膨胀土地层盾构区间隧道设计难点研究

摘 要：膨胀土具有遇水软化、膨胀、崩解，失水开裂、收缩的特点，类似地层盾构隧道设计及施工经验少，盾构掘进适应性问题、管片结构计算以重大风险源的处理措施也尚处于探索阶段。本文以成都地铁2号线东延伸段为例，通过对膨胀土特性和盾构适应性等研究，并借助有限元软件进行数值模拟，解决膨胀土地层盾构区间隧道设计难题，所得结论为类似工程提供了有力的参考。

关键词：膨胀土；盾构；适应性；数值模拟

中图分类号：TU443文献标识码：A

一、工程概况

成都地铁2号线东延伸段线路沿规划中的龙工北路下方行进，下穿怡和新城小区A区13栋居民楼后进入龙西路，下穿龙西村村委会、龙泉驿区粮站以及金龙大厦等建筑物到达区间终点。区间隧道埋深变化较大，穿越多处具有明显膨胀性的地层。

场地地层主要由粘土、粉质粘土、全风化泥岩以及少量中强风化泥岩组成，具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性。地下水主要为上层滞水、裂隙水、松散层孔隙潜水以及基岩裂隙水，影响区间隧道施工的地下水主要来源于粘土中的裂隙水。地下水的补给主要为大气降水。

表1岩体物理力学指标值

二、膨胀土地层特性的研究

膨胀土一般强度较高，压缩性低，容易被误认为是建筑性能较好的土层。但由于具有膨胀和收缩的特性，当建构筑物以这种土为地基或者隧道穿越此类土层时，如果对其特性缺乏认识，或在设计和施工中没有采取必要的预防措施，将会给建构筑物造成严重的危害。

现有研究资料中主要为地面建构筑物在膨胀土存在地区的破坏情况，对于地下结构在膨胀性土层中的破坏性质及原因还处于探索阶段。考虑膨胀性地层具备遇水膨胀和失水干缩两种性质，在地下水位随季节变化过程中可能会随之产生区间隧道衬砌结构内应力的周期性变化，这种应力的变化可能对结构安全造成影响。

三、盾构掘进适应性分析

根据本段盾构区间周边条件、工程地质、水文地质情况，选用土压平衡盾构。土压平衡盾构由开挖系统、运输系统、后配套系统3部分组成。其工作原理是：将开挖的渣土进行泥土化处理，工作面的稳定是通过土体自身和由盾构千斤顶压力控制土仓内渣土压力来维持平衡，切削下来的渣土由螺旋输送机排出。鉴于盾构经过地段主要为膨胀土地层，渗透系数小，泥质含量较高，遇水软化，极易发生“泥饼”现象，将极大的影响盾构掘进。因此，在选用土压平衡盾构时重点从盾构刀盘、刀具方面进行盾构机的适应性分析：

（一）盾构刀盘主体设计为面板式刀盘。在含有大量粘土、粉质粘土、全风化泥岩、强风化、中风化泥岩等渗透性较小或含大量细颗粒和遇水膨胀的矿物质颗粒的膨胀土地层中，通过刀盘中心回转体的高压水管往刀盘注水，同时观察螺旋机出土的渣土情况，及时调整泡沫及膨润土配合比和用量，可有效避免在刀盘中心出现“泥饼”的情况。

（二）盾构刀盘开口率是决定刀盘拓扑结构的关键参数，在刀盘的设计中具有重要的作用。研究标明：当刀盘开口率在30%～40%范围时，刀盘的支护压力与膨胀土地层所对应的地应力较为接近，对开挖面的稳定较为有利。故盾构采用35%的开口率。

（三）盾构刀具排布以铲刀和刮刀为主，以单双刃滚刀辅。所有铲刀和刮刀均可在土仓内进行更换；同样为了方便更换损坏及磨损严重的刀具，滚刀采用较为可靠的楔形安装方式且为背装式。面板刮刀布置在面板开口槽两侧，随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向剪力和径向切削力，从而对土体进行有效切削。

图1盾构刀盘图2 螺旋输送机

四、数值模拟计算

（一）管片结构计算分析

1、管片结构计算。为研究膨胀力对管片结构的影响，根据是否计算膨胀力分两种工况进行计算比较，计算采用修正惯用法进行模拟，计算简图如图3所示。通过对比分析发现：膨胀土对管片结构受力影响的主要相关因素为隧道埋深和膨胀力大小，且两者存在一种平衡临界状态，当隧道结构埋深小于临界埋深时，膨胀土对管片受力不利，反之则有利。

图3 管片结构计算简图 图4 有限元计算模型

2、地面沉降分析。取地面以下60m、宽度100m、纵向50m范围建立三维“地层-荷载”计算模型（如图4所示），进行足尺计算。通过计算分析发现：随着盾构机推进，地表沉降值相应变化，引起地表沉降累计值较小（最大值为1.2mm），满足规范要求。

（二）下穿建筑物风险分析

区间隧道多次近距离下穿道路、管线、居民住宅小区及办公大楼，存在重大风险。根据工程具体情况，区间隧道下穿金龙大厦（6F）风险最大。金龙大厦采用独立基础，埋深2m，基础下采用水泥粉煤灰碎石桩进行地基处理。区间隧道与金龙大厦的相对位置关系如图5所示，并建立三维“地层-荷载”计算模型（如图6所示），进行计算。

图5区间隧道与金龙大厦的相对位置关系图图6区间隧道下穿金龙大厦计算模型

根据模拟分析结果盾构通过金龙大厦时地表沉降云图如图7 所示。由图可知：地表竖向最大沉降量为10.6mm，地表水平向最大位移量为8.2mm。为确保盾构掘进安全和建筑物的正常使用，将盾构推进中第一栋遇到建筑物作为试验段。在盾构到前，地表预埋袖阀注浆管，加强盾构自身控制，并加强监控量测，通过监测数据分析，择机采取注浆措施。同时，并认真分析试验数据，为顺利通过金龙大厦积累经验。

（a）竖向最大沉降（b）水平最大位移

图7盾构通过金龙大厦时地表沉降云图

五、结语

本文以成都地铁2号线东延伸段为背景，针对膨胀土这一特殊地层进行分析，得到如下结论：

（一）针对膨胀土的特点，通过调整土压平衡盾构刀盘开口率、刀具配置等参数，实现盾构掘进作业是可行的。同时，考虑到施工中存在一些不可预见的潜在风险，盾构应具备超前注浆、洞内检修、更换刀盘等应急功能。（二）随地下水位变化引起区间隧道衬砌结构内应力的周期性变化，这种应力的变化可能对结构安全造成影响。在盾构管片上增设注浆孔，后期进行补充注浆，使管片和土体之间的空隙更加密实，防止土体失水干缩空隙增大，进而影响结构质量、运营安全、地面道路及周边建（构）筑物。（三）针对区间隧道具体情况，对不同工况分别计算比较，取最不利荷载组合进行管片配筋是合理的。（四）借助有限元软件对重大风险源进行分析的方法是可取的。施工前应对重大风险源制定相应的应急预案。（五）结合施工现场监测数据分析，进一步完善膨胀土地层的盾构管片结构计算方法和盾构施工技术，对类似工程具有重要的参考价值和借鉴意义。