海底復雜環境下泥水盾構掘削面穩定性研究*

呂乾乾，蘇文德，周建軍，楊振興，孫飛祥

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001； 2.廈門軌道交通集團有限公司，福建 廈門 361001)

0 引言

隨著沿海城市交通建設的大力發展，泥水平衡盾構越來越多地應用于穿江越海隧道，由于水下地層復雜多變，維持盾構掘進過程中開挖面穩定至關重要，支護壓力參數的合理設定及盾構泥漿的成膜性能直接關系掌子面穩定性。對于基巖長度大、強度高的情況，盾構水下帶壓換刀不可避免，如何確保換刀時開挖面穩定、提出合理的海底換刀位置很關鍵。

目前關于盾構隧道開挖面支護壓力[1]和泥漿成膜性能[2]的研究較多。在開挖面穩定研究方面，陳仁朋等[3]、劉泉維等[4]通過開展模型試驗研究了特定地層中不同埋深比下盾構開挖面穩定性問題，以及開挖面主動破壞的發展模式；黃阜等[5]通過理論分析推導了非線性破壞準則下的支護力上限函數，得到開挖面支護力的上限解。在泥漿成膜性能研究方面，杜佳芮等[6]對海水侵入條件下的泥水盾構泥漿進行了泥膜性質變化測試，發現泥膜的孔隙比變大、滲透系數增大；張寧等[7]以南京緯三路過江通道為背景，針對4種砂性地層進行泥漿成膜試驗，得到各地層的泥漿成膜參數。

對于開挖面的穩定研究，數值模擬具有時間快、費用低、可研究工況多等優點，鑒于目前主要采用連續介質軟件開展開挖面支護壓力研究，對失穩引發的地層大變形模擬有局限性，在此采用顆粒流方法利用PFC2D對泥水盾構換刀掌子面穩定性進行研究。依托廈門軌道交通2號線跨海區間盾構隧道工程，得到在幾種典型地層中帶壓換刀時開挖面極限支護壓力及開挖面失穩后的位移分布特征。同時，為了保證盾構掘進過程中開挖面穩定，針對2號線跨海區間滲透性大的砂層，開展室內泥膜滲透試驗，研究泥膜形成規律及形態特征，為類似工程提供一定的參考與指導。

1 工程概況

廈門軌道交通2號線跨海區間主要連接海滄大道站和東渡站，盾構隧道將穿越基巖、半巖半土、基巖全(強)風化層，地層起伏大，最小覆土約10m，最大覆土約60m，最大水壓約0.6MPa，因此采用與地層條件相匹配的泥漿配合比對維持掘削面穩定至關重要。隧道地質縱剖面如圖1所示。

圖1 跨海段隧道地質縱剖面(單位：m)

由于基巖長度大、強度高，盾構刀具易磨損，而受海底施工限制換刀需選擇帶壓進艙作業，進艙壓力與隧道地層條件及埋深密切相關，因此如何選擇合適的換刀位置并設定最小帶壓進艙壓力，保證換刀作業前方掌子面的穩定是跨海隧道施工迫切需要解決的難點。

2 數值模擬

由于掌子面極限支護壓力與地層條件密切相關，在此選取4個代表性斷面進行研究。采用顆粒流方法利用PFC2D對泥水盾構換刀掌子面穩定性進行模擬分析。

2.1 模型參數

4個典型地層斷面隧道穿越處的地質條件分別為硬巖地層、砂性地層、淤泥地層及上軟下硬復合地層，里程分別為DK19+176.47，DK19+285.35，DK18+744.37及DK19+303.51，地質剖面如圖2所示(以斷面 DK19+285.33為例)。

圖2 斷面 DK19+285.33地質剖面(單位：m)

在此利用雙軸數值試驗，標定各地層對應的PFC2D細觀力學參數。標定模擬分3步，即生成試樣、固結和加載。模型由四面墻體圍成，通過控制上下墻體的移動速度模擬試樣加載，通過伺服機制自動控制側向墻體的速度使得圍壓保持在定值。模型尺寸為5.0m×10.0m，模型土體由5 538個顆粒單元構成，顆粒半徑為0.04～0.06m，顆粒密度取為2 630kg/m3，標定過程如圖3所示。

圖3 標定過程示意

通過標定得到各地層對應的細觀力學參數法向接觸剛度Kn、切向接觸剛度Ks、摩擦系數μ。

2.2 計算步驟

為了得到不同斷面的極限支護壓力，建立模型，計算步驟如下。

1)生成邊界 邊界由PFC2D中的墻體構成，考慮邊界效應，模型尺寸取50m×50m，共生成76 155個顆粒，顆粒半徑范圍為0.04～0.06m。墻體的法向接觸剛度通過試算取為顆粒法向接觸剛度的1.3倍。

2)生成顆粒并壓密 為使模型側壓力系數與真實地層更接近，采用落雨法將摩擦系數設為0以使模型更密實。

3)生成模型 模型在自重作用下平衡后，根據目標高度刪除上部少量浮皮，給顆粒附加標定的細觀力學參數，生成模型。

4)施加地下水荷載 對位于地下水位以下的斷面，將水壓考慮為地面超載，給地表顆粒施加P=γwH的荷載，其中γw為水的重度，H為水頭高度。

5)確定極限支護壓力 將泥水艙內初始壓力設定為地層靜止土壓力，分50步均勻減少艙內壓力至0，各級壓力條件下循環100 000步，保證模型達到穩定狀態，并進行地層位移的嚴密監控，當前方土體位移突然增大，則上一級壓力即為極限支護壓力。

為模擬二維盾構隧道開挖流程，在此不考慮刀盤扭矩影響，并對盾構機刀具外形做相應簡化，計算簡圖如圖4所示。

圖4 二維盾構隧道開挖簡化模擬示意

在此開發特別算法進行泥膜生成-破壞-再生成整個過程的模擬，該算法可自動識別刀盤間顆粒并施加特定壓力，以模擬泥水艙對掌子面的支撐作用。PFC2D計算簡圖如圖5所示。

圖5 考慮泥水平衡的PFC2D計算模型

圖5中箭頭代表支護壓力對掌子面的支撐作用，箭頭起始端顆粒表示刀盤間泥膜。數值計算中每隔1 000步執行1次算法，更新泥膜顆粒，并施加指定泥水壓力。

2.3 計算結果

為得到極限支護壓力，繪制拱頂正前方D/8(D為隧道直徑)處土顆粒的豎向位移隨支護壓力變化曲線，如圖6所示。

圖6 土顆粒豎向位移隨支護壓力變化曲線

由圖6可知，地層位移隨支護壓力變化曲線分為2個階段，當支護壓力從p0開始減小時，地層開始移動，土顆粒產生朝向掌子面位移，但幅度很小；當支護壓力減小到某一特定值時，土顆粒移動速度明顯加快，大量土體涌進泥水艙，此時的支護壓力即為極限支護壓力pf，得到4種地層條件下的掌子面極限支護壓力，如表1所示。

表1 不同斷面處的極限支護壓力

由表1可知，地層條件對換刀過程中支護壓力的選取非常重要。對于強風化變質砂巖，雖風化嚴重，但具有較強黏聚力(c=28kPa)和自穩性，支護壓力降至2kPa時掌子面失穩。對于全斷面砂層和軟土，由于地層自穩性較差，掌子面在支護壓力減小過程中很快失穩坍塌并發展至地表，應盡量避免在此類地層條件下換刀，如必須換刀則要保證足夠的支護壓力，或提前對地層進行加固。對于上軟下硬復合地層，由于下伏硬巖的存在，一定程度上增加了掌子面的穩定性，極限支護壓力降低。隧道最終失穩后地層位移場分布如圖7所示。

圖7 地層位移分布

由圖7a可看出，軟土地層開挖面失穩時，開挖面前方地層表面出現顯著沉降；而圖7b所示強風化變質砂巖地層中開挖面失穩時，開挖面附近的地表沉降位移很小；圖7c所示砂性地層開挖面失穩時，掌子面前方土體擾動區呈漏斗狀；圖7d所示上軟下硬復合地層開挖面失穩時，掌子面上部軟土層部分明顯出現朝向盾構機方向位移。

2.4 現場施工

廈門軌道交通2號線跨海段左線隧道前8次開艙的艙內支護壓力如圖8所示，除大兔嶼處采用常壓開艙外，其余均為帶壓開艙作業。根據顆粒流模擬計算結果，左線前8次開艙位置避開了砂層、軟土層及上軟下硬地層，隧道斷面均處在強風化變質砂巖及其他風化巖層中，同時設置了合理的進艙支護壓力，有效保證了帶壓進艙檢修及換刀作業安全快速進行。

圖8 左線隧道前8次開艙的進艙壓力

3 泥膜試驗

3.1 試驗目的及內容

泥水盾構施工中泥漿可在開挖面形成泥膜，維持掘削面穩定。泥漿與掘削地層接觸時，由于泥漿壓力大于地層孔隙水壓，泥漿將向地層滲透，地層孔隙水壓上升，隨著地層間隙變小，滲透系數降低，達到平衡狀態時地層孔隙水壓穩定，并在滲透填充和顆粒間相互吸引作用下形成泥膜，如圖9所示。泥膜形成過程中泥漿的壓力逐漸轉換作用在地層土體顆粒上，使掘削面受到泥漿支護。

圖9 泥膜形成示意

泥膜形成及質量直接關系掘削面穩定性，實際工程中很難觀測到泥膜形成過程，因此針對廈門軌道交通2號線跨海區間滲透性大的砂層，配制不同泥漿，通過室內試驗手段模擬加壓泥漿在地層中的滲透過程，研究泥膜形成規律及形態特征。

3.2 試驗過程

對試驗結果影響最大的是地層材料的滲透性，其余力學性質影響較小，可不做考慮。試驗中采用經過篩分后的普通石英砂配制試驗地層土體，發現地層粒徑在1～0.8mm的含量達20%，粒徑在0.8～0.6mm的含量達45%，粒徑在0.6～0.5mm的含量達35%。

對配制的地層材料進行滲透性測試，利用試驗裝置采用常水頭滲透試驗測定地層滲透性，其原理如圖10所示。

圖10 常水頭試驗原理

滲透系數計算公式為：

(1)

(2)

式中：Δh1，Δh2分別為圖10中3個測點位置的相鄰水位差；Δh為平均水位差(cm)；ΔQ為時間t內滲透水量(cm3)；Δt為時間(s)；A為試驗土層斷面積(cm2)；L為兩側壓孔中心間的試樣高度(cm)；k為試樣的滲透系數(cm/s)。

根據式(1)和式(2)計算得到滲透系數為0.328cm/s。

本次試驗的泥水配合比由膨潤土基漿(膨潤土∶水=1∶10)、CMC、水、黏土、砂組成，其具體組分如表2所示。

表2 泥漿配制方案 %

膨潤土基漿在試驗前1d提前配制，保證膨潤土充分膨化。泥漿的密度及黏性是影響泥膜形成的主要因素，不同類型泥漿其密度及黏性測試結果如表3所示。

表3 泥漿主要性質

泥漿加載是泥膜形成試驗的關鍵步驟，通過壓縮空氣使泥漿產生向地層滲透的趨勢，參考工程實際情況設置最大加載壓力為0.5MPa，初始加載階段每級壓力設置為0.02MPa，加載壓力達到0.1MPa后增加每級加載壓力，每級加載時間控制在10～20s，每間隔10s采集濾水量。

3.3 試驗結果

除第5種泥漿未能形成泥膜外，其他4種泥漿均形成 “泥皮+滲透帶”形式泥膜，泥皮較薄但致密。隨著黏粒及砂含量的增加，泥皮厚度逐漸變厚，最大厚度為3mm。泥皮溶于水中后只有少量砂存在，泥皮主要由黏粒組成。

對于5號泥漿，隨著壓力增加至0.04MPa，泥漿滲入地層，濾水量一直增加，未出現收斂趨勢，表明未能形成泥膜。

測得前4種泥漿侵入試驗地層距離分別為5.5，3.7，2.8，3.3cm，可見泥漿滲入地層的距離受泥漿性質影響，黏粒含量為2.5%時，砂含量從3%增加至9%，侵入距離從5.5cm下降至2.8cm；含砂量為6%時，黏粒從2.5%增加至5%，泥漿侵入距離減少0.4mm。試驗地層中孔隙遠大于黏粒數量，因此在大孔隙、強滲透性地層中增加砂含量可有效減少漿液滲入地層。試驗中5種地層在加載過程中濾水量變化如圖11所示。

圖11 濾水量隨加載過程的變化

由圖11可看出，對于1～4號泥漿，濾水量隨著加載的進行分為3個階段：在加載初始階段，加載壓力<0.06MPa時濾水量顯著增加；隨著加載進行，加載壓力在0.06～0.25MPa時，濾水量在每級加載后增加較迅速，加載后20s內逐漸趨于穩定；當加載壓力>0.25MPa時，每級加載后，濾水量增加速度有所提高，在10s內趨于穩定。由圖11還可看出泥膜的形成在較低壓力(≤0.06MPa)下便可完成，隨著壓力的增加泥膜的質量進一步提高，濾水量受壓力增加的影響減弱，在加載后半階段濾水量隨時間呈線性變化；同時，注意到4種泥漿后半段的斜率基本相同，表明在相同壓力下，采用相同材料配制泥漿形成的泥膜滲透性能一致，泥膜的性質與泥漿材料有關，與材料比例關系不大。因此，施工中可根據需要調整泥漿材料的配合比滿足不同工況對密度和黏度要求。

4 結語

本文針對廈門軌道交通2號線跨海區間盾構隧道工程，采用顆粒流方法利用PFC2D對在4種典型地層中帶壓換刀時開挖面的穩定性進行研究，發現全斷面砂層和軟土的極限支護壓力最大，復合地層次之，強風化變質砂巖最小，因此應盡量選擇在強風化變質砂巖地層條件下換刀；軟土地層中開挖面失穩時前方地表產生顯著沉降，砂層失穩時開挖面前方地層擾動區域呈漏斗狀。

針對2號線跨海區間滲透性大的砂層，通過開展室內泥膜滲透試驗，發現在大孔隙、強滲透性地層中增加泥漿中的砂含量可減少滲入地層的漿液量；泥膜的形成在較低壓力(≤0.06MPa)下便可完成，隨著壓力的增加泥膜的質量進一步提高；在相同壓力下，相同材料配制的泥漿形成的泥膜滲透性能基本一致。