無隔水層越江隧道土壓平衡盾構渣土改良試驗研究

孫智勇

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無隔水層越江隧道土壓平衡盾構渣土改良試驗研究

孫智勇

對于全斷面砂層的盾構掘進隧道，當盾構所穿越的高透水性中砂地層滲透系數達1.10×10-2cm/s，且其上部水頭較高時，發生噴涌的風險極大，一旦發生噴涌嚴重時可導致盾構隧道整體失穩，因此，必須對渣土改良進行深入研究。文章就福州市軌道交通 1 號線越江隧道土壓平衡盾構渣土改良技術要求、渣土改良試驗添加材料、試驗內容和試驗結果進行分析、闡述。

越江隧道；土壓平衡盾構；渣土改良；試驗研究

土壓平衡式盾構越江隧道的關鍵技術之一是確保出倉渣土經攪拌、改良后形成一種“塑性流動狀態”[1]。在國內外的試驗研究中，主要使用膨潤土、泡沫劑、高分子材料及相互組合使用等對砂土、黏性土等進行改良研究。文獻[2]提出了土壓平衡盾構施工“理想狀態土體”的概念（即較低的滲透性，相對適中的壓縮性，較小的抗剪強度，一定的流動性），并認為只要有效、有針對性地使用外加劑，就可將施工中可能出現的問題控制在最小。渣土改良試驗研究中，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。雖然國內外對各種地質條件下的盾構渣土改良進行了研究，但目前國內很少對無隔水層情況下高透水砂層的越江隧道土壓平衡盾構渣土改良進行研究，因此，針對這種工況條件下的渣土改良研究尤為重要。

1　工程概況

福州市軌道交通1號線越江隧道工程下穿寬度約500 m 的閩江。該隧道主要穿越 ⑦j中砂、⑤2細砂、⑤3淤泥質土夾粉砂、⑧2中砂、⑧3淤泥質土夾粉砂、112中砂等地層，區間上方上無隔水層，地下水與江水連通。場地內對工程影響較大的承壓含水層主要為⑦j中砂、⑧2中砂含水層，根據抽水試驗成果，⑦j、⑧2中砂承壓水測壓水位埋深為 4.54～5.50 m，屬中等透水層。⑦j中砂、⑤2細砂、⑧2中砂、112中砂均為飽和砂土，松軟，富含承壓水，易產生噴涌，極易坍塌變形。

本段越江隧道采用土壓平衡盾構機，大部分穿越全斷面透水砂層且其上部無隔水層，盾構所穿越的高透水性中砂地層滲透系數可達 1.10×10-2cm/s，且其上部水頭較高，出渣時發生噴涌的風險較大。而一旦發生噴涌，周圍地層砂土將會流失，失去對襯砌結構的約束作用，嚴重時可導致盾構隧道整體失穩等危險，因此，如何進行渣土改良、防止噴涌的發生，成為本越江隧道工程至關重要的前提條件。

根據盾構掘進噴涌發生的機理，預防噴涌可采取2 種技術措施：①優化螺旋出土器結構，如減小直徑或增加長度等，也可采用雙螺旋出土器等特殊構造；②對土艙內渣土進行渣土改良，減小渣土的滲透系數等。對于措施①，即改造盾構機來說，需要設備改動的范圍比較大而一般不予采用。本工程選擇措施 ②，并對渣土改良方案進行深入研究。

2　渣土改良的技術要求

根據國內外工程實例，一般可認為出土器可以抵抗 10 kPa ( 水頭高 1 m ) 的水壓力和 3 cm3/s 的滲流量，當2 指標同時超出上述 2 個閥值，則視為噴涌發生。若排土口水流量 Q ＞ 4 cm3/ s 且水壓力 Pw＞ 20 kPa ( 水頭高度＞ 2 m ) 時，則會發生嚴重的噴涌。

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”。為使渣土達到此狀態，要求改良后渣土應能滿足下述物理參數：①滲透系數一般要＜1×10-5cm/s；②坍落度 10～15 cm。

3　渣土改良試驗研究

3.1用于渣土改良的添加材料

目前，使用的添加材料主要分為礦物類（膨潤土、黏土）、界面活性劑類（泡沫劑）、聚合物類（CMC聚合物、SPA-Ⅲ）等 3 類。

施工現場出于施工因素考慮，多使用純膨潤土漿液和泡沫，為了達到膨潤土漿液粘度、稠度等方面的性質要求，多采用加大膨潤土用量的方法，但這導致了造價提高，性能不完善等多方面的缺陷。

3.2試驗內容

本試驗依據S L237-1999《土工試驗規程》、TB10102-2004《 鐵路土工試驗規程 》等有關規程執行。具體包括：

（1）準備砂土土樣；

（2）膨潤土漿液配置；

（3）對靜置 24 h的膨潤土漿液使用漿液粘度計進行漿液粘度測試；

（4）將不同濃度的膨潤土漿液按相同體積比制備改良渣土，測定渣土在不同濃度漿液、相同漿液摻量下的坍落度；

（5）采用相同濃度的膨潤土漿液按不同體積比分別制備改良渣土，測定渣土在相同濃度漿液、不同漿液摻量下的坍落度；

（6）對根據級配制作的渣土樣進行常水頭滲透試驗，測定其滲透系數，對未改良砂土物理特性進行標定；

（7）將不同濃度的膨潤土漿液按相同體積比制備改良渣土，測定渣土在不同濃度漿液、相同漿液摻量下的滲透系數；

（8）將不同濃度的CMC聚合物（羧甲基纖維素）漿液按相同體積比制備改良渣土，測定渣土在不同濃度、相同摻量下的滲透系數；

（9）將不同濃度的CMC聚合物與不同濃度膨潤土漿液配合使用，使渣土與改良劑漿液按相同體積比制備改良渣土，測定渣土在不同濃度膨潤土漿液及不同濃度 CMC 聚合物、相同摻量下的滲透系數；

（10）不同水灰比條件下水泥-水玻璃雙液漿反應時間以及收水效果試驗。

3.3試驗結果分析

3.3.1膨潤土漿液濃度對其粘度的影響

圖 1 給出了不同膨潤土漿液濃度與其粘度的關系曲線。由圖 1 可見，以 9.09% 漿液濃度為拐點，當膨潤土漿液濃度小于 9.09% 時，其粘度增加不明顯；大于9.09% 時，其粘度急劇上升，當膨潤土漿液濃度大于11.1% 時，其漿液過于粘稠。

圖1　膨潤土漿液濃度與其粘度關系圖

3.3.2膨潤土漿液濃度對渣土坍落度的影響

文獻[4]研究表明，當膨潤土漿液與砂土體積比大于等于 2 : 10 時，繼續增大膨潤土漿液的含量，改良后的渣土抗滲性的提高效果增加不明顯。因此，選用膨潤土漿液與砂土的體積比為 2 : 10 較為合適[4]，故本試驗選用2 : 10 體積比情況下研究膨潤土漿液濃度與渣土坍落度關系。

圖 2 給出了膨潤土漿液與砂土體積比為 2 : 10 情況下，膨潤土漿液濃度與渣土坍落度關系曲線。由圖 2 可見，隨膨潤土漿液濃度的變化，渣土的坍落度沒有明顯變化，膨潤土漿液濃度并非影響渣土坍落度的主要因素。

3.3.3膨潤土漿液濃度對渣土滲透系數的影響

圖 3 給出了膨潤土漿液與砂土體積比為 2 : 10 時，膨潤土漿液濃度與渣土滲透系數關系曲線。由圖 3 可見，隨膨潤土漿液濃度的增加，渣土滲透系數相應減小。

圖2　膨潤土漿液濃度與渣土坍落度關系圖

圖3　膨潤土漿液濃度與渣土滲透系數關系圖

根據本過江隧道工程地質報告，無隔水層將地下水與江水隔斷，這導致江水與地下水連通，全斷面砂層含水量過大，盾構機掘進過程中土倉中的進水量預計可達到10%以上。為防止膨潤土漿液微粒的損失，需采用較大濃度的膨潤土漿液，本工程考慮采用膨潤土濃度在9.09%～11.1% 區間內。

3.3.4膨潤土漿液與砂土的體積比對渣土坍落度的影響

根據相關研究[4]所得指標，膨潤土漿液與砂土的體積比應處于 2 : 10～2.5 : 10 之間，即 1 m3砂土中摻入 200 ～250 L 濃度為 9.09% 的膨潤土漿液。圖 4 給出了膨潤土漿液濃度為 9.09% 時，其與砂土不同的體積比對渣土的改良作用曲線。由圖 4可見，改良后的渣土坍落度隨膨潤土漿液摻量的增加而增加。

圖4　膨潤土漿液與砂土體積比與渣土坍落度關系圖

圖5　CMC聚合物濃度與渣土滲透系數關系圖

3.3.5CMC聚合物濃度對渣土滲透系數的影響

圖 5 給出了 CMC 聚合物與砂土的體積比為2 : 10時，不同濃度 CMC 聚合物對渣土滲透系數的改良作用曲線。由圖 5 可見，隨 CMC 聚合物濃度的增加渣土滲透系數降低，CMC 聚合物對改善渣土的滲透性效果顯著。在實際工程中由于其成本較高，作為主要改良材料的可能性較小，可作為應急措施使用，也可使用低濃度CMC 聚合物配合膨潤土漿液共同使用。

3.3.6膨潤土漿液與 CMC 聚合物配合使用對渣土滲透系數的影響

根據試驗研究，在砂土中摻入與其體積比為 2 : 10 的改良劑情況下（膨潤土漿液與 CMC 聚合物按照 1 : 1 體積比配合使用），改良效果將顯著提高。圖6給出了膨潤土漿液、CMC 聚合物配合使用時，渣土滲透系數變化曲線。由圖 6 可見，當 CMC 聚合物濃度大于 3% 后，渣土滲透系數下降的斜率逐漸降低，這說明當 CMC 聚合物濃度大于 3% 后，其對渣土滲透系數的改良作用趨緩。鑒于越江段水量較大，結合適用性與經濟性兩方面，可采用 3%～5% 濃度的 CMC 聚合物配合 9.09% 濃度的膨潤土漿液共同使用。

3.3.7水泥-水玻璃雙液漿中水灰比對其凝結時間影響

圖 7 給出了水泥-水玻璃雙液漿中水灰比與其凝結時間關系曲線。由圖 7 可見，隨著水灰比的減小，雙液漿的凝結時間逐漸減小。這是由于水灰比減小后水泥液漿中水泥所占比例增加，其自身水化以及與水玻璃的反應速度都會加快。

圖6　膨潤土漿液、CMC 聚合物配合使用與渣土滲透系數關系圖

圖7　雙液漿中水灰比與其凝結時間關系圖

3.3.8水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量對其凝結時間的影響

圖 8 給出了水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量與其凝結時間關系曲線。由圖 8 可見，隨著水玻璃用量的增加，雙液漿的凝結時間增大，當單位體積（L）雙液漿中水玻璃用量增加到 100 mL 時，雙液漿的凝結時間會急劇增加，說明單位體積雙液漿中水玻璃的用量不易超過 100 mL。

圖8　雙液漿中水玻璃用量與其凝結時間關系圖

3.3.9水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量對其抗壓強度的影響

圖 9 給出了水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量與其抗壓強度的關系曲線。由圖 9 可見，隨著水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量的增加，雙液漿試件的 1 h、1 天、7 天、28 天的抗壓強度都表現出先增大后減小的規律。其中，1 h 的抗壓強度變化幅度較小，而 1 天、7 天和28 天的抗壓強度變化較為明顯。

圖9　雙液漿水玻璃用量與其抗壓強度關系圖

3.3.10 水泥-水玻璃雙液漿中水灰比與水玻璃用量的協調關系

圖 10 給出了水泥-水玻璃雙液漿中水灰比與水玻璃用量的協調關系曲線。由圖 10 可見，水灰比和水玻璃用量的增加均會使得雙液漿凝結時間增加，當水灰比與水玻璃用量分別為 4 : 1～5 : 1 和 130 mL 時，雙液漿的凝結時間最為接近（約為100 s），此時即為水泥-水玻璃雙液漿中水灰比與水玻璃用量的最佳協調關系。

圖10　不同水灰比、水玻璃用量與雙液漿凝結時間的關系圖

實際工程中，水玻璃的用量應根據土艙內水量進行調節。將水灰比為 1 : 1 的水泥漿泵送進土艙時，水泥漿的用量根據土艙內水量進行調節，最后在土艙內形成水灰比為 5 : 1 左右的水泥漿，然后注入與水泥漿體積比為 1.5 : 10～2 : 10 的水玻璃與其發生反應，可獲得良好的收水效果。

4　結束語

根據本次試驗研究，在無隔水層條件下，全斷面砂層越江隧道工程中將濃度為 9.09% 的膨潤土漿液與濃度為 5% 的 CMC 聚合物配合使用，使得隧道掘進時改良后渣土的 24 h 粘度達到 97 s，有效地改良了渣土的性狀，大部分渣土均達到了“塑性流動狀態”，說明根據試驗研究結果采用的渣土改良措施效果良好，期望為后續類似工程起到良好的參考作用。

[1] 朱偉，陳仁俊. 盾構隧道技術問題和施工管理[J]. 巖土工程界，2001（12）：l8-20.

[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）.

[3] 秦建設，朱偉，林進也. 盾構施工中氣泡應用效果評價研究[J]. 地下空間，2004，24（3）.

[4] 胡長明，崔耀，王雪艷，等. 土壓平衡盾構施工穿越砂層渣土改良試驗研究[J]. 西安建筑科技大學學報（自然科學版），2013，43（6）.

[5] 劉衛. 南昌復合地層盾構渣土改良技術[J]. 隧道建設，2015（5）.

Experimental Study on Soil Improvement of Earth Pressure Balance Shield for Cross-River Tunnel

Sun Zhiyong

For the whole profi le section of sand layer of shield tunneling, when the shield is boring through high permeable formation sand with permeability coeffi cient up to 1.10 × 10-2cm/s, and the water level at the upper part of the section is high, water gushing and inflow risk increases greatly. In the event of a serious gushing, it can lead to instability of the shield tunnel. Therefore, it is necessary to carry out in-depth study on muck improvement. The paper analyzes and discusses the technical requirements on the improved muck of tunnel earth pressure balance (EPB) shield for the under crossing river Fuzhou transit line 1, ingredient materials for muck improvement conditioning test, content in the test and the test results.

cross-river tunnel, EPB shield, muck improvement, experimental study

U455.43

孫智勇：福州市城市地鐵有限責任公司，總工程師，高級工程師，福建福州 350001

2015-09-28責任編輯 朱開明