黃土盾構隧道膨潤土泥漿渣土改良技術研究

賀斯進

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510010)

0 引言

西安地鐵是在黃土地質條件下修建而成的。由于黃土分布的區域性，國內外對在黃土地層中進行土壓平衡盾構隧道施工的分析和研究較少。為了得到有利于土壓平衡盾構順利施工的理想狀態的渣土，各國學者進行了大量的試驗研究，主要涉及使用泡沫劑、膨潤土、高分子材料及相互組合使用等對砂土、黏性土進行改良。土壓平衡式盾構需要在壓力艙內充滿開挖泥土，通過對開挖土體施加壓力來平衡開挖面上的土壓力和水壓力，因此土壓平衡式盾構壓力艙內土體的理想狀態應為“塑性流動狀態”［1］。從目前的研究成果來看，業界對塑性流動狀態的含義及其物理力學指標已達成共識。一般認為，從土力學的角度分析，這種塑性流動狀態主要包括土體不易固結排水、土體處于流塑狀態、土體具有較低的透水率、土體具有較低的內摩擦角。其力學指標主要包括滲透系數、內摩擦角(φ)和內聚力(c)、坍落度T(流動度)、壓縮系數a。樂貴平等［2］也提到土體應具有優良的黏稠性，相應指標為黏稠度指數Ic。日本的相關研究學者認為:土體的坍落度在100～150 mm時，可以認為其滿足塑性流動狀態的要求。國內學者魏康林［3－4］認為:經過外加劑改良后的土體必須具有較小的抗剪強度、相對適中的可壓縮性、較低的滲透性和一定的流動性。現場施工一般通過土艙內的土壓、盾構負荷、螺旋輸送機的排土效率和排土性狀測量(坍落度試驗)來進行塑流性狀態的評價和管理［5－7］。

盾構在黃土地層掘進過程中，目前使用的改良劑材料主要為礦物類材料，高吸水性樹脂材料，纖維類、多糖類及負離子類材料，表面活性材料和硅溶膠等。常用的幾種添加材料的特點及使用土層對比如表1所示。

表1 盾構施工中常用渣土改良劑對比Table 1 Ground conditioning agents used in shield tunneling

目前國內地鐵盾構施工主要采用膨潤土和泡沫對土體進行改良［8－9］。膨潤土泥漿組成簡單，功能單一;泡沫主要采用進口產品，效果雖好但造價過高。總體上，土體改良劑的使用缺乏理論指導，沒有評價標準和評價方法，給盾構施工帶來了各種難題。考慮到材料的通用性及經濟性，本文通過室內試驗結合工程實際，就膨潤土、泡沫對黃土地區的渣土改良進行了研究，通過膨潤土泥漿優化試驗找到了適合黃土地層的膨潤土改良劑及膨潤土泥漿的最優體積分數，通過泡沫優化試驗找到了泡沫的性能與發泡劑溶液最佳體積分數的關系，并在實際工程中得到了成功應用，以期研究成果為西安地區乃至西部黃土地區的地鐵建設提供借鑒與參考。

1 工程概況

西安地鐵2號線試驗段行政中心站—鳳城五路站區間位于西安市北郊未央大道下方，線路全長1 046 m，線間距13～19 m，最大坡度23‰。區間地面標高383.84～387.70 m，隧道埋深8.0～11.2 m。區間位于渭河二級階地，地層主要為第四系上更新統風積、殘積及沖積層。主要為Qeol3，黃土的物質成分包括粒度成分、礦物成分和化學成分3個方面。表2為西安市二級、三級階地上濕陷性黃土的粒度成分。

表2 西安市濕陷性黃土的粒度成分Table 2 Particle ingredients of collapsible loess in Xi’an

從表2可以看出，黃土主要成分為粉質顆粒(粒徑0.5～0.1)，約占52%，而黏粒含量不足25%。黃土的礦物成分中以石英、長石為主，約占90%以上。化學成分以SiO2和Al2O3為主，其主要化學成分如表3所示。

表3 西安市區濕陷性黃土的化學成分Table 3 Chemical composition of collapsible loess in urban area of Xi’an

2 試驗工況

土壓平衡盾構在黃土地層掘進時，必須采取土體改良措施，目前采用膨潤土及泡沫劑改良土體已被廣泛應用于盾構施工中。我國地鐵施工中開展對渣土改良的試驗研究表明，泡沫不但能顯著降低砂土的滲透系數和剪切強度，而且能加大混合體的和易性;若加入適量膨潤土，則可獲得進一步提高砂土保水性、流動性及降低砂土的滲透系數和剪切強度的效果，這對盾構施工中改良土體工程性質的研究具有重要意義。

試驗的主要目的是通過以下試驗，給出合適的膨潤土及泡沫劑添加量。根據試驗的目的及要求，按改良土的組分結構，設計試驗工況如下。

1)按照膨潤土與水的質量比為 1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶14分別配制膨潤土泥漿，測試泥漿的黏度及相對體積質量，繪制泥漿體積分數—黏度、泥漿體積分數—相對體積質量關系曲線，給出膨潤土膨化效果最優時的泥漿體積分數及泥漿膨化時間。

2)通過對體積分數為1% ～6%發泡劑溶液所產生的泡沫的半衰期和發泡倍率進行測量，從而得到泡沫的性能與發泡劑溶液體積分數的關系。

3 試驗結果分析

對膨潤土及泡沫劑在黃土地層盾構施工中渣土改良的效果進行了室內試驗，通過室內試驗結果選擇最優膨潤土及泡沫劑與黃土的配比，并進行現場試掘進來驗證其渣土改良效果。

3.1 膨潤土泥漿優化試驗

3.1.1 試驗情況

為了找出膨潤土泥漿的最優體積分數及最佳膨化效果，按工況選取了西安地區不同礦質的膨潤土，包括鈣基膨潤土、鈉基膨潤土(洋縣宏泰)和鈉基膨潤土(洋縣人和)，配制了其在多種體積分數下的膨潤土泥漿，并分別對其膨化24 h后，找出膨潤土最優泥漿下的最佳膨化時間，試驗室溫度為5～10℃。實驗數據如表4—6，圖1和圖2所示。

表4 不同質量比的鈣基膨潤土泥漿黏度隨時間變化關系Table 4 Relationship between viscosityof calcium-bentonite slurry with different weight ratio and time s

表5 不同質量比的鈉基膨潤土(洋縣宏泰)泥漿黏度隨時間變化關系Table 5 Relationship between viscosityof calcium-bentonite slurry(Hongtai)with different weight ratio and time s

表6 不同質量比的鈉基膨潤土(洋縣人和)泥漿黏度隨時間變化關系Table 6 Relationship between viscosity of calcium-bentonite slurry(Renhe)with different weight ratio and time s

3.1.2 試驗結果分析

由表4—6和圖1—2可以看出:

1)處于相同質量比時的鈉基膨潤土與鈣基膨潤土，在相對體積質量與黏度上鈉基膨潤土優于鈣基膨潤土。因此，鈉基膨潤土相比于鈣基膨潤土更有利于渣土改良，在施工過程中宜選擇鈉基膨潤土作為渣土的改良劑。在相同的膨化時間下，產自洋縣宏泰的鈉基膨潤土比洋縣人和的具有更好的黏度，選擇膨潤土時宜選擇洋縣宏泰鈉基膨潤土。

2)當鈉基膨潤土添加比例大于或等于1∶10時，其泥漿黏度隨攪拌時間增長而加大，其增長幅度隨膨潤土添加比例的增大而增大，泥漿黏度峰值分布于18～24 h。當膨潤土添加比例小于1∶10時，黏度隨攪拌時間增長不明顯，故添加比例小于1∶10的情況不做詳細研究，而將研究重點放在膨潤土添加比例大于或等于1∶10 的工況。

3)在膨潤土膨化18～24 h后達到泥漿黏度峰值，后面配制的膨潤土泥漿膨化時間可選定為18 h。

3.2 泡沫優化試驗

3.2.1 試驗情況

泡沫的性能主要由半衰期和發泡倍率2個指標衡量。半衰期為氣泡衰變破滅到一半質量時所需的時間。發泡倍率是指一定體積的發泡劑溶液所發出的氣泡體積與發泡劑溶液體積的比值。本試驗參照歐洲的測量標準，對這2個泡沫性能參數指標進行測量。根據施工經驗，泡沫的半衰期大于5 min，發泡倍率為10～20就能滿足土壓平衡盾構施工的要求。通過對體積分數為1%～6%發泡劑溶液所產生的泡沫的半衰期和發泡倍率進行測量，從而得到泡沫的性能與發泡劑溶液體積分數的關系。試驗使用的發泡劑為國產發泡劑。溶液體積分數從1%增大到3%，發泡倍率從10.0增加到19.3，發泡倍率增大明顯;溶液體積分數從3%增大到6%時，發泡倍率從19.3增加到21.8，發泡倍率增大并不顯著，如圖3所示。溶液體積分數從1%增大到3%時，半衰期從9 min增加到10.2 min;而當體積分數繼續增大到4%時，半衰期反而下降，最后維持在9.5 min左右，主要是因為隨著發泡液體積分數增大，泡沫的直徑變大，容易破滅，如圖4所示。

3.2.2 試驗結果分析

通過試驗發現，當其他條件一定時，泡沫的發泡倍率隨著發泡液體積分數的增加而明顯的增大，發泡液體積分數較低時，發泡倍率變化最明顯，但存在一個臨界體積分數，當發泡液體積分數達到這個體積分數(5%)時，發泡倍率僅有輕微的變化，幾乎不再受溶液體積分數影響。當發泡液超過一定的體積分數時，泡沫的半衰期有所降低，從這個角度看，體積分數過大在降低性能的同時會造成泡液的浪費。

4 實際施工參數

經過對試驗室數據采集、對比分析及對現場實踐結果，渣土改良參數和注入參數如下。

4.1 渣土改良參數

1)膨潤土。納基膨潤土。

2)泡沫劑。砂性土專用泡沫劑。

4.2 注入參數

1)膨潤土泥漿。膨潤土∶水=1∶10(質量比)，注入率20%(與渣土體積比)。

2)泡沫劑。發泡液體積分數為2%，發泡倍率為15，注入率為20% ～40%(與渣土體積比)。

5 實際改良效果

1)降低刀盤內外周溫度。盾構刀盤密封正常的工作溫度為30～40℃，當溫度超過60℃就需要進行停機，使刀盤溫度降低至50℃以內，在70℃以上刀盤密封會發生物理變形，當溫度超過規定值時就會報警甚至停機。

區間需穿越西安市北三環輔道，該道路下方在運輸車輛動荷載的作用下相對密實。在掘進該道路下方時，基本上在30 min(即400 mm行程)內，盾構刀盤內周溫度上升至60℃，土溫可達到42℃。在向刀盤前方加大注入泡沫和膨潤土后，刀盤溫度降低至40～50℃，沒有達到理想的工作溫度。為了進一步降低刀盤密封溫度，對土壓平衡盾構的加泥管路進行了適當的改造，將通往土倉的管路也接到了刀盤面板，效果十分明顯，刀盤密封溫度從原來的46～48℃下降到32～35℃。渣土改良對刀盤溫度的影響詳見圖5。

圖5 渣土改良對刀盤溫度的影響Fig.5 Influence of groud conditioning on temperature of cutter head

在40～90環這個區間盾構刀盤密封平均溫度在50℃;90～140環后，增加了膨潤土和泡沫的使用量并且將加泥管路改至刀盤前方后，溫度降低至40～50℃;在140環后，即穿越繞城高速后，刀盤密封溫度降低至30～40℃，后期基本穩定在30℃上下。

2)增加土的塑性、流動性。渣土過干會使螺旋機油壓增加，渣土不能順利排出，嚴重時會造成螺旋被卡死的情況，需要人工打開螺旋機的蓋板，將過干的砂土用鐵鍬掏出后，方可恢復工作;渣土過稀時，會造成渣土從皮帶與皮帶架之間的間隙處流出，污染雙軌梁下的管片和成型隧道，造成人工不必要的浪費。在試驗室內，對砂土的流塑性一般用坍落度的方法來對渣土改良效果進行側面反映，室內渣土改良效果詳見圖6。渣土改良效果比較好時，改良后的渣土有一定流動性且能夠聚集在一起。在盾構施工現場，由于使用的是密閉式土壓平衡盾構，不能取到掌子面的原狀土。但可通過了解土壓力變化情況、觀察出土口的出渣情況或直接在皮帶上取土觀察等對渣土改良效果進行判斷。

圖6 室內渣土改良效果圖Fig.6 Indoor ground conditioning effect

渣土改良對螺旋機回轉壓力的影響詳見圖7。由圖7可見，在渣土改良初期的40～120環，螺旋機回轉壓力處于6 MPa左右，波動大不穩定。隨著渣土改良的成熟，在160環以后，螺旋機的回轉壓力基本處于3 MPa左右。圖7中在360環、440～480環附近出現的較高值屬于特殊情況，其中360環出現的高值是由于盾構掘進加固區渣土中含有較多的旋噴樁加固體造成的;440～480環出現的較高值是由于加泥泵出現故障，不能正常加泥造成的。總體來講，通過膨潤土+泡沫的渣土改良方案，可以改良土的塑性和流動性，具體表現在降低螺旋機回轉壓力及出渣順利程度上。

圖7 渣土改良對螺旋機回轉壓力的影響Fig.7 Influence of ground conditioning on rotation pressure of screw conveyor

6 結論及建議

1)處于相同質量比時的鈉基膨潤土與鈣基膨潤土，在相對體積質量與黏度上鈉基膨潤土優于鈣基膨潤土，因此，鈉基膨潤土相比于鈣基膨潤土更有利于渣土改良，在施工過程中宜選擇鈉基膨潤土作為渣土的改良劑。

2)當鈉基膨潤土添加比例等于1∶10時，能夠滿足施工要求，建議在今后的泥漿配合時優先選用該配比。最優的膨化時間出現在18～24 h，若小于18 h，膨潤土黏度達不到峰值，膨化時間過長，不能滿足施工進度要求。

3)在用膨潤土泥漿對渣土進行改良時，能起到很好的效果，通過試驗發現，改良后土體的和易性得到了很大的提高，流動性得到了增強，抗滲性也滿足要求。

4)通過土試樣在不同泡沫摻入比下的坍落度試驗表明，即使泡沫的摻入比很大也難以達到良好的改良效果。泡沫的摻入比越大，改良后土的坍落度增長越快。通過對試驗數據的整理，最終得到了試驗砂土泡沫改良的優化摻入比范圍。

5)目前西安地鐵二號線區間已順利貫通并成功投入運營。實踐證明，通過實驗研制出的膨潤土的種類及最優配比在實際工程中得到了成功應用。

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