南昌上軟下硬地層土壓平衡盾構渣土改良技術研究

翟圣智，胡蒙達，葉明勇，葉新宇，王樹英，詹 濤

(1．南昌軌道交通集團有限公司，江西 南昌 330038;2．中鐵五局(集團)有限公司，貴州貴陽 550003;3．中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

眾所周知，土壓平衡盾構在地鐵施工中起著無法取代的地位，但盾構在不同地層中掘進會遇到諸多問題，其中為了防止渣土結“泥餅”、噴涌等，保證盾構的正常掘進，渣土改良顯得尤為重要。魏康林［1-2］提出了土壓平衡式盾構施工“理想狀態土體”的概念，還對非理想狀態土體引起的常見盾構施工問題進行了概述。同時通過幾年的室內土體改良試驗研究，分析了國內常用的兩種外加劑(泡沫和膨潤土)和土體相互作用的內在機理。朱偉、郭濤、魏康林［3］通過室內試驗對氣泡的基本性能進行了研究，并在現場試驗中研究了氣泡性能對開挖土體的改良效果。付艷斌［4］結合具體工程提出在上軟下硬地層中盾構掘進的渣土改良主要為防止結泥餅以及噴涌并對改良參數的經驗范圍進行了概括。姜原停、閆鑫、龔秋明［5］］對土壓平衡盾構施工中泡沫改良砂土以及圓礫進行了試驗研究。針對盾構在砂土、圓礫地層的掘進過程中遇到的一些問題，提出最有效的解決方法是使用泡沫等添加劑對土體進行改良。馬連叢［6］對界面活性材料(即泡沫)在富水砂卵石土層盾構施工渣土改良的效果進行了室內和現場試驗，通過室內試驗結果選擇施工中的最佳配比，最后用現場試驗進行了驗證。

南昌地鐵一號線5標中山西路站～子固路站盾構區間前200 m為上軟下硬地層，上層為可能造成噴涌的富水砂礫石地層，下層為極易結泥餅的泥質粉砂巖地層，對盾構掘進時的渣土改良提出了很高的要求。為此，在施工前先對渣土進行室內試驗以得到較準確的渣土改良參數指導施工。本文以此為背景，采用合理的渣土改良室內試驗并結合現場施工，對上軟下硬地層的土壓平衡盾構渣土改良技術進行研究。

1 工程概況

南昌地鐵一號線5標從中山西路站開始沿中山西路自西向東前行，穿越撫河后進入中山路，最后到達子固路站。沿途旁穿工商銀行江西省分行、江西省保險服務中心、中國農業銀行江西省支行、南昌市財政局等高層建筑。

1.1 工程地質及水文地質情況

中子區間前200 m為上軟下硬地層，覆土厚度為14.7～17.4 m。上層為富水細砂、礫砂地層，下層為全～中風化泥質粉砂巖地層(圖1)。地下水分為上層滯水、松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙、溶隙水。上層滯水主要賦存于淺部雜填土層中;松散巖類孔隙水為潛水，局部為承壓水，主要賦存于沖積砂礫石層中，水位埋深6.50～8.14 m;碎屑巖類裂隙、溶隙水主要賦存于破碎的粉砂質泥巖層中，滲透系數較小。

圖1 上軟下硬地層的縱斷面(單位:m)

1.2 刀盤配置及附屬系統

根據本標段的地質狀況，本項目采用土壓平衡盾構機進行掘進。考慮將中風化泥質粉砂巖的有效破巖切削以及砂礫石的摩擦損耗，同時防止結泥餅和防噴涌等問題，對盾構刀盤和其他附屬系統進行了以下幾方面的設計。

1)刀盤配置:刀盤直徑6.28 m，開口率為34%，泡沫口數量和膨潤土口數量分別為3個和2個，主動攪拌臂數量為4個。

2)刀具布置:刀盤上有滾刀6把，切刀40把，邊刮刀12把。

3)螺旋輸送機:軸式螺旋輸送機直徑為0.8 m，最大通過粒徑φ290×560 mm，出渣能力335 m3/h。

4)渣土改良系統:盾構機上配置擠壓泵式膨潤土注入系統，注入能力8 m/h，注入口數量12個，膨潤土罐容量8 m3。泡沫系統的泡沫注入量范圍為5～300 L/h，泡沫發生器數量為3個。

1.3 工程難點分析

在南昌軌道交通1號線一期工程土建二標中，遇有相似上軟下硬地層發生結泥餅現象(圖2)，故對渣土改良應引起重視。

圖2 土倉內結泥餅情況

采用Rigaku D/max 2500全自動X射線衍射儀對泥質粉砂巖進行物相分析，得到泥質粉砂巖的礦物成分及其含量(表1)。從表1可以看出泥質粉砂巖中的黏土礦物成分含量很高(達40.5%)，容易造成刀盤結泥餅。而富水砂礫石地層中，盾構掘進刀盤的擾動使原本密實的礫砂變得松散而形成超挖。且在這種地下水豐富的地層中推進極有可能造成噴涌。故對上軟下硬地層在掘進時進行渣土改良顯得尤為重要，為了確定渣土改良參數，應先對盾構掘進時的改良渣土進行室內試驗，以確定合理參數對現場施工進行指導。

表1 礦物成分分析結果

2 渣土改良試驗及結果分析

本工程主要改良劑選用泡沫劑。渣土改良效果評價方法有多種，而普遍采用的評價方法為坍落度試驗。根據我國的現行標準規定，采用坍落度來測定改良后渣土的流動性，進而確定渣土的改良效果。

2.1 渣土改良試驗

選取幾個典型盾構掘進斷面(刀盤在砂礫石與泥質粉砂巖地層中的面積比分別為2∶1，1∶1，1∶2)，再對此幾個典型斷面的渣土按照體積比例進行配合得到試驗用的目標渣土，其他斷面的參數可根據試驗結果進行插值。試驗所用渣土的含水率也應根據原狀土的含水率進行試驗。通過試驗得出飽和砂礫石的含水率為13.3%，結合泥質粉砂巖的原狀土的含水率為11.4%，所以上軟下硬地層的渣土含水率應根據砂礫石與泥質粉砂巖的面積比例來定，從而得到砂礫石與泥質粉砂巖面積比分別為 2∶1，1∶1，1∶2，在此 3 種情況下進行坍落度試驗時含水率分別為12.67%，12.35%，12.03%。除此之外，試驗前應對泡沫劑的性能進行檢測。根據施工經驗，盾構用泡沫劑的發泡率在15倍以上，且所發出泡沫的半衰期在5 min以上方能達到要求。本次試驗選用的某泡沫劑的發泡率為20倍，半衰期為13.5 min。隨后，用此泡沫劑發出泡沫對混合渣土進行渣土改良(坍落度)試驗。

坍落度試驗時，對于每組的試驗結果應進行詳細的記錄并對其狀態進行大致的描述，篩選出坍落度在17～20 cm的試樣，并通過觀察其流動性確定其改良效果(確定渣土改良的添加劑配比)，從而推算出實際施工時的渣土改良參數。本文選取砂土比為2∶1的混合渣土在泡沫添加比分別為25%和40%時的坍落度試驗進行說明。試驗結果為泡沫添加比為25%的渣土的坍落度為8 cm，而當泡沫添加比增加至40%后，坍落度急劇增大到17 cm。從試驗顯示的渣土狀態也可以看出，當泡沫添加比為25%時渣土的流塑性不好(圖3)，而泡沫添加比為40%的渣土改良狀態較好(圖4)，可見泡沫的增加顯著改善了渣土的流塑性，從而起到良好的渣土改良效果。

圖3 坍落度8 cm混合渣土

圖4 坍落度17 cm混合渣土

2.2 渣土改良結果及建議現場參數

通過對渣土添加泡沫進行改良試驗，確定渣土在哪種泡沫添加比時的改良效果最好。3種渣土的試驗結果如表2所示。

表2 3種渣土在不同泡沫比下的坍落度試驗結果 cm

由表2的試驗數據得到砂礫石與泥質粉砂巖的面積比在2∶1，1∶1及1∶2時的最佳泡沫添加比分別為25% ～30%，37.5% ～45%和40% ～50%。將渣土的體積換算成盾構每掘進一環的土體體積，并考慮以下3個影響因素推算出盾構掘進時的渣土改良參數。

1)盾構機所能設定的最大發泡率(膨脹率)為15倍，而室內試驗所用的發泡劑溶液是充分發泡的，發泡率達到了20倍，故應對其進行換算。

2)盾構掘進時的土倉壓力與大氣壓不同，而室內試驗時的渣土改良是在大氣壓下進行的，故泡沫體積在不同壓力下的變化應予以考慮，對土倉內的泡沫體積相比大氣壓條件下進行折減。

3)土體被盾構切削后會有一定的松散性，這是由于原狀土或者巖石被破碎切削后水以及空氣會進入土體而使土體的體積有所增大。在這種情況下，泡沫的添加比也應根據土體的松散性進行調整。

綜合參考上述3個因素推算出盾構每掘進一環渣土泡沫劑用量如表3所示。

表3 建議渣土改良參數

3 現場應用

為了了解現場施工時的渣土改良參數與試驗結果的差異，對主要的渣土改良參數(泡沫劑使用量、注水量)進行統計分析。同時對渣土改良效果與改良參數進行對比以獲得最佳改良參數。

3.1 改良參數統計

圖5為泡沫劑隨盾構每環掘進的用量。從曲線趨勢可以看出泡沫劑用量的變化幅度比較大，這與地層情況復雜有關，且由于盾構在富水砂礫石地層中掘進，地下水的影響導致渣土中的含水率也變化較大，從而泡沫注入量無法較準確地確定，只能根據渣土情況做實時調整。從整體上看盾構每進入下一個地層，泡沫劑的使用量都有一個較大的浮動，原因為盾構在不同地層中掘進時，參數有一個調整過程，到調整的后期參數會逐步穩定。根據地勘報告，前40環盾構機刀盤有＞2/3的部分在砂礫石中推進，所以受地下水的影響較大，具體為富水砂礫石所占面積越大則泡沫隨地下水進入地層的泡沫越多導致泡沫用量隨之增加，反之亦然。前40環的泡沫劑平均使用量為80.5 L。同樣，盾構刀盤在兩種地層的面積比為1∶2～2∶1時，泡沫劑的用量逐漸從開始起伏較大到慢慢穩定下來，平均每環的泡沫劑用量大致為76.7 L。當盾構進入砂礫石面積較小的地層后，泡沫劑用量較之前有所減小且趨于較穩定，平均每環泡沫劑用量為72.1 L。

圖5 每環泡沫劑用量曲線

除了泡沫注入影響渣土狀態外，注水量也對渣土狀態影響顯著。這是由于盾構掘進時的原狀土被切削下來，或者磨碎等致使渣土的比表面積急劇增大，此時，需要注入水以保持渣土較好的流塑性。

圖6所示為每環的注水量曲線。從圖中可以看出水的每環注入量變化也較明顯，前40環的注水量記錄錯誤導致數據從幾方到一百多方不等，故忽略前40環的數據。到盾構進入下一個地層(1∶2≤砂礫石與泥質粉砂巖的面積比＜2∶1)，即40～120環的掘進，水的注入量從大幅變化到基本趨于穩定。這主要得益于富水砂礫石地層斷面的減小以及改良參數已調整較好，平均每環注水量4.6 m3。但當盾構進入砂礫石與泥質粉砂巖在刀盤上的面積比＜1∶2的地層后，水的注入量顯著增加(平均每環注水量達到7.07 m3)，主要原因為泥質粉砂巖的含量逐漸增加，地下水含水量減小，另外泥質粉砂巖含量增加會致使吸水量增加，所以達到渣土改良所需注入的水量相應增加。

圖6 每環注水量曲線

由此可見，在上軟下硬地層，尤其上層為富水砂礫石地層時盾構掘進的渣土改良是一個難題。主要由于泡沫作為改良劑受地下水影響較大，它會隨著地下水進入地層中，即泡沫劑的用量難以得到準確控制。同時，注水量也受地下水的影響較大，每環的注水量需根據渣土狀態實時調整。從統計中也得到證實，隨著刀盤在富水砂礫石中的掘進面積的減小，泡沫劑用量也在逐步減少，泡沫的損失百分比從最初超過67%減小到與試驗結果相符。同時，隨著掘進斷面中泥質粉砂巖面積的增大注水量也相應增大。

3.2 改良效果分析

為了解盾構掘進時的渣土改良效果，對土倉中出來的渣土進行坍落度試驗，從而確定渣土的改良狀態。沿隧道縱向取各典型斷面渣土進行坍落度試驗，同時分析坍落度與泡沫劑用量的關系(圖7)。

圖7 坍落度與泡沫劑用量的關系曲線

從圖7中坍落度與泡沫劑用量的對比中可以看出兩者成正比關系。在一定的條件下，泡沫劑用量越大，坍落度越大，而從所取渣土樣本中可以推測出坍落度在17～20 cm時泡沫劑用量為63～82 L。根據已掘進的160環的各類地層中泡沫劑用量的統計值及其在各地層中的泡沫劑用量的平均值變化，進一步確定刀盤在上述3種地層中的每環泡沫劑用量分別為63～70，70～76以及76～82 L。

圖8為除去注水量統計錯誤后的樣本渣土的坍落度與每環注水量的對比曲線。

圖8 坍落度與注水量的關系曲線

由圖8曲線可知，坍落度值與每環注水量也成正比，當注水量增大時坍落度也相應變大。坍落度在17～20 m時，每環注水量為6～8 m3，此時的渣土狀態比較適合掘進。再結合盾構掘進的注水量統計值變化進一步確定盾構在3種地層(砂礫石與泥質粉砂巖的面積比＞2∶1，1∶2＜砂礫石與泥質粉砂巖的面積比＜2∶1，砂礫石與泥質粉砂巖的面積比＜1∶2)中掘進時的每環注水量分別為6，7和8 m3。

綜上所述，各改良參數能夠與渣土改良狀態建立一個良好的變化關系，這對于渣土改良參數的調整較有益。

4 建議與結論

根據渣土改良室內試驗，得到施工時渣土改良參數。并與現場盾構推進時調整的改良參數以及渣土改良狀態進行對比分析，得到盾構在上軟下硬地層中推進時的一些改良建議和結論。

1)結合試驗數據，在考慮盾構機所能設定的最大發泡率(膨脹率)、土倉壓力、土體被盾構切削后的松散性等諸多因素的基礎上，得到每環泡沫劑用量隨地層中砂礫石與泥質粉砂巖在掘進斷面所占面積的不同分別為39～48 L，65～78 L以及72～90 L。富水砂礫石在盾構掘進斷面所占面積越小，試驗確定的參數越準確。

2)由于泡沫會隨地下水進入地層中導致實際對渣土起改良效果的量受地下水的影響較大，故當富水砂礫石在盾構掘進斷面所占面積減小時(損失率減小)，泡沫劑的用量越接近試驗結果。同時，在掘進過程中每環的注水量則大幅增加，從中可以看出，掘進斷面中泥質粉砂巖面積的增大導致注水量上升。

3)從盾構在上軟下硬地層中推進時的渣土改良狀態及參數對比中可以看出，每環泡沫劑用量應保持在63～82 L之間且隨著掘進斷面中富水砂礫石所占面積的減小，泡沫劑的用量可稍微減少，在3種地層中的每環泡沫劑用量分別為63～70，70～76以及76～82 L。除此之外，每環注水量應保持在6～8 m3之間，3種地層每環注水量分別為6，7，8 m3。

［1］魏康林．土壓平衡盾構施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析［J］．現代隧道技術，2007，44(1):73-77．

［2］魏康林．土壓平衡式盾構施工中“理想狀態土體”的探討［J］．城市軌道交通研究，2007(1):67-70．

［3］朱偉，郭濤，魏康林．盾構用氣泡的性能及對開挖土體改良效果影響［J］．地下空間與工程學報，2006，2(4):571-577．

［4］付艷斌．上軟下硬地層中盾構法隧道施工技術［J］．交通科技與經濟，2009(4):80-81，84．

［5］姜厚停，閆鑫，龔秋明．土壓平衡盾構施工中泡沫改良圓礫地層的試驗研究［J］．現代隧道技術，2008(增):187-190．

［6］馬連叢．富水砂卵石地層盾構施工渣土改良研究［J］．隧道建設，2010，30(4):411-415．