呂乾乾，蘇文德，周建軍，楊振興，孫飛祥

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001； 2.廈門(mén)軌道交通集團(tuán)有限公司，福建 廈門(mén) 361001)

0 引言

隨著沿海城市交通建設(shè)的大力發(fā)展，泥水平衡盾構(gòu)越來(lái)越多地應(yīng)用于穿江越海隧道，由于水下地層復(fù)雜多變，維持盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中開(kāi)挖面穩(wěn)定至關(guān)重要，支護(hù)壓力參數(shù)的合理設(shè)定及盾構(gòu)泥漿的成膜性能直接關(guān)系掌子面穩(wěn)定性。對(duì)于基巖長(zhǎng)度大、強(qiáng)度高的情況，盾構(gòu)水下帶壓換刀不可避免，如何確保換刀時(shí)開(kāi)挖面穩(wěn)定、提出合理的海底換刀位置很關(guān)鍵。

目前關(guān)于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)壓力[1]和泥漿成膜性能[2]的研究較多。在開(kāi)挖面穩(wěn)定研究方面，陳仁朋等[3]、劉泉維等[4]通過(guò)開(kāi)展模型試驗(yàn)研究了特定地層中不同埋深比下盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性問(wèn)題，以及開(kāi)挖面主動(dòng)破壞的發(fā)展模式；黃阜等[5]通過(guò)理論分析推導(dǎo)了非線(xiàn)性破壞準(zhǔn)則下的支護(hù)力上限函數(shù)，得到開(kāi)挖面支護(hù)力的上限解。在泥漿成膜性能研究方面，杜佳芮等[6]對(duì)海水侵入條件下的泥水盾構(gòu)泥漿進(jìn)行了泥膜性質(zhì)變化測(cè)試，發(fā)現(xiàn)泥膜的孔隙比變大、滲透系數(shù)增大；張寧等[7]以南京緯三路過(guò)江通道為背景，針對(duì)4種砂性地層進(jìn)行泥漿成膜試驗(yàn)，得到各地層的泥漿成膜參數(shù)。

對(duì)于開(kāi)挖面的穩(wěn)定研究，數(shù)值模擬具有時(shí)間快、費(fèi)用低、可研究工況多等優(yōu)點(diǎn)，鑒于目前主要采用連續(xù)介質(zhì)軟件開(kāi)展開(kāi)挖面支護(hù)壓力研究，對(duì)失穩(wěn)引發(fā)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(duì)泥水盾構(gòu)換刀掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行研究。依托廈門(mén)軌道交通2號(hào)線(xiàn)跨海區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，得到在幾種典型地層中帶壓換刀時(shí)開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力及開(kāi)挖面失穩(wěn)后的位移分布特征。同時(shí)，為了保證盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中開(kāi)挖面穩(wěn)定，針對(duì)2號(hào)線(xiàn)跨海區(qū)間滲透性大的砂層，開(kāi)展室內(nèi)泥膜滲透試驗(yàn)，研究泥膜形成規(guī)律及形態(tài)特征，為類(lèi)似工程提供一定的參考與指導(dǎo)。

1 工程概況

廈門(mén)軌道交通2號(hào)線(xiàn)跨海區(qū)間主要連接海滄大道站和東渡站，盾構(gòu)隧道將穿越基巖、半巖半土、基巖全(強(qiáng))風(fēng)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(duì)維持掘削面穩(wěn)定至關(guān)重要。隧道地質(zhì)縱剖面如圖1所示。

圖1 跨海段隧道地質(zhì)縱剖面(單位：m)

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

2 數(shù)值模擬

由于掌子面極限支護(hù)壓力與地層條件密切相關(guān)，在此選取4個(gè)代表性斷面進(jìn)行研究。采用顆粒流方法利用PFC2D對(duì)泥水盾構(gòu)換刀掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。

2.1 模型參數(shù)

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

圖2 斷面 DK19+285.33地質(zhì)剖面(單位：m)

在此利用雙軸數(shù)值試驗(yàn)，標(biāo)定各地層對(duì)應(yīng)的PFC2D細(xì)觀力學(xué)參數(shù)。標(biāo)定模擬分3步，即生成試樣、固結(jié)和加載。模型由四面墻體圍成，通過(guò)控制上下墻體的移動(dòng)速度模擬試樣加載，通過(guò)伺服機(jī)制自動(dòng)控制側(cè)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(gè)顆粒單元構(gòu)成，顆粒半徑為0.04～0.06m，顆粒密度取為2 630kg/m3，標(biāo)定過(guò)程如圖3所示。

圖3 標(biāo)定過(guò)程示意

通過(guò)標(biāo)定得到各地層對(duì)應(yīng)的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)法向接觸剛度Kn、切向接觸剛度Ks、摩擦系數(shù)μ。

2.2 計(jì)算步驟

為了得到不同斷面的極限支護(hù)壓力，建立模型，計(jì)算步驟如下。

1)生成邊界 邊界由PFC2D中的墻體構(gòu)成，考慮邊界效應(yīng)，模型尺寸取50m×50m，共生成76 155個(gè)顆粒，顆粒半徑范圍為0.04～0.06m。墻體的法向接觸剛度通過(guò)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(cè)壓力系數(shù)與真實(shí)地層更接近，采用落雨法將摩擦系數(shù)設(shè)為0以使模型更密實(shí)。

3)生成模型 模型在自重作用下平衡后，根據(jù)目標(biāo)高度刪除上部少量浮皮，給顆粒附加標(biāo)定的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，生成模型。

4)施加地下水荷載 對(duì)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(hù)壓力 將泥水艙內(nèi)初始?jí)毫υO(shè)定為地層靜止土壓力，分50步均勻減少艙內(nèi)壓力至0，各級(jí)壓力條件下循環(huán)100 000步，保證模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并進(jìn)行地層位移的嚴(yán)密監(jiān)控，當(dāng)前方土體位移突然增大，則上一級(jí)壓力即為極限支護(hù)壓力。

為模擬二維盾構(gòu)隧道開(kāi)挖流程，在此不考慮刀盤(pán)扭矩影響，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具外形做相應(yīng)簡(jiǎn)化，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 二維盾構(gòu)隧道開(kāi)挖簡(jiǎn)化模擬示意

在此開(kāi)發(fā)特別算法進(jìn)行泥膜生成-破壞-再生成整個(gè)過(guò)程的模擬，該算法可自動(dòng)識(shí)別刀盤(pán)間顆粒并施加特定壓力，以模擬泥水艙對(duì)掌子面的支撐作用。PFC2D計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 考慮泥水平衡的PFC2D計(jì)算模型

圖5中箭頭代表支護(hù)壓力對(duì)掌子面的支撐作用，箭頭起始端顆粒表示刀盤(pán)間泥膜。數(shù)值計(jì)算中每隔1 000步執(zhí)行1次算法，更新泥膜顆粒，并施加指定泥水壓力。

2.3 計(jì)算結(jié)果

為得到極限支護(hù)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(hù)壓力變化曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 土顆粒豎向位移隨支護(hù)壓力變化曲線(xiàn)

由圖6可知，地層位移隨支護(hù)壓力變化曲線(xiàn)分為2個(gè)階段，當(dāng)支護(hù)壓力從p0開(kāi)始減小時(shí)，地層開(kāi)始移動(dòng)，土顆粒產(chǎn)生朝向掌子面位移，但幅度很??；當(dāng)支護(hù)壓力減小到某一特定值時(shí)，土顆粒移動(dòng)速度明顯加快，大量土體涌進(jìn)泥水艙，此時(shí)的支護(hù)壓力即為極限支護(hù)壓力pf，得到4種地層條件下的掌子面極限支護(hù)壓力，如表1所示。

表1 不同斷面處的極限支護(hù)壓力

由表1可知，地層條件對(duì)換刀過(guò)程中支護(hù)壓力的選取非常重要。對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，雖風(fēng)化嚴(yán)重，但具有較強(qiáng)黏聚力(c=28kPa)和自穩(wěn)性，支護(hù)壓力降至2kPa時(shí)掌子面失穩(wěn)。對(duì)于全斷面砂層和軟土，由于地層自穩(wěn)性較差，掌子面在支護(hù)壓力減小過(guò)程中很快失穩(wěn)坍塌并發(fā)展至地表，應(yīng)盡量避免在此類(lèi)地層條件下?lián)Q刀，如必須換刀則要保證足夠的支護(hù)壓力，或提前對(duì)地層進(jìn)行加固。對(duì)于上軟下硬復(fù)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(wěn)定性，極限支護(hù)壓力降低。隧道最終失穩(wěn)后地層位移場(chǎng)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(kāi)挖面失穩(wěn)時(shí)，開(kāi)挖面前方地層表面出現(xiàn)顯著沉降；而圖7b所示強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖地層中開(kāi)挖面失穩(wěn)時(shí)，開(kāi)挖面附近的地表沉降位移很小；圖7c所示砂性地層開(kāi)挖面失穩(wěn)時(shí)，掌子面前方土體擾動(dòng)區(qū)呈漏斗狀；圖7d所示上軟下硬復(fù)合地層開(kāi)挖面失穩(wěn)時(shí)，掌子面上部軟土層部分明顯出現(xiàn)朝向盾構(gòu)機(jī)方向位移。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)施工

廈門(mén)軌道交通2號(hào)線(xiàn)跨海段左線(xiàn)隧道前8次開(kāi)艙的艙內(nèi)支護(hù)壓力如圖8所示，除大兔嶼處采用常壓開(kāi)艙外，其余均為帶壓開(kāi)艙作業(yè)。根據(jù)顆粒流模擬計(jì)算結(jié)果，左線(xiàn)前8次開(kāi)艙位置避開(kāi)了砂層、軟土層及上軟下硬地層，隧道斷面均處在強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖及其他風(fēng)化巖層中，同時(shí)設(shè)置了合理的進(jìn)艙支護(hù)壓力，有效保證了帶壓進(jìn)艙檢修及換刀作業(yè)安全快速進(jìn)行。

圖8 左線(xiàn)隧道前8次開(kāi)艙的進(jìn)艙壓力

3 泥膜試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

泥水盾構(gòu)施工中泥漿可在開(kāi)挖面形成泥膜，維持掘削面穩(wěn)定。泥漿與掘削地層接觸時(shí)，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(shù)降低，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)地層孔隙水壓穩(wěn)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(guò)程中泥漿的壓力逐漸轉(zhuǎn)換作用在地層土體顆粒上，使掘削面受到泥漿支護(hù)。

圖9 泥膜形成示意

泥膜形成及質(zhì)量直接關(guān)系掘削面穩(wěn)定性，實(shí)際工程中很難觀測(cè)到泥膜形成過(guò)程，因此針對(duì)廈門(mén)軌道交通2號(hào)線(xiàn)跨海區(qū)間滲透性大的砂層，配制不同泥漿，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)手段模擬加壓泥漿在地層中的滲透過(guò)程，研究泥膜形成規(guī)律及形態(tài)特征。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的是地層材料的滲透性，其余力學(xué)性質(zhì)影響較小，可不做考慮。試驗(yàn)中采用經(jīng)過(guò)篩分后的普通石英砂配制試驗(yàn)地層土體，發(fā)現(xiàn)地層粒徑在1～0.8mm的含量達(dá)20%，粒徑在0.8～0.6mm的含量達(dá)45%，粒徑在0.6～0.5mm的含量達(dá)35%。

對(duì)配制的地層材料進(jìn)行滲透性測(cè)試，利用試驗(yàn)裝置采用常水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定地層滲透性，其原理如圖10所示。

圖10 常水頭試驗(yàn)原理

滲透系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：Δh1，Δh2分別為圖10中3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的相鄰水位差；Δh為平均水位差(cm)；ΔQ為時(shí)間t內(nèi)滲透水量(cm3)；Δt為時(shí)間(s)；A為試驗(yàn)土層斷面積(cm2)；L為兩側(cè)壓孔中心間的試樣高度(cm)；k為試樣的滲透系數(shù)(cm/s)。

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得到滲透系數(shù)為0.328cm/s。

本次試驗(yàn)的泥水配合比由膨潤(rùn)土基漿(膨潤(rùn)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(rùn)土基漿在試驗(yàn)前1d提前配制，保證膨潤(rùn)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(lèi)型泥漿其密度及黏性測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 泥漿主要性質(zhì)

泥漿加載是泥膜形成試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟，通過(guò)壓縮空氣使泥漿產(chǎn)生向地層滲透的趨勢(shì)，參考工程實(shí)際情況設(shè)置最大加載壓力為0.5MPa，初始加載階段每級(jí)壓力設(shè)置為0.02MPa，加載壓力達(dá)到0.1MPa后增加每級(jí)加載壓力，每級(jí)加載時(shí)間控制在10～20s，每間隔10s采集濾水量。

3.3 試驗(yàn)結(jié)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(duì)于5號(hào)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(xiàn)收斂趨勢(shì)，表明未能形成泥膜。

測(cè)得前4種泥漿侵入試驗(yàn)地層距離分別為5.5，3.7，2.8，3.3cm，可見(jiàn)泥漿滲入地層的距離受泥漿性質(zhì)影響，黏粒含量為2.5%時(shí)，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(shí)，黏粒從2.5%增加至5%，泥漿侵入距離減少0.4mm。試驗(yàn)地層中孔隙遠(yuǎn)大于黏粒數(shù)量，因此在大孔隙、強(qiáng)滲透性地層中增加砂含量可有效減少漿液滲入地層。試驗(yàn)中5種地層在加載過(guò)程中濾水量變化如圖11所示。

圖11 濾水量隨加載過(guò)程的變化

由圖11可看出，對(duì)于1～4號(hào)泥漿，濾水量隨著加載的進(jìn)行分為3個(gè)階段：在加載初始階段，加載壓力<0.06MPa時(shí)濾水量顯著增加；隨著加載進(jìn)行，加載壓力在0.06～0.25MPa時(shí)，濾水量在每級(jí)加載后增加較迅速，加載后20s內(nèi)逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)加載壓力>0.25MPa時(shí)，每級(jí)加載后，濾水量增加速度有所提高，在10s內(nèi)趨于穩(wěn)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(zhì)量進(jìn)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(shí)間呈線(xiàn)性變化；同時(shí)，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(zhì)與泥漿材料有關(guān)，與材料比例關(guān)系不大。因此，施工中可根據(jù)需要調(diào)整泥漿材料的配合比滿(mǎn)足不同工況對(duì)密度和黏度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)廈門(mén)軌道交通2號(hào)線(xiàn)跨海區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，采用顆粒流方法利用PFC2D對(duì)在4種典型地層中帶壓換刀時(shí)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)全斷面砂層和軟土的極限支護(hù)壓力最大，復(fù)合地層次之，強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖最小，因此應(yīng)盡量選擇在強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖地層條件下?lián)Q刀；軟土地層中開(kāi)挖面失穩(wěn)時(shí)前方地表產(chǎn)生顯著沉降，砂層失穩(wěn)時(shí)開(kāi)挖面前方地層擾動(dòng)區(qū)域呈漏斗狀。

針對(duì)2號(hào)線(xiàn)跨海區(qū)間滲透性大的砂層，通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)泥膜滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在大孔隙、強(qiáng)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(zhì)量進(jìn)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。