EPB盾構隧道排土同步灌漿再利用研究

作者簡介：鄭 濤（1993—），碩士，工程師，主要從事巖土工程方面研究與試驗工作。

摘要：對EPB盾構隧道產生的大量排土進行回收綜合利用，具有重要的現實意義和工程應用價值。同步注漿作為盾構施工的關鍵工序之一，需要大量的膨潤土、水泥、粉煤灰、沙子等材料。文章以鄭州地鐵工程為例，開展了盾構渣作為同步灌漿材料的再利用研究；采用室內試驗和XRD研究了EPB盾構隧道排放土的物理性質，結果表明盾構渣能夠滿足同步灌漿材料中膨潤土和細砂的性能要求；綜合考慮滲流場、應力場和注漿及時性的綜合影響，采用有限差分法分析了注漿壓力對地表沉降、管片變形能的影響，結果表明，注漿壓力為0.18 MPa時，地表沉降和管片變形能得到較好控制。

關鍵詞：EPB；盾構隧道；灌漿

中圖分類號：U455.43

0 引言

EPB盾構法已成為我國城市地鐵建設中應用最為廣泛的施工方法。盾構施工時會產生大量渣土。盾構渣不僅占用大量土地，降低土壤質量，影響空氣和水質，而且存在一定的安全隱患。此外，將渣土直接運送到廢物處理區的成本很高。因此，對盾構渣的再利用研究具有重要的現實意義和實用價值。

目前，國內外學者及工程師針對盾構渣再利用開展了一些研究。通過威悉河隧道開挖中的土碴處理工藝，赫爾穆特·格羅斯^［1］發現，采用傳統的分離技術回收可重新利用的砂土是可行的，分離出的砂土可以用作承重回填土和隔音墻的覆蓋層。鐘小春等^［2］研究了盾構同步注漿中開挖粉質細砂的再利用問題。楊釗等^［3］為利用泥水盾構施工過程中產生的大量廢棄泥漿，研究了廢棄泥漿對壁后注漿砂漿工程性能的影響。張亞洲等^［4］以南京緯三路過江通道工程為依托，利用泥水盾構施工產生的泥漿、廢棄土配制掘進用泥漿，廢棄粉細砂作同步注漿材料等進行了研究。房凱等^［5］對多種廢棄泥漿處理方法進行了分析，其中盾構施工中對廢棄泥漿主要采用的是以凈化為主的處理方式。錢鑫等^［6］為解決黏土地層土壓平衡盾構渣土再利用問題，對水膠比、膠砂比等因素對注漿材料性能的影響規律進行了研究分析。綜上所述，雖然學者們在盾構渣再利用方面取得了豐碩的成果，但關于EPB盾構渣作為同步注漿材料再利用的研究較少，也沒有系統的研究成果報道。同步注漿是盾構施工的關鍵環節之一，通常是將灌漿注入盾尾與管片之間的間隙以填充間隙并控制地層變形，在隧道周圍形成注漿保護層，以提高盾構隧道的抗滲性。盾構所穿過的地層通常是含有大量黏土顆粒和細砂的軟土層，如果處理得當，排出的土壤是同步灌漿的優質原料之一。

鑒于此，本文以鄭州地鐵穿越粉質黏土層和黏質粉沙地層與砂質粉砂地層的施工實例為基礎，探討盾構渣再利用的可行性，以及盾構渣同步注漿材料的最佳配比。此外，還研究了注漿壓力和灌漿速率對地表沉降、土體塑性區和管片變形的影響。研究結果可為類似項目提供參考。

1 項目概況

鄭州地鐵某段主要地層為粉砂質粉砂地層，局部地層為粉砂質黏土地層和粉砂質粉砂地層。根據地質勘查結果，隧道穿越的地層中56%為粉質黏土，38%為細砂，6%為粉質黏土夾砂質粉砂。施工采用兩臺直徑為6 250 mm的土壓平衡盾構機，鋼筋混凝土管片用作隧道襯砌。該段的外徑為6.2 m，厚度為0.35 m，寬度為1.5 m。每個環的理論渣漿輸出量為49.4 m³，每環理論注漿量為4.1 m³，充填系數為1.5～2.0。

2 盾構渣作為灌漿材料的可行性

2.1 盾構渣工程特性試驗

對盾構渣的詳細成分和物相分析進行室內分析，主要包括密度、含水量、比重、極限含水率、空隙率、飽和度、級配特征等物理特性試驗。根據測量結果，渣樣含水量適中，黏度指數為0.5，土壤樣品是塑性狀態的低液限粉質黏土。

在粒度組成分析中，0.075 mm以上土壤的粒度分布采用篩分法測定；0.075 mm以下土壤的粒度分布考慮到粉質黏土渣中存在細小顆粒，采用密度計法測定。盾構渣顆粒直徑分布曲線如圖1所示。由圖1可知，粉質黏土樣品粒度分布不均勻，顆粒級配良好。樣品中有很多細顆粒，粒徑＜0.075 mm的細顆粒占39.32%，粒徑＜0.005 mm的黏土顆粒占8.45%。

2.2 礦物成分分析

使用多功能X射線衍射儀（XRD）對分析粉質黏土和細砂的物相進行分析。結果顯示淤泥中粉質黏土的礦物成分主要為石英（21.35%）、長石（16.38%）、蒙脫石（31.03%）；細砂的礦物成分主要為石英（35.03%）和長石（27.35%）。

2.3 盾構渣作為灌漿材料的可行性分析

淤泥中粉質黏土的黏土礦物成分較高，具有良好的吸水膨脹性能。此外，土樣粒徑小，單位質量土顆粒的比表面積大，可有效提高灌漿液的黏度和穩定性。因此，根據鄭州地鐵某路段渣土的物性、礦物成分、粒度組成等特點，替代同步灌漿液原料中的膨潤土是可行的。此外，渣中細砂的礦物成分主要為石英和長石，含泥量很少，具備回收利用和作為工程砂利用的基本條件。

3 再利用渣漿配比優化

根據盾構段工程情況，選用水泥、粉煤灰、粉質黏土（替代膨潤土）、細砂（替代河砂）、膨潤土、水作為活性水泥砂漿單液灌漿材料。通過使用統一設計的基本理論和方法，可以有效避免大量的測試，以較少的試驗即可完成復雜的科研項目和新產品的研發。其最大的特點是試驗次數可以等于最大水平數，而不是試驗因素個數的平方。而且，試驗數量只與要研究的因素的數量有關，但試驗次數應為試驗因子數的3倍左右，有利于建模和優化。

同步注漿液是一種特殊液體，其特性主要受水膠比、膠砂比、膨潤土水比、粉煤灰水泥比四種因素的影響。水膠比是水與膠凝材料的比值；膨潤土水比是膨潤土與水的比值；膠砂比是膠凝材料與砂的比值；粉煤灰水泥比是粉煤灰與水泥的比值。為分析各影響因素對灌漿施工性能的影響，設計最佳配合比，對每個影響因素設置5個試驗水平，試驗次數為實際試驗水平的3倍。為此，安排了15組測試，統一設計的材料配比見表1。注漿材料性能試驗項目主要有比重試驗、稠度試驗、流動性試驗、泌水率試驗、凝結時間試驗、石料收縮試驗、無側限抗壓試驗等。

4 盾構渣同步注漿效果數值模擬研究

4.1 計算模型和參數

區間左行的201環至210環作為渣土再利用的測試路段。選取左線205環隧道斷面為計算斷面，利用FLAC3D有限差分軟件對同步注漿施工參數進行敏感性分析。根據本項目地質調查資料顯示，主要掘進地層為細砂和粉質黏土。地下穩定水位埋深約為16 m，洞頂距地表18 m。該部分兩條線之間的距離約為13.5 m，考慮到右線已經開挖，計算中只考慮左線注漿施工的影響。

根據盾構機參數可計算出理論過挖間隙（25 mm）為刀徑（6 480 mm）與盾尾外徑之差的50%；盾尾的理論間隙（70 mm）是盾尾內徑與管片外徑（6 200 mm）之差的50%；灌漿環的理論厚度為刀具直徑與管片外徑之差的50%（140 mm）。

由于巖土材料物理力學性質的隨機性和復雜性，數值模擬采用以下計算條件和假設：（1）各地層厚度均勻且不存在互侵，圍巖和支護結構是均質和各向同性的材料；（2）地下水深度以下的地層是可滲透的；（3）隧道開挖過程中水位保持不變；（4）灌漿不可壓縮、各向同性、不可稀釋且不會堵塞。根據圣維南原理，在3～5倍隧道跨度的開挖區外，開挖引起的位移和應力變化可以忽略不計。因此，在實際數值模擬過程中，隧道開挖區的左、右、上、下尺寸應不小于隧道跨度的3～5倍。計算模型如圖2所示。邊界約束為模型前后左右的水平約束，模型底部的垂直約束，模型頂部的自由邊界。對于滲流中的流體邊界，對左、右、下邊界的流體交換進行約束，對前后邊界不施加流體約束。

地層土采用實體單元模擬，符合MC破壞準則；盾構段采用實體單元模擬，符合彈性本構模型；通過將剛度折減系數設置為0.7來考慮節段接頭；盾構機鋼板采用殼單元模擬，符合彈性本構模型；注漿層按照彈性本構模型采用實體單元模擬，視為透水材料；由于灌漿用于填充開挖直徑與盾體之間的間隙，填充層采用彈性本構模型的實體單元模擬，視為不透水材料。

4.2 模擬施工步驟

計算步驟模擬盾構施工的三個階段：

（1）盾構機通過階段：激活模型中的盾構單元和超挖填充層。

（2）盾尾段外管片階段：盾構殼單元和超挖填充層被鈍化，模型中盾尾灌漿層和管片襯砌被激活，盾尾全環施加灌漿壓力。考慮到漿液的剪切運動和固結（固結初期漿液參數變化率巨大），應注意適時改變注漿層硬化參數，降低注漿壓力。

（3）灌漿硬化階段，其硬化參數見表2。

4.3 不同灌漿壓力下的施工效果分析

4.3.1 注漿壓力范圍及垂直分布

假設灌漿壓力和灌漿在整個環圈內均勻分布，采用擴散充填方式，盾尾空隙的填充率為100%。為合理、充分地研究注漿壓力對隧道結構和地表變形的影響，設置全環均勻注漿壓力范圍為0.10～0.30 MPa，線性梯度為0.04 MPa，共分6個工況。由于注漿時漿液的周向和縱向剪切運動，隨著時間的推移及漿液的固結，可以認為在環脫離后1 D內（即距環體9 m處），注漿壓力幾乎降至零。結合工程實踐和文獻研究。縱向注漿壓力折減系數見表3。

4.3.2 數值模擬結果分析

不同灌漿壓力下的地表沉降情況如圖3所示。不同注漿壓力下的側向地表沉降曲線基本一致，幾乎符合高斯曲線特征。注漿壓力的變化對地表沉降有很大的影響，隨著注漿壓力的增加，最大地表沉降逐漸減小，但沉降槽寬度保持不變。當注漿壓力＞0.22 MPa 時，盾構兩側距軸線約 25 m 的地表出現隆起，且隨著注漿壓力的增大，隆起量增大。

如圖后頁4所示，管片在水土壓力和注漿壓力的作用下呈橢圓形變形，整體下沉。不同注漿壓力下特征點管片變形較大，管片整體沉降隨注漿壓力增加而減小。不同灌漿壓力下管段收斂的變化值如后頁圖5所示。由圖5可知，隨著注漿壓力的增加，管片的垂向輻合度逐漸增大，而管片的水平輻合度呈先增大后減小的趨勢。注漿壓力設定為 0.18 MPa 時，管片水平收斂達到最大值4.16 mm。

5 結語

（1）盾構渣中粉質黏土的礦物成分主要為石英（16.38%）、長石（21.35%）、蒙脫石（31.03%）；細砂的礦物成分主要為石英（35.03%）和長石（27.35%）。用盾構渣中的粉質黏土和細砂分別代替同步注漿原料中的膨潤土和細砂是可行的。

（2）在統一測試結果的基礎上，采用SPSS多元回歸分析和MATLAB求解非線性規劃問題。盾構渣同步注漿材料的最佳配比為：水膠比0.74、膠砂比0.84、膨潤土水比0.11、粉煤灰水泥比2.75。

（3）考慮滲流場、應力場和漿液時變特性的綜合作用，采用有限差分法分析注漿壓力影響。從計算結果來看，當注漿壓力約束在0.18 MPa時，采用渣漿注漿時地表沉降和管片變形能得到較好的控制。

參考文獻

［1］赫爾穆特·格羅斯.威悉河隧道掘進工程中泥漿的經濟性再生處理［J］.隧道建設，2007，27 （6）：47-51.

［2］鐘小春，左 佳，劉泉維，等.地層中粉細砂在盾構壁后注漿中的再利用研究［J］.巖土力學，2008，29 （增刊1）：293-296.

［3］楊 釗，賀祖浩，吳克雄.廢棄泥漿在盾構壁后注漿中的應用［J］.隧道建設，2017，37（8）：985-989.

［4］張亞洲，夏鵬舉，魏代偉，等.南京緯三路過江通道泥水處理及全線路廢棄土再利用技術［J］.隧道建設，2015，35（11）：1 229-1 233.

［5］房 凱，張忠苗，劉興旺，等.工程廢棄泥漿污染及其防治措施研究［J］.巖土工程學報，2011，33（增刊2）：238-241.

［6］錢 鑫，管 超，陳一元，等.黏土地層土壓平衡盾構渣土再利用同步注漿試驗研究［J］.隧道與地下工程災害防治，2020，2（1）：68-74.

收稿日期：2023-04-28