富水砂層土壓平衡盾構渣土改良試驗與應用

商 躍 鋒

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 210000)

1 概述

目前城市地鐵隧道的開挖方式主要以盾構法[1]為主，根據作用原理主要分為土壓平衡盾構和泥水平衡盾構，其中土壓平衡盾構法以其獨特的特點在地鐵隧道施工中得到了廣泛的應用，也是相對最成功、最常采用的機械化隧道技術，代表著隧道施工的方向。土壓平衡盾構是通過土倉及螺旋輸送機內渣土的土壓來平衡開挖面上的水土壓力，而螺旋輸送機需要及時的把開挖渣土運移走，從而保證掌子面的土壓動態平衡。輸送過程中渣土的理想狀態應為“塑性流動狀態”[2]。根據已有研究表明，此狀態的土需要滿足各種力學指標，使其具有較低的滲透性、較低的內摩擦角等特征。然而天然的切削渣土不足以滿足此要求，因此需要通過有效的利用添加劑來對土體進行改良，進而讓其達到土壓盾構施工的要求，保證隧道施工的有效進行。而在富水砂層中進行盾構施工，由于地層中含水量很大，土壓平衡盾構機在掘進過程中易出現一系列的問題，排渣不暢、噴涌[3]現象、地表沉降[4]等等。

隨著盾構技術的不斷發展，學者對渣土改良的研究也日益成熟。Lars Langmaack[5]對改良劑的改良機理[6]展開研究；朱俊易[7]旨在研發一種新型泡沫劑，通過開展了大量的室內試驗，得到了一種盾構適用的穩定泡沫劑；劉大鵬[8]研發了一種新型泡沫劑，并通過室內試驗對其改良效果作出相應評價；邱龑、楊新安[9]針對深圳的富水砂層展開渣土改良試驗研究，采用常用的三種改良劑泡沫劑、膨潤土以及高分子聚合物，通過對改良后渣土的現場坍落度試驗，得到最優渣土改良方案；喬國剛[10]自主研發盾構用泡沫劑，將其改良后的渣土進行各種力學性能試驗，與已有泡沫劑進行對比，并針對改良機理進行了研究。根據已有研究發現，盾構穿越各種地層的研究內容很多，包括富水砂性地層、黏土地層等，但是目前仍沒有形成統一的渣土改良標準，針對具體工程須進行相應試驗確定最優改良方案。

因此，本文在已有研究基礎上，依托現場工程，擬進行富水砂層的渣土改良技術研究，通過開展室內試驗，對現有渣土改良劑類型進行參數對比和優選，并得到改良劑最優配比，最終改善渣土的塑性流動狀態，保證盾構機在不同富水砂礫地層條件下的順利掘進，進而提高盾構機的施工效率、施工質量，研究成果旨在為今后此類地層盾構施工提供指導意義和借鑒價值。

2 工程概況

本文所依托的是南昌市軌道交通4號線一期工程，該工程標段主要位于南昌市高新區，如圖1地質縱斷面勘察所示，分布特征為：上部為灰色～灰白色粉土，含黏性土成分，在地鐵沿線呈透鏡體狀不連續產出，局部呈條帶狀分布。中部的砂土層，為黃～黃灰色，沉積韻律從上部細顆粒的粉細砂，漸變為以中粗砂為主，層次分明。在此之下則為礫砂、礫石、卵石層直至圓礫。該類土層以粗顆粒為主，具有很強的透水性，對地鐵工程施工具有危害性。該隧道科技城—魚尾洲區間穿越砂性地層主要包括中粗砂、礫砂和圓礫。且該地區水位隨氣候變化大，含水量豐富。

根據沿線巖土層的成因類型、性質、工程特征、風化狀態等，結合沿線工程地質縱斷面，可劃分為3個巖土層：人工填土層、上更新世沖積層、基巖。土體的物理力學參數如表1所示。

表1 土體物理力學參數表

由于隧道區間主要穿越富水砂性地層，由表1可知砂性地層粘聚力較低，內摩擦角較大，而且其滲透系數很高，很難形成塑性流動狀態，在盾構開挖過程中容易造成出渣不暢，再加上該地區含水量豐富，極有可能引發地表沉降和噴涌問題。

1)“噴涌”問題：由于開挖面土體存在充水裂隙，隨著盾構機的開挖水不斷流入土倉，當螺旋輸送機工作時，排渣口便會發生噴水、噴渣的現象，從而形成“噴涌”。

2)地表沉降問題：一般由于富水砂礫地層中富含地下水，以及在施工過程中的技術問題(未及時封堵洞門、同步注漿參數不合理、二次注漿不及時等)，經常會導致地表沉降問題的發生。

3 渣土改良劑

渣土改良是通過化學添加劑改良開挖渣土的一種施工技術手段，主要是在盾構機開挖面、土倉、螺旋輸送機中注入各種化學改良劑，來改良盾構施工開挖土體，使其滿足盾構機正常施工的土體要求。具體作用大體上分為以下幾點：

1)理想塑性流動狀態；

2)減少土體與盾構機本身的摩擦力，進而減少刀具磨損、減小刀盤扭矩；

3)可以減小粘性土對刀盤的粘附作用[11]；

4)降低土體的滲透性[12]。

目前盾構穿越砂性地層施工中常用的渣土改良劑主要有泡沫劑、聚合物、膨潤土(各自的對比情況見表2)，其作用機理和力學特征可概括如下：

泡沫劑本質上是由表面活性劑[13]、穩泡劑與其他成分組成。聚合物是由大量重復的小分子組成的大分子高聚物，性質因其化學成分和結構而異。而膨潤土是土壓平衡盾構機最早使用的渣土改良劑之一，主要用于改變土體中的細粒含量。而且這三種改良劑也可以采用兩兩復合的改良形式。

針對于本工程中的富水砂性地層，由于其較大的內摩擦角、較小的粘聚力以及較高的滲透系數，土體很難達到理想流塑性狀態。因此，通過渣土改良技術改變土體的性質，使其達到盾構開挖渣土的要求。其中泡沫劑可以降低土體的內摩擦角以及土體的滲透性，而聚合物可以增加砂性土的粘聚性。因此，針對該富水砂性地層選取“泡沫劑+聚合物”的復合改良方式。

表2 常用改良劑

4 室內試驗

4.1 坍落度試驗

土體的流動性可以通過坍落度試驗進行衡量。試驗中研究了不同含水量、不同摻量及所采用的復合改良劑中泡沫劑與聚合物的不同比例條件下改良后土體的坍落度。根據已有研究可知[14]，室內試驗建議指標為：坍落度值在180 mm～210 mm時，渣土流塑性較好，滿足渣土運移的工程需求。

本次坍落度試驗選取富水砂層渣土試樣進行試驗，通過比較不同含水量、不同摻量以及所采用的復合改良劑中泡沫劑與聚合物的不同比例的條件下，改良后渣土的坍落度值的變化規律。此次試驗均采用2%濃度的泡沫劑，著重研究以上三種因素對改良后渣土坍落度的影響規律。分別進行渣土含水量w=15%，w=20%，改良劑中泡沫劑與聚合物比例為10∶1，5∶1，4∶1時進行不同摻量的坍落度室內試驗。圖2是渣土含水量w=15%，改良劑中泡沫劑與聚合物比例為10∶1時進行不同摻量的坍落度室內試驗，而所有試驗的坍落度數據記錄統計的結果如圖3所示。

由以上試驗可以得到，通過改變復合改良劑中聚合物和泡沫劑的比例及摻量，可顯著改變渣土的流塑性狀態，而且含水量對于坍落度的影響比較大，由圖3可知：

1)相同含水量條件下，同一種比例的復合改良劑隨著摻入量的增大，其坍落度值呈逐漸增大趨勢；

2)相同含水量、同一摻量的條件下，隨著復合改良劑中聚合物所占比例的增大，其坍落度值基本上呈下降趨勢；

3)該工程中含水量對改良后土體的坍落度有很大的影響；

4)由上所述，該工程中所采用的是聚合物+泡沫劑這種復合渣土改良劑，在相對較低含水量地段，應采用聚合物與泡沫劑的比例為1∶10，混合摻量為20%～25%；在相對較高含水量地段，應采用聚合物與泡沫劑的比例為1∶5，混合摻量為18%～22%。這樣的改良方案可以使待改良渣土的流動性得到顯著提高，進而滿足盾構機開挖土體的要求。

4.2 滲透性試驗

對于土體的滲透性通常用滲透試驗測定。本文滲透試驗儀器采用標準的常水頭滲透儀。每次滲透試驗記錄3個時間段的滲流水量，分別求出它們的滲透系數，最后取其平均值作為該次試驗的滲透系數測試值。

本次試驗主要研究改良劑在不同濃度、不同摻量的條件下，改良后渣土滲透系數的變化規律。試驗中采用聚合物+泡沫劑的復合改良方式，其中泡沫劑與聚合物的比例為10∶1，分別制備濃度為2%，2.5%，3%的改良劑，在不同摻量0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%的情況下進行渣土改良，將改良后土體分別進行滲透性試驗并記錄相應的滲透系數值(具體的滲透系數值由上述的平均值法得到)，最后分析試驗結果并總結渣土滲透性的變化規律。圖4為滲透性系數變化曲線。

由以上試驗可以得到，通過復合改良劑濃度及摻量對改良后土體的滲透性有一定的影響，可改變渣土的滲透性，具體結論如下：

1)隨著改良劑摻量的增大，改良后渣土的滲透系數逐漸降低；

2)隨著改良劑濃度的增大，改良后渣土的滲透系數也呈減小趨勢；

3)由圖4可知，改良劑的濃度由2%變為2.5%時，滲透系數的變化程度相對較大，范圍比較廣；而當改良劑濃度由2.5%變為3%時，滲透系數的變化程度相對較小，范圍比較窄；所以當符合改良劑中泡沫劑與聚合物的比例為10∶1時，應取改良劑的濃度為2.5%，具體摻量應在11%～30%。

5 現場數據分析

盾構隧道所穿越的地層條件主要為中粗砂、礫砂和圓礫，始發段和接收段局部穿越中細砂地層，砂層及礫砂地層粘聚性小、滲透系數較大，開挖渣土不易排出，且當盾構在具有承壓水的砂層中掘進時，極易發生螺管機噴涌災害，嚴重影響掘進效率和盾構施工安全。

根據實際工程與試驗結果，主要采用濃度為2%，3%的泡沫對富水砂層進行改良，同時，常備一定質量比的高分子聚合物防噴涌的發生。根據具體整個區間的地層情況，盾構施工1段(1環～180環)，采用“泡沫劑+高分子聚合物”的方式進行渣土改良，并按照10∶1～5∶1的比例在泡沫劑中混入高分子聚合物，將泡沫劑和聚合物的混合物加水稀釋到2%的濃度，通過刀盤前方發泡系統發泡后注入；盾構施工2段(181環～720環)，采用“泡沫劑+高分子聚合物”的方式進行渣土改良，并按照5∶1～4∶1的比例在泡沫劑中混入高分子聚合物，將泡沫劑和聚合物的混合物加水稀釋到2%的濃度，通過刀盤前方發泡系統發泡后注入；盾構施工3段(721環～1 185環)，采用“泡沫劑+高分子聚合物”的方式進行渣土改良，并按照4∶1～3∶1的比例在泡沫劑中混入高分子聚合物，將泡沫劑和聚合物的混合物加水稀釋到2%的濃度，通過刀盤前方發泡系統發泡后注入；盾構施工4段(1 186環～1440環)，采用“泡沫劑+高分子聚合物”的方式進行渣土改良，并按照5∶1～4∶1的比例在泡沫劑中混入高分子聚合物，將泡沫劑和聚合物的混合物加水稀釋到2%的濃度，通過刀盤前方發泡系統發泡后注入。

盾構采用此改良方案在富水砂層中掘進時，推進速度在25 mm/min～35 mm/min之間，扭矩在3 500 kN·m～4 500 kN·m之間，每環出土量在45 m3～52 m3間。通過渣土改良使得土體的內摩擦角降低、粘聚力提高、滲透性降低，達到理想流塑性狀態，以致盾構機推進參數符合盾構機正常掘進要求。如圖5，圖6分別為現場區間1 000環～1 050環的 盾構機掘進過程中的實時數據。

通過對結果進行對比分析，采用上述渣土改良方案時，盾構機在掘進過程的推力、刀盤扭矩、刀盤轉速、推進速度均較為穩定，且在理論計算值范圍內。結合此處地質條件，隧道穿越地層為富水砂層，添加劑很好地穩定了刀盤扭矩及推進速度，且提高了刀盤轉速，說明同時用泡沫劑、高分子聚合物對富水砂性地層進行渣土改良，刀盤的工作參數穩定，渣土改良的效果顯著。為以后盾構隧道穿越富水砂性地層提供借鑒意義。

6 結語

通過對渣土改良劑種類、地層適應性等多方面的認識，以及坍落度滲透試驗及現場掘進渣土改良效果分析，可得到以下結論：

1)渣土改良劑種類繁多，不同的地層選擇不同的渣土改良劑，每種改良劑都有各自的優缺點，針對特殊的地層情況可選擇組合的形式形成復合改良劑。

2)結合改良后渣土的坍落度試驗，相同含水量條件下，同一種比例的復合改良劑隨著摻入量的增大，其坍落度值呈逐漸增大趨勢；相同含水量、同一摻量的條件下，隨著復合改良劑中聚合物所占比例的增大，其坍落度值基本上呈增大趨勢；而且含水量對改良后土體的坍落度有很大的影響，也是影響開挖渣土流動性的一大重要因素。

3)結合改良后渣土的滲透試驗，隨著改良劑摻量的增大，改良后渣土的滲透系數逐漸降低；隨著改良劑濃度的增大，改良后渣土的滲透系數也呈減小趨勢，而且當改良劑濃度增加到一定程度上，滲透系數的變化程度會開始減小。

4)通過現場掘進數據可知，采用泡沫劑+高分子聚合物的改良方案的改良效果很好，可以保證盾構機在富水砂性地層中的正常掘進。