超大直径泥水盾构掘进对土体的扰动研究

　　1 引 言

　　泥水加压平衡盾构工法是从地下连续墙以及钻孔等泥水工法中发展起来的，与其他盾构工法相比其显著特点是泥水压力传递速度快而均匀，开挖面平衡土压力的控制精度高，刀盘所受扭矩小，刀具磨损轻微，因此更适合于大直径、长距离的盾构施工[1，2]。就目前国内而言，大直径隧道的开挖大多采用泥水盾构[3，4]，如上海崇明隧道(φ 15.3 m)、南京长江隧道(φ 14.93 m);北京直径线(φ 11.93 m);狮子洋隧道(φ 11.2 m)。

　　但是，采用大直径盾构意味着对土体一次性的大面积开挖，加之一般覆土较浅，导致对周围土体的影响加大，施工精度的控制难度也随之增加。这其中，能否保证地层变形在允许的范围内是成败的关键，而产生地层变形的根本原因是盾构推进过程中对周围土体的扰动。所以，研究盾构掘进对周围土体的扰动机制、扰动规律、影响范围以及影响程度具有深远的意义。目前国内外已有不少这方面的研究，但大多针对的是土压式盾构，而泥水式盾构，特别是超大直径的泥水式盾构的研究却相当有限。

　　本文将主要依托南京长江超大泥水盾构隧道工程，对上述几个难点问题进行研究。该工程所用盾构直径为φ 14.93 m，试验段覆土厚度为 8～12 m，主要的穿越地层为淤泥质粉质黏土和淤泥质粉质黏土夹粉土。试验的主要内容有地表沉降、测斜、土压力和孔隙水压力等。

　　2 盾构掘进过程中对土体扰动的机制

　　土的扰动或扰动土多是指由于外界机械作用造成原状土的应力释放，体积、含水量或孔隙水压力的变化，特别是土体结构或组构的破坏和变化(如堆石坝、填土路基等)[5]。泥水盾构掘进所引起的土体扰动大致可分为 4 个阶段[6～9]。

　　(1) 盾构到达前之前泥水盾构向前掘进时，开挖面前方的土体会受到一定的预扰动。这主要是由于力的传递效应以及少量泥水的渗入造成的，其扰动程度相对微弱，且随着距离的增加而减弱。

　　(2) 盾构通过期间当盾构切口达到时，开挖面的平衡状态彻底被破坏，需要泥水压力来平衡，但它始终不可能代替被开挖的土体，泥水压力的波动将引起开挖面的应力释放并对土体产生挤压作用，此外，会有大量的泥浆渗入土体。当盾构通过时，周围土体受到由于盾壳移动所带来的摩擦和剪切作用，为减弱这种作用，刀盘的开挖半径要略大于盾体，这就造成了盾构与土层之间存在一定的空隙，这期间对土体的扰动程度最大。

　　(3) 盾尾注浆期间

　　由于盾构掘进机的外径大于管片外径，盾尾通过后，在地层中遗留下来的建筑空隙就急需同步注浆充填。但是往往盾尾同步注浆未能及时充填建筑空隙，或是注浆量、注浆压力、注浆部位、浆液配比和材料方面不适当，使建筑空隙中的浆液不能及时形成环箍，盾尾脱出后，无支撑能力的软土在不能自稳的情况下就很快自行充填入建筑空隙，造成土层应力释放。除此之外，在注浆过程中会有大量的浆液渗入地层之中。这期间是控制扰动程度的重要阶段。