黃土地層大斷面馬蹄形盾構隧道渣土改良技術

畢清泉 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

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]。但一般土體難以達到此理想狀態，且當土艙內土體流塑性差時，易發生堆積、壓密，固結，導致渣土難以排送，開挖面難以穩定，進而影響盾構機的掘進效率、掘進成本，甚至影響工程質量。因此，渣土改良對土壓平衡式盾構的施工至關重要[2]。

針對不同地層，學者們進行了大量渣土改良的試驗。張淑朝[3]、胡長明[4]、馬連叢[5]等學者針對砂卵石地層開展了室內試驗和現場試驗，確定了適用于砂卵石地層的土體改良劑及其合理的配比；申興柱[6]、鐘小春[7]等通過室內試驗，揭示了不同改良劑對礫砂地層土體的改良效果，以及改良劑不同濃度、摻量及不同組合對渣土改良效果的影響規律，并提出了針對性的配比方案；胡長明[8]、劉彤[9]等針對砂性地層采用添加泡沫劑和膨潤土等方法進行改良，結合現場掘進試驗分析改良效果，研究出適用于砂性地層的渣土改良方案。葉新宇[10]、肖超[11]等針對南昌地區泥質粉砂巖，進行了渣土改良試驗，測試了改良后渣土的性能，并結合現場實際情況對碴土改良的效果進行了評價。楊志勇[12]等對北京地區3種典型地層：粉土、粉質黏土、黏土地層，粉細砂、中～粗砂地層和礫石、卵石地層的渣土改良技術進行了研究，總結出了北京地區典型地層的渣土改良方法。王明勝[2]針對廣州地區粉質黏土、砂質粘性土及全、強、中微風化混合巖等復雜地層，利用高分子聚合物對渣土進行了改良，效果較好，并在廣州地鐵施工中廣泛應用。莫振澤[13]等提出一種新型的濃泥渣土改良技術，并開展土壓盾構濃泥渣土改良現場試驗，研究掘進過程中開挖面前地層中孔隙水壓力、盾構掘進參數及地層沉降的變化規律。上述研究為渣土改良技術積累了豐富的經驗，并取得了一定的成果。

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[14]。賀斯進[14]等利用膨潤土、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，可供借鑒。但鑒于浩吉鐵路白城隧道應用的馬蹄形斷面面積大、九刀盤同時開挖攪拌效果不均，同時存在攪拌盲區，渣土改良存在很大不均勻性，對盾體（姿態）方向控制影響大。而要實現此設備的姿態精確控制，最好的辦法是通過渣土改良讓渣土實現真正的流塑狀。且該項目的工業試驗段為下穿道路，覆土淺，對沉降控制要求極高，渣土改良效果的好壞直接影響到沉降的控制。因此，搞好馬蹄形盾構渣土改良系統的研究設計具有重要意義。

本文對常用改良劑泡沫、膨潤土漿液的特性進行試驗研究，并通過坍落度試驗、攪拌試驗、透水性試驗等分別研究水、泡沫、膨潤土漿液對粉土、粉細砂的改良效果情況。通過復合的渣土改良配比指導施工，再經現場實際掘進情況綜合確定適合當前砂質新黃土地層的渣土改良數據，在白城隧道馬蹄形盾構項目中得到了成功應用，以期研究成果為黃土地區的盾構隧道建設提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

白城隧道位于靖邊縣內，隧道全長3345m，為單洞雙線隧道，隧道最大埋深約為81.05m。盾構法施工段長2960.0m，盾構隧道采用馬蹄形斷面，盾構隧道外輪廓跨度為11.54m，高度為10.59m，開挖面積近105m2。

1.2 工程地質

白城隧道位于毛烏素沙漠邊緣，地貌屬黃土剝蝕丘陵。隧道洞身范圍內地層主要為第四系全新統風積層（Q4eol）粉砂、細砂，主要分布于隧道進出口段；第四系上更新統風積層（Q3eol）砂質新黃土，黃褐色、褐黃色，稍密～密實，稍濕，局部具針孔狀孔隙，局部含黑色鐵錳質結核，層厚3.8～85.0m。在隧道區域內廣泛分布。隧道地表稍密的砂質新黃土具濕陷性[15]。

1.3 水文地質

1.3.1 地表水

地表水不發育，勘測期間未發現地表水[15]。

1.3.2 地下水

勘測期間，未見地下水，地下水位于隧道洞身以下。周邊未發現泉、井。雨季部分段落可能含水量增大，或出現少量流水。最大年降水量為546.3mm，平均降水量為388.7mm，采用降雨入滲法計算隧道涌水量，預計最大涌水量為677m3/d[15]。

1.4 大斷面馬蹄形盾構機概況

如圖1所示，大斷面馬蹄形盾構機刀盤開挖形式采用平行軸式9刀盤布置方案，3前6后成“品”字形，開挖覆蓋率能達到90%以上，大刀盤由6根刀梁組成，開口率達到58.2%。盾體設計為馬蹄形，上部為圓拱，下部稍扁，左右兩翼下側的弧度較小。上下兩半組合結構，方便吊裝和運輸。沿切口環周向布置切刀，以增加切土能力及耐磨性。

圖1 刀盤布置圖

2 試驗方法

渣土改良研究涉及多學科、多領域的研究內容，而且不同改良介質的作用機理復雜，研究內容廣泛，影響因素多且存在不確定性，需要通過大量的試驗數據進行驗證和分析。首先制定渣土改良試驗的技術路線，如圖2所示。

圖2 渣土改良試驗技術路線

利用多功能試驗臺及其它測試儀器，對常用改良劑泡沫、膨潤土漿液的特性進行試驗研究，并通過坍落度試驗、攪拌試驗、透水性試驗等分別研究水、泡沫、膨潤土漿液對粉土、粉細砂的改良效果情況。

3 泡沫改良渣土試驗

泡沫在盾構中的應用是通過無數個小氣泡組成的泡沫來實現的。泡沫是典型的氣液二相體系，90%以上的體積為空氣，不足10%的體積為發泡液，而發泡液95%以上是水，其余為發泡原液，多為各種表面活性劑的高濃度混合液。

3.1 泡沫液表面張力

通過JYW-200B自動界面張力儀檢測了不同濃度下的泡沫混合液的表面張力。如圖3所示，泡沫原液比例與表面張力關系為：泡沫混合液的表面張力隨著原液濃度增加而減小，泡沫原液濃度達到3%時表面張力達到最小，繼續增加濃度，表面張力基本不變。

圖3 表面張力與原液濃度的關系

3.2 泡沫半衰期和實際發泡效果

圖4 半衰期與原液濃度的關系圖

圖5 發泡倍率與原液濃度的關系

圖6 泡沫附著厚度與原液濃度的關系

通過多功能流體試驗臺和半衰期試驗裝置，測試了不同濃度的泡沫液的發泡倍率、半衰期和泡沫附著厚度。

如圖4所示，當泡沫原液濃度達到2%時，隨著濃度增加半衰期變化較小；發泡倍率和附著厚度隨著原液濃度的增加而增大，但增大的趨勢變小。如圖5～圖6所示。

3.3 泡沫改良渣土塌落度試驗

渣土坍落度主要是指渣土的塑化性能和出渣性能，影響渣土坍落度的因素主要有級配變化、含水量、衡器的稱量偏差、外加劑的用量等。坍落度是指渣土的和易性，和易性是指渣土是否易于施工操作和均勻密實的性能，是一個很綜合的性能其中包含流動性、粘聚性和保水性。具體來說就是保證施工的正常進行，其中包括渣土的保水性、流動性和粘聚性。

通過熱重分析儀、攪拌機、坍落度筒等試驗儀器測試了多組泡沫改良后的渣土坍落度。

如圖7所示，泡沫對改良渣土的坍落度效果是很明顯的，添加15%泡沫后塌落度由31mm變為132mm，添加到20%時塌落度達到212mm。塌落達到120mm到200mm時，可認為渣土滿足流塑性狀態要求，所以泡沫注入率為15%時，其渣土改良效果、經濟性最佳。

圖7 泡沫改良渣土坍落度曲線

當含水量為15%時，加入不同比例的泡沫，對比塌落度，通過數據分析得出塌落度H與添加泡沫比例X%的關系如下：

綜合以上泡沫性能試驗及泡沫渣土改良試驗數據分析可知：考慮到工程應用的成本，在粉土、粘質粉土底層中施工，選用該泡沫原液濃度為3%，泡沫注入率為15%，其性能、經濟性最佳。

S1-鈉基膨潤土

4 膨潤土改良渣土

4.1 膨潤土性能試驗

膨潤土為礦物質類添加劑，目的是補充土體的微細粒組分，使得土體的內摩擦角變小，提高土體的流動性、止水性。研究膨潤土的性能對渣土改良尤為重要。

通過泥漿漏斗粘度計、泥漿比重計、坍落度筒等試驗儀器測量了多組S1鈉基膨潤土的比重及漏斗粘度。信陽膨潤土的試驗結果見表1，鈉基膨潤土不同配比的粘度與養護時間變化規律見圖8。隨著養護時間的增長，泥漿的粘度不斷上升。由24h養護時間不同配比的粘度變化規律圖9可知：配比在1∶5以下時粘度增長緩慢，而大于1∶5時粘度急劇增大，在1∶5時候出現突變值。從圖10可知：配比低于1∶6時，泥漿比重緩慢線性增長，當配比大于1∶6時泥漿比重呈急劇線性增長。總體上S1-鈉基膨潤土水化程度較好，能夠形成穩定的泥漿，未形成較大的析層現象。綜上鈉基膨潤土表現出的性質，采用配比1∶6濃度進行膨潤土改性。

純堿即碳酸鈉（Na2CO3），在水中容易電離和水解，在配置時加入從而有效地改善粘土的水化分散能力，因此加入適量的純堿可使泥漿失水下降，粘度、切利增大。通過對不同比例純堿含量的泥漿進行測試，對多組數據分析對比，得出粘度S與純堿含量X%之間函數關系為：

圖8 同配比的粘度與養護時間變化規律

圖9 漿粘度與濃度的變化規律

圖10 漿比重與濃度的變化規律

圖11 漿粘度與純堿濃度的變化規律

由圖11可知純堿使泥漿粘度先升高后下降繼而急劇升高。根據泥漿粘度變化規律，優先采用0.6%含量的純堿改良泥漿的失水性能。

CMC全名稱羧甲基纖維素，可增加泥漿粘性，使土層表面形成薄膜而防護孔壁剝落并有降低失水的作用。

通過實驗發現，隨著CMC含量的增大，泥漿粘度幾乎呈線性增長，粘度S與CMC含量X%之間函數關系為：

S=17.9+64X

由圖12可知CMC含量的增大，泥漿粘度幾乎呈線性增長。CMC的含量雖然相對較低，但其變化對泥漿漏斗粘度的影響卻非常明顯。

圖12 粘度與CMC濃度的變化規律

綜上幾個改良配比試驗，優先采用膨潤土配比1:6，純堿含量0.6%配比漿液，在泥漿隨CMC含量濃度變化規律的基礎上配置含量0.6%和0.8%的CMC泥漿，測得漏斗粘度分別為52.80S和63.00S，所以推薦S1樣本配比為水：膨潤土：Na2CO3∶CMC=6∶1∶0.042∶0.056，其中物料的投放順序建議水和純堿先溶解后在放入CMC進入機械攪拌，攪拌至少1h之后，放入氣吹攪拌桶內，打開氣吹閥門，緩慢加入鈉基膨潤土，氣吹攪拌時間30min即可，最后養護24h之后方可以投入使用。

4.2 膨潤土渣土改良坍落度試驗

在含水量為15%的渣土試樣中添加不同量的膨潤土改良劑進行坍落度試驗。如圖13所示，膨潤土注入率達到15%時，塌落度只有87mm，而達到20%時，塌落度達到151mm。渣土達到良好的流塑性狀態，膨潤土注入率較大，需達到20%左右。

圖13 S1-膨潤土渣土改良坍落度曲線

經過對多組試驗數據的分析發現：膨潤土改良后坍落度H與添加膨潤土的比例X%之間的關系如下所示：

S1∶H=-0.0018X4+0.0706X3-

0.3419 X2+0.4267X+0.7817

綜上，經過對加泡沫與加膨潤土后的坍落度測試對比分析，另外綜合考慮施工經濟效益，對于該地質，加泡沫后的改良效果優于加S1膨潤土，通過綜合分析比對研究，本項目泡沫原液濃度為3%，泡沫注入率為15%，其性能、經濟性最佳。

5 馬蹄形盾構機渣土改良方案與工程應用

通過渣土改良實驗得出渣土改良的最佳方案，主要改良介質是泡沫和水，泡沫的作用尤為明顯。

結合異型盾構多刀盤開挖形式，為使泡沫與土體的充分混合并防止刀盤噴口堵塞，對每一個刀盤單獨配置單管單泵泡沫系統，共配置6路泡沫，通過PLC可以實現泡沫自動、半自動及手動注入控制，開創了異型盾構渣土改良系統新的設計理念。同時土倉隔板上均勻布置加水口，針對盲區特殊設置噴水口，實現土倉內均勻加水改良，并采用高壓水沖刷盲區，有助于盲區渣土的切削和渣土改良。

在蒙華鐵路白城隧道工程項目中，通過渣土改良實驗，確定合理改良介質注入比，并配置合適的渣土改良系統，蒙華鐵路馬蹄形盾構項目渣土改良取得良好效果，使土體形成“塑性流變狀態”，有利于地表沉降的控制。如圖14所示。

圖14 渣土改良后土體

圖15 掘進過程中土倉壓力變化

圖15表明了優化后的渣土改良方案有效的穩定了掌子面，土倉壓力均勻。有利于提高成洞質量，使推進系統適應各種復雜工況要求。同時也表明渣土改良有效降低了盾體及刀具的磨損，達到了經濟、節能的要求。

6 結論

①泡沫混合液的表面張力隨著原液濃度增加而減小，泡沫原液濃度達到3%時表面張力達到最小，繼續增加濃度，表面張力基本不變；當泡沫原液濃度達到2%時，隨著濃度增加半衰期變化較小；發泡倍率和附著厚度隨著原液濃度的增加而增大，但增大的趨勢變小。

②S1-鈉基膨潤土水化程度較好，能夠形成穩定的泥漿，采用配比1:6濃度進行膨潤土改性；優先采用0.6%含量的純堿進行改性泥漿的失水性能；隨著CMC含量的增大，泥漿粘度幾乎呈線性增長，其變化對泥漿漏斗粘度的影響非常明顯。

③綜合考慮施工經濟效益，對于該地質，加泡沫后的改良效果優于加S1膨潤土，通過綜合分析比對研究，本項目泡沫原液濃度為3%，泡沫注入率為15%，其性能、經濟性最佳。

④蒙華鐵路馬蹄形盾構項目渣土改良取得良好效果，使土體形成“塑性流變狀態”，有利于地表沉降的控制。同時也表明渣土改良有效降低了盾體及刀具的磨損，達到了經濟、節能的要求。