富水粉質黏土地層土壓平衡和泥水平衡盾構掘進模式轉換試驗研究

林向陽,李兆平,劉欣然,馬 翔

(1.北京市政建設集團有限責任公司,北京 100089； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044； 3.北京市市政四建設工程有限責任公司,北京 100176)

富水黏土地層或粉質黏土地層的地鐵隧道若采用盾構法施工，首要問題是需確定采用泥水平衡模式還是土壓平衡模式[1-5]。大量工程實踐表明，對于富水黏土地層或砂性土地層，一般采用泥水平衡掘進模式[6-10]，但是若土體中細顆粒含量高，則泥漿中的土壤顆粒分離時間長、導致掘進效率低，影響工期，特別是土體中≤10 μm的顆粒含量將直接影響泥水分離效率。土壓平衡模式的地層適用性較廣，對黏土和砂層、礫石地層均適用[11-14]，關鍵是做好渣土改良和防止噴涌技術[15-18]。但是土壓平衡盾構主要缺點是在富水黏土地層中土層沉降控制難度大，因此，在下穿建筑物地段，如建筑物為淺基礎或建筑物抵抗變形能力差，選擇土壓平衡盾構掘進的風險很大。但其最大的優點是不受出渣限制、掘進速度快、施工效率高。

依托沈陽地鐵4號線一期工程望花街站—勞動路站區間隧道(長720 m)(以下簡稱“望—勞區間”)以及勞動路站—望花屯站區間隧道(長1 400 m)(以下簡稱“勞—望區間”)，其均為地下線，基本呈“S”形敷設，如圖1所示。隧道采用盾構法施工，區間隧道穿越地層全部為粉質黏土層，具有滲透系數小、粉黏粒含量高、含水量高等特點。兩個區間隧道全長約4 251.21 m。望—勞區間和勞—望區間穿越眾多建(構)筑物，且建筑物以居民樓為主，房屋基礎主要為條形基礎等淺基礎，抵抗差異沉降和絕對沉降的能力較差。

圖1 沈陽地鐵四號線一期工程望花街站—勞動路站區間衛星平面

針對本工程盾構隧道距離長，穿越眾多淺基礎老舊建筑物，風險控制等級高等特點，采用單一泥水平衡模式或土壓平衡模式都有其各自的局限性。因此，需根據本工程的地層特點，研究泥水平衡和土壓平衡的適應性。目前國內關于在盾構隧道掘進中采用土壓-泥水模式互換的掘進方案報道尚不多見[19-20]，為此依托該工程，在勞動路站—望花屯站區間右線選擇盾構隧道起始段未下穿建筑物部位，開展泥水平衡和土壓平衡兩種掘進模式的適用性及模式轉換技術研究。

試驗目的主要有以下3點。

其一，探討采用不同掘進模式對地層沉降的控制效果。

其二，研究泥水平衡和土壓平衡兩種掘進模式轉換技術。

其三，研究不同掘進模式條件下的盾構掘進參數，從而為后續的長距離盾構掘進模式選擇提供依據。

1 試驗段工程概述

盾構從望花屯站始發，前290環無穿越建筑物，地層沉降控制相對較寬松，具備試驗條件，因此，選擇區間隧道起點至290環作為泥水平衡和土壓平衡雙模式轉換研究試驗段。

1.1 勞動路—望花屯區間隧道地層特征描述

本工程區間隧道在多處下穿建(構)筑物，均為一級風險源，地層沉降控制標準高。區間盾構穿越地層全部為粉質黏土層，如圖2所示。黏土地層滲透系數k=0.02 m/d，弱透水性，天然含水量ω=26.0%，天然孔隙比e=0.725，重力密度1.98 g/cm3，塑限ωP=20.7%，液性指數IL=0.45，塑性指數IP=12.0。

圖2 試驗段所在的望勞區間工程地質剖面

地下水主要為上層滯水和孔隙潛水。上層滯水主要賦存于第四系渾河老扇沖洪積形成的粉質黏土層中，主要受大氣降水及人為活動影響，由于接近地表和分布局限，上層滯水的季節性變化劇烈一般多在雨季存在，旱季消失，無特定變化規律，穩定水位深度1.0～4.8 m。第二層地下水類型為微承壓性水，主要含水層為礫砂層及以下透水性地層，穩定水位埋深為26.5～27.0 m，低于隧道開挖面1～8 m。

1.2 試驗段粉質黏土顆粒分析

為研究試驗段黏土粒度分布特征，對黏土取樣(圖3)，并委托英格爾分析技術(上海)有限公司進行顆粒粒徑分析的顆粒分析。黏土顆粒粒徑分布如圖4所示，檢測報告顯示，區間隧道粉質黏土中細顆粒較多，中位粒徑6.99 μm，其中粒徑≤10 μm的顆粒占比高達61.23%。這部分土壤顆粒很難分離，造成泥漿黏度較高，旋流器的分離指標會下降，不但對壓濾設備的處理能力提出了很高的要求，而且由于泥水分離難度大，分離需要時間長，嚴重影響盾構掘進效率。

圖3 黏土顆粒分析試件

圖4 黏土顆粒粒徑分布

2 試驗段土壓平衡和泥水平衡模式的分段

從始發到290環范圍內不下穿建(構)筑物，具備試驗段條件。考慮冬季始發泥水管路容易凍結，確定了先土壓模式后泥水模式的掘進順序。

考慮始發段處于設備磨合階段，各項參數不穩定，不具備參考價值，設定25環～130環為土壓平衡模式試驗段。131環進行土壓模式轉泥水模式，131環～213環為泥水平衡模式試驗段。214環開始又轉為土壓平衡模式掘進，至試驗段終點290環。在此期間經歷了“土壓平衡模式轉換為泥水平衡模式、泥水平衡模式轉換為土壓平衡模式”共2次掘進模式轉換，見表1。

表1 試驗段不同模式的轉換分段情況

3 土壓平衡和泥水平衡掘進模式轉換關鍵技術

3.1 雙模盾構機結構與功能介紹

本工程采用的盾構機為中交天和機械設備制造有限公司設計制造，具有土壓平衡模式和泥水平衡模式兩種出渣模式，且可以互相轉換。如圖5、圖6所示。

圖5 土壓平衡模式示意

圖6 泥水平衡模式示意

3.2 土壓平衡模式轉換為泥水平衡模式的關鍵控制環節

土壓平衡模式向泥水平衡模式轉換的過程主要分為泥水管路連接、盾構機泥水設施安裝、泥水處理系統安裝調試、盾構泥水系統調試等4個階段，最后一步為土壓倉內渣土置換為泥漿，是轉換風險最大的一步，其對置換過程的有效掌控直接影響地面沉降數值。土倉內的渣土置換主要控制環節如下。

第一階段，向前掘進20 cm。

(1)啟動刀盤，同時注入膨潤土泥漿，刀盤扭矩穩定后開始掘進出渣，掘進20 cm后停止掘進，過程中統計出渣量，該階段主要控制參數見表2。

表2 模式轉換第一階段掘進參數

第二階段，土壓倉內渣土置換。

(2)啟動刀盤，螺旋機，刀盤轉速0～0.5 r/min、螺旋轉速1.5 r/min，螺旋出渣口緩慢出渣，過程中注意土壓，當上土壓低于0.6 bar，或出渣量達到6 m3時停止出渣。通過隔板向前端注入膨潤土泥漿，注入膨潤土量與出渣量達到平衡，且維持刀盤前端上土壓不低于0.6 bar，同時在盾尾處注入油脂進行密封。

(3)啟動刀盤，螺旋機，刀盤轉速0～0.5 r/min、螺旋轉速1.5 r/min，土壓倉注入膨潤土，膨潤土兩路注入，每路200 L/min緩慢持續出渣，到螺旋機出渣口剛出現噴涌現象停止出渣，調整螺旋反轉；繼續出渣，如果還存在噴涌現象，逐漸減少螺旋出渣口閘門開度，持續出渣，直到出渣口噴涌情況連續；關閉螺旋出渣口，停止出渣。

(4)連接泥水接料口，連接出料口與排泥管處軟管。

(5)啟動逆洗模式，沖洗螺旋機，時間40 s，逆洗壓力1.9 bar。

(6)啟動循環模式，對刀盤及土壓倉進行循環沖洗，循環過程通過調整CV1、CV2閥對前端壓力進行調整及保證排泥濃度等技術參數。

(7)啟動刀盤、螺旋機，刀盤轉速0～0.5 r/min、螺旋轉速1.5 r/min，采取正常泥水模式，但不掘進，以便將土壓倉剩余渣土通過排泥管路排放出來。施工參數見表3。

表3 模式轉換第二階段掘進參數

第三階段，泥水平衡模式施工。

(8)當原土壓倉的渣土累計排出80%或排泥比重達到正常泥水模式施工要求時，開始進行泥水平衡模式施工。施工參數見表4。

表4 模式轉換第三階段掘進參數

(9)施工過程中嚴格統計出渣量，指派專人測算并做詳細記錄。

(10)渣土置換過程中盾構機所處地面位置加強沉降監測及安全巡視。

通過上述3個階段施工，用泥漿置換渣土倉內的渣土完成，從而開始正常的泥水平衡模式掘進。

3.3 泥水模式轉換為土壓模式的關鍵控制環節

泥水-土壓轉換程序相對比較簡單，大致分為拆除螺旋到第一節臺車前的泥水管路、恢復皮帶、渣土置換泥漿3個步驟。其中，最重要的環節是渣土置換泥漿。

(1)啟動刀盤，當刀盤轉速、扭矩穩定后，轉動30 s以上，刀盤轉速1.2～1.5 r/min，泡沫孔、膨潤土孔注入清水(清水中提前加入碳酸鈉，流量設定30～50 L/min，開始掘進，掘進速度20 mm/min，待上土壓達到0.16 MPa，打開螺旋閥門20%(根據實際情況調整)，排泥，注意上土壓數值。當低于0.06 MPa時，關閉閥門，繼續向前掘進，掘進速度20 mm/min，維持土倉壓力為0.16 MPa，繼續打開螺旋閥門20%，排泥，過程中留意上土壓與漿斗中泥水的體積，漿斗快要滿時提前關閉閥門，等倒完漿斗中泥水后繼續排泥水。

(2)詳細記錄排泥體積，排泥密度，注入清水體積，掘進長度，防止超挖，持續排泥水。隨著泥水中土塊增加逐漸增加閥門開度，轉動螺旋，直到排出的泥渣大塊變多，通過皮帶就可以運輸，關閉螺旋閥門，拆除泥水接料斗，安裝皮帶。

(3)轉動刀盤30 s以上，刀盤轉速1.2～1.5 r/min，掘進速度20～30 mm/min，當土壓穩定在0.14 MPa時，打開閘門，開口40%左右即可，通過皮帶持續出渣，過程中注入泡沫(30～50 L/min，防止出口堵塞，并對渣土改良)，膨潤土注入口注清水(清水中提前加入碳酸鈉，流量30～50 L/min，防止堵塞)，當螺旋出渣連貫時，土倉內的轉換完成，后續按照土壓模式正常施工。

4 不同掘進模式的地表變形監測結果分析

試驗段0環～130環為土壓模式，131環～213環為泥水模式，214環～290環(試驗段終點)又轉換為泥水平衡模式，在地表隧道中心軸線上布置變形監測點。變形監測結果見圖7～圖9。監測結果表明：措施得當，地層變形可控。

圖7 試驗段25環～130環地表變形分布曲線(土壓平衡模式)

圖8 試驗段131環～214環地表變形分布曲線(泥水平衡模式)

圖9 試驗段215環～290環地表變形分布曲線(土壓平衡模式)

5 泥水模式和土壓模式的工效分析

(1)如表1所示，采用泥水平衡模式，21個工作日掘進131環～213環，共83環，平均日進尺3.9環。泥水模式掘進效率低的主要原因在于：本工程盾構隧道穿越的地層為黏土地層，且粒徑≤10 μm的顆粒占比高達61.23%。這部分土壤顆粒很難分離，產生的泥漿含過量的黏粉粒，導致泥漿分離時間長，嚴重影響盾構掘進效率。

(2)采用土壓平衡模式，20個工作日共掘進130環，平均6.5環/d，掘進效率遠高于泥水模式，由于在土壓模式掘進過程中，從“土倉壓力控制、出土量、渣土塑流化改良、同步注漿、二次補充注漿”等諸多方面采取了嚴格的工程措施，其地表沉降與泥水平衡模式掘進引起的地層沉降幾乎沒有明顯的區別。

根據兩種掘進模式的工效和地表變形監測結果的綜合分析，本區間后續的424環(214環～637環)，全部采用土壓平衡模式，且在290環以后穿越了密集的建筑物群，平均日進尺高達10.34環，極大提高了盾構掘進效率。建筑物的最大沉降值僅為3.9 mm，小于控制值5 mm。為本區間按期貫通提供了保證。

通過對試驗段的掘進成果的研討和綜合分析，確定后續的3段區間隧道全部采用土壓平衡模式進行掘進，對確保完成洞通目標提供了保障。

6 結論

(1)本工程盾構隧道穿越地層粒徑≤10 μm的顆粒占比高達61.23%。采用泥水平衡模式掘進，地層中這部分顆粒很難分離，導致泥漿含過量的黏粉粒，泥漿分離時間長，嚴重影響盾構掘進效率，試驗段泥水模式平均進尺僅有3.9環/d，而土壓模式掘進效率達到6.5環/d。

(2)由土壓平衡模式向泥水平衡模式轉換的關鍵環節和最大風險點在于將土壓倉內渣土置換為泥漿，提出了“兩階段”置換法，得到每個置換階段的關鍵技術和掘進參數。

(3)由泥水平衡模式向土壓平衡模式轉換過程中最重要的環節是用渣土置換泥漿，得到排除泥漿和在土倉內建立土壓的關鍵技術。

(4)監測結果表明：第一段土壓平衡模式的地表變形為+2.5～-10 mm，第二段泥水平衡模式的地表變形為+2～-8.5 mm，第三段又轉換為土壓平衡模式的地表變形為+10～-5 mm。由此可見，兩種掘進模式均能有效控制地表變形(沉降和隆起)。

(5)從214環開始全部采用土壓模式，掘進效率平均10.34環/d，且穿越密集建筑物，建筑物的最大沉降值僅為3.9 mm，小于控制值5 mm。