富水砂卵石地層大直徑盾構渣土改良試驗研究
——以成都地鐵17號線明九區間2#風井—九江北站盾構工程為例

葸振東， 胡林浩， 張書香， 張 波

(中交一公局第三工程有限公司， 北京 101102)

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，城市軌道交通日益成為人們出行不可缺少的交通方式。盾構法在地鐵和隧道工程施工中的應用越來越廣泛[1-2]。成都地區以砂卵石地層為主，具有含水量高、卵石含量高以及滲透性高的特點，如果渣土改良效果不佳，將導致土壓平衡盾構施工過程中出現掌子面坍塌、噴涌[3]、卵石沉艙以及螺旋出土器卡死等現象，極易造成工程事故，同時大幅增加施工成本。因此，富水砂卵石地層渣土改良的質量直接決定了盾構能否順利施工。

目前，國內在渣土改良方面已有大量的研究成果。張淑朝等[4]針對蘭州富水砂卵石地層采用膨潤土泥漿以及泡沫劑進行了大量改良試驗，研究表明，泥漿和泡沫混合摻入體積比分別為7%和8%時改良效果最佳。胡長明等[5]以成都地鐵3號線施工為背景，采用盾構主要參數作為間接評價渣土改良效果的指標，驗證了采用泡沫劑+水在稍密卵石和中密卵石為主的富水砂卵石地層中進行渣土改良的可行性。鐘小春等[6]針對礫砂地層中容易出現螺旋排土器噴涌等問題進行了研究，認為噴涌的主要原因是該地層某粒徑區間細顆粒缺失，通過在膨潤土泥漿中摻入粉土對渣土進行改良，渣土的滲透系數大幅下降，改良效果良好。文獻[7-11]針對砂性地層的盾構渣土改良進行了深入研究，通過大量的室內試驗，研究了砂性地層渣土改良劑的選擇及配比，并提供了改良劑的摻入比例。然而，以上研究工作主要局限于直徑為6 m的盾構，而對于8.6 m大直徑盾構在富水砂卵石地層掘進的渣土改良尚無研究。大直徑盾構掘進推力、轉矩較大，在施工過程中土艙渣溫較高，加之土艙壓力較大，極大增加了渣土改良的難度。如果改良渣土黏聚性過高、流動性差，則容易造成結泥餅、刀盤糊死；反之，容易造成機械設備磨損較大、卵石沉艙、螺旋出土器卡死以及噴涌。渣土改良效果的優劣，將直接影響到盾構的掘進速度、掘進模式、掘進成本，甚至可能影響到工程的成敗。因此，探尋適合大直徑盾構穿越富水砂卵石地層的渣土改良配比成為亟待解決的問題。

鑒于此，本文以成都地鐵17號線1期工程盾構隧道為依托，通過大量的室內試驗對膨潤土及泡沫劑最佳配比進行了研究，并提供了渣土改良的摻入體積分數及評價指標，最后通過現場渣土取樣和掘進參數結果驗證了渣土改良的效果。

1 工程概況

成都地鐵17號線明九區間2#風井—九江北站盾構工程，區間單線長2.2 km，埋深為18～30 m，最大坡度為12‰。采用土壓平衡式盾構施工，開挖直徑8.6 m，管片外徑8.3 m、內徑7.5 m。該區間地層豎向方向自上而下分為人工填土、黏土、粉質黏土、粉細砂、中砂、卵石土，地層工程地質與水文地質特征如表1所示。場地內主要為孔隙潛水，含水層主要為卵石土層，通過水文試驗可知，卵石土層的滲透系數為27.000～30.000 m/d，為強透水層。該工程是國內首次采用8.6 m大直徑盾構穿越富水砂卵石地層，工程挑戰與工程意義重大。

表1 地層工程地質及水文地質特征

2 改良劑配比試驗研究

渣土改良常用的材料主要分為礦物類、高吸水性樹脂和界面活性材料，常用材料及其特征具體見表2[12]。

表2 渣土改良常用材料及其特征[12]

2.1 膨潤土漿液配比

試驗配置了不同膨水質量比的膨潤土，設定膨潤土膨化時間約為6 h時，測得不同配比膨潤土的漏斗黏度，以探求最佳配比。試驗包括鈉基膨潤土、鈣基膨潤土以及鈉基、鈣基質量比為1∶1的混合型膨潤土。由于鈣基膨潤土在膨水質量比小于1∶4的情況下基本無漏斗黏度，因此，本文主要以鈉基膨潤土以及鈉基、鈣基1∶1混合型膨潤土進行漏斗黏度、相對密度對比。膨潤土漿液漏斗黏度和相對密度隨膨水質量比的變化曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 膨潤土漿液漏斗黏度隨膨水質量比的變化曲線

圖2 膨潤土漿液相對密度隨膨水質量比的變化曲線

由圖1和圖2可知： 1)膨潤土漿液漏斗黏度以及相對密度隨著膨水質量比的增加而減小，且鈉基膨潤土漏斗黏度略高于混合型膨潤土； 2)當膨水質量比低于1∶7時，膨潤土漿液漏斗黏度基本保持為20 s左右的較低值。根據現場實際使用需求以及成本因素，建議采用膨水質量比為1∶6的配比，此時膨化6 h后漏斗黏度為35 s，相對密度為1.09；鈣基膨潤土在膨水質量比較低的情況下基本無黏性，但是可以作為細顆粒補充物與鈉基膨潤土混合，相對密度得到明顯提高。

2.2 聚丙烯酰胺配比

考慮到施工成本問題，為了保證在膨潤土漿液漏斗黏度不變的情況下，降低膨潤土用量，試驗中引入了高分子材料——聚丙烯酰胺。該材料易溶于水，且溶解后呈現膠凝狀(如圖3所示)，由于該物質摻入過多，會使得膨潤土漿液呈膠狀且有分層現象，因此，經過多次試驗，建議加入膨潤土漿液質量的0.5‰。通過配置不同配比的膨潤土漿液，并加入其質量0.5‰的聚丙烯酰胺，效果如圖4所示。得到加入與未加入聚丙烯酰胺的鈉基膨潤土漿液漏斗黏度隨膨水質量比的變化曲線，如圖5所示。

圖3 水中加入高分子材料后的效果圖

圖4 膨潤土漿液中加入高分子材料后的效果圖

圖5 加入與未加入聚丙烯酰胺的鈉基膨潤土漿液漏斗黏度隨膨水質量比的變化曲線對比

由上述試驗可得，高分子材料(聚丙烯酰胺)可以明顯增加膨潤土漿液的漏斗黏度。但由于膨潤土用量減少，渣土改良的細顆粒摻入量也會減少，對改良后渣土的滲透性有一定影響，因此，需結合現場實際出渣情況以及是否有噴涌現象進行膨潤土配比調整。

2.3 泡沫劑配比

富水砂卵石地層應用泡沫劑的主要目的是降低砂卵石地層的摩擦力，改善渣土的流動性，防止刀盤及土艙糊死。根據前期參考資料以及成都地區盾構工程實際應用情況可知，一般泡沫溶液體積分數為1.5%～3.5%，發泡倍數控制在8～15倍。目前市場上泡沫劑品種較多，質量不一。本次試驗采用進口巴斯夫泡沫劑，測試不同體積分數泡沫溶液的發泡倍數及半衰期，具體試驗數據如表3所示。由表3可見，泡沫溶液發泡倍數和半衰期均隨著泡沫劑體積分數的增加而增加。綜合考慮施工質量以及成本，確定采用體積分數為3%的泡沫劑。

表3 不同體積分數泡沫溶液的發泡倍數及半衰期

3 改良渣土性質研究

根據現場實際掘進渣樣情況，通過篩分試驗，篩分不同粒徑顆粒，按照質量百分數進行組合，不同粒徑顆粒質量分布見表4，繪制的顆粒級配曲線如圖6所示。

表4 試驗用土不同粒徑組成

圖6 試驗用土顆粒級配曲線

3.1 黏聚性

針對砂卵石地層，為了降低對刀盤刀具的磨損以及防止卵石離析沉艙、卡死螺旋出土器，改良渣土必須具有一定的黏聚性，并可形成包裹狀，整體攜帶出艙。通過在砂卵石中摻入膨水質量比為1∶6的膨潤土、體積分數為3%的泡沫劑進行改良，渣土性狀如圖7所示。其黏聚性可通過表面觀察。

圖7 改良后渣土效果圖

3.2 流動性

改良渣土不僅要求具有黏聚性，還必須保證一定的流動性，多數研究將坍落度作為檢測流動性的指標。但坍落度受卵石粒徑以及含水率的影響很大，具有一定的局限性。因此，為了更好地判定改良渣土流動性的好壞，通過對砂漿攪拌桶與功率表進行改造，模擬盾構土艙攪拌，自制了試驗裝置，如圖8所示。不同流動性的渣土在攪拌過程中，轉速保持不變，通過功率大小計算轉矩值，將轉矩值作為渣土流動性的檢測指標。機器空轉的轉速為58 r/min，空轉功率為185 W，則空轉轉矩為30.46 N·m(由式(1)計算得出)。

T=9.55P/n。

(1)

式中：T為額外轉矩，N·m；P為額外功率，W；n為轉速， r/min。

圖8 改良渣土轉矩試驗裝置圖

在砂卵石中摻入不同比例的膨潤土漿液(鈉基膨潤土膨水質量比為1∶6)以及泡沫劑(質量分數為3%)，通過坍落度以及攪拌轉矩雙重指標對流動性進行把控，得到改良渣土坍落度和轉矩變化曲線分別如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知，隨著膨潤土漿液和泡沫劑摻入體積分數的增加，改良渣土坍落度不斷增加，攪拌轉矩不斷減小。說明采用坍落度和攪拌轉矩值2種方法得出的結論一致，其結果與文獻[4]類似，證明了本文提出的將轉矩值作為渣土流動性檢測指標的合理性。通過多組試驗測試及觀察，流塑性渣土改良坍落度評價指標建議為15～18 cm，攪拌轉矩評價指標建議為13～18 N·m。

圖9 改良渣土坍落度變化曲線

圖10 改良渣土轉矩變化曲線

由圖9和圖10可知，雖然提高泡沫摻入體積分數后，改良渣土的流動性得到提高，但是卵石出現離析現象，黏聚性無法保證。因此，本次試驗將膨潤土泥漿以及泡沫劑結合使用，經多次試驗，建議加入的膨潤土泥漿(膨水質量比為1∶6)為渣土體積的10%～12%，泡沫劑為渣土體積的20%左右(可根據地下水的含量微調)。

3.3 滲透性

在保證漏斗黏度以及流動性的基礎上，滲透性也是一項不容忽視的重要指標。改良渣土滲透性的強弱直接關系到掌子面是否能夠保持穩定以及是否會出現噴涌現象。試驗采用自制的測試滲透系數以及擊穿壓力的設備。裝置的主體是一個內徑為8.4 cm、高度為80.0 cm的有機玻璃柱，試驗柱上部連接空壓機和調壓裝置，如圖11所示。裝置密封后，施加一定的氣壓可模擬施工中的土艙壓力。該裝置最大可承受的壓力為1.0 MPa，通過與玻璃柱連接的調壓裝置監測柱內氣壓，保持壓力的穩定。

圖11 改良渣土滲透性試驗裝置

改良渣土滲透性試驗裝置示意如圖12所示。試驗前在儀器底部鋪1層碎石作為濾層，將改良后的渣土放于濾層上，在上部加入適量的水，密封儀器，加氣壓到200 kPa(根據盾構施工過程中土艙壓力確定)并維持穩定，打開排水閥，記錄一定時間內排出水的質量平均值。根據式(2)得到被測土體的滲透系數。

k=VL/A(h1-h2)t。

(2)

式中：k為滲透系數， cm/s；V為一定時間t內的水流量， m3；A為滲流橫截面面積， m2；L為渣樣的高度， m；h1為氣壓換算的水頭高度， m；h2為靜水頭高度， m。

圖12 改良渣土滲透性試驗裝置示意圖

為了探究膨潤土、泡沫劑對改良渣土滲透性的影響，分別在渣土中摻入不同體積分數的改良劑進行滲透試驗。改良后渣土滲透系數變化曲線如圖13所示。由圖可知： 1)隨著鈉基膨潤土摻入體積分數的增加，滲透系數呈現先減小后增加的趨勢，鈉基膨潤土摻入體積分數為8%～16%時，滲透系數主要分布在10-5cm/s量級；當鈉基膨潤土摻入體積分數達到20%時，滲透系數突增，改良效果降低，這可能是由于鈉基膨潤土摻入體積分數過大導致渣土級配不良。2)隨著泡沫劑的摻入，滲透系數急劇上升，說明泡沫劑顯著提高了改良渣土的滲透性能。3)在鈉基膨潤土中加入同比例的鈣基膨潤土，滲透系數明顯降低，維持在10-6cm/s量級，說明鈣基膨潤土可以加大渣土中的細顆粒含量，降低渣土的滲透性能。

圖13 改良后渣土滲透系數變化曲線

4 工程實際應用

通過對改良劑的合理調配，可使得改良渣土滿足黏聚性、流動性及滲透性的要求。通過上述試驗研究，建議加入的膨潤土泥漿(膨水質量比為1∶6)為渣土體積的10%～12%，泡沫劑為渣土體積的20%左右。為了確保室內試驗的可實施性，現場按照試驗結果進行了配比施工，具體結果如下。

4.1 渣土坍落度

為驗證上述試驗結果的可行性，在實際盾構掘進過程中，每環取渣土對其坍落度進行測試，結果顯示大部分渣土坍落度分布在15 cm附近(如圖14所示)，流動性較好，能夠確保現場的連續施工。

圖14 實際工程中渣土坍落度曲線

4.2 盾構掘進參數

統計盾構掘進100 m時的平均推力、刀盤轉矩、平均推進速度，結果分別如圖15和圖16所示。由圖可知： 掘進參數較為穩定，平均推力為30 000～35 000 kN，刀盤轉矩為8 000～10 000 kN·m，平均推進速度為45 mm/min。現場實際掘進過程中渣土改良效果較好(如圖17所示)，無卵石離析、糊刀盤等異常現象，充分說明了膨潤土、泡沫劑在試驗配比下，對富水砂卵石地層大直徑盾構渣土改良的可行性。

圖15 盾構掘進平均推力及刀盤轉矩曲線

圖16 盾構平均推進速度曲線

圖17 實際掘進過程中渣土改良效果

5 結論與建議

本文以成都地鐵17號線明九區間2#風井—九江北站盾構區間8.6 m盾構工程為背景，通過大量的室內試驗以及現場工程實踐驗證，得出如下結論：

1)富水砂卵石地層渣土改良應注重低黏聚性、高流動性以及低滲透性，流塑性渣土改良坍落度指標評價建議為15～18 cm，攪拌轉矩指標評價建議為13～18 N·m，滲透系數不大于10-5cm/s。

2)針對富水砂卵石地層渣土改良，建議采用膨潤土、泡沫劑混合液。其中，膨潤土漏斗黏度不低于35 s，相對密度為1.1～1.2，按照渣土體積的10%～12%摻入，在考慮施工成本的情況下，在膨水質量比為1∶8的膨潤土中摻入0.5‰的高分子材料，可快速提高泥漿漏斗黏度，有效節約膨潤土使用量；單獨使用泡沫時，渣土黏聚性無法保證，因此，建議與膨潤土一同使用。泡沫劑發泡倍數控制在15倍，按照渣土體積的20%左右摻入。

3)根據渣土顆粒篩分試驗，在細顆粒(小于0.075 mm)質量百分數低于25%的情況下，可加入適量鈣基膨潤土，提高改良劑的相對密度，以補充地層缺失的細顆粒含量，有效降低渣土改良滲透系數，防止掌子面坍塌以及噴涌現象發生。

4)如果摻入足量改良劑后出現卵石顆粒無法被細顆粒完全包裹、累積、離析等現象，建議從顆粒補充、提高泥漿漏斗黏度和攜渣能力等方面進行改善，并進一步深入研究。