復合地層土壓平衡盾構壓力艙渣土改良研究

鐘小春，張 洋*，張露露，槐榮國

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210000；2.中鐵五局，廣東 廣州 518000)

近年來，由于施工速度快、對周圍環境影響小、自動化程度高等優點，土壓平衡盾構越來越廣泛地應用于城市地鐵區間隧道施工[1]。渣土的流動狀態、滲透性等性質對盾構機能否順利掘進具有重大的影響。當渣土黏聚力過大時，容易在刀盤上結成泥餅；當渣土滲透系數過大時，會導致螺旋排土器噴涌。因此有必要對壓力艙內的渣土進行改良，使渣土具有較好的流塑性以及較低的滲透性。

目前，國內外學者主要通過添加泡沫、膨潤土泥漿等改良劑對渣土進行改良。魏康林等[2]基于微觀試驗分析了外加劑和土體相互作用的內在機理，并給出了不同地質情況下外加劑選擇的依據。胡長明等[3]為確保土壓平衡盾構順利穿越砂層，研究了不同配比的膨潤土泥漿對渣土的改良效果，發現采用濃度為1:10膨潤土泥漿改良能有效提高渣土的塑性及流動性。張潤來等[4]以成都砂卵石地層盾構施工為背景，分別采用泡沫、膨潤土以及聚合物對渣土進行改良，并開展室內試驗確定了各種改良劑的最佳摻入量。張宏偉等[5]通過試驗發現在風化花崗巖地層條件下采用分散性泡沫劑和水進行渣土改良可有效提高渣土的流動性，同時指出在卵石土和風化花崗巖復合地層中需采用膨潤土、分散性泡沫劑和水相結合的渣土改良方案。Stephane Quebaud[6]研究了泡沫劑的穩定性、可壓縮性、發泡率等指標，并通過攪拌試驗、坍落度、滲透試驗等研究改良土的性質，得出改良土體的滲透性與泡沫的添加量有直接關系，而對刀盤的剪切抵抗則受孔隙率的影響的結論。Rory P.A.Ball等[7]針對缺少細小顆粒、易引起堵塞的兩類土體進行系統分析，研究在該類地層中土壓平衡盾構施工可能產生渣土改良問題，并通過試驗對比研究了不同添加劑的改良效果。郭付軍等[8]采用聚合物為改良劑，研究了聚合物種類和濃度對純砂地層的滲透性和流動性的改良效果。劉輝等[9]針對土壓平衡盾構在高黏性與上軟下硬地層中掘進施工容易出現的問題，依托長株潭城際鐵路湘江隧道工程，對土壓平衡盾構在淺埋高黏性上軟下硬地層掘進施工技術進行了研究探討。宋上明等[10]結合現場測試和室內試驗，發現水和泡沫改良劑對昆明地區礫砂復合地層改良效果顯著。

上述研究對土壓平衡盾構渣土的狀態進行了描述和規定，從渣土改良的對象到改良劑的選擇和改良劑的用量都有細致的研究，但是上述研究的地層對象大多是單一地層，對于盾構穿越復合地層的渣土改良研究還比較少見。目前針對復合地層的渣土改良方案一般根據復合地層中最不利的地層進行設計，往往會導致經濟成本過高。因此，為減少改良劑摻入量、降低工程經濟成本，本文通過對不同的地層進行顆粒分析，考慮多種地層混合之后的級配曲線以及試驗性質參數，提出了一種較為經濟的復合地層渣土改良方法。

1 渣土塑性流動狀態分析

土壓平衡盾構在施工過程中，刀盤切削下來的渣土首先充滿在壓力艙中，通過對渣土施加壓力來平衡開挖面上的水土壓力，同時開挖下來的渣土通過螺旋排土器排出，這兩個作用的實現需要壓力艙中的渣土具備“塑性流動狀態”。渣土的理想狀態如圖1和圖2所示。

圖1 實驗室渣土狀態Fig.1 Laboratory residue state

圖2 現場渣土狀態Fig.2 Site residue state

渣土的物理力學指標應符合以下幾點要求：

(1)滲透系數k：滲透系數是衡量渣土抗滲能力的重要指標，若渣土的滲透系數過大，在較高的水壓作用下，水體穿越壓力艙和螺旋排土器形成集中滲流，滲流水在輸送至出口的一瞬間，由于前方是臨空的隧道內部，處于無壓狀態，滲流水便在忽然增大的壓力下帶動正常輸送的渣土噴涌而出[11]。一般認為要避免噴涌的發生，壓力艙內渣土的滲透系數至少要小于1×10-4m/s。

(2)坍落度T：螺旋排土器的排土順暢情況決定于壓力艙內渣土的流動性。壓力艙內渣土的流動性可以用坍落度來衡量，當渣土的坍落度在150～200 mm的范圍內，坍落后土體形狀規則，無明顯的傾斜，輕拍不崩塌，認為渣土狀態滿足塑性流動狀態的要求[12]。

(3)內摩擦角φ和內聚力c：當壓力艙內渣土具有較大的內摩擦角，渣土在壓力艙的側壁容易發生粘附現象。隨著粘附渣土的增加容易形成閉塞，影響正常排土[13]。同時內摩擦角也是影響刀盤扭矩的重要參數。根據國內外的施工經驗，渣土的不排水強度小于25 kPa時，強度性質能夠達到塑性流動狀態的要求。

(4)壓縮系數a：根據盾構機“結餅”受力模型和發生機理分析，可以得知壓縮系數是盾構機“結餅”問題防治的關鍵參數，一般來說壓力艙內渣土的壓縮系數越大則盾構施工時越有利于避免“結餅”發生。對于砂性土，壓力在100～200 kPa時，土體的壓縮系數大于0.1 MPa-1可以達到要求[14]。

2 復合地層渣土改良分析

2.1 土壓盾構地層適應性關系

根據S.Jancsecz等[15]人對土壓平衡盾構渣土改良室內外試驗成果的總結，盾構與地層適應性的粒徑分布曲線如圖3所示。區域③為土壓平衡盾構較為適合掘進的地層，區域②為粘粒含量較多的區域，容易粘附刀盤，導致盾構機結泥餅故障。區域④為粗顆粒含量較多的區域，需要進行渣土改良，當土顆粒進一步增大到了粗礫砂層時，則不適合采用土壓平衡盾構施工。以上的土壓平衡盾構與地層相適應的分類主要是根據土顆粒的顆分試驗曲線來確定。

圖3 盾構與地層適應性的粒徑分布曲線Fig.3 Particle-size distributions curve of applicable strata for shield tunnel

對于某些地層，比如級配良好的粉砂層，渣土不需要經過改良就能夠滿足塑性流動的要求。但是在另外一些含有較大顆粒的地層中，則必須要對渣土進行改良才能保證施工的順利。當盾構的掘進遇到多種地層復合的情況，其中某種地層原本需要渣土改良，但是在與其它地層的混合作用下，該地層的性能得到改善，壓力艙的渣土僅靠自身的流塑性和滲透性就能滿足要求。

在砂性地層和黏性地層的復合地層中，兩種地層切削下來的渣土于壓力艙內經過攪拌作用后混合均勻，黏性地層的細顆粒能夠填充砂性地層大顆粒間的孔隙，渣土的級配得以改善，混合后的渣土能達到比較合適的狀態，既能克服黏性地層結泥餅的問題，又能防止因渣土滲透系數過高而發生噴涌現象發生[16]。

2.2 復合地層各粒組土粒含量計算分析

通過篩分試驗可以得出復合地層中各粒組的土粒含量。根據地質勘查報告可以得出各地層在掘進斷面所占的面積比例。假設復合地層中分別含有A地層、B地層、…、M地層，根據實際工程地質情況及工程經驗將各地層在壓力艙內經過攪拌后混合均勻，各地層按照比例混合后渣土各粒組土粒含量的計算公式為：

Z1=xAA1+xBB1+…+xMM1

(1)

Z2=xAA2+xBB2+…+xMM2

(2)

Zn=xAAn+xBBn+…+xMMn

(3)

式中：A1，A2，…，An—A地層中粒組1、粒組2、…，粒組n的土粒含量(%)；B1，B2，…，Bn—B地層中粒組1、粒組2、…，粒組n的土粒含量(%)；M1，M2，…，Mn—M地層中粒組1、粒組2、…，粒組n的土粒含量(%)；Z1、Z2、…，Zn—復合地層中粒組1、粒組2…，粒組n的土粒含量(%)；xA，xB，…，xM—A地層、B地層、…、M地層在掘進斷面所占的面積比例(%)。

以下討論粉質黏土與礫砂的復合地層渣土改良情況。取粉質黏土和礫砂土樣，通過篩分試驗得出各粒組的土粒含量，通過工程實際地質情況及工程經驗，按照不同比例將這兩種土樣混合均勻，選取有代表性的7種土樣，通過計算可以得出混合之后土樣的粒組成分，分別測定各組土樣的滲透系數，土樣的性質參數見表2，分別繪制各組土樣的粒徑分布曲線，如圖4所示。

表1 復合地層粒組土粒含量計算Tab.1 The calculation of group particle content in the composite stratum

從圖4中可以看出，粉質黏土和礫砂各自處在土壓平衡盾構適用范圍的兩個邊緣。當盾構掘進遇到全斷面的粉質黏地層或礫砂層時均為不利情況。粉質黏土的黏聚力過大，容易固結在刀盤上形成泥餅。礫砂的滲透系數高達2.8×10-2cm/s，抗滲能力和流動性達不到要求，極易發生螺旋排土器噴涌的現象。從礫砂地層的粒徑分布曲線可以看出，礫砂地層缺少0.075～0.1 mm粒組的顆粒，在曲線相應的位置表現出不連續的特性。對礫砂地層的改良應該針對缺少的這部分粒組，需要在礫砂渣土補充0.075～0.1 mm粒組的顆粒，使改良后的礫砂粒徑分布曲線進入適合土壓平衡盾構施工的范圍。

表2 各組土樣的性質參數Tab.2 Property parameters of each group of soil samples

圖4 各組土樣的的粒徑分布曲線Fig.4 Particle-size distributions curve of each soil sample

當粉質黏土與礫砂按照比例混合之后，能夠提高礫砂的滲透系數，同時降低粉質黏土的黏性，使渣土表現出兩個極端之間的中和性質。在粉質黏土與礫砂的復合地層中，當粉質黏土的含量達到30%的時候，復合地層的滲透系數為8.4×10-4cm/s，抗滲能力達到要求，此時的渣土處于一種比較合適的狀態。粉質黏土的含量繼續上升到70%時，渣土的抗滲能力進一步提高，但是此時的粒徑分布曲線已經處于針對黏性土改良的邊緣，刀盤結泥餅的風險相應加大。

3 工程應用與分析

3.1 工程概況

廣州地鐵21號線朱村至象嶺區間主要位于廣州增城市廣汕公路上，道路兩旁為民居及商鋪等民用建筑，房屋較密集，多為二至六層高建筑物。地下水以孔隙潛水形式賦存，受大氣降水及地表水補給，富水性中等。盾構穿越地段各主要含水層基本性質如下：

(1)粉細砂層<3-1>：主要為細砂、粉砂，含黏粒，級配差。其厚度不均勻，且砂層中黏粒含量較高時，滲透系數選取5.79×10-3cm/s，為中等透水層。

(2)中粗砂層<3-2>：主要由中砂、粗砂組成，次為細砂，含黏粒，局部夾卵石，級配一般。滲透系數選取1.15×10-2cm/s，為強透水層。

(3)礫砂層<3-3>：主要由礫砂組成，次為中、粗砂，含黏粒，局部夾碎石，級配較好。滲透系數選取2.31×10-2cm/s，為強透水層。

(4)圓礫層<3-4>：主要由圓礫組成，次為角礫，呈亞圓狀、次棱角狀、少量棱角狀，間隙充填黏粒及砂，局部夾卵石，其粒徑一般為5～20 mm，最大粒徑達40 mm。滲透系數選取5.61×10-2cm/s，為強透水層。

圖5 盾構隧道地面情況Fig.5 The ground situation on shield tunnel

(5)粉質黏土層：主要由黏粒、粉粒組成，局部含有細砂、中砂、有機質，土質較不均一。滲透系數選取1.15×10-5cm/s，為弱透水層。

3.2 復合地層級配分析

對各地層取的土樣烘干后進行篩分試驗，得出各粒組的顆粒含量，分別繪制各地層的粒組頻率曲線和粒徑分布曲線。從粒組頻率曲線可以發現，各地層都缺少0.075 mm以下的顆粒；除粉細砂地層以外，其它四種地層都缺少0.2～0.3 mm這個粒組的顆粒。從粒徑分布曲線中可以發現，礫砂和圓礫的曲線已經超出了土壓平衡盾構無需或只需少量土體改良的范圍，在該類地層中必須要對渣土進行改良。由于各地層的粒徑分布曲線在橫坐標為0.075 mm處發生突變，小于0.075 mm的顆粒明顯減少，改良應該針對這部分缺少的顆粒。

圖6 各地層的粒徑分布曲線Fig.6 The particle-size distribution curve of each soil

右線第25環掘進遇到的地層為粉質黏土層<4 N-2>、粉細砂層<3-1>和礫砂層<3-3>的復合地層。根據地質勘察報告，在盾構掘進斷面粉質黏土層厚度為2.67 m，占整環渣土總體積的40.6%；粉細砂厚度2.49 m，占整環渣土總體積的47.4%；礫砂層厚度1.02 m，占整環渣土總體積的12.0%。右線第25環地層分布情況如圖7所示。

圖7 右線第25環盾構掘進斷面地層分布情況(單位：m)Fig.7 Soil distributions of right line ring 25th shield tunneling section

右線第301環掘進遇到的地層為粉質黏土層<4 N-2>、中粗砂層<3-1>和圓礫層<3-3>的復合地層。根據地質勘察報告，在盾構掘進斷面粉質黏土層厚度為1.23 m，占整環渣土總體積的12.2%；中粗砂厚度3.89 m，占整環渣土總體積的76.6%；圓礫層厚度1.16 m，占整環渣土總體積的11.2%。右線第301環地層分布情況如圖8所示。

圖8 右線第301環盾構掘進斷面地層分布情況(單位：m)Fig.8 Soil distributions of right line ring 301th shield tunneling section

分別計算右線第25環和301環的各粒組土粒含量，繪制粒徑分布曲線。如果單獨考慮復合地層中最不利的地層的話，第25環為礫砂地層，第301環為圓礫地層，礫砂地層和圓礫地層已經處在必須進行土體改良的范圍。分別測量這兩環的渣土滲透系數和坍落度，第301環渣土的滲透系數為1.5×10-4cm/s，坍落度為210 mm。渣土含水率偏高，狀態偏稀，出渣不易控制。從圖9可以發現，第301環渣土缺少0.075～0.1 mm粒組的顆粒，由于級配不良導致渣土滲透系數過高，經過摻入少量的氣泡，改善了渣土的性能，從而達到流塑狀態，出渣順暢，達到渣土改良的效果。而第25環渣土中含有40.6%的粉質黏土，在與粉質黏土的混合作用下，整體渣土的性能得到明顯改善，曲線基本處于無需或只需少量土體改良的區域，測得第25環渣土的滲透系數為6.8×10-5cm/s，坍落度為183 mm。從現場出渣的情況來看，螺旋排土器出渣順暢，渣土流塑性較好，達到渣土的理想狀態。

圖9 右線第25、301環渣土粒徑分布曲線Fig.9 The particle-size distribution curve of soil in right line ring 25 and 301

4 結論

1) 復合地層施工時應考慮渣土中的細顆粒會填充到粗顆粒之間的孔隙中，可使盾構掘進斷面進入壓力艙內的渣土顆粒級配良好，并使其具有較低的滲透性。因此，在盾構掘進前，可根據復合地層斷面粗細地層顆粒級配曲線和各自所占據的面積，合理確定渣土改良方案和準備改良摻入的材料，從而達到降低施工成本的目的。

2) 當復合地層中含有粉質黏土層時有利于盾構的掘進，粉質黏土層的含量超過30%時，切削下來的混合渣土本身具有較低的滲透性，經過摻入氣泡或者少量的膨潤土即可達到良好的流塑性，滿足盾構施工的要求。當粉質黏土層的含量超過70%時，存在結泥餅的風險。