2 楔形体力学平衡

1.1.1 支护力E(θ)

支护力E(θ)按式(1)计算[13]：

(1)

式中：G为楔形土体A′B′C′D′E′F′自重，kN；Pv为楔形土体上方块体C′D′E′F′K′L′M′N′自重产生的竖向均布荷载，kN;θ为楔形土体倾斜面与水平面的夹角，(°)；φ′为开挖面区域土体的有效内摩擦角，(°)；c为开挖面区域土体的黏聚力，kPa；T为作用在楔形土体倾斜面上的剪切抵抗力，kN；D为隧道直径，m。

图3 临界倾斜角确定

1.1.2 楔形体重力G

(2)

式中：γ2,av隧道开挖面土体平均重度，kN/m3。

1.1.3 楔形体上方土块竖向荷载Pv

(3)

式中：σv, crown隧道顶部总竖向应力，kPa。

1)当隧道顶部深度tcrown≤ 2D时[13]

σv(z)=γ1,av·z

(4)

式中：γ1,av隧道底部土体的平均重度，kN/m3；z为深度，m。

2)当tcrown>2D时[13]

(5)

式中：A为仓筒C′D′E′F′K′L′M′N′横截面积，m2；U为仓筒横截面边长，m；K1为仓筒横截面积范围内的侧向土压力系数。

1.1.4 楔形体A′B′C′D′E′F′三角平面上的抵抗力T[13]

(6)

(7)

式中：K0为楔形土体上方块体顶部的侧向土压力系数；Ka为朗肯侧向土压力系数。

1.2 案例分析

以一个直径D=10 m，上覆土层C=20 m，支护压力E=50 kPa，水位线位于地下3 m，有效重度γ′=11 kN/m3，干重度γd=17 kN/m3，饱和重度γs=21 kN/m3，黏聚力c=0 kPa，有效内摩擦角φ′=36°的现场为例，根据图4开挖面E、θcr和φ′的相关关系可知：模型预测的支护压力E随土体有效内摩擦角φ′的增大而变小；临界倾斜角θcr随内摩擦角φ′的增大而增大。表明：对于无黏性土而言，土体强度越高，所需支护压力越小；开挖面临界倾斜角越大，作用在开挖面上的土压力也越小，所需支护压力也会减小。

图4 开挖面E、θcr和φ′的关系

2 泥浆入渗影响

一般认为泥水平衡盾构开挖过程中，会在开挖面上形成不透水的泥膜，泥浆压力完全转换为作用在土体骨架上的有效支护压力。但室内试验证明，当开挖的土体和泥浆混合物填充盾构机和开挖面之间的间隙时，将没有泥膜形成[12]。这种情况可能出现在掘进速度大于泥浆入渗速度的掘进过程中。另外，从荷兰第二Heinenoord隧道的现场实测来看，压力仓内的泥浆实为开挖土体和泥浆的混合物的密度在1 260～1 470 kg/m3[14]。在这种情况下，泥浆入渗后土体的渗透系数为：

(8)

式中：ks为土体的渗透系数，m/s；t为入渗时间，s。

式(8)计算所得渗透系数值和细砂中的泥浆入渗试验测得的渗透系数值的对比结果如图5。由图5可知，计算结果和试验结果吻合。开挖面土体的渗透系数在初期下降迅速，然后趋于缓慢。开挖面渗透系数可以很短时间内满足开挖要求。需要注意的是，被泥浆入渗的土体渗透性会迅速降低。由于不同土体中泥浆的入渗距离和入渗速度不同，可能导致距开挖面不同距离土体渗透性随时间的变化也会不同。文献[15]的泥浆入渗距离如式(9)：

图5 泥浆入渗土体的渗透系数变化

(9)

式中：emax为泥浆入渗的最大距离，m；α为影响因子(2 ≤α≤ 4)；Δp为压力仓内压力和地层静水压力的压力差，Pa；τy为泥浆的屈服强度，Pa；d10为过筛重量占10%的粒径，m。

泥浆的入渗速度如式(10)：

(10)

式中：e为任意时间点的入渗距离，m；a为入渗距离达到最大入渗距离一半时的时间，s；t为时间，s。

公式(9)对t求导可得泥浆入渗速度如式(11)：

(11)

从式(8)、(9)可以看出，泥浆入渗距离和速度与压力仓内压力、地层静水压力、泥浆屈服强度和土体d10值有关。因此，设定一个固定的支护压力对不同工程而言过于简单。

3 开挖面微观稳定

地层条件会影响到盾构掘进产生的地下水流(超孔隙水压力)和开挖面的稳定性。两种不同的地层条件如图6[16]：图6(a)盾构隧道位于是均质含水承压层中，图6(b)盾构隧道位于半封闭含水承压层中。均质含水承压层中，地下水流会向四周流动的球形水流；但对于半封闭含水承压层而言，在水平面内地下水流可以看成是一个一维水流，超孔隙水压力不随深度变化。

对于均质含水承压层，盾构隧道开挖面上的水头可以近似计算[17]，如式(12):

(12)

将式(12)对x求导得：

(13)

在开挖面上(x=0)有：

(14)

对于半封闭含水承压层，开挖面上的水头如式(15)[18]：

(15)

式(15)对x求导得：

(16)

在开挖面上(x=0)有：

(17)

为维持开挖面的微观稳定，即稳定开挖面上的单个无黏土颗粒，必须维持一个由恒定水力梯度(i≥2)提供的拖曳力[19]。对于均质含水承压层中一个直径为5 m或者更小的隧道而言，支护压力50 kPa(开挖面上的水头为5 m)可以满足稳定开挖面微观稳定的最小水力梯度的要求。但是对于直径大或等于10 m的隧道，同样条件下水力梯度为i≤1。这个水力梯度难以保证开挖面上单个土颗粒的稳定。同样的，对于半封闭含水承压层中一个直径大于等于10 m的隧道，假设渗漏因子为100 m，50 kPa的支护压力可以实现水力梯度i=0.05，不能满足开挖面微观稳定的最小水力梯度的要求。总体而言，在没有泥浆支护的情况下，开挖面上的水力梯度很难维持开挖面稳定，因此建议压力泥浆用于饱和砂层盾构隧道开挖面支护。

除了微观稳定外，地层分层还在其他方面影响开挖面的稳定。A.BEZUIJEN 等[20]研究表明盾构掘进在半封闭含水承压层时，会在盾构隧道周围产生更高的超孔隙水压力。从而降低开挖面的稳定性。相较均质含水水承压层而言，需要更大的开挖面支护压力。同时，当掘进在半封闭含水承压层时，超孔隙水压力会的影响范围更广，这将可能导致地面挤出破坏。另外，在半封闭含水承压层中泥浆的入渗速度更慢。更大的孔隙水压力范围和更低的入渗速度将降低开挖面的稳定性。

水力梯度也会影响土体的受力状态，这里不做具体展开。

4 结 语

考虑泥浆入渗和超孔隙水压力的分析，微观稳定泥水平衡盾构隧道被检视用宏微观模型。基于分析和试验结果分析，得出以下结论：

1)在设计支护压力时必须考虑泥浆入渗和超孔隙水压力的影响，附加额外压力以弥补泥浆入渗过程中有效支护压力损失。

2)开挖面的渗透性是一个动态变化过程，而且不同土体中泥浆的入渗距离和入渗速度不同，可能导致距开挖面不同距离的土体的渗透性随时间的变化也会不同。盾构机掘进和停止(维养和管片安装)两个阶段的入渗状态也不同。因此简单的设定一个固定的支护压力对不同工程并不适用。

3)相较均质承压含水层而言，盾构隧道在半封闭承压含水层中掘进时开挖面更加稳定。在没有泥浆支护的情况下，开挖面上的水力梯度很难维持开挖面稳定，因此建议压力泥浆用于饱和砂层盾构隧道开挖面支护。