盾构隧道不满舱开挖掌子面渗透破坏规律分析.pdf

ISSN 1672-2841CN 44-1587/Z广东水利电力职业技术学院学报 2023 年 第 21 卷 第 3 期Journal of Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，2023，Vol.21，No.3盾构隧道不满舱开挖掌子面渗透破坏规律分析任宝龙（中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450）摘 要：为掌握地下水作用下的掌子面渗透破坏规律，以广州轨道交通十八号线为例，在其盾构区间内以自制渗透破坏装置对不满舱开挖掌子面各项水力参数进行研究。结果发现：地下水的渗流作用是导致不满舱掘进时掌子面失稳的重要因素；水力梯度是反映掌子面渗透破坏程度的重要水力参数，当其达到 0.4 时模拟的掌子面会失稳并出现渗透破坏；土体的颗粒级配与临界水力梯度之间存在一定的相关关系，控制级配可达到强化掌子面稳定的效果。关键词：不满舱；渗透破坏；掌子面；盾构；水力梯度中图分类号：U455.43 文献标志码：A 文章编号：1672-2841（2023）03-0025-04收稿日期：2022-07-21作者简介：任宝龙，男，工程师，本科，研究方向为岩土工程。城市地铁隧道建设中，贯穿地底隧道使用最多的是盾构法。而在盾构法中，土压平衡盾构较为经济便捷，因而成为地铁施工最常用技术。在土压平衡盾构期间，为保持开挖面的稳定性，刀盘将渣土带入土舱使得舱内充满土，从而使土舱压力与开挖面土体压力达到相对平衡。但在实际施工中，在地质条件允许的情况下，为保证掘进速度，通常会在不满舱的状态下掘进，这时若采用小推力依然会在保持开挖面稳定的条件下获得较大的施工进度。不满舱模式在我国地铁施工中较为常见，但其缺点在于不满舱掘进时，渣土未填满土舱使得掌子面上部容易形成临空面，掌子面支护压力无法与土层压力平衡，从而形成压差使地下水渗入压力舱与舱内土形成泥浆造成掌子面的渗透破坏，进而危害施工。对于地层的渗透破坏模式，国内外学者进行了理论和试验研究1。陈国庆2设计了循环变水压渗透装置研究地下水扰动作用下地基土的破坏机理，发现土体颗粒级配会发生改变使得地基土承载力降低最终塌陷。段祥宝3研究了土体渗透破坏过程中的分形特征变化，发现土体在渗透破坏时分维数会减小，建议利用分维数判断渗透破坏模式。江眺4分析了砂质粉土的渗透破坏过程并给出预测止水结构渗漏情况的方法。但学界对于实际隧道工程盾构掌子面的渗透破坏鲜有研究。在此背景下，本研究以南村万博站 番禺站区间内中间风井 PN1 盾构井段为研究对象，针对隧道区间不满仓施工导致地表沉降大等问题，进行渗透破坏模拟试验。并对试验结果进行归纳总结，探讨盾构隧道不满舱开挖掌子面渗透破坏规律，为不满舱盾构防渗提供借鉴。1 工程概况广州轨道交通十八号线（南沙快线）起于南沙区万顷沙枢纽，经明珠湾区、番禺广场、琶洲电商区、珠江新城，止于广州东站枢纽，线路全长 62.5km。本研究对象的区间起讫里程：YCK38+450.744YCK36+791.047，线路全长1659.697m。隧道埋深 25-38m，区间线路最大纵坡 18，盾构直径 8.8m。地层名称天然密度(kN/m3)黏聚力/kPa内摩擦角/渗透系数/(cm/s)孔隙比杂填土19.16169.110-3/淤泥19.533242.910-30.72粉质粘土19.436251.310-40.76残积土19.936262.110-30.75岩石全风化带206252.110-30.85岩石强风化带2135364.610-30.81岩石中风化带2311040/表 1 地层参数25-282023，21（3）26广东水利电力职业技术学院学报该盾构区间所处地层从上至下主要为杂填土、淤泥、粉质粘土、残积土、岩石全风化带、岩石强风化带、岩石中风化带。区间一般地下水埋深13m，水位标高 113m，沿线地表水丰富，地下水主要由地表水下渗而成。表 1 为不同地层参数。2 试验方案21 模拟试验装置本次渗透试验的实验装置见图 1。试验整体模拟盾构过程，主体由大、小玻璃缸构成。其中大玻璃缸用来盛放地层土模拟地层，小玻璃缸模拟盾构过程。通过将上下两个进气阀打开，使得模拟地层和模拟盾构掌子面形成压差，从而达到模拟不满舱渗透现象。借助调压装置和空压机提高压差使其掌子面发生渗透破坏，并通过收集装置收集破坏过程中的水、砂量，进而分析渗透破坏过程中的粒径分布及其时效性。22 试验材料选用岩石全风化带的地层作为盾构掌子面土体进行渗透实验，其中颗粒级配如图 2 所示。将土样装入大玻璃缸后，打开下部进气阀门使气体充满玻璃缸。向缸中加水，然后以 30cm 地层为准模拟现场施工。打开上部进气阀门不断加压改变水力梯度直至试样发生渗透破坏，收集记录出砂、出水量。为了便于数据收集，本次试验设置 15、20、25、30kPa4 种支护压力进行渗透试验。3 试验结果及分析31 水力梯度与支护压力分析图 3 为临界水力梯度随支护压力变化趋势。可知，随着支护压力从 15kPa 增至 30kPa，临界水力梯度呈增大趋势。说明不满舱的程度与支护压力呈正相关，不满舱程度越大临界水力梯度越图 1 渗透实验装置图 2 原地层及试验地层颗粒级配曲线图 3 临界水力梯度随支护压力变化趋势小，越容易导致掌子面渗透破坏。32渗透破坏出砂量及砂砾流失粒径分析为探讨出砂质量与支护压力及时间的关系，记录 0-180s 内 15、20、25、30kPa4 种支护压力下的出砂质量（见图 4）。由图可知，在时间一定的情况下，出砂质量随支护压力增大，略有增长，但该增长会随时间增长被放大，具备一定的时效性；在支护压力一定的情况下，在 40s 内试验初始阶段出砂质量上升较为迅速，随着试验的进行，在80-180s 内出砂质量增长趋势放缓，出砂率降低。由于土体颗粒级配与渗透破坏关系密切5，本研究对试验用土颗粒级配进行试验，发现其总体粒径基本小于 2mm。由图 5 可知，随着支护压力的提高，渗透破坏后排出的砂砾粒径和原地层相比，0.075-0.1mm 及 0.1-0.25mm 范围的颗粒含量有所增加。造成该现象的原因是渗透破坏时，主要是小颗粒随地层渗透被带出，而大颗粒由于粒径较大未随渗流流出，继续保留在土层内部。33 不同水力梯度下的出砂质量及砂砾流失粒径分析为探究掌子面在渗透作用下彻底发生渗透破坏的规律，在保持 30kPa 支护压力不变情况下，通过增大上下两个气压阀门的压力差使得水力梯度增大，使试验土层达到最终的渗透破坏效果。图 6 为 0.5 和 0.8 水力梯度下在 210s 内的出砂质量变化图。可知，在水力梯度为 0.5 的情况下，在0-50s 的渗透破坏初始阶段出砂率较大、出砂量较多，随着时间的增长，出砂率减小、出砂量趋于平稳；在水力梯度为 0.8 的情况下，出砂率较为稳定，出砂量持续增长。整体出砂质量约为 0.5 水力梯度下的 2.5 倍，为掌子面渗透破坏的最终效果。图7为不同水力梯度/压差下的颗粒粒径占比。可知，压差为 3kPa 时，0.5-1mm 与 1-2mm 粒径27任宝龙：盾构隧道不满舱开挖掌子面渗透破坏规律分析下的颗粒相较于 10kPa 与原地层占比较少。但当压差达到 10kPa 时，便与原地层较为接近。其原因在于随着压差与水力梯度的增大，原本未流出的大颗粒会随着渗透破坏达到最终阶段而从掌子面土层中流出。综合图 6、图 7 可知，当上下进气阀的压差达到 10kPa 时，颗粒流失速率会随之变快，且粒径组成会逐渐接近原地层。随着渗透破坏的进行，当颗粒流失到一定程度时，掌子面土层表面便会发生沉降。34 临界水力梯度与掌子面颗粒级配分析为了进一步探究临界水力梯度与掌子面地层级配之间的关系，本研究配置了 6 种不同级配的地层进行渗透破坏试验。其颗粒级配曲线见图 8。使用 6 种配置的土层掌子面地层在支护压力20kPa 下进行渗透破坏试验，得到如图 9 所示的曲线图。可知，在可移动填料最大粒径占比逐渐增多的条件下，临界水力梯度呈逐渐下降趋势。在可移动填料最大粒径占比为 34时，临界水力梯度最大为 1.8，当可移动填料最大粒径占比达50后，临界水力梯度降幅渐趋平稳，直至 75时降至最低 0.4。为得到临界水力梯度与级配之间的关系，将图中数据进行拟合，得到临界水力梯度与可移动填料最大粒径占比的关系式：图 4 不同支护压力下出砂量随时间变化趋势图 5 试验粒径占比图 6 不同水力梯度下的出砂质量随时间的变化关系图 7 不同水力梯度/压差下的颗粒粒径占比图 8 6 种级配的模拟掌子面级配曲线图 9 临界水力梯度与级配曲线式中：I 为临界水力梯度；P 为移动填料最大粒径占比（其中 0 P 1）。由图 9 可知，使用式（1）拟合所得的效果与实际试验所得的水力梯度变化趋势吻合度较高，其拟合相关度为 0.97。4 结论以南村万博站 番禺站区间内中间风井 PN1盾构井段为研究对象，通过自制的渗透破坏装置模拟该盾构区间中盾构隧道不满舱开挖时掌子面的渗透破坏，根据得出数据对水力梯度与支护压力、出现渗透破坏时的出砂量与砂砾流失量、不同水力梯度下出砂量与砂砾流失量及水力梯度与级配 4 个方面进行分析，得出了以下结论：在不满舱模式下盾构掘进时，掌子面失稳的一个重要原因是在地下水的作用下发生渗流作用。在水力梯度达到 0.4 时模拟地铁盾构区间的掌子面会失稳出现渗透破坏，但在不同水力梯度下渗透破坏的程度不同。在低水力梯度下渗透破坏处于发展阶段，此时流出的颗粒以 0.075-0.1mm 及 0.1-0.25mm 粒径为主；在高水力梯度下渗透破坏达到最终阶段，1.0-2.0mm 大颗粒也随之流出。临界水力梯度与级配之间存在二次函数关系，通过控制地层级配可以控制临界水力梯度，进而达到控制掌子面稳定性的效果。（1）2023，21（3）28广东水利电力职业技术学院学报参考文献：1 徐俊杰.土压平衡盾构施工引起的地表沉降分析 D.成都：西南交通大学，2004.2 陈国庆，李天斌，贺宇航，等.地下水扰动作用下地基土体渗透破坏试验研究 J.土木建筑与环境工程，2013(01):52-56.3 段祥宝，刘运化，杨超，等.土体渗透变形及渗透破坏过程中分形特征初探 J.水电能源科学，2013,31(7):5.4 江眺，吴晓彬，蒋军.土体渗透破坏对深基坑开挖的影响 J.低温建筑技术，2007(6):3.5 朱崇辉，王增红，刘俊民.粗粒土的渗透破坏坡降与颗粒级配的关系研究 J.中国农村水利水电，2006(3):4.Analysis on the Laws of Seepage Damage of the Working Face of Shield Tunnel Excavation with Incomplete CabinRENBao-long(The5thEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailway18thBureauGroup,Tianjin300450,China)Abstract:Inordertostudythelawofseepagedamageoftheworkingfaceundertheactionofgroundwater,combinedwiththeexampleofGuangzhouMetroLine18,aself-madepermeationdamagedeviceisusedtostudyvarioushydraulicparametersoftheworkingfaceofincompletecabinexcavationinitsshieldsection.Theanalysisfoundthattheseepageofgroundwaterisanimportantfactorleadingtotheinstabilityoftheworkingfaceduringincompletecabinexcavation;hydraulicgradientisanimportanthydraulicparameterreflectingthedegreeofseepagedamageoftheworkingface.Inthesimulationdevice,whenthehydraulicgradientreaches0.4,thesimulatedworkingfacewillbecomeunstableandseepagedamagewilloccur;thereisacertaincorrelationbetweentheparticlesizedistributionofthesoilandthecriticalhydraulicgradient.Theeffectofstrengtheningthestabilityoftheworkingfacecanbeachievedbycontrollingthegrading.Key words:incompletecabin;seepagedamage;workingface;shieldconstruction;hydraulicgradient3 孔繁钦，徐鹏.雷电侵入波对变电站设备的影响及防范措施 J.华中电力，2011(6):25-29.4 高长伟，韩刚，姚颖.高电压技术 M.北京：清华大学出版社，2018.5德 哈斯 著 傅正财，叶蜚誉译.低压系统防雷保护：第2 版 M.北京：中国电力出版社，2005.6 王宏兵.大型水电站雷电过电压与绝缘配合研究 D.北京：华北电力大学，2014.Improvement Measures of Lightning Protection Design of Baisha Hydropower StationNINGLi-hua1，HUANGJing-na2(1.SihuiBaishaHydropowerStation,Zhaoqing,Guangdong526000,China;2.ShenzhenEnergyScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518000,China)Abstract:AnanalysisofthefrequentoccurrenceofequipmentdamageandunitshutdownduetolightningstrikesattheBaishaHydroelectricPowerStationinSihui,Guangdongprovince,revealsthattheprimaryfaultsandincidentsatthestationareduetoinadequatelightningprotectionmeasures.In2022,thelightningprotectiondesignofthestationwasenhancedtolimitthesteepnessofthelightningintrusionwaveonthemedium-voltageside,suppressthetotalreflectionovervoltageandlowvoltageoftheinrushwaveattheneutralpointofthegeneratorwinding,andcorrectlydividetheLPZandselecttheinsulationcoordinationleveloftheequipmentaccordingtotheprinciplesofIECrelatedLEMP.Aftertheseimprovements,thepowerstationhasexperiencedseverallightningstrikessofarwithoutanyequipmentfailuresordamages,demonstratingthegoodeffectinlightningprotection.Thecorrespondinglightningprotectionmeasurescanprovideareferenceforsimilarpowerstations.Key words:lightningprotectiondesign;overvoltage;lightningelectromagneticpulseprotection(LEMP);lightningprotectionzone(LPZ);surgeprotectionDevice(SPD)（上接第 11 页）