基于坍落度的砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良配方研究

竺維彬，劉健美，鄭 翔，鐘小春，朱能文

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 510330；2.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

近些年來，土壓平衡盾構(gòu)廣泛應(yīng)用于各大城市地鐵隧道建設(shè)，取得了極大的成功。但盾構(gòu)在富水砂卵石地層掘進(jìn)時容易出現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)矩過大、刀盤卡死、螺旋輸送機卡死、刀盤及刀具和螺旋輸送機磨損嚴(yán)重、螺旋輸送機噴涌等故障[1-2]，其原因在于砂卵石地層開挖后土體流動性差，卵石強度較高，不利于渣土排出，產(chǎn)生嚴(yán)重滯排。土壓平衡盾構(gòu)施工成功的關(guān)鍵是要將開挖面開挖下來的土體在壓力艙內(nèi)調(diào)整成一種“塑性流動狀態(tài)”[3]。因此，需要對盾構(gòu)掘進(jìn)前方的砂卵石地層進(jìn)行改良，使其具有較好的流動性和較低的滲透性；在盾構(gòu)螺旋輸送機順利排渣的同時，在盾構(gòu)開挖面上建立起穩(wěn)定的支護(hù)壓力確保開挖面的穩(wěn)定。

為此，國內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域的科研與工程技術(shù)人員，從土壓盾構(gòu)渣土改良機制和改良劑優(yōu)選等方面開展大量研究。通過渣土改良的室內(nèi)試驗，魏康林[4]提出了國內(nèi)常用的2種外加劑及土體的作用機制。江華等[5]以北京地鐵9號線盾構(gòu)隧道工程為背景進(jìn)行砂卵石改良研究，提出了改良方法應(yīng)兼顧盾構(gòu)的工作狀態(tài)。胡長明等[6]針對成都地鐵3號線遇到的富水砂卵石地層，通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬得出盾構(gòu)隧道渣土改良劑優(yōu)化配比及主要掘進(jìn)參數(shù)。Huang等[7]認(rèn)為對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、40%和60%的卵石采用合適的泡沫劑和摻入比是能夠進(jìn)行有效改良的，而對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的砂卵石應(yīng)采用泡沫+膨潤土泥漿方式進(jìn)行改良。鐘小春等[8]采用粉土補充高滲透地層粒組的方法，同樣達(dá)到了渣土改良的效果。

對于砂卵石地層，由于各地卵石質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同甚至粒徑大小也不同，導(dǎo)致改良劑的選擇和摻入量上有很大的差異。對于蘭州地鐵建設(shè)中遇到的富水砂卵石地層，張淑朝等[9]通過對比不同改良方案，最終確定了既能滿足盾構(gòu)和易性要求又能保證土壓平衡的改良劑配比，即泥漿和泡沫混合摻入比分別為7%和 8%的配比方案改良效果最佳。宋克志等[10]對于無水砂卵石地層進(jìn)行了只用泡沫和水作為改良劑的試驗研究，并分析了其作用機制。劉彤等[11]針對南昌地鐵盾構(gòu)區(qū)間的富水砂礫地層，通過現(xiàn)場掘進(jìn)試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膨潤土泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，改良效果不理想；當(dāng)膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到20%時，效果明顯改善。張潤來等[12]針對成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間砂卵石地層采用泡沫、膨潤土和聚合物改良劑，膨潤土單獨改良的合理配比為泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)14.3%，注入量體積比20%；泡沫+膨潤土共同改良比兩者單獨改良效果要好；當(dāng)?shù)叵滤S富時，還需要添加聚合物。王士民等[13]針對成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間砂卵石地層開展渣土滲透、坍落度等試驗后，提出了膨潤土和羧甲基纖維素混合泥漿配合比。

從以上研究可以看出，開展了較多的泡沫或膨潤土泥漿或兩者復(fù)合摻加的方式進(jìn)行砂卵石渣土改良，且大多是針對某一工程案例開展的，對于其改良機制方面的探討較少；相對于砂土地層，砂卵石渣土改良更為困難，對膨潤土泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)有要求，且摻入量較大，達(dá)到渣土的10%～20%。

因此，如何高效快速確定既經(jīng)濟又安全的外摻劑及摻入量，是砂卵石渣土改良迫切需要解決的工程難題。本文以成都地鐵某標(biāo)段遇到的富水砂卵石地層為研究對象，通過室內(nèi)渣土改良試驗，以渣土的坍落度15～20 cm為目標(biāo)，以最小膨潤土干土使用量為搜索方向，找出經(jīng)濟較優(yōu)的渣土改良配方。最后將成果應(yīng)用于工程實踐，得到了很好的驗證。

1 砂卵石渣土改良的坍落度試驗

1.1 砂卵石地層顆粒分析

現(xiàn)場砂卵石渣土見圖1，從皮帶上取樣后或曬干或風(fēng)干或烘干后篩分，按粒徑分組存放。

圖1 現(xiàn)場砂卵石渣土

根據(jù)地勘報告，砂卵石地層粒徑分布如圖2所示，其顆粒組成指標(biāo)如表1所示。顯然，該砂卵石地層砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，粉粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)極低，而卵石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)68%，且屬于極度不良的粒徑級配。地層含水率約為4%。

圖2 砂卵石地層粒徑分布曲線

1.2 膨潤土泥漿對砂卵石渣土流動性改良

1.2.1 泥漿性能試驗

結(jié)合研究資料及現(xiàn)場情況，采用現(xiàn)場使用的鈉基膨潤土分別配制膨水比(鈉基膨潤土質(zhì)量∶水質(zhì)量)為1∶4、1∶6、1∶8的膨潤土泥漿，經(jīng)12 h膨化后使用馬氏漏斗和比重秤進(jìn)行黏度和相對體積質(zhì)量試驗，泥漿的相對體積質(zhì)量與黏度指標(biāo)如表2所示。

表2 泥漿相對體積質(zhì)量與黏度

由以上數(shù)據(jù)可以看出，泥漿黏度隨著膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小而減小，膨水比1∶4的泥漿黏度太大，無法滿足工地現(xiàn)場攪拌條件要求，難以攪拌均勻。

1.2.2 坍落度試驗

將上述3種泥漿砂卵石渣土分別按一定質(zhì)量比(泥漿質(zhì)量/砂卵石質(zhì)量)拌合均勻，質(zhì)量摻入比分別取5%、7.5%、10%、12.5%，然后進(jìn)行坍落度試驗，見圖3。

圖3 坍落度試驗

圖4示出了不同配比下泥漿摻入質(zhì)量比對坍落度的影響。從圖4可以看出，隨著泥漿摻入量的增加，砂卵石坍落度幾乎是線性增加，但膨水比越大的膨潤土泥漿，砂卵石渣土的坍落度增加幅度更大一些。

圖4 不同配比下泥漿摻入質(zhì)量比對坍落度的影響

改良后的砂卵石渣土坍落度如圖5所示。從砂卵石渣土狀態(tài)可以看出，膨潤土泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(膨水比為1∶4)時，改良后渣土黏性過大導(dǎo)致流動性較低；當(dāng)膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(膨水比為1∶8)時，流動性改善明顯。但泥漿黏度較小，摻入后易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，渣土不具有良好的裹挾性和整體性，改良后渣土的和易性較差。綜合上述情況，以坍落度150～200 mm為標(biāo)準(zhǔn)，兼顧改良后渣土的和易性，選擇膨水比1∶6的泥漿、摻入質(zhì)量比9%～12.5%較為適宜。

(a)膨水比1∶4、摻入比12.5%

1.3 泡沫對砂卵石渣土流動性改良

采用施工現(xiàn)場使用的泡沫劑，發(fā)泡倍率為20，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、2.5%、3%的泡沫，按體積摻入比為35%、40%、45%、50%、55%摻入砂卵石中進(jìn)行拌合，試驗改良后的砂卵石渣土坍落度如圖6所示。

圖6 泡沫摻入量對坍落度的影響

從圖6中可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的泡沫在摻入比達(dá)到35%～45%即可滿足坍落度要求；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%與2.5%的泡沫摻入比需要達(dá)到45%～50%可滿足坍落度要求，且兩者改良效果相差不大。為節(jié)約改良成本，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%泡沫劑較為適宜，但是只以泡沫作為改良劑會使渣土黏聚性不足(見圖7)，其渣土滲透性較大、無法滿足該地層防噴涌的要求[9, 12]，因此考慮混合膨潤土泥漿與泡沫2種改良劑進(jìn)行改良。

圖7 泡沫改良后的效果

1.4 膨潤土泥漿+泡沫對砂卵石渣土流動性改良

1.4.1 坍落度試驗

配制膨水比為1∶6的膨潤土泥漿和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的泡沫，膨潤土摻入質(zhì)量比分別為5%、7%、9%，泡沫摻入體積比分別為5%、7.5%、10%、12.5%、15%，以上一一對應(yīng)的組合與砂卵石拌合后，開展坍落度試驗，如圖8所示。由圖8可以看出，將膨潤土和泡沫控制在上述配比中均較容易達(dá)到要求的坍落度目標(biāo)，例如：要達(dá)到15 cm坍落度的目標(biāo)，只摻入膨水比1∶6的泥漿，需要摻入膨潤土質(zhì)量比為8%左右；而混合摻入膨潤土和泡沫改良時，在膨潤土質(zhì)量比為5%和泡沫體積比為11%～12%即可達(dá)到。這是由于膨潤土泥漿和泡沫的滾珠效應(yīng)，在二者的共同作用下增大了砂卵石渣土的流動性，從而可以減少膨潤土泥漿的使用量。在實際工程中除了坍落度方面的要求，還需要考慮改良后渣土的滲透性，以防止螺旋輸送機出口噴涌現(xiàn)象的發(fā)生，對最終膨潤土和泡沫混合改良效果還需要開展?jié)B透試驗。

圖8 泡沫對砂卵石坍落度的影響

1.4.2 滲透試驗

將混合膨潤土和泡沫改良后的渣土裝入滲透儀中，振搗密實；在其上部緩慢注入流水，然后蓋緊上蓋并逐級加氣壓，自動測量滲水量；最后計算改良渣土的滲透系數(shù)。滲透試驗示意見圖9(a)。滲透試驗裝置見圖9(b)。考慮試驗尺寸，試驗中的卵石尺寸不得超過10 cm，將極少數(shù)超過10 cm的卵石剔除，根據(jù)其粒徑分布圖(見圖2)可知，因其質(zhì)量分?jǐn)?shù)小所以影響較小。

(a)滲透試驗示意圖

圖10示出了泡沫摻入對滲透系數(shù)的影響，可以看出，泥漿摻入質(zhì)量比一定的情況下，隨著泡沫摻入體積比增加，渣土的滲透系數(shù)呈減小趨勢。對比后可發(fā)現(xiàn)，相同的泡沫摻入量下泥漿摻入質(zhì)量比為5%、7%的抗?jié)B性略微優(yōu)于質(zhì)量比9%膨潤土泥漿。

圖10 泡沫摻入對滲透系數(shù)的影響(膨水比1∶6)

這是因為砂卵石地層粒徑大、顆粒級配極度不良，泡沫對其改良主要是泡沫的滾珠效果增加其流動性，但是對于其堵塞卵石粗顆粒形成的大孔隙效果不大。結(jié)合之前的單摻改良試驗結(jié)果，可確定改良劑的優(yōu)化配比范圍為膨水比1∶6的膨潤土泥漿摻入質(zhì)量比為5.0%，泡沫摻入體積比為10%～30%(考慮到泡沫在施工中消泡特點，適當(dāng)增加泡沫的摻入量)，即可使砂卵石渣土具有良好的坍落度、和易性和較低的滲透性，達(dá)到土壓盾構(gòu)渣土改良的要求。

2 砂卵石地層盾構(gòu)渣土改良經(jīng)濟配方確定

砂卵石渣土由于細(xì)砂級粒徑以下顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)極低，需要補充膨潤土泥漿，與砂卵石中的細(xì)砂、粉土和黏土等細(xì)顆粒形成組團(tuán)，填充到卵礫石大顆粒形成的空隙，這是砂卵石地層渣土改良的內(nèi)在機制。顯然，需要摻入的泥漿量較多，甚至要求較高的泥漿稠度。如何選擇合適的泥漿稠度，最大程度地節(jié)省泥漿使用量，同時盡量減少渣土排放和資源的浪費，節(jié)約施工成本，這是砂卵石地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)的重大課題。

當(dāng)膨潤土泥漿膨水比過小時，比如膨水比1∶8，摻入該較稀的泥漿無法與砂卵石形成黏性、流塑性良好的渣土，泥漿與卵石易分離。這主要由于泥漿中過多的水導(dǎo)致細(xì)顆粒組團(tuán)流動性過大，無法在卵石塊形成空隙中形成一個流塑性的整體，自然無法包裹更大的卵石，也無法將壓力艙內(nèi)大直徑卵石攜帶排出，渣土的滲透性也偏高。

鑒于以上分析，從施工經(jīng)濟成本考慮，在滿足渣土性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)該采用膨水比最小的膨潤土泥漿，并與泡沫進(jìn)行聯(lián)合改良，可以達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟性。為此，將上述膨潤土改良后的砂卵石渣土分為水、膨潤土干土、砂卵石3部分，在滿足渣土流塑性的條件下，以渣土坍落度15～20 cm為目標(biāo)，以最小膨潤土干土使用量為搜索方向，找出最具經(jīng)濟性的渣土改良措施。以水與砂卵石質(zhì)量比(水砂比)為x軸，膨潤土與砂卵石質(zhì)量比(膨砂比)為y軸，改良后的渣土坍落度為z軸，作出三維曲面圖，如圖11所示。

圖11 砂卵石坍落度與外摻劑的關(guān)系

由圖11可以看出，右上部分雖然坍落度大，但是出現(xiàn)了明顯的離析現(xiàn)象，這是因為該區(qū)域中泥漿膨水比過小，泥漿黏度太低，摻入量過大時易發(fā)生卵石與細(xì)顆粒分離的現(xiàn)象，無法達(dá)到所要求的流塑狀態(tài)。突變邊界呈一條直線，此直線斜率(膨潤土干土∶水)為1∶6[14]，即為可滿足渣土流塑性的最小膨水比組合，可以滿足砂卵石渣土的坍落度、和易性、抗?jié)B透性的改良要求，而且最具經(jīng)濟性。

3 工程應(yīng)用

成都軌道交通17號線一期工程TJ07標(biāo)明光站(原鳳翔站)—九江北站區(qū)間，右線長2 274.048 m，左線長2 157.2 m，最小曲線半徑為600 m，本區(qū)間設(shè)置4座聯(lián)絡(luò)通道，隧道埋深為9.1～29.0 m。隧道最大坡度28‰，盾構(gòu)開挖直徑8.634 m，管片內(nèi)徑7.5 m，管片外徑8.3 m。區(qū)間主要穿越〈3-8-2〉中密砂卵石土以及〈3-8-3〉密實砂卵石土。

3.1 地質(zhì)條件與難點分析

主要穿越上更新統(tǒng)冰水沉積與沖積層(Q3fgl+al)卵石土。該卵石土中卵石質(zhì)量分?jǐn)?shù)占70～80%，粒徑多為4～17 cm，以亞圓形為主，分選性差；卵石成分主要為中等風(fēng)化-強風(fēng)化花崗巖、石英砂巖、石灰?guī)r，抗壓強度高，自穩(wěn)性較差，滲透系數(shù)大，透水性強，富水性良好。此類砂卵石地層可能給盾構(gòu)隧道掘進(jìn)帶來難題，如螺旋輸送機噴涌導(dǎo)致開挖面壓力失控、超挖導(dǎo)致地表沉降難以控制，甚至坍方、卵石堆積于壓力艙底部難以排出，還有超挖導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)和管片姿態(tài)穩(wěn)定性差等問題。

3.2 水文情況

區(qū)間沿線分別下穿鳳溪河支渠、丁橋村支渠以及白河，地下水位埋深4.1～7.2 m，主要分為上層滯水及砂土、卵石土中賦存的孔隙潛水，水量較大。其中，孔隙水主要補給源為大氣降水和區(qū)域地表水，對工程影響大。

3.3 現(xiàn)場渣土改良情況及效果

3.3.1 現(xiàn)場改良劑摻入量

盾構(gòu)始發(fā)時采用鈉基膨潤土泥漿和泡沫進(jìn)行砂卵石改良，以期獲得較好的流塑性。據(jù)統(tǒng)計，每環(huán)掘進(jìn)平均鈉基膨潤土泥漿注入量為10 m3，膨水比1∶6；泡沫劑發(fā)泡倍率為20，半衰期大于15 min，每環(huán)掘進(jìn)泡沫劑原液使用量為100～150 L。計算可得出膨潤土泥漿的質(zhì)量摻入比為5%左右。

3.3.2 渣土狀態(tài)及推速的對比

現(xiàn)場渣土數(shù)據(jù)統(tǒng)計和狀態(tài)分別見表3和圖12?，F(xiàn)場砂卵石渣土改良效果見圖13。從表3和圖12—13中可以看出，現(xiàn)場改良渣土坍落度超過15 cm，達(dá)到流塑狀態(tài)，盾構(gòu)推進(jìn)速度明顯加快。改良后盾構(gòu)刀盤換刀間隔從100 m提高到400～500 m，減小了刀盤的磨損，提高了推進(jìn)速度，從平均推速20 mm/min提高到40 mm/min以上，平均推力由初始的3.65×104kN減少到2.70×104kN。這驗證了砂卵石渣土改良室內(nèi)試驗結(jié)果的合理性。

表3 現(xiàn)場渣土數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

(a)現(xiàn)場皮帶上的砂卵石渣土

(a)推進(jìn)速度

4 結(jié)論與討論

1)將鈉基膨潤土改良砂卵石坍落度細(xì)分為水和膨潤干土2部分，得到坍落度與膨砂比和水砂比的三維曲面圖，以是否發(fā)生離析作為分界線，從而獲得了砂卵石渣土膨潤土泥漿改良最經(jīng)濟的膨水比。

2)針對成都地鐵17號線某盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越的砂卵石地層，為使其達(dá)到較好的坍落度、和易性和抗?jié)B性，提出渣土改良的優(yōu)化方案：按膨水比1∶6配制鈉基膨潤土泥漿，其摻入干土質(zhì)量比為5%，泡沫摻入體積比為10%～30%。在土壓平衡盾構(gòu)保證安全的前提下，該改良方案的經(jīng)濟性最佳。

3)成都地鐵17號線砂卵石地層經(jīng)過膨潤土泥漿和泡沫復(fù)合改良后，盾構(gòu)掘進(jìn)的速度明顯提高，總推力顯著降低；同時，減小了刀具磨損和開艙換刀次數(shù)以及地面塌方等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

對于砂卵石地層渣土改良，一般情況下都需要采用膨潤土泥漿進(jìn)行改良，以填充卵石等粗顆粒形成的孔隙并隔離粗顆粒之間的直接接觸，確保改良后渣土有較好的流塑性，因此對膨潤土泥漿的稠度和調(diào)配要求較高。當(dāng)膨水比較大時，泥漿黏度很大，改良后渣土由于黏度過大導(dǎo)致流動性較低，且不經(jīng)濟；當(dāng)膨水比較小時，泥漿摻入砂卵石渣土后易出現(xiàn)粗細(xì)顆粒之間的離析，無法形成良好的整體性(和易性)，這是砂卵石渣土改良區(qū)別于以往砂土渣土改良的顯著特征。

上述試驗成果和應(yīng)用效果來源于土壓盾構(gòu)掘進(jìn)中良好的土壓平衡狀態(tài)和特定的砂卵石地層。不同城市的砂卵石地層會有差異，建議參考本文提出的配方試驗方法可較快確定既經(jīng)濟又能保障土壓盾構(gòu)掘進(jìn)的配方。