楊志勇， 楊 星， 漆偉強， 江玉生， 安宏斌

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083； 2. 中鐵十二局集團第二工程有限公司， 山西 太原 030000)

0 引言

盾構(gòu)在土巖復(fù)合層、富水卵石層等特殊地層條件下掘進時，為降低刀盤轉(zhuǎn)矩、減小刀具磨損，會采用“氣壓模式”掘進，即： 盾構(gòu)土艙內(nèi)只有部分渣土和壓縮空氣。盾構(gòu)開艙檢修時，會向土艙或泥水艙內(nèi)注入壓縮空氣，通過氣壓來維持開挖面的平衡，防止開挖面失穩(wěn)。壓縮空氣工法在盾構(gòu)掘進施工、帶壓開艙等方面起到了重要作用[1-4]，但同時也存在較大的風(fēng)險。例如： 在氣壓模式掘進中，氣壓的突然消散會導(dǎo)致地表塌陷； 帶壓開艙過程中氣壓的急劇損失會影響開挖面的穩(wěn)定性。合理地計算盾構(gòu)艙內(nèi)氣壓損失，并對其影響因素進行分析，對確?！皻鈮耗Ｊ健倍軜?gòu)掘進和帶壓開艙檢修的安全非常必要。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對氣壓損失的研究方法主要包括理論計算、室內(nèi)試驗、工程實例分析等。對于理論計算分析： 文獻(xiàn)[5]根據(jù)盾構(gòu)施工的實際工程經(jīng)驗，提出了半理論公式用于計算開挖艙內(nèi)壓縮空氣的損失量； 文獻(xiàn)[6]考慮水位與地層的位置關(guān)系及盾尾間隙等因素，對文獻(xiàn)[5]提出的氣壓損失公式進行了改進。對于室內(nèi)試驗： 文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種步進式注氣試驗裝置，對上海地區(qū)典型的4種軟黏土進行階梯式注氣試驗，得到了氣體流量的演變規(guī)律和工作氣體的突破壓力； 文獻(xiàn)[8]通過室內(nèi)閉氣試驗裝置測定了衡盾泥材料在帶壓開艙過程的保壓效果，驗證了開艙過程中空壓機配備的合理性。對于工程實例分析： 文獻(xiàn)[2]以廣州地鐵13號線某區(qū)間隧道為工程背景，針對氣密性較好地層提出并總結(jié)了“氣壓平衡”模式的盾構(gòu)施工技術(shù)； 文獻(xiàn)[9-10]以南京長江隧道工程為背景、文獻(xiàn)[11]以南京緯三路過江通道工程為背景，均通過帶壓開艙的工程實例進行分析，著重介紹了開艙過程中氣壓穩(wěn)定的影響因素以及風(fēng)險控制技術(shù)措施等。

相較于歐洲等國家，我國關(guān)于盾構(gòu)氣壓模式掘進及帶壓開艙方面的研究起步較晚，尤其是帶壓開艙施工，發(fā)生過多起安全事故，教訓(xùn)是非常深刻的。我國關(guān)于氣壓的研究重點在確保工作艙氣壓穩(wěn)定方面，主要通過室內(nèi)或現(xiàn)場試驗方式來進行研究，重要研究成果包括泥漿材料、泥膜厚度、泥膜建立工藝及技術(shù)、氣壓穩(wěn)定影響因素等方面。而對于盾構(gòu)艙內(nèi)空氣損失量的計算研究較少，特別是帶壓開艙過程中，主要通過現(xiàn)場施工測試掌子面泥膜的閉氣程度，該情況下通常會出現(xiàn)2個問題： 1)泥膜沒有必要建的過厚； 2)空氣壓縮機的配備不需要那么多。這就需要對艙內(nèi)的空氣損失量進行合理計算，以確定合適的泥膜厚度及空壓機的功率需求。在氣壓損失的理論計算方面，國外相關(guān)學(xué)者僅僅提出了半理論半經(jīng)驗性公式，所考慮的因素較為單一，未考慮地層富水情況及土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機區(qū)域等影響因素。本文首先基于文獻(xiàn)[6]Krabbe公式進行改進，考慮地質(zhì)情況、開挖間隙、溫度、注漿等多方面影響因素，提出一種新的空氣損失量半經(jīng)驗半理論計算方法，再結(jié)合工程實例對氣體損失計算，通過對比空氣壓縮機的壓縮效率驗證了本工程的壓縮空氣供應(yīng)合理與否。盾構(gòu)在特殊復(fù)合地層中采取氣壓模式掘進及密封帶壓開艙作業(yè)時要求準(zhǔn)確的氣壓控制，本文的計算方法及對影響因素的分析結(jié)果可為空壓機的配備、帶壓開艙的密封工作等提供一定的建議和指導(dǎo)。

1 壓縮空氣工法簡介

盾構(gòu)通過向開挖艙內(nèi)部壓入空氣來穩(wěn)定掌子面的施工方法稱為壓縮空氣工法[1]，該工法主要用于盾構(gòu)非滿艙掘進狀態(tài)和帶壓開艙工作。無論是土壓平衡盾構(gòu)還是泥水平衡盾構(gòu)，其壓縮空氣工法均有廣泛的應(yīng)用。

1.1 氣體損失范圍

如圖1(a)所示，盾構(gòu)在施工過程中，由于盾體自重原因，開挖面呈現(xiàn)下邊緣密實上邊緣脫空的情況，且壓縮空氣充實在開挖艙的上部，該區(qū)域的壓縮氣體必然會與盾體上部的開挖間隙相通，氣壓可能損失的區(qū)域擴大至刀盤正面土體、開挖間隙周邊土體、盾尾注漿區(qū)域，以上區(qū)域適用于泥水平衡盾構(gòu)。若為土壓平衡盾構(gòu)，除上述外還需考慮螺旋輸送機區(qū)域影響。各區(qū)域情況如圖1(b)所示。

(a) 開挖面位置 (b) 盾構(gòu)側(cè)面位置

1.2 氣壓設(shè)定

1.2.1 氣壓模式掘進

盾構(gòu)在氣壓模式掘進時，土艙內(nèi)部處于非滿艙狀態(tài)，即開挖艙需要充入壓縮空氣來抵抗水土壓力從而穩(wěn)定掌子面平衡[4]。實際的掘進過程中，開挖艙內(nèi)上部為壓縮空氣，下部為切削后的渣土，土艙壁的實際受力來源于下部渣土與上部氣體對掌子面水土壓力的傳遞。根據(jù)不同型號盾構(gòu)的設(shè)計，壓力傳感器安裝在土艙壁不同位置，盾構(gòu)處于非滿艙掘進中，最上部的傳感器往往與壓縮空氣相接觸，該傳感器壓力一般情況下的顯示值為氣壓。以土壓平衡盾構(gòu)為例，盾構(gòu)土艙內(nèi)部渣土情況如圖2所示。

1.2.2 帶壓開艙

刀具更換、刀盤結(jié)泥餅等情況有時需要盾構(gòu)帶壓開艙的方式進艙處理。帶壓開艙中最主要的措施就是對氣壓的控制，壓縮空氣周邊的密封程度、氣壓的穩(wěn)定情況將影響整個開艙過程掌子面的穩(wěn)定性和工作人員的安全問題，所以對于開艙過程的氣體損失計算很有必要[12-13]。以氣墊式泥水平衡盾構(gòu)為例，帶壓開艙情況如圖3所示。

2 氣壓損失計算

2.1 空氣損失量

W. Krabbe[6]根據(jù)機械化盾構(gòu)施工的工程經(jīng)驗，考慮地層變化情況、水位情況、盾尾注漿因素等，提出并改進了空氣損失量Q的計算公式，該公式由于其表達(dá)明確、易理解、考慮因素全面、工程適用性強等優(yōu)勢沿用至今。表達(dá)式如式(1)所示。

圖2 盾構(gòu)土艙內(nèi)部渣土情況

圖3 泥水平衡盾構(gòu)帶壓開艙情況

(1)

式中：Q為空氣損失量，m3/min；ka為土中空氣的滲透系數(shù)，m/min；p1為艙內(nèi)的絕對壓強，kPa，計算時取值為土艙壓力；p2為地表絕對壓強，kPa；γw為水重度，取值為10 kN/m3；L為隧道頂部至空氣可以自由流動位置的路徑長度，m；F為與氣體接觸的盾構(gòu)掌子面面積，m2；ηa為刀盤正面損失系數(shù)，ηa=0適用于高固結(jié)土、硬巖等低滲透性圍巖，ηa=1.0適用于高滲透性的非固結(jié)土；ηb為盾體開挖間隙損失系數(shù)，ηb=0適用于高固結(jié)土、硬巖等低滲透性土，ηb=1.0～3.0適用于高滲透性土，取值大小根據(jù)滲透性而定；ηc為盾尾間隙沿隧道損失系數(shù)，ηc=0為盾尾脫離管片未注漿時，ηc=1.0～2.0為注入同步注漿漿液時，其取值大小依據(jù)漿液的凝結(jié)程度而定。

損失系數(shù)取值情況如圖4所示。可以看出： 1)圖4(a)表示盾構(gòu)從低滲透性地層掘進至高滲透性地層時斷面的空氣損失變化，此時空氣損失的主要因素為刀盤正面土體的變化，即取ηa=1，ηb、ηc取0； 2)圖4(b)表示盾構(gòu)在穩(wěn)定地層中掘進，此時除了刀盤正面土體受到刀盤切削作用會產(chǎn)生氣壓的變化，ηa=1，其余范圍保持穩(wěn)定，ηb、ηc取0； 3)圖4(b)與圖4(a)在損失系數(shù)的取值方面區(qū)別不大，即均是刀盤正面土體引起空氣損失的主要因素； 4)圖4(c)表示盾構(gòu)從高滲透性地層掘進至低滲透性地層，此時刀盤正面土體的滲透性變小，氣體的損失主要為盾尾管片區(qū)域； 5)圖4(d)和圖4(e)表示盾構(gòu)在穩(wěn)定地層下掘進，考慮管片注漿漿液凝結(jié)與否2種情況的空氣損失； 6)復(fù)雜的地質(zhì)需要對4(a)—(e)中多種情況進行組合考慮。

實際上，式(1)是考慮ηa、ηb、ηc3個區(qū)域達(dá)西定律用于氣體計算結(jié)果的疊加，達(dá)西定律如式(2)所示。

(2)

式中：qw為水流量，m3/min；kw為土中水的滲透系數(shù)，m/min； Δh=(p1-p2)/γw，為水頭差，m；l為滲流路徑長度，m。

式(1)實際考慮的情況為無水地層，考慮該地層下的氣體損失結(jié)果是偏于安全的，但過大的氣壓會擾動地層甚至引發(fā)地表隆起。在考慮地下水位因素后對式(1)進行改進，改進結(jié)果如式(3)所示。

(3)

式中：h為水位距隧道頂部的垂直距離，m；ηd為螺旋輸送機的損失系數(shù)。當(dāng)螺旋輸送機封閉(如帶壓開艙時)或采用無螺旋輸送機的盾構(gòu)(如泥水平衡盾構(gòu))施工時，ηd=0； 當(dāng)螺旋輸送機出渣時(即正常的氣壓模式掘進)，依據(jù)出土量流暢程度取值，ηd=0～2.0。

2.2 影響因素

2.2.1 空氣滲透系數(shù)

J. Kramer等[14]、B. Maidl等[15]進行了大量的物理模型試驗，總結(jié)出了相同類型土體中空氣與水的滲透系數(shù)關(guān)系，同時將滲透系數(shù)關(guān)系同溫度進行聯(lián)系，結(jié)果如圖5所示。該相關(guān)參數(shù)是一種基于經(jīng)驗性的結(jié)論，在考慮相關(guān)實際工程背景下，需要進行土體的滲透性試驗及氣壓密閉性試驗等作為參考，特別是在進行帶壓開艙準(zhǔn)備工作時，對在掌子面前方土體孔隙的封堵及其他密封工作更需嚴(yán)格考慮。

ka為土中空氣的滲透系數(shù)； kw為土中水的滲透系數(shù)。

2.2.2 艙內(nèi)壓強

土艙壓力作為盾構(gòu)施工的重要參數(shù)之一，在不同工程背景下的計算方法及取值均有不同，而艙內(nèi)壓強的控制同樣要依據(jù)土艙壓力的取值從而達(dá)到土壓平衡(或泥水平衡)效果，因此，艙內(nèi)壓強是衡量氣壓標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。根據(jù)式(3)，空氣損失量Q與艙內(nèi)絕對壓強p1呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，即

(4)

式中δ為比例常量。

從式(4)的二次關(guān)系可以看出，當(dāng)艙內(nèi)絕對壓強大于(γwh+p2)/2時，隨著p1的增加，空氣損失量Q呈現(xiàn)顯著增加趨勢。因此，艙內(nèi)壓強設(shè)置過大，必定會導(dǎo)致空氣損失量Q迅速增加，此時艙內(nèi)壓強的調(diào)節(jié)控制至關(guān)重要。

2.2.3 掘進地層變化

采用氣壓模式掘進時，地層的突然變化會導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤前方與后方盾體周圍土體產(chǎn)生一定的氣壓滲透差，如圖4(a)和4(c)所示。按照原定地層的氣壓量設(shè)計必然會導(dǎo)致艙內(nèi)氣壓與掌子面壓力不符，長時間未調(diào)整會導(dǎo)致一定程度的地層變形。在掘進地層的突變位置處，配備滿足工作需求效率的空氣壓縮機以備及時的氣壓調(diào)整很有必要。

3 工程實例分析

3.1 工程地質(zhì)概況

以色列特拉維夫市地鐵“紅線輕軌”項目1/5/2/6豎井—BG車站區(qū)間使用2臺德國海瑞克土壓平衡盾構(gòu)施工。盾構(gòu)外徑為7.5 m，埋深為19～32 m，地下水位為4～15 m，2臺盾構(gòu)分別負(fù)責(zé)1號線和2號線的掘進施工。地質(zhì)剖面如圖6所示。巖土工程參數(shù)如表1所示。盾構(gòu)穿越地層主要為庫卡(弱膠結(jié)砂巖)、粉黏細(xì)砂層和黏土質(zhì)砂。地層具有較強的磨蝕性，每隔一定距離需帶壓開艙更換刀具，提前對地層盾構(gòu)土艙空氣損失量進行計算，同時根據(jù)計算結(jié)果與盾構(gòu)配備空壓機功率進行對比，確保能夠及時補充壓縮空氣，防止開艙過程中的開挖面失穩(wěn)。

圖6 地質(zhì)剖面圖

表1 地質(zhì)巖土參數(shù)情況表

3.2 計算結(jié)果

3.2.1 氣體滲透系數(shù)ka

根據(jù)圖5中ka與kw的系數(shù)關(guān)系，考慮溫度引起氣體膨脹的相關(guān)結(jié)論，同時結(jié)合本工程實際的施工溫度為10 ℃左右，由圖5所示其函數(shù)關(guān)系可表達(dá)為

ka=70kw。

(5)

式(5)可準(zhǔn)確地描述本工程盾構(gòu)正常掘進過程中的滲透系數(shù)關(guān)系，但對于帶壓開艙過程，由于刀盤正面膨潤土泥膜的影響，盡管有相關(guān)的理論支撐，但要得到更全面的滲透系數(shù)還需進行準(zhǔn)確的現(xiàn)場試驗。針對本工程情況，在每次開艙過程前，對開艙位置掌子面前方土體與膨潤土混合預(yù)制開艙所需的密封泥膜，同時對泥膜進行現(xiàn)場滲透性試驗。將滲透系數(shù)kw0的試驗數(shù)據(jù)進行整合，結(jié)果如表2所示。

表2 室內(nèi)膨潤土試驗結(jié)果

3.2.2 空氣損失量Q

艙內(nèi)壓強p1依據(jù)線路規(guī)劃的土艙壓力計算結(jié)果而定。本工程根據(jù)實際地層情況，同時依據(jù)圖4(d)、4(e)考慮盾尾同步注漿漿液的凝結(jié)與否2種工況，結(jié)合式(3)、式(5)及地層變化情況，在地層穩(wěn)定段每隔100～400 m計算1次，在地層變化段每隔50～100 m計算1次，最終求得空氣損失量Q計算結(jié)果，如圖7所示。

圖7 空氣損失量Q計算結(jié)果

3.3 靈敏度分析

由圖7可知，空氣損失量最大斷面為里程22 545處。由圖6可知，該斷面為粉黏細(xì)砂至庫卡地層的突變處。有必要對該突變地層進行靈敏度分析，以確保受施工參數(shù)等因素產(chǎn)生的Q-p1影響范圍。艙內(nèi)壓強、掘進狀態(tài)空氣損失量、開艙過程空氣損失變化量如圖8所示，3線共點O即為里程22 545斷面的計算參數(shù)。考慮整個過程空氣損失與艙內(nèi)壓強的關(guān)系，得到的變換如式(6)所示。

(6)

在實際施工過程中，考慮艙內(nèi)絕對壓強p1被控制在123.5±20 kPa范圍之內(nèi)，且根據(jù)式(6)Q-p1的變換大致呈2倍的線性關(guān)系，在該范圍內(nèi)進行靈敏度分析的范圍ABCD見圖8陰影區(qū)域。

結(jié)合空氣壓縮機的實際工作效率，對該范圍內(nèi)的氣壓控制情況評估見式(7)。

(7)

式中： SF為氣壓控制安全系數(shù)，其值越大即代表越偏于安全；Qsystem為空壓機的最大功率，m3/min。

本工程共設(shè)置2臺功率為10.15 m3/min的空壓機。結(jié)合圖8所示靈敏度范圍計算，C點最小安全系數(shù)SF=3.95，即代表該工況下可以擁有空氣損失的3.95倍效率進行壓縮空氣的調(diào)整，說明本工程盾構(gòu)配備的空壓機功率足夠且偏于安全。

圖8 Q-p1影響因素靈敏度分析

4 結(jié)論與建議

1)氣壓的損失范圍分為刀盤正面土體、開挖間隙周邊土體和盾尾注漿3個區(qū)域。在氣壓設(shè)定的前提下，需著重考慮氣壓掘進狀態(tài)與帶壓開艙2種不同工況下的密封條件。相比于氣壓掘進狀態(tài)，帶壓開艙前刀盤正面土體的ka值需根據(jù)現(xiàn)場膨潤土泥膜滲透性試驗確定。

2)通過改進Krabbe公式考慮地層變化、開挖間隙、同步注漿等情況，可以合理地計算空氣損失量。同時空氣滲透系數(shù)、艙內(nèi)壓強、地層變化情況是影響空氣損失量的重要影響因素。在空氣損失量Q的計算過程中，溫度對滲透系數(shù)比有重要影響，故要根據(jù)現(xiàn)場盾構(gòu)施工所能達(dá)到的溫度確定合適的滲透系數(shù)； 艙內(nèi)壓強與空氣損失量呈二次關(guān)系； 地層的變化會導(dǎo)致一定的空氣滲透差，需要完備的氣壓處理設(shè)備。

3)通過對實際工程部分里程斷面的空氣損失量計算，得到損失量最大的斷面位于地層突變處。對該斷面的靈敏度進行分析，確定影響因素p1和Q-p1作用下的空氣損失量靈敏區(qū)域，最后對比配備的空壓機功率，說明本工程盾構(gòu)配備的空壓機功率足夠且偏于安全。

4)對于盾構(gòu)艙內(nèi)空氣損失的進一步研究中，可以考慮將盾構(gòu)的實際施工參數(shù)(如艙內(nèi)壓強、空氣壓縮機功率等)與空氣損失量Q的計算相結(jié)合，同時擁有更多實際工程數(shù)據(jù)的支撐會使空氣損失量Q的理論計算與分析更加完善。