土壓平衡盾構改良渣土力學行為及其地層響應特征

肖超，陽軍生，王樹英，何杰，葉新宇(.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，40075；.湖南工業大學　土木工程學院，湖南 株洲，4007；.Department of Civil,Surveying and Environmental Engineering,University of Newcastle, NSW 08,Australia)

土壓平衡盾構改良渣土力學行為及其地層響應特征

肖超1，陽軍生1，王樹英1，何杰2，葉新宇3
(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；
2.湖南工業大學土木工程學院，湖南 株洲，412007；
3.Department of Civil,Surveying and Environmental Engineering,University of Newcastle, NSW 2308,Australia)

基于土壓平衡盾構改良渣土的力學行為直接影響著土艙壓力傳遞性、地層沉降和開挖面穩定性，以南昌地區泥質粉砂巖和礫砂作為試驗材料，采用泡沫劑和膨潤土泥漿為改良劑，對渣土進行三軸快剪(不固結不排水)試驗，并基于三維數值模擬，分析渣土改良對地層響應的影響。研究結果表明：改良和未改良渣土的應力-應變曲線都近似于硬化型曲線，并且硬化曲線特征不受改良劑的影響；改良后渣土的抗剪強度大幅度減小，改良劑添加率越高，渣土抗剪強度越低，改良效果越好；泡沫和膨潤土泥漿對渣土的改良機理存在一定差異，采用泡沫改良渣土能降低渣土內摩擦角和黏聚力；采用膨潤土泥漿改良渣土能減小渣土內摩擦角，而其黏聚力小幅度增大；考慮改良渣土和盾構機刀盤的影響時，開挖面支護應力曲線呈現出非線性，其分布受刀盤開口分布位置的影響；開挖面的支護應力和地層響應均受到渣土改良的影響，改良效果越好，開挖面支護應力越小，開挖面前方地層沉降越大；與采用膨潤土泥漿改良渣土相比，采用泡沫改良渣土后開挖面支護應力較小，地層沉降較大。

渣土改良；應力-應變曲線；不排水抗剪強度；支護應力；地層響應

在盾構掘進過程中，地表發生塌陷主要是由開挖面失穩造成的，而開挖面失穩除了受到掘進參數選取[1]和工程地質條件的影響外，還受到土艙內渣土狀態的影響。在復雜地層條件下，盾構機刀盤切削下來的渣土一般流動性差，止水性弱，傳遞壓力的能力低。在黏土地層，盾構機刀盤和螺旋輸送機容易出現結泥餅的不利情況，導致盾構機掘進效率降低，能耗增加；在富水砂土地層，螺旋輸送機容易出現噴涌，造成土艙壓力急劇減小、開挖面失穩等[2-3]，因此，需要對刀盤切削下來的渣土力學行為進行分析，進而分析渣土改良對地層響應的影響。渣土改良劑包括泡沫劑、膨潤土和聚合物等，這些改良劑主要是從刀盤上孔口和土艙內的孔口注入。為了評價改良后渣土的狀態，研究者對改良后的渣土進行了試驗研究，如：肖超等[4]對采用泡沫劑改良的渣土進行了大量的坍落度試驗，揭示了泡沫的添加能改善渣土的流塑性；PEILA等[5]研發了小型螺旋輸送機，研究了泡沫改良后的渣土的傳力特性；ZUMSTEG等[6]研究了渣土的類型和不同壓力對泡沫改良渣土的影響。對于盾構開挖面地層響應，ATTEWELL等[7-8]進行了研究。韋良文等[9]闡述了開挖面微觀破壞分析模型、塑性極限分析模型及楔形體極限平衡模型，并指出了今后的研究重點。韓月旺等[10]基于拉格朗日有限差分計算程序研究了壓力艙土體改良效果對開挖面穩定性的影響。然而，上述研究未分析改良渣土的剪切力學性能及渣土改良對開挖面地層響應的影響。為此，本文作者依托南昌地鐵1號線五標段盾構區間工程，以礫砂與泥質粉砂巖復合地層作為試驗材料，采用泡沫和膨潤土泥漿作為改良劑，對渣土進行三軸快剪試驗，分析渣土剪切力學行為，并基于三維數值仿真技術，分析渣土改良對地層響應的影響。

1　試驗方案

1.1試樣材料的選取

南昌地鐵1號線是江西省第1條城市地鐵工程，主要位于泥質粉砂巖和礫砂地層中。泥質粉砂巖屬于第三系新余群，呈紫紅色，中厚層狀構造，泥質結構，巖石遇水易軟化，失水易干裂。礫砂為第四系全新統沖積層，呈灰色，稍密，飽和。兩者基本物理性質見表1[11]。

采用Rigaku D/max 2500全自動X線衍射儀對泥質粉砂巖進行物相分析，獲得其礦物成分及其質量分數。結果表明：泥質粉砂巖中含有較多的黏土礦物，其中高嶺土、伊利土、和蒙脫土質量分數分別為27.7%，8.3%和4.4%。HOLLMANN等[12-13]的研究表明：蒙脫土、伊利土和高嶺土等黏土礦物是刀盤結泥餅的主要原因，特別是蒙脫土和伊利土。礫砂層滲透系數為0.127 cm/s，滲透性較高，在盾構掘進過程中容易出現噴涌等異常情況，因此，很有必要對渣土進行改良，以保證盾構機的正常掘進。

為了使室內試驗渣土級配與現場實際渣土級配基本一致，本試驗采取如下方法：1)首先在盾構掘進地層為全斷面泥質粉砂巖區域采集泥質粉砂巖渣土(用Y代替)，并進行室內烘干篩分，獲得泥質粉砂巖渣土級配曲線，見圖1。考慮到盾構刀盤切削對礫砂的影響較小，礫砂渣土(用S代替)的級配曲線可與原礫砂地層級配曲線保持一致。2)從現場采集泥質粉砂巖巖塊，在室內進行破碎篩分，再按原泥質粉砂巖渣土級配曲線把不同粒徑的泥質粉砂巖進行混合，形成泥質粉砂巖渣土。3)把2種渣土按試驗要求的體積比進行混合，并獲得不同渣土的級配曲線(見圖1)。設V(Y)/V(S)表示泥質粉砂巖渣土與礫砂渣土體積比。本試驗結合南昌地鐵1號線五標段實際地層和渣土改良情況，選取3種不同構成比例的復合地層渣土作為實驗材料， V(Y)/V(S)分別為1/2，1/1和2/1，它們的級配曲線見圖1。分析這3種的渣土不均系數和曲率系數(表2)可知：各類渣土的粒徑分布不均勻，但渣土的級配良好。

表1　地基土的物理力學特性Table 1　Physical mechanical properties of ground

圖1　渣土級配曲線Fig.1　Grain size distributions of muck

表2　不同渣土的不均勻系數和曲率系數Table 2　Coefficients of nonuniform coefficient and curvature coefficient for different soils

試驗所用改良劑與現場實際使用改良劑相同。泡沫劑采用國內某廠家泡沫劑，發泡壓力為0.2 MPa，泡沫劑溶液質量分數為3%。膨潤土采用鈣基膨潤土，膨潤土與水按質量比1/8進行膨化。結合地層的工程地質條件和現場改良劑的實際使用情況，選擇渣土改良劑，如表3所示。

表3　試驗渣土與改良劑選用Table 3　Conditioned materials for different types of soils

1.2試驗方法及過程

在盾構掘進過程改良后的渣土透水性較好，且渣土不斷被螺旋輸送機輸送出，渣土來不及排水固結，故選用三軸快剪試驗。李建華等[14-15]對非飽和土三軸快剪試驗進行了研究，結果表明非飽和土在三軸快剪試驗下存在內摩擦角。而改良后渣土是由渣土、氣泡或膨潤土等混合而成的特殊的非飽和土，因此，可以采用三軸快剪試驗分析渣土的力學性能。

添加率(ζ)的計算公式如下：式中：V1為改良劑體積；V3為渣土體積。由土工試驗方法標準[16]可知，三軸試驗過程中試樣的最小直徑為35 mm，最大直徑為101 mm，且對試樣顆粒直徑有一定的要求。當試樣直徑大于100 mm時，允許最大粒徑為試樣直徑的1/5。由渣土級配曲線可知，泥質粉砂巖與粒砂復合地層渣土最大粒徑為20 mm時，所以，應選用試樣直徑為101 mm三軸試驗儀器。本試驗共20組(見表4)，三軸試驗圍壓為50，100，150，200 和300 kPa。軸向剪切應變速率為應變0.5%/min，每0.2 mm記錄1次測力計讀數和軸向變形。

2　試驗結果及分析

2.1渣土的剪切力學行為特征

為提高長大縱坡瀝青路面各項路用性能，本試驗段施工選用高低溫性能均較好的中石化產東海牌SBS（I—D）型改性瀝青，其主要技術指標如表1所示。

不排水剪切強度定義為試樣達到臨界狀態時偏應力(31σσ-)的1/2。圖2所示為未改良渣土的應力應變曲線。分析圖2可知：隨著應變增加，應力逐漸增大，當應變達到一定值后，應力保持不變，這類應力-應變曲線接近硬化型曲線。圖3所示為改良后渣土的應力應變曲線。對比圖3與圖2可知：改良劑對渣土的應力應變曲線特征無影響，改良后渣土剪切曲線也呈現出硬化型。相對于未改良渣土，改良劑的添加能大幅度減小渣土的抗剪強度。

表4　快剪試驗統計Table 4　Test program

2.2添加率對渣土剪切力學行為的影響

圖2　V(Y)/V(S)為1/2的未改良渣土應力-應變曲線Fig.2　Stress-strain curves of non-conditioned soils that volume ratio between argillaceous siltstone and gravelly sand is 1/2

不同情況下渣土的不排水抗剪強度見表4。在圍壓為200 kPa、添加率不同、V(Y)/V(S)為1/2渣土應力-應變曲線如圖4所示。分析圖4可知：渣土中添加10%的膨潤土后，相對于未改良的渣土，其抗剪強度下降46%；添加10%膨潤土泥漿+5%泡沫渣土抗剪強度比未改良渣土抗剪強度下降70%。在圍壓為100 kPa、添加率不同、V(Y)/V(S)為1/1渣土應力-應變曲線如圖5所示。從圖5可見：添加10%泡沫的渣土抗剪強度比未添加泡沫的渣土抗剪強度低50%左右，而添加20%泡沫的渣土抗剪強度比未添加泡沫的渣土低66%。在圍壓為100 kPa、添加率不同、V(Y)/V(S)為2/1的渣土應力-應變曲線如圖6所示。從圖6可見：添加10%泡沫的渣土強度下降44%左右；而添加20%泡沫的渣土強度下降59%左右。這表明添加率與渣土的抗剪強度成反比，渣土中改良劑的添加率越高，其抗剪強度越降低，渣土越接近流塑性狀態，越有利于土壓平衡盾構土艙壓力傳遞和螺旋輸送機出渣。

圖3　改良后V(Y)/V(S)為1/2時渣土的應力-應變曲線Fig.3　Stress-strain curves of conditioned soils that volume ratio between argillaceous siltstone and gravelly sand is 1/2

圖4　在200 kPa圍壓下，V(Y)/V(S)為1/2時的渣土應力-應變曲線Fig.4　Stress-strain curves of 200 kPa confining pressure for soils composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 1/2

圖5　在100 kPa圍壓下，V(Y)/V(S)為1/1時的渣土應力-應變曲線Fig.5　Stress-strain curves of 100 kPa confining pressure for soils composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 1

圖6　在100 kPa圍壓下，V(Y)/V(S)為2/1時的渣土應力-應變曲線Fig.6　Stress-strain curves of 200 kPa confining pressure for soils composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 2/1

2.3抗剪強度

圖7所示為抗剪強度與改良劑添加率的關系。分析圖7可知：隨著改良劑添加率增大，渣土的強度逐漸降低；不同改良劑對渣土抗剪強度影響也存在一定差異；相對于添加10%泡沫的渣土，渣土中添加10%的膨潤土后，其抗剪強度減小幅度更大。

通過繪制未改良和改良后渣土的摩爾包絡線，獲得未改良和改良后渣土的內摩擦角和黏聚力。V(Y)/V(S)為2/1時改良后渣土摩爾包絡線如圖8所示。該渣土包絡線呈現出1條斜線，這是因為渣土處于非飽和狀態，其存在一定內摩擦角。

未改良和改良后渣土的黏聚力和內摩擦角見表5。分析表5可知：采用泡沫對V(Y)/V(S)為1/1和2/1的渣土進行改良后，渣土的內摩擦角和黏聚力都出現一定減小；采用泡沫加膨潤土對V(Y)/V(S)為1/2的渣土進行改良后，渣土的內摩擦角出現大幅度減小，而黏聚力出現小幅度增大。這表明采用泡沫和膨潤土改良渣土的機理存在一定差異。泡沫的添加能減小渣土的內摩擦角和黏聚力；膨潤土的添加能減小渣土內摩擦角，小幅度增加渣土的黏聚力。

圖7　抗剪強度與添加率ζ的關系Fig.7　Relationship between undrained shear strength and ζ

圖8　V(Y)/V(S)為2/1、添加20%泡沫渣土的摩爾包絡線Fig.8　Intrinsic shear strength curve for conditioned soils which added to 20%foam composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 2/1

表5　渣土的內摩擦角和黏聚力Table 5　Inner friction and cohesive cohesion of soil

本次試驗改良劑添加率最高為20%，這主要是受三軸試驗制樣問題的影響。改良劑添加率越高，渣土的流塑性越好，制樣越困難。隨著添加劑增加，添加劑會完全充填渣土的孔隙，從而使渣土達到理想的流塑性狀態。基于試驗獲得的渣土改良力學特征，可進一步推斷出：理想狀態渣土的剪切強度將更低，其內摩擦角將很小，接近于0°，這可為今后土壓平衡盾構渣土改良提供指導。在黏土礦物較高的地層中盾構掘進時，應選泡沫劑對渣土進行改良。因為泡沫改良后渣土的黏聚力會減小，不易黏在刀盤和刀具上，能降低刀盤結泥餅的可能性。而在黏土礦物含量較低和富水地層中盾構掘進時，選用膨潤土對渣土進行改良，因為膨潤土泥漿的黏性較大，能降低噴涌的可能性。

3　開挖面地層響應分析

3.1模型的建立

為了分析渣土改良對開挖面地層的影響，選擇礫砂與泥質粉砂巖質量比為1:1時的上軟下硬地層作為研究對象。模型長×寬×高為30 m×30 m×30 m。模型包含地層、簡化盾構機(刀盤，土艙和部分盾殼)和渣土(見圖9和圖10)，其中刀盤開口率為39%。

3.2參數的選取及應力邊界條件

本次數值分析主要分析土壓平衡盾構模式下盾構停機狀態時渣土改良對開挖面支護應力及地層響應的影響。基于改良劑對渣土力學行為的影響規律，選擇4種改良渣土作為分析對象(見表6)，主要是改變渣土的力學參數，以模擬不同改良劑的改良效果。Ⅰ號和Ⅱ號渣土采用泡沫改良，Ⅲ號和Ⅳ號渣土采用膨潤土泥漿改良。

圖9　模型剖面Fig.9　Profile of analysis model

圖10　簡化盾構模型剖面Fig.10　Profile of simplified shield machine

表6　分析模型參數的選取Table 6　Analysis model parameters

模型的邊界條件見圖11。在分析過程中，在盾構機隔板上內徑為2.3 m、外徑為2.8 m的圓環區域施加2 MN的總推力(即3.92×108Pa的應力)，螺旋輸送機口處限制產生位移。

圖11　模型邊界條件Fig.11　Boundary conditions of model

為了更精確地反映盾構機與周圍地層和渣土間的接觸問題，在它們之間設置接觸面。本次數值分析共設置3個接觸面，分別位于礫砂與盾構機之間、泥質粉砂巖與盾構機之間、盾構機土艙與渣土之間。

式中：kn和ks分別為接觸面的法向剛度和切向剛度；K為接觸雙方較弱一方的體積模量；G為接觸雙方較弱一方的剪切模量；Δzmin為接觸面法向方向上連接區域上最小尺寸[17]。本次分析模型中Δzmin為0.2 m。接觸面模型中摩擦角設置為10°，黏聚力設置為0 kPa，以保證盾構機與地層之間、土艙與渣土之間能產生滑動。

3.3結果分析

對數值結果進行整理，提取隧道縱向剖面上開挖面的支護應力，繪制開挖面支護應力變化曲線，見圖12。分析圖12可知：開挖面支護應力明顯小于側向靜止土壓力，且支護應力曲線不是呈線性變化，而是表現出非線性關系。在支護應力變化曲線1號和2號位置，支護應力相對較小，這主要是因為這2處位置處于刀盤開口處(見圖9)。同時，刀盤開口兩側產生應力集中，其應力較大，這表明刀盤面板上開口的位置對支護應力的分布有很重要影響。相對于未改良渣土的支護應力，改良渣土的支護應力明顯較小，且改良渣土越接近理想渣土，兩者的差值越大。同時，渣土改良劑不同，也會對開挖面支護應力有一定影響，但影響較小，泡沫改良渣土的支護應力略小于膨潤土泥漿改良渣土的支護應力。

圖13所示為隧道開挖面前方3.2 m與隧道頂部3.2 m位置的沉降。分析圖13可知：盾構機處于停機狀態，土艙渣土為滿艙，且在施加一定的總推力情況下，開挖面前方地層的沉降較小，小于1 mm。相對于未改良渣土，渣土改良后開挖面地層沉降相對較大，渣土越接近理想渣土，地層沉降相對較大。改良劑的選擇對開挖面前方地層沉降也有一定影響，相對于膨潤土泥漿改良渣土，泡沫改良渣土的開挖面前方地層沉降相對較大。

圖12　開挖面縱向支撐應力變化曲線Fig.12　Curves of supporting force on work face

圖13　開挖面前方某點的沉降曲線Fig.13　Settlement curves of a point ahead of excavation face

4　結論

1)改良后和未改良渣土的應力-應變曲線接近硬化型，即隨著應變增大，應力逐漸增大，直到進入臨界破壞狀態。改良劑的添加不會影響渣土應力應變硬化型特征。泡沫或膨潤土對渣土進行改良后，渣土的抗剪強度出現大幅度減小，且渣土的流塑性得到有效改善。改良劑的添加率與渣土抗剪強度成反比，添加率越高，渣土抗剪強度越小。

2)泡沫和膨潤土改良渣土的機理存在一定差異。采用泡沫改良時，渣土的內摩擦角和黏聚力出現一定減小。相對于泡沫改良，采用膨潤土改良時，渣土的黏聚力出現小幅度增大，而渣土的內摩擦角大幅度減小。

3)考慮土艙渣土及盾構機刀盤時，開挖面支護應力呈現非線性的形式。在刀盤開口處支護應力較小，且渣土改良效果越好，支護應力越小。相對刀盤開口處的支護應力，開口兩側產生一定應力集中，其應力較大。改良劑的選擇對開挖面支護應力也一定影響，采用泡沫改良渣土時，其支護應力小于采用膨潤土泥漿改良渣土時的支護應力，尤其在刀盤開口處比較明顯。

4)在盾構機停機狀態，且土艙為滿倉時，千斤頂施加一定推力的前提下，隧道頂部地層產生一定沉降，而底部地層稍微隆起。開挖面頂部地層沉降整體相對較小，其受到渣土改良效果的影響。渣土改良效果越好，沉降會出現小幅度增加。改良劑的選擇對開挖面前方地層沉降也有一定影響，相對于采用膨潤土泥漿改良渣土，采用泡沫改良渣土時，開挖面前方地層沉降較大。

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(編輯陳燦華)

Conditioned soils mechanical behavior of earth pressure balance shield tunneling and its impact on formation response

XIAO Chao1,YANG Junsheng1,WANG Shuying1,HE Jie2,YE Xinyu3
(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;
2.School of Civil Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China;
3.Department of Civil,Surveying and Environmental Engineering,University of Newcastle,NSW 2308,Australia)

Considering that mechanical behavior of conditioned soils of earth pressure balance shield tunneling directly affects pressure transmission in soil tank and ground settlement and stability of work face,agillaceous siltstone and gravelly sand of Nanchang were used as test materials,soils were conditioned with foam and bentonite slurry,and undrained unconsolidated tests of conditioned soils were carried out.Based on 3-D numerical simulation,soil conditioning impact on formation response was studied.The results show that the type of stress-strain curves of conditioned and unconditioned soils is a hardening type and additives do not affect the characteristics of the curve.Compared with unconditioned soils,the strength of conditioned soils decreases greatly.Undrained shear strength gradually reduces with the increase of additive ratio,and performance of soils is also better.There are some differences between the mechanism of foam and bentonite slurry to condition soils.The internal friction angle and cohesion of conditioned soils conditioned by foam decrease.For conditioned soils conditioned by bentonite slurry,its internal friction angle decreases,and its cohesion slightly increases.In consideration of conditioning soils and cutterhead of shield machine,the supported stress curve is nonlinear,which is affected by distribution of the opening of cutterhead,when the shield machine stops to assemble segment.Soil conditioning has certain impact on the supported stress of work face and formation response.The supported stress of work face reduces and ground settlement increases when soils is conditioned. Compared to bentonite slurry,when foam is used to condition soils,the supported stress of work face is smaller and the ground settlement is greater.

soil conditioning;stress-strain curve;undrained shear strength;supported stress;formation response

陽軍生，教授，從事隧道與地下空間研究；E-mail:jsyang@csu.edu.cn

U445.4

A

1672-7207(2016)07-2432-09

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.034

2015-12-20；

2016-02-28

國家自然科學青年基金資助項目(51208516)；湖南省博士生科研創新項目(CX2014B072)(Project(51208516)supported by the National Natural Science Foundation of China for Youths;Project(CX2014B072)supported by Hunan Provincial Innovation Foundation for Postgraduate)