土压平衡盾构改良渣土力学行为及其地层响应特征

肖超，阳军生，王树英，何杰，叶新宇(.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，40075；.湖南工业大学　土木工程学院，湖南 株洲，4007；.Department of Civil,Surveying and Environmental Engineering,University of Newcastle, NSW 08,Australia)

土压平衡盾构改良渣土力学行为及其地层响应特征

肖超1，阳军生1，王树英1，何杰2，叶新宇3
(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；
2.湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲，412007；
3.Department of Civil,Surveying and Environmental Engineering,University of Newcastle, NSW 2308,Australia)

基于土压平衡盾构改良渣土的力学行为直接影响着土舱压力传递性、地层沉降和开挖面稳定性，以南昌地区泥质粉砂岩和砾砂作为试验材料，采用泡沫剂和膨润土泥浆为改良剂，对渣土进行三轴快剪(不固结不排水)试验，并基于三维数值模拟，分析渣土改良对地层响应的影响。研究结果表明：改良和未改良渣土的应力-应变曲线都近似于硬化型曲线，并且硬化曲线特征不受改良剂的影响；改良后渣土的抗剪强度大幅度减小，改良剂添加率越高，渣土抗剪强度越低，改良效果越好；泡沫和膨润土泥浆对渣土的改良机理存在一定差异，采用泡沫改良渣土能降低渣土内摩擦角和黏聚力；采用膨润土泥浆改良渣土能减小渣土内摩擦角，而其黏聚力小幅度增大；考虑改良渣土和盾构机刀盘的影响时，开挖面支护应力曲线呈现出非线性，其分布受刀盘开口分布位置的影响；开挖面的支护应力和地层响应均受到渣土改良的影响，改良效果越好，开挖面支护应力越小，开挖面前方地层沉降越大；与采用膨润土泥浆改良渣土相比，采用泡沫改良渣土后开挖面支护应力较小，地层沉降较大。

渣土改良；应力-应变曲线；不排水抗剪强度；支护应力；地层响应

在盾构掘进过程中，地表发生塌陷主要是由开挖面失稳造成的，而开挖面失稳除了受到掘进参数选取[1]和工程地质条件的影响外，还受到土舱内渣土状态的影响。在复杂地层条件下，盾构机刀盘切削下来的渣土一般流动性差，止水性弱，传递压力的能力低。在黏土地层，盾构机刀盘和螺旋输送机容易出现结泥饼的不利情况，导致盾构机掘进效率降低，能耗增加；在富水砂土地层，螺旋输送机容易出现喷涌，造成土舱压力急剧减小、开挖面失稳等[2-3]，因此，需要对刀盘切削下来的渣土力学行为进行分析，进而分析渣土改良对地层响应的影响。渣土改良剂包括泡沫剂、膨润土和聚合物等，这些改良剂主要是从刀盘上孔口和土舱内的孔口注入。为了评价改良后渣土的状态，研究者对改良后的渣土进行了试验研究，如：肖超等[4]对采用泡沫剂改良的渣土进行了大量的坍落度试验，揭示了泡沫的添加能改善渣土的流塑性；PEILA等[5]研发了小型螺旋输送机，研究了泡沫改良后的渣土的传力特性；ZUMSTEG等[6]研究了渣土的类型和不同压力对泡沫改良渣土的影响。对于盾构开挖面地层响应，ATTEWELL等[7-8]进行了研究。韦良文等[9]阐述了开挖面微观破坏分析模型、塑性极限分析模型及楔形体极限平衡模型，并指出了今后的研究重点。韩月旺等[10]基于拉格朗日有限差分计算程序研究了压力舱土体改良效果对开挖面稳定性的影响。然而，上述研究未分析改良渣土的剪切力学性能及渣土改良对开挖面地层响应的影响。为此，本文作者依托南昌地铁1号线五标段盾构区间工程，以砾砂与泥质粉砂岩复合地层作为试验材料，采用泡沫和膨润土泥浆作为改良剂，对渣土进行三轴快剪试验，分析渣土剪切力学行为，并基于三维数值仿真技术，分析渣土改良对地层响应的影响。

1　试验方案

1.1试样材料的选取

南昌地铁1号线是江西省第1条城市地铁工程，主要位于泥质粉砂岩和砾砂地层中。泥质粉砂岩属于第三系新余群，呈紫红色，中厚层状构造，泥质结构，岩石遇水易软化，失水易干裂。砾砂为第四系全新统冲积层，呈灰色，稍密，饱和。两者基本物理性质见表1[11]。

采用Rigaku D/max 2500全自动X线衍射仪对泥质粉砂岩进行物相分析，获得其矿物成分及其质量分数。结果表明：泥质粉砂岩中含有较多的黏土矿物，其中高岭土、伊利土、和蒙脱土质量分数分别为27.7%，8.3%和4.4%。HOLLMANN等[12-13]的研究表明：蒙脱土、伊利土和高岭土等黏土矿物是刀盘结泥饼的主要原因，特别是蒙脱土和伊利土。砾砂层渗透系数为0.127 cm/s，渗透性较高，在盾构掘进过程中容易出现喷涌等异常情况，因此，很有必要对渣土进行改良，以保证盾构机的正常掘进。

为了使室内试验渣土级配与现场实际渣土级配基本一致，本试验采取如下方法：1)首先在盾构掘进地层为全断面泥质粉砂岩区域采集泥质粉砂岩渣土(用Y代替)，并进行室内烘干筛分，获得泥质粉砂岩渣土级配曲线，见图1。考虑到盾构刀盘切削对砾砂的影响较小，砾砂渣土(用S代替)的级配曲线可与原砾砂地层级配曲线保持一致。2)从现场采集泥质粉砂岩岩块，在室内进行破碎筛分，再按原泥质粉砂岩渣土级配曲线把不同粒径的泥质粉砂岩进行混合，形成泥质粉砂岩渣土。3)把2种渣土按试验要求的体积比进行混合，并获得不同渣土的级配曲线(见图1)。设V(Y)/V(S)表示泥质粉砂岩渣土与砾砂渣土体积比。本试验结合南昌地铁1号线五标段实际地层和渣土改良情况，选取3种不同构成比例的复合地层渣土作为实验材料， V(Y)/V(S)分别为1/2，1/1和2/1，它们的级配曲线见图1。分析这3种的渣土不均系数和曲率系数(表2)可知：各类渣土的粒径分布不均匀，但渣土的级配良好。

表1　地基土的物理力学特性Table 1　Physical mechanical properties of ground

图1　渣土级配曲线Fig.1　Grain size distributions of muck

表2　不同渣土的不均匀系数和曲率系数Table 2　Coefficients of nonuniform coefficient and curvature coefficient for different soils

试验所用改良剂与现场实际使用改良剂相同。泡沫剂采用国内某厂家泡沫剂，发泡压力为0.2 MPa，泡沫剂溶液质量分数为3%。膨润土采用钙基膨润土，膨润土与水按质量比1/8进行膨化。结合地层的工程地质条件和现场改良剂的实际使用情况，选择渣土改良剂，如表3所示。

表3　试验渣土与改良剂选用Table 3　Conditioned materials for different types of soils

1.2试验方法及过程

在盾构掘进过程改良后的渣土透水性较好，且渣土不断被螺旋输送机输送出，渣土来不及排水固结，故选用三轴快剪试验。李建华等[14-15]对非饱和土三轴快剪试验进行了研究，结果表明非饱和土在三轴快剪试验下存在内摩擦角。而改良后渣土是由渣土、气泡或膨润土等混合而成的特殊的非饱和土，因此，可以采用三轴快剪试验分析渣土的力学性能。

添加率(ζ)的计算公式如下：式中：V1为改良剂体积；V3为渣土体积。由土工试验方法标准[16]可知，三轴试验过程中试样的最小直径为35 mm，最大直径为101 mm，且对试样颗粒直径有一定的要求。当试样直径大于100 mm时，允许最大粒径为试样直径的1/5。由渣土级配曲线可知，泥质粉砂岩与粒砂复合地层渣土最大粒径为20 mm时，所以，应选用试样直径为101 mm三轴试验仪器。本试验共20组(见表4)，三轴试验围压为50，100，150，200 和300 kPa。轴向剪切应变速率为应变0.5%/min，每0.2 mm记录1次测力计读数和轴向变形。

2　试验结果及分析

2.1渣土的剪切力学行为特征

为提高长大纵坡沥青路面各项路用性能，本试验段施工选用高低温性能均较好的中石化产东海牌SBS（I—D）型改性沥青，其主要技术指标如表1所示。

不排水剪切强度定义为试样达到临界状态时偏应力(31σσ-)的1/2。图2所示为未改良渣土的应力应变曲线。分析图2可知：随着应变增加，应力逐渐增大，当应变达到一定值后，应力保持不变，这类应力-应变曲线接近硬化型曲线。图3所示为改良后渣土的应力应变曲线。对比图3与图2可知：改良剂对渣土的应力应变曲线特征无影响，改良后渣土剪切曲线也呈现出硬化型。相对于未改良渣土，改良剂的添加能大幅度减小渣土的抗剪强度。

表4　快剪试验统计Table 4　Test program

2.2添加率对渣土剪切力学行为的影响

图2　V(Y)/V(S)为1/2的未改良渣土应力-应变曲线Fig.2　Stress-strain curves of non-conditioned soils that volume ratio between argillaceous siltstone and gravelly sand is 1/2

不同情况下渣土的不排水抗剪强度见表4。在围压为200 kPa、添加率不同、V(Y)/V(S)为1/2渣土应力-应变曲线如图4所示。分析图4可知：渣土中添加10%的膨润土后，相对于未改良的渣土，其抗剪强度下降46%；添加10%膨润土泥浆+5%泡沫渣土抗剪强度比未改良渣土抗剪强度下降70%。在围压为100 kPa、添加率不同、V(Y)/V(S)为1/1渣土应力-应变曲线如图5所示。从图5可见：添加10%泡沫的渣土抗剪强度比未添加泡沫的渣土抗剪强度低50%左右，而添加20%泡沫的渣土抗剪强度比未添加泡沫的渣土低66%。在围压为100 kPa、添加率不同、V(Y)/V(S)为2/1的渣土应力-应变曲线如图6所示。从图6可见：添加10%泡沫的渣土强度下降44%左右；而添加20%泡沫的渣土强度下降59%左右。这表明添加率与渣土的抗剪强度成反比，渣土中改良剂的添加率越高，其抗剪强度越降低，渣土越接近流塑性状态，越有利于土压平衡盾构土舱压力传递和螺旋输送机出渣。

图3　改良后V(Y)/V(S)为1/2时渣土的应力-应变曲线Fig.3　Stress-strain curves of conditioned soils that volume ratio between argillaceous siltstone and gravelly sand is 1/2

图4　在200 kPa围压下，V(Y)/V(S)为1/2时的渣土应力-应变曲线Fig.4　Stress-strain curves of 200 kPa confining pressure for soils composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 1/2

图5　在100 kPa围压下，V(Y)/V(S)为1/1时的渣土应力-应变曲线Fig.5　Stress-strain curves of 100 kPa confining pressure for soils composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 1

图6　在100 kPa围压下，V(Y)/V(S)为2/1时的渣土应力-应变曲线Fig.6　Stress-strain curves of 200 kPa confining pressure for soils composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 2/1

2.3抗剪强度

图7所示为抗剪强度与改良剂添加率的关系。分析图7可知：随着改良剂添加率增大，渣土的强度逐渐降低；不同改良剂对渣土抗剪强度影响也存在一定差异；相对于添加10%泡沫的渣土，渣土中添加10%的膨润土后，其抗剪强度减小幅度更大。

通过绘制未改良和改良后渣土的摩尔包络线，获得未改良和改良后渣土的内摩擦角和黏聚力。V(Y)/V(S)为2/1时改良后渣土摩尔包络线如图8所示。该渣土包络线呈现出1条斜线，这是因为渣土处于非饱和状态，其存在一定内摩擦角。

未改良和改良后渣土的黏聚力和内摩擦角见表5。分析表5可知：采用泡沫对V(Y)/V(S)为1/1和2/1的渣土进行改良后，渣土的内摩擦角和黏聚力都出现一定减小；采用泡沫加膨润土对V(Y)/V(S)为1/2的渣土进行改良后，渣土的内摩擦角出现大幅度减小，而黏聚力出现小幅度增大。这表明采用泡沫和膨润土改良渣土的机理存在一定差异。泡沫的添加能减小渣土的内摩擦角和黏聚力；膨润土的添加能减小渣土内摩擦角，小幅度增加渣土的黏聚力。

图7　抗剪强度与添加率ζ的关系Fig.7　Relationship between undrained shear strength and ζ

图8　V(Y)/V(S)为2/1、添加20%泡沫渣土的摩尔包络线Fig.8　Intrinsic shear strength curve for conditioned soils which added to 20%foam composed of argillaceous siltstone and gravelly sand that volume ratio is 2/1

表5　渣土的内摩擦角和黏聚力Table 5　Inner friction and cohesive cohesion of soil

本次试验改良剂添加率最高为20%，这主要是受三轴试验制样问题的影响。改良剂添加率越高，渣土的流塑性越好，制样越困难。随着添加剂增加，添加剂会完全充填渣土的孔隙，从而使渣土达到理想的流塑性状态。基于试验获得的渣土改良力学特征，可进一步推断出：理想状态渣土的剪切强度将更低，其内摩擦角将很小，接近于0°，这可为今后土压平衡盾构渣土改良提供指导。在黏土矿物较高的地层中盾构掘进时，应选泡沫剂对渣土进行改良。因为泡沫改良后渣土的黏聚力会减小，不易黏在刀盘和刀具上，能降低刀盘结泥饼的可能性。而在黏土矿物含量较低和富水地层中盾构掘进时，选用膨润土对渣土进行改良，因为膨润土泥浆的黏性较大，能降低喷涌的可能性。

3　开挖面地层响应分析

3.1模型的建立

为了分析渣土改良对开挖面地层的影响，选择砾砂与泥质粉砂岩质量比为1:1时的上软下硬地层作为研究对象。模型长×宽×高为30 m×30 m×30 m。模型包含地层、简化盾构机(刀盘，土舱和部分盾壳)和渣土(见图9和图10)，其中刀盘开口率为39%。

3.2参数的选取及应力边界条件

本次数值分析主要分析土压平衡盾构模式下盾构停机状态时渣土改良对开挖面支护应力及地层响应的影响。基于改良剂对渣土力学行为的影响规律，选择4种改良渣土作为分析对象(见表6)，主要是改变渣土的力学参数，以模拟不同改良剂的改良效果。Ⅰ号和Ⅱ号渣土采用泡沫改良，Ⅲ号和Ⅳ号渣土采用膨润土泥浆改良。

图9　模型剖面Fig.9　Profile of analysis model

图10　简化盾构模型剖面Fig.10　Profile of simplified shield machine

表6　分析模型参数的选取Table 6　Analysis model parameters

模型的边界条件见图11。在分析过程中，在盾构机隔板上内径为2.3 m、外径为2.8 m的圆环区域施加2 MN的总推力(即3.92×108Pa的应力)，螺旋输送机口处限制产生位移。

图11　模型边界条件Fig.11　Boundary conditions of model

为了更精确地反映盾构机与周围地层和渣土间的接触问题，在它们之间设置接触面。本次数值分析共设置3个接触面，分别位于砾砂与盾构机之间、泥质粉砂岩与盾构机之间、盾构机土舱与渣土之间。

式中：kn和ks分别为接触面的法向刚度和切向刚度；K为接触双方较弱一方的体积模量；G为接触双方较弱一方的剪切模量；Δzmin为接触面法向方向上连接区域上最小尺寸[17]。本次分析模型中Δzmin为0.2 m。接触面模型中摩擦角设置为10°，黏聚力设置为0 kPa，以保证盾构机与地层之间、土舱与渣土之间能产生滑动。

3.3结果分析

对数值结果进行整理，提取隧道纵向剖面上开挖面的支护应力，绘制开挖面支护应力变化曲线，见图12。分析图12可知：开挖面支护应力明显小于侧向静止土压力，且支护应力曲线不是呈线性变化，而是表现出非线性关系。在支护应力变化曲线1号和2号位置，支护应力相对较小，这主要是因为这2处位置处于刀盘开口处(见图9)。同时，刀盘开口两侧产生应力集中，其应力较大，这表明刀盘面板上开口的位置对支护应力的分布有很重要影响。相对于未改良渣土的支护应力，改良渣土的支护应力明显较小，且改良渣土越接近理想渣土，两者的差值越大。同时，渣土改良剂不同，也会对开挖面支护应力有一定影响，但影响较小，泡沫改良渣土的支护应力略小于膨润土泥浆改良渣土的支护应力。

图13所示为隧道开挖面前方3.2 m与隧道顶部3.2 m位置的沉降。分析图13可知：盾构机处于停机状态，土舱渣土为满舱，且在施加一定的总推力情况下，开挖面前方地层的沉降较小，小于1 mm。相对于未改良渣土，渣土改良后开挖面地层沉降相对较大，渣土越接近理想渣土，地层沉降相对较大。改良剂的选择对开挖面前方地层沉降也有一定影响，相对于膨润土泥浆改良渣土，泡沫改良渣土的开挖面前方地层沉降相对较大。

图12　开挖面纵向支撑应力变化曲线Fig.12　Curves of supporting force on work face

图13　开挖面前方某点的沉降曲线Fig.13　Settlement curves of a point ahead of excavation face

4　结论

1)改良后和未改良渣土的应力-应变曲线接近硬化型，即随着应变增大，应力逐渐增大，直到进入临界破坏状态。改良剂的添加不会影响渣土应力应变硬化型特征。泡沫或膨润土对渣土进行改良后，渣土的抗剪强度出现大幅度减小，且渣土的流塑性得到有效改善。改良剂的添加率与渣土抗剪强度成反比，添加率越高，渣土抗剪强度越小。

2)泡沫和膨润土改良渣土的机理存在一定差异。采用泡沫改良时，渣土的内摩擦角和黏聚力出现一定减小。相对于泡沫改良，采用膨润土改良时，渣土的黏聚力出现小幅度增大，而渣土的内摩擦角大幅度减小。

3)考虑土舱渣土及盾构机刀盘时，开挖面支护应力呈现非线性的形式。在刀盘开口处支护应力较小，且渣土改良效果越好，支护应力越小。相对刀盘开口处的支护应力，开口两侧产生一定应力集中，其应力较大。改良剂的选择对开挖面支护应力也一定影响，采用泡沫改良渣土时，其支护应力小于采用膨润土泥浆改良渣土时的支护应力，尤其在刀盘开口处比较明显。

4)在盾构机停机状态，且土舱为满仓时，千斤顶施加一定推力的前提下，隧道顶部地层产生一定沉降，而底部地层稍微隆起。开挖面顶部地层沉降整体相对较小，其受到渣土改良效果的影响。渣土改良效果越好，沉降会出现小幅度增加。改良剂的选择对开挖面前方地层沉降也有一定影响，相对于采用膨润土泥浆改良渣土，采用泡沫改良渣土时，开挖面前方地层沉降较大。

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(编辑陈灿华)

Conditioned soils mechanical behavior of earth pressure balance shield tunneling and its impact on formation response

XIAO Chao1,YANG Junsheng1,WANG Shuying1,HE Jie2,YE Xinyu3
(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;
2.School of Civil Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China;
3.Department of Civil,Surveying and Environmental Engineering,University of Newcastle,NSW 2308,Australia)

Considering that mechanical behavior of conditioned soils of earth pressure balance shield tunneling directly affects pressure transmission in soil tank and ground settlement and stability of work face,agillaceous siltstone and gravelly sand of Nanchang were used as test materials,soils were conditioned with foam and bentonite slurry,and undrained unconsolidated tests of conditioned soils were carried out.Based on 3-D numerical simulation,soil conditioning impact on formation response was studied.The results show that the type of stress-strain curves of conditioned and unconditioned soils is a hardening type and additives do not affect the characteristics of the curve.Compared with unconditioned soils,the strength of conditioned soils decreases greatly.Undrained shear strength gradually reduces with the increase of additive ratio,and performance of soils is also better.There are some differences between the mechanism of foam and bentonite slurry to condition soils.The internal friction angle and cohesion of conditioned soils conditioned by foam decrease.For conditioned soils conditioned by bentonite slurry,its internal friction angle decreases,and its cohesion slightly increases.In consideration of conditioning soils and cutterhead of shield machine,the supported stress curve is nonlinear,which is affected by distribution of the opening of cutterhead,when the shield machine stops to assemble segment.Soil conditioning has certain impact on the supported stress of work face and formation response.The supported stress of work face reduces and ground settlement increases when soils is conditioned. Compared to bentonite slurry,when foam is used to condition soils,the supported stress of work face is smaller and the ground settlement is greater.

soil conditioning;stress-strain curve;undrained shear strength;supported stress;formation response

阳军生，教授，从事隧道与地下空间研究；E-mail:jsyang@csu.edu.cn

U445.4

A

1672-7207(2016)07-2432-09

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.034

2015-12-20；

2016-02-28

国家自然科学青年基金资助项目(51208516)；湖南省博士生科研创新项目(CX2014B072)(Project(51208516)supported by the National Natural Science Foundation of China for Youths;Project(CX2014B072)supported by Hunan Provincial Innovation Foundation for Postgraduate)