土壓平衡盾構在復合地層中渣土性質試驗與改良技術研究

周慶國

(中鐵建昆侖投資集團有限公司， 四川 成都 610000)

0 引言

近年來，隨著我國城市軌道交通建設的快速發展，土壓平衡盾構技術因具有施工速度快、安全系數高及對地面影響小的優點，已經成為各大城市區間隧道的主要施工方法。土壓平衡盾構推進時，其前端刀盤旋轉切削地層，切削下的圍巖進入土艙。為了維持掌子面穩定，并保證渣土的持續運出，土艙內泥土理想狀態應為塑性流動狀態[1]。施工過程中為有效改善渣土流動性、降低噴涌量并減少刀具磨損，有必要開展不同地層渣土物理性質及改良技術研究。國內外學者對不同地層的渣土改良技術進行了一些研究。張立泉[2]針對無水砂層確定了渣土改良的配合比和合理參量； 唐卓華等[3]針對富水砂層盾構掘進渣土改良得出了適合該地層的渣土改良劑的合理配比； 周用攀[4]針對卵石地層得出了盾構施工的合理泡沫和泥漿摻入比; 肖超等[5]針對泥質粉砂地層土壓平衡盾構渣土的FIR理論計算值進行了修正； R.Zumsteg等[6]研究了渣土的類型和不同壓力對泡沫改良渣土的影響。土壓平衡盾構對復合地質的適應性是一個比較復雜的綜合性技術，而渣土改良是保證掘進過程中的關鍵手段。目前，大多數土壓平衡盾構主要采用添加膨潤土泥漿、泡沫劑及聚合物等材料和方法對渣土進行改良[7]，但在應用中缺乏相應地層土體性質的試驗依據和實踐來統一指導施工。本文針對成都地鐵10號線一期土壓平衡盾構掘進工程中穿越的全風化、強風化復合地層和中等風化復合地層，在盾構現場掘進試驗中針對不同掘進參數采取渣土試樣，進行渣土取樣物理性質室內試驗，對渣土顆粒密度、顆粒級配和顆粒幾何參數統計，定量分析地層條件對渣土物理性質的影響，通過研究不同配比的泡沫劑改良砂質、巖質渣土后塑流狀混合物的含水率、坍落度等指標，確定了最優泡沫劑摻量，開展級配方程對顆粒級配和幾何參數的適用性分析，結合掘進參數與地層條件，提出基于地層及掘進參數的渣土改良施工參數的量化方法，形成較為完整的基于復合地層的土壓平衡盾構的渣土性質試驗方法和改良技術。

1 工程概況

成都地鐵10號線一期線路全長10.5 km，全為地下線，最大站間距為2.836 km，最小站間距為1.028 km，平均站間距為1.826 km。最小曲線半徑為400 m。其中，沈家橋站—金航路南站區間，盾構區間右線起止點里程為YCK4+293.046～YCK7+154.413，區間全長為2 852.367 m；盾構區間左線起止點里程為ZCK4+363.446～ZCK7+197.228，短鏈長為2.556 m,區間全長為2 831.226 m。本段沿線下伏的白堊系灌口組(K2g)紫紅色、褐紅色泥巖，大多數地段為中等風化，風化呈短柱狀，個別地段有全風化、強風化巖層揭露，風化呈土狀、碎塊狀。巖層具有易軟化、崩解、強度急劇降低的特點，盾構在掘進過程中多次遇到噴涌，對盾構掘進時開挖面的穩定性十分不利。巖土層的工程特征及水文特征統計如表1所示。

表1 巖土層的工程特征及水文特征統計表Table 1 Engineering characteristics of rock and soil layers and statistics of hydrological characteristics

2 全風化、強風化復合地層渣土物理性質

2.1 顆粒的級配特征

按篩孔大小排列順序逐個將渣樣過篩，篩孔孔徑依次為37.5、26.5、19、16、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。計算分計篩余百分率、累計篩余百分率和各號篩的質量通過百分率，并繪制級配曲線。渣土的顆粒級配曲線如圖1所示。

各編號渣樣粗、細顆粒含量統計如表2所示，有效推力和刀盤轉速與粗顆粒含量關系如圖2所示。

由圖2可以看出： 1)在相同的盾構推力下，刀盤轉速越大，渣土粗顆粒含量越少； 2)盾構推力從10 000 kN增加到12 000 kN，粗顆粒含量在刀盤轉速為1.4 r/min和1.5 r/min時，含量減少超過了10%； 3)在刀盤轉速達到1.6 r/min時，粗顆粒含量趨于相同，都接近50%; 4)在相同的刀盤轉速下，隨著盾構推力的增加，渣土粗顆粒含量也隨之增多; 5)盾構推力在9 500 kN和12 000 kN時，刀盤轉速從1.5 r/min增加到1.6 r/min時，粗顆粒含量減少量小于5%； 6)推力在10 000 kN時，同樣的等級刀盤轉速提升，渣土粗顆粒含量降低將近20%; 7)在高刀盤轉速下，隨著盾構推力的增加，渣土粗顆粒含量逐漸趨于50%。

2.2 級配方程分析

目前為止，關于巖土顆粒物質幾何參數分布累計曲線的數學表述具有相異的適用范圍。W.B.Fuller等[8]根據試驗提出的一種理想級配即最大密度曲線，認為參數級配曲線越接近拋物線時，其密度越大，如式(1)所示。

圖1 渣土的顆粒級配曲線圖Fig. 1 Grain gradation curves of residual soil

表2 渣樣粗、細顆粒含量統計表Table 2 Statistics of coarse and fine particle content of slag sample

圖2 有效推力和刀盤轉速與粗顆粒含量關系圖

Fig. 2 Relationships among effective thrust, cutter rolling speed and coarse particle content

(1)

式中：P為粒徑為d的顆粒的通過質量百分率；dmax為最大粒徑。

基于分形理論，A.N.Talbot等[9]提出一種級配方程，如式(2)所示。

(2)

式中D為分形維數。

根據式(2)，在研究最大密度時，A.N.Talbot等[9]則認為，實際礦料的級配應允許有一定的波動，如式(3)所示。

(3)

式中：n為級配指數，一般n取0.3～0.6 時，有較好的密實度； 當n=0.5 時即為W.B.Fuller等[8]提出的最大密度曲線。

P.K.Swamee等[10]提出了天然泥砂的級配曲線方程，如式(4)所示。

(4)

式中:m為雙對數坐標系中泥砂級配曲線中間段變化斜率；n為漸變系數(或稱為擬合系數)；d*為(雙對數坐標系中)級配曲線的中間段直線的延長線與P=100%的橫坐標交點對應的粒徑。

以1號渣樣為例，對渣樣篩分數據運用上述公式進行擬合，擬合發現Swamee級配曲線方程擬合效果最好，擬合結果如圖3所示。各編號渣樣的擬合參數值及相關系數如表3所示。

圖3 渣樣顆粒級配實測值與擬合值對比

Fig. 3 Comparison between fitted values and measured values of particle size grading of slag

表3 各編號渣樣的擬合參數值及相關系數Table 3 Fitting parameters and correlation coefficients of various numbered slag samples

3 全風化、強風化復合地層渣土改良技術試驗研究

3.1 渣土改良方式比較

目前在國內土壓平衡盾構施工中泡沫和膨潤土是使用最為廣泛的2種外加劑，但膨潤土作為外加劑需要制泥設備，成本較高，且膨潤土泥漿適用于細料含量少的中粗砂土、砂礫土、卵石漂石地層等，不適于本工程進行渣土改良。采用泡沫改良渣土適合任何土層[11-12]，故本工程采用YHP系列土壤改良泡沫潤滑劑，該泡沫劑是由多種表面活性劑、穩定劑、強化劑及滲透劑等復配而成的，是專門針對盾構在隧道施工中的一種輔助材料，能有效改良土壤塑性。

3.2 渣土改良混合物流動性分析

3.2.1 渣土改良混合物最優流動性

國內外利用對渣土改良試驗中坍落度值范圍的選取來評價渣土狀態沒有統一的標準。V.Raffaele等[13]通過試驗研究得出坍落度為120～225 mm的改良土體效果較好，而S.Jancsecz等[14]通過試驗研究卻得出坍落度為200～250 mm時較好。基于以上學者的研究并結合盾構施工現場，綜合評價認為，坍落度控制在180～220 mm時更適合盾構施工。

3.2.2 試驗結果

對每組進行試驗拍照并量取坍落度值，并將每組試驗所得照片匯總，如圖4所示。

(a)W=12%, (b)W=12%, (c)W=12%, (d)W=12%, (e)W=12%,

FER=0%, FER=20%, FER=40%, FER=60%, FER=0%,

T=41 mmT=93 mmT=154 mmT=179 mmT=64 mm

(f)W=14%, (g)W=14%, (h)W=14%, (i)W=16%, (j)W=16%,

FER=20%, FER=40%, FER=60%, FER=0%, FER=20%,

T=101 mmT=158 mmT=176 mmT=185 mmT=201 mm

(k)W=16%, (l)W=16%, (m)W=18%, (n)W=18%, (o)W=18%,

FER=40%, FER=60%, FER=0%, FER=20%, FER=40%,

T=215 mmT=220 mmT=202 mmT=221 mmT=230 mm

(p)W=18%, (q)W=20%, (r)W=20%, (s)W=20%, (t)W=20%,

FER=60%, FER=0%, FER=20%, FER=40%, FER=60%,

T=239 mmT=216 mmT=229 mmT=238 mmT=239 mm

圖4坍落度試驗

Fig. 4 Slump test

對每次改良渣樣的坍落度值進行量測，可以得到含水率與渣土流動性關系，如圖5所示。泡沫摻量與渣土流動性關系如圖6所示。

圖5 含水率與渣土流動性關系

Fig. 5 Relationships between water content and residual soil fluidity

圖6 泡沫摻量與渣土流動性關系

Fig. 6 Relationships between foam content and residual soil fluidity

由圖5可以看出: 1)在泡沫摻量一定時，渣樣含水率越高，渣樣的坍落度值越大； 2)渣樣含水率從12%增加到14%時，渣樣坍落度值增加較為緩慢； 3)含水率從14%增加到16%時，渣樣的坍落度值迅速增加； 4)隨著含水率的增加，渣樣坍落度值增加速率又放緩。同時由圖6可以看出： 渣樣泡沫摻量達到40%之后，泡沫摻量增加，渣樣坍落度值差異逐漸變小。

由圖6可以看出: 1)在渣樣含水率較小的情況下(含水率為12%、14%)，泡沫摻量增加，渣土坍落度值迅速增加； 2)含水率為12%時，渣樣坍落度值從41 mm增加到179 mm； 3)含水率為14%時，渣樣坍落度值從64 mm增加到176 mm； 4)隨著含水率的進一步增大，渣樣坍落度值增幅非常緩慢，含水率為16%、18%、20%時，渣樣坍落度值分別從185、202、216 mm增加到220、239、239 mm。同時由圖5可以看出： 渣樣含水率為16%時，隨著泡沫摻量從0%增加到60%，渣樣坍落度值出現明顯差異，即含水率達到16%之后，渣樣坍落度值增加幅度迅速減小。

由圖4—6可知: 渣樣含水率為16%～18%時，渣樣通過摻入泡沫能達到較好的流塑狀態，此時渣土坍落度值為180～230 mm，并且渣土中細顆粒能很好地將粗顆粒進行包裹，渣土的保水性較好，不析水，渣土接近飽和狀態; 2)泡沫摻量為40%左右時改良效果最佳。

4 中等風化復合地層渣土物理性質

4.1 渣土顆粒級配

將盾構隧道不同掘進參數下，取得的盾構巖渣分別裝樣，稱取每份試樣不少于50 kg，共取得11份試樣。參照破碎、較破碎地層中渣樣進行篩分試驗，取套篩包含粒徑分別為37.5、26.5、19、16、9.5、4.75 mm。每個試樣分別過篩，得到顆粒級配曲線，如圖7所示。

圖7 渣土顆粒級配曲線示意圖Fig. 7 Sketch of curves of particle gradation of residual soil

由圖7可以看出: 1)粒徑在37.5 mm以上渣土顆粒含量為10%～20%； 2)粒徑在4.75～36.5 mm的渣土顆粒含量基本為70%～80%； 3)粒徑小于4.75 mm的渣土顆粒含量基本上低于5%。

渣土顆粒級配的有效推力分級如圖8所示。可以看出: 1)在相應的有效推力下，刀盤轉速分別從1.75 r/min增大到2.00 r/min、從1.79 r/min增大到1.98 r/min、從1.69 r/min增加到2.00 r/min，都表現出渣土顆粒逐漸偏細; 2)在有效推力為6 800 kN時，隨著刀盤轉速的增大，渣土顆粒在19 mm粒徑以上的顆粒含量相對減少，渣土顆粒在19 mm粒徑以下的顆粒含量相對增多; 3)當盾構有效推力為 8 050 kN時，隨著刀盤轉速的增加，渣土顆粒級配曲線之間的差異變小。即在大致相同的地層下，盾構掘進過程中，盾構有效推力維持穩定，隨著刀盤轉速的增加，掘出的渣土顆粒偏細。當有效推力足夠大時，隨著刀盤轉速的變化，渣土各粒徑含量差異將減小。

(a) 有效推力為6 000 kN

(b) 有效推力為6 800 kN

(c) 有效推力為7 000 kN

(d) 有效推力為8 050 kN圖8 渣土顆粒級配的有效推力分級示意圖

Fig. 8 Sketch of effective thrust classification of particle size gradation

渣土顆粒級配的刀盤轉速分級如圖9所示。

(a) 刀盤轉速為1.68 r/min

(b) 刀盤轉速為1.95 r/min

(c) 刀盤轉速為2.0 r/min圖9 渣土顆粒級配的刀盤轉速分級示意圖

Fig. 9 Sketch of cutter rolling speed grading of residue particle gradation

由圖9可以看出: 1)刀盤轉速分別為1.68、1.95、2.00 r/min時，隨著盾構有效推力的變化，渣土顆粒級配發生變化; 2)在一定的刀盤轉速下，盾構有效推力增加，渣土顆粒級配曲線偏上，即渣土顆粒相對偏細; 3)在一定的刀盤轉速下，渣土顆粒級配與盾構有效推力的變化幅度相關; 4)盾構有效推力變化幅度越大，顆粒級配曲線差異越大; 5)有效推力增加幅度為1 150、600、2 050 kN，其中增幅為600 kN的渣土顆粒級配曲線中小于某孔徑比率的最大差值低于5%，而其他2組最大差值分別為 14.6%和8%。從最大差值中也能看出： 刀盤轉速相對較大時，隨著盾構有效推力的變化，渣土顆粒之間的差異在縮小。

4.2 渣土顆粒幾何特征

4.2.1 試樣照片拍攝

試驗中共取得11份試樣。將每份試樣均分成10小份后標記裝袋，然后將每小份試樣均勻攤鋪于一張1 m×1 m的白紙上。攤鋪后試樣如圖10所示。本試驗采用顆粒(孔隙)及裂隙圖像識別與分析系統(PCAS)對拍攝所得的巖渣照片進行處理，進而對盾構巖渣參數進行定量化分析研究。

圖10 試樣攤鋪效果圖Fig. 10 Effect of sample paving

4.2.2 試樣照片的圖像處理

本試驗采用南京大學開發的PCAS 系統，該系統已被運用于巖土體裂隙、孔隙、頁巖氣孔隙和礦物顆粒等定量識別和結構分析研究領域，也可應用于材料、生物等領域。最小和最大Feret直徑如圖11所示。PCAS系統的幾何測量原理如圖12所示。

圖11 最小和最大Feret直徑Fig. 11 Minimum and maximum Feret diameters

4.2.3 巖渣幾何參數定量化分析

盾構掘進參數的選取直接影響掘進產生巖渣的幾何性質[15]。通過進行盾構掘進參數對巖渣幾何參數分布累計曲線影響的定量研究，來準確描述巖渣幾何參數分布情況，實現了在全粒徑范圍內渣土顆粒主要幾何參數分布的定量表示。通過對工程中巖渣試樣的顆粒幾何參數累積曲線形態的研究，從而提出適用性方程。對同一種土處于不同掘進參數下，盾構巖渣幾何參數累積曲線分別采用式(1)—(4)進行擬合，研究結果表明，式(4)較其他方程更具有普遍適用性。PCAS系統對本試驗照片圖像處理原理如圖12所示。

(a) 巖渣原照片

(b) 二值化后巖渣照片

(c) PCAS系統自動讀出各巖渣顆粒參數圖12 PCAS系統對本試驗照片圖像處理原理

Fig. 12 Principle of image processing for photos by PCAS system

根據對11組試樣幾何參數的擬合結果，巖渣長度、寬度、周長、面積4個參數進行擬合效果最佳，而面積/周長參數以指數函數模型擬合精度最高。巖渣試樣長度參數累積曲線擬合方程及參數如表4所示。巖渣試樣寬度參數累積曲線擬合方程及參數如表5所示。巖渣試樣周長參數累積曲線擬合方程及參數如表6所示。巖渣試樣面積參數累積曲線擬合方程及參數如表7所示。巖渣試樣面積/周長參數累積曲線擬合方程及參數如表8所示。

表4 巖渣試樣長度參數累積曲線擬合方程及參數表Table 4 Fitting equation and parameters of cumulative curve of length parameter of rock slag specimens

表5 巖渣試樣寬度參數累積曲線擬合方程及參數表Table 5 Fitting equation and parameters for cumulative curve of width parameter of rock slag specimens

表6 巖渣試樣周長參數累積曲線擬合方程及參數表Table 6 Fitting equation and parameters for accumulative curve of perimeter parameters of rock slag specimens

表7 巖渣試樣面積參數累積曲線擬合方程及參數表Table 7 Fitting equation and parameters for cumulative curve of area parameter of rock slag specimens

表8 巖渣試樣面積/周長參數累積曲線擬合方程及參數表Table 8 Fitting equation and parameters for cumulative curve of area/perimeter parameters of rock slag specimens

5 中等風化復合地層渣土改良技術試驗研究

根據渣土粒徑統計分析結果： 較完整地層中粒徑為37.5 mm以上渣土顆粒含量為10%～20%；粒徑為4.75～36.5 mm的渣土顆粒含量基本為70%～80%；粒徑小于4.75 mm的渣土顆粒含量基本上低于5%。通過坍落度指標表征渣土流塑性不再適用。攪拌試驗是利用盾構渣土改良混合物流塑性量測裝置模擬刀盤和攪拌翼板對渣土的攪拌過程，評價改良土體的攪拌性能和粘附性，為研究刀盤轉矩、螺旋排土器轉矩的影響因素提供了一種直觀有效的試驗手段[16]。

摻水量對渣土混合物攪拌轉矩的影響如圖13所示。可以看出： 1)在較完整地層的渣樣中加入一定量的水進行土體改良，在前期土體的攪拌轉矩較高且變化很小； 2)當摻水量超過2%時攪拌轉矩下降，下降速率加快，混合物流動性增強； 3)當摻水量達到8%，土體的攪拌轉矩下降速率開始減小，并逐漸趨于穩定； 4)總體上渣樣的攪拌轉矩減少量較低，水對渣土混合物攪拌轉矩的影響較小。

圖13 摻水量對渣土混合物攪拌轉矩的影響

Fig. 13 Effect of water content on mixing torque of residual soil mixture

摻泡沫對渣土轉矩的影響如圖14所示。可以看出： 1)在渣土中加入一定量的泡沫進行土體改良，在前期土體的攪拌轉矩有一定的增大； 2)在泡沫劑加入比為3%左右的時候，土體的攪拌功率增加到最大值； 3)當泡沫摻量超過6%時，攪拌轉矩開始迅速下降； 4)當泡沫摻量達到9%之后，攪拌轉矩變化很小，說明此時泡沫摻量的增加對渣土改良的作用不大。所以，泡沫劑能夠顯著降低對渣土混合物的攪拌轉矩。

圖14 摻泡沫對渣土轉矩的影響Fig. 14 Effect of foam on torque of residual soil

6 結論與討論

渣土改良技術可有效地降低盾構的轉矩和推力，減輕設備部件磨損，對提高效率、降低工程造價有著決定性作用。通過反復進行渣土性質試驗和研究渣土改良技術，有效降低了螺旋輸送機出土口地下水噴涌對上覆地層變形的影響并得到了如下結論。

1)Swamee級配曲線方程對渣土顆粒級配的擬合效果較好，能比不均勻系數、曲率系數等參數更好地對不同渣樣顆粒級配進行區分。

2)富水渣樣(重力含水率16%～18%)在泡沫劑發泡后的體積摻入量為40%時，土中細顆粒能很好地將粗顆粒進行包裹，渣土的保水性較好，不析水，改良后的渣土混合物坍落度值為180～230 mm，達到較好的流塑狀態。

3)級配方程實現了在全粒徑范圍內渣土顆粒主要幾何參數分布的定量表示，可用于顆粒流與離散元的建模及反分析，以及通過建立方程系數與掘進參數、地層參數間的經驗方程指導渣土改良的精細化、定量化施工。

4)較完整地層巖渣的長度、寬度、周長、面積等參數利用Swamee級配曲線方程進行擬合效果最佳，而面積/周長參數以指數函數模型擬合精度最高。

在成都地鐵10號線一期區間盾構隧道掘進中，采用以上成果方法指導施工無較大噴涌現象發生，保證了盾構安全、連續、快速掘進，可為今后類似工程提供參考和借鑒。將本文的試驗結果與前人的經驗公式進行對比，可以驗證計算方法的可行性，但對于多層土體掘進過程，還需要進行大量的現場實測并進一步修正。

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