富水礫砂泥質粉砂巖復合地層渣土改良試驗研究

朱碧堂 余金 王凌 張躍明 蔣亞龍 杜林泉 黃展軍

摘 要：盾構穿越復合地層時，富水礫砂層含量高易發生“噴涌”、掌子面失穩，泥巖地層含量高則易發生結泥餅、刀具抱死及偏磨、出渣困難等問題。針對這些施工難題，以南昌地鐵4號線七里站—民園路西站（七民）盾構區間穿越富水礫砂泥質粉砂巖復合地層為研究對象，基于5種不同復合程度掌子面地層渣土改良試驗，研究土壓平衡盾構在動態變化的復合地層中所需的合理渣土改良劑配比。結果表明：對于復合地層，隨著泥巖占比從10%增加至90%，泡沫注入率從20%逐漸增大至50%，膨潤土泥漿注入率從20%逐漸減小至0。現場應用結果表明，采用該改良方案可保證土倉內渣土流塑性較好、滲透性較低。

關鍵詞：土壓平衡盾構;富水礫砂;復合地層;渣土改良

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）05-0029-09

收稿日期：2021-04-28

基金項目：國家自然科學基金（41972291、52020105003）;江西省交通運輸廳重點工程科技項目（2019C0010）;江西省交通運輸廳科技項目（2021Z0004）

作者簡介：朱碧堂（1974- ），男，教授，博士生導師，主要從事隧道、基坑、樁基和海上風電基礎研究，E-mail： btangzh@hotmail.com。

Received：2021-04-28

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 41972291， 52020105003）; Engineering Science and Technology Project of Department of Transportation of Jiangxi Province （No. 2019C0010）; Project of Department of Transportation of Jiangxi Province （No. 2021Z0004）

Author brief：ZHU Bitang （1974- ）， professor， doctorial supervisor， main research interests： tunnel， excavation， foundation and offshore wind power foundation， E-mail：btangzh@hotmail.com.

Experimental study on soil conditioning with water bearing gravelly sand-argillaceous siltstone composite stratum

ZHU Bitang， YU Jin， WANG Ling， ZHANG Yueming， JIANG Yalong， DU Linquan， HUANG Zhanjun

（1a. School of Civil Engineering and Architecture; 1b. Engineering R & D Centre for Underground Technology of Jiangxi Province， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， P. R. China; 2. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， P. R. China; 3. Nanchang Rail Transit Group Co.， Ltd.， Nanchang 330013， P. R. China）

Abstract：When the shield passes through the composite stratum， the content of water rich gravelly sand layer is high， which is prone to "gushing"， tunnel face instability， and the content of argillaceous siltstone stratum is high， which is more prone to mud cake， tool locking， eccentric wear and slag discharge. In view of these construction problems above， the shield section of Qili station-Minyuan Road West Station of Nanchang Metro Line 4 as an example， which passes through the water rich gravel sand-argillaceous siltstone composite stratum， this paper conducts the soil conditioning tests for five tunnel faces with different composite degrees and examines the reasonable proportion of soil conditioning mixture ratio in these varying composite of earth pressure balance shield. The results show that： with the ratio increase of argillaceous siltstone from 10% to 90%， the foam injection ratio increases from 20% to 50%， and the injection ratio of bentonite slurry decreases from 20% to 0. The field application results show that the soil conditioning scheme above can ensure the good fluidity and low permeability of the muck， and solve the problems of gushing and mud cake during shield tunneling in different degrees of composite stratum.

Keywords：EPB shield; water bearing gravelly sand; composite stratum; soil conditioning

土壓平衡盾構相對泥水盾構具有泥漿污染小、施工速度快等優點，根據土倉壓力反饋調節螺旋輸送機和刀盤轉速，保證土艙渣土動態平衡，易維持掌子面穩定，減少地表沉降，被廣泛應用于城市人口密集及建（構）筑物密集區的地鐵隧道建設中。

許多學者針對不同地層進行了大量的渣土改良試驗研究及改良效果評價。邱龑等針對深圳富水砂層采用泡沫、膨潤土泥漿及高分子聚合物進行了渣土改良試驗，通過對土樣進行電鏡掃描、坍落度試驗和滲透試驗進行效果評價，發現膨潤土泥漿注入比為8%～10%的渣土可滿足盾構施工要求。Cheng等針對粉砂層，通過模型試驗，采用刀盤扭矩指標評價渣土改良效果，并確定最佳改良劑配比。Mori通過壓縮試驗和十字板剪切試驗，研究了實際應力狀態下不同泡沫參數對砂土改良的影響，發現孔隙應力和有效應力是影響泡沫改良渣土性能的主要因素。葉新宇等針對泥質粉砂巖進行了渣土改良試驗，得到渣土坍落度與含水率、泡沫注入比的函數關系，并提出了渣土改良精細化控制措施。蔡兵華等對具有高液塑限、高黏聚力、富含黏土礦物的紅黏土進行了室內渣土改良試驗，通過坍落度試驗、稠度試驗和液塑限聯合試驗評價土體改良效果，發現含水率為40%時泡沫注入率為30%的理想土體改良指標。劉衛通過現場統計和案例分析，提出富水砂層泥質粉砂巖復合地層選取泡沫劑、膨潤土泥漿及高分子聚合物進行渣土改良，防治礫砂地層渣土流動性差和噴涌問題以及泥質粉砂巖中刀盤結泥餅問題。在改良后渣土效果評價方面，魏康林提出改良后渣土必須具有低滲透性、較小的抗剪強度和較好的流動性。Huang等提出，泡沫能否有效降低渣土的滲透系數取決于渣土的級配特性，通過改變土的有效粒徑、曲率系數和不均勻系數，對泡沫改良后的渣土進行滲透試驗得出有效粒徑對渣土滲透系數影響較大，曲率系數和不均勻系數對渣土滲透系數影響較小。Avunduk等通過旋葉式剪切試驗裝置評價渣土改良效果，從而進一步優化渣土改良參數。王樹英等設計變水頭滲流試驗裝置，研究了改良后渣土滲透系數的時變效應。朱偉等推導了盾構機噴涌時掌子面水壓力和滲流量的理論公式，提出了不同土層掘進過程中發生噴涌的臨界條件。在富水及水壓力大的地層，改良后渣土滲透系數應處于或低于10 m/s數量級，才不易發生噴涌事故。

目前，許多學者分別對富水砂層、泥質粉砂巖渣土改良進行了試驗研究，對富水礫砂泥質粉砂巖復合地層進行了現場統計和案例分析，尚未對不同體積占比的富水礫砂泥質粉砂巖復合地層開展系統性室內改良試驗及量化標準，也未從顆粒級配角度分析不同礫砂泥質粉砂巖體積占比對渣土改良的影響。因此，在工程實踐中，改良參數隨意性較大且對地層體積損失無法控制，容易誘發地表沉降過大甚至坍塌等重大工程事故，如南昌地鐵2號線學府大道東站—翠苑路站復合地層區間由于施工期間降雨量大、地下水位上漲、渣土改良方案調整不及時，導致地表路面出現坍塌;南昌地鐵3號線國威路站—青山湖西站復合地層區間由于渣土改良不善導致地表沉降過大。因此，需要針對不同體積占比的富水礫砂泥質粉砂巖復合地層開展系統的渣土改良試驗，提出定量的渣土改良控制標準。

筆者以南昌地鐵4號線七民區間為例，對不同掌子面土層顆粒級配進行分析，探討不同富水砂層泥質粉砂巖體積比復合地層渣土改良試驗方案，通過坍落度試驗、十字板剪切試驗和加壓滲透試驗，綜合判斷渣土改良效果和量化泥巖改良控制指標，并通過現場統計分析和改良效果，驗證上述室內試驗研究結果。

1 工程地質與水文地質概況

1.1 地層條件

根據隧道地質縱剖面圖，在七民區間SK32+020～326段和SK32+840～SK33+190段，盾構穿越地層分界面動態變化，軟硬交錯，為上覆富水礫砂、下臥泥質粉砂巖不同體積比復合地層，地質縱剖面如圖1所示。

1.2 水文條件

隧道埋深處于17～25 m，地下水位埋深約4～6 m，靜水壓力約140～220 kPa。七民區間隧道為富水高水壓地層，礫砂的天然含水率在21%～28%之間，滲透系數約為1.2×10 m/s，泥質粉砂巖天然含水率在13%～18%之間。由于地層中存在高含量黏性顆粒巖層，盾構掘進時容易在刀盤前部結泥餅及刀具抱死偏磨。同時，穿越富水、高水壓礫砂層時，螺旋機無法保持正常的壓力梯降，易產生螺旋機出土口“噴水、噴砂、噴泥”現象。

2 顆粒級配及改良劑參數分析

根據不同體積占比的礫砂泥質粉砂巖復合地層顆粒級配分析，研究適應不同復合程度地層的改良劑參數方案。

2.1 土層顆粒級配分析

在土層參數中，顆粒級配不僅對盾構機選型具有參考意義，而且對土壓平衡盾構渣土改良及整個施工過程有著重要影響。渣土中細顆粒含量較多時，改良后土體易形成滲透系數小、類似牙膏狀的流塑體，能夠均勻傳遞推力至掌子面，平衡水土壓力，減小地面沉降，如圖2所示。粗顆粒含量高的土體經泡沫改良后流塑性較差、滲透系數較大，在掘進過程中難以實現土壓動態、連續平衡。

土壓平衡盾構最初用于細顆粒含量（d<0.075 mm）在20%～30%的土體，所以，渣土改良前應根據土層顆粒級配曲線分析土體細顆粒含量。若細顆粒含量不足，應額外添加膨潤土泥漿進行補充細顆粒后再添加泡沫進行改良，富水時還應加入聚合物對渣土進行絮凝;若細顆粒含量過大且具有較大黏聚性，應添加分散劑溶液對其進行分散后再添加泡沫對渣土進行改良。

根據盾構隧道穿越富水礫砂泥質粉砂巖復合地層的特點，分別對礫砂和泥質粉砂巖進行顆粒級配分析，得出不同斷面破碎后的細顆粒含量，確定相應復合地層的渣土改良方案。對礫砂用震篩機進行震動篩分試驗，對破碎后的泥質粉砂巖用水分法分級過篩進行顆粒級配分析，分別得出礫砂和泥質粉砂巖的顆粒級配曲線，如圖3所示。由級配曲線可知，礫砂中細粒含量幾乎為0，泥質粉砂巖中細粒含量達到30%左右。

2.2 泡沫的制備

根據彭磊等的研究，采用泡沫劑溶液濃度為3%發出的泡沫改良渣土效果最理想。實驗室采用的泡沫劑取于施工現場，確保試驗結果對施工的指導性。將泡沫劑溶液通過發泡系統制備泡沫，如圖4所示。

2.3 膨潤土泥漿的準備

對于缺乏細顆粒的富水砂層，需要添加膨潤土泥漿填充顆粒間的空隙，降低滲透系數并增加土體流塑性。具有一定黏度的膨潤土泥漿可以有效地包裹住大粒徑土顆粒，增強土體的流動性，減少土體與刀盤之間的摩擦，但泥漿黏度過大可能會造成泥漿輸送系統的壓力過大，不利于流暢泵送。對于富水砂層，膨潤土泥漿黏度在20～30 mPa·s之間改良效果較好。為獲得理想黏度對應的膨潤土泥漿質量分數，實驗室采用旋轉黏度計進行了5種不同質量分數的膨潤土泥漿黏度測試，如圖5所示。

通過膨潤土泥漿試驗分析發現，膨潤土泥漿質量分數為1∶8時，符合盾構施工用膨潤土泥漿黏度要求。

2.4 渣土懸浮劑和泥巖分散劑溶液

當掌子面土層處于富水條件，僅僅用泡沫和膨潤土泥漿改良時，渣土流動性過大，且水易從土樣中析出。此時需要另外添加渣土懸浮劑等聚合物，將自由水絮凝成膠體與渣土均勻攪拌混合，如圖6（a）所示。當掌子面地層細顆粒含量大于20%且黏性較大時，僅僅添加泡沫和水無法將黏聚在一起的渣土分散均勻改良，需要先添加泥巖分散劑溶液，將渣土攪拌均勻分散后，再添加泡沫對其進行改良，如圖6（b）所示。

3 渣土改良配比試驗

3.1 渣土改良試驗方案及斷面的選取

盾構機在復合地層中掘進時，整個掌子面土層組成處在動態變化過程中。選取5種不同泥巖體積比例的掘進斷面（掌子面泥質粉砂巖體積占比分別為10%、30%、50%、70%、90%），并對不同掌子面土層進行顆粒級配分析，如圖7所示。

通過顆粒級配曲線分析，礫砂∶泥質粉砂巖=9∶1、7∶3、1∶1、3∶7、1∶9斷面對應的細顆粒含量分別約為3%、9%、15%、21%、27%。初步可以根據細顆粒含量選擇改良劑類型并計算膨潤土泥漿用量。

3.2 10%泥質粉砂巖質量比渣土的改良試驗

室內制備10%泥巖體積含量的復合地層，通過加水使含水率接近原位地層含水率的20%～25%。

由于泥質粉砂巖含量較少，由級配曲線可知刀具破碎后細顆粒含量約為3%，根據理想渣土細顆粒含量可計算出膨潤土泥漿注入比在17%～27%之間，改良方法主要以膨潤土泥漿補充細顆粒、泡沫增加渣土流動性為主，經立式砂漿攪拌機充分均勻混合后測其坍落度。在只添加水、不添加泡沫和膨潤土泥漿時，渣土不具有較好的流塑性，如圖8（a）所示，改良效果不佳。采用泡沫注入率和膨潤土泥漿注入率梯度為5%，高分子聚合物注入率梯度為0.5%，進行多組改良試驗。當泡沫注入為10%時，由于渣土含水率過高，在泡沫改良作用下坍落度達到246 mm，滲透系數為5.68×10 m/s，此時渣土流動性過大，不利于排渣，滲透系數也未達到抗滲要求。重新配置土樣，先添加聚合物，注入率為0.5%、1%、1.5%，當聚合物注入率為1%時，渣土中自由水絮凝呈膠狀物，避免了含水率過高對渣土流動性的影響，隨著聚合物注入率的增大，渣土中自由水絮凝過度，流動性太差。在聚合物注入率1%的基礎上，添加注入率為5%、10%、15%、20%、25%、30%的泡沫，當泡沫注入率為20%時，渣土坍落度為178 mm，流動性較好，但滲透系數為10^-4m/s數量級，未達到渣土抗滲要求，在聚合物和泡沫改良基礎上添加注入率為5%、10%、15%、20%、25%、30%的膨潤土泥漿，當膨潤土泥漿注入率為20%～25%時，高分子聚合物用量為1%，泡沫注入率為20%左右時，改良后渣土坍落度為182 mm，如圖8（b）所示，十字板剪切強度為0.66 kPa，滲透系數為8.72×10 m/s，可見膨潤土泥漿、聚合物和泡沫顯著改善了大比例砂層斷面渣土的流塑性，減小了土體與刀具間的摩擦，降低了渣土滲透系數，可避免發生噴涌。

3.3 30%、50%、70%泥質粉砂巖占比渣土的改良試驗

在室內分別制備30%、50%、70%不同泥質粉砂巖體積含量的復合地層，通過加水使其含水率接近原位地層含水率。由于泥質粉砂巖含量逐漸增加，混合土體細顆粒含量增加，此時，改良以添加泡沫，增加土體流動性為主。

通過顆粒級配分析，為保證渣土細顆粒含量在20%～30%之間，泥巖含量為30%、50%、70%時，應分別添加膨潤土泥漿11%～21%、5%～15%、0～9%，泡沫注入率梯度為5%，設置了5%、10%、15%、20%、25%、30%共6種不同泡沫注入率，通過渣土坍落度、滲透系數和剪切強度來確定不同泥巖含量復合地層渣土改良泡沫注入率和膨潤土泥漿注入率。經立式砂漿攪拌機充分均勻混合后，分別測3種泥巖比例渣土的坍落度、剪切強度及滲透系數。泥巖含量為30%時：膨潤土泥漿注入率為13%～18%，泡沫注入率為25%左右時，改良后渣土坍落度為198 mm，十字板剪切強度為0.55 kPa，滲透系數為5.63×10 m/s;泥巖含量為50%時：膨潤土泥漿注入率為8%～13%，泡沫注入率為30%左右時，改良后渣土坍落度為202 mm，十字板剪切強度為0.51 kPa，滲透系數為4.21×10 m/s;泥巖含量為70%時：1∶5泥巖分散劑溶液注入比為2%，泡沫注入率為40%左右時，改良后渣土坍落度為188 mm，十字板剪切強度為0.31 kPa，滲透系數為3.46×10 m/s。如圖9所示，渣土均具有較好的流塑性。

3.4 90%泥質粉砂巖質量比渣土改良試驗

由于砂層含量較少，改良方法可近似采用全斷面泥質粉砂巖改良參數，采用泡沫和水改良渣土流動性，當渣土“結泥餅”或凝聚成團時，還應加入適量的泥巖分散劑溶液。經立式砂漿攪拌機充分均勻混合后測其坍落度，當泡沫注入率為40%時，改良后渣土坍落度為113 mm，如圖10（a）所示，此時渣土流塑性不好，易“結泥餅”卡住刀盤。當繼續添加泡沫達到50%、60%時，渣土流塑性變化不大，仍然黏結成團附著在攪拌機葉片上，如圖10（b）所示，顯然，當渣土中細顆粒含量較大且黏性較強時，只添加泡沫改良無法達到流塑性要求，添加3%的泥巖分散劑溶液后渣土具有較好的流塑性，坍落度為198 mm，十字板剪切強度為0.38 kPa，滲透系數為2.08×10 m/s，如圖10（c）、（d）所示。

3.5 渣土改良的建議參數

根據上述試驗研究，不同泥巖體積占比的富水礫砂泥質粉砂巖復合地層渣土改良配比參數如圖11所示，其他不同比例富水礫砂泥質粉砂巖復合地層可按圖11進行線性差值確定改良劑配比方案。

由試驗結果可知，隨著泥質粉砂巖占比逐漸增大，刀具破碎后復合地層細顆粒含量增加，泡沫注入率從20%增加至50%時，膨潤土泥漿注入率從20%遞減為0。泥巖占比為10%時，富水礫砂含量較大，在富水時需添加渣土懸浮劑等聚合物進行絮凝;當泥巖占比大于50%時，泡沫注入率顯著增加，需要更多的泡沫對渣土進行潤滑和分散作用;當泥巖占比大于70%時，不再需要膨潤土泥漿作為封堵材料降低渣土滲透系數，渣土自身細顆粒含量較高，在刀盤破碎和攪拌作用下可有效填充顆粒間隙，達到抗滲作用，同時，需要添加泥巖分散劑溶液對渣土進行分散作用，利于泡沫進入土顆粒間，改善渣土流動性。

4 渣土改良效果評價

為了驗證改良后的渣土是否滿足流塑性及盾構掘進要求，需要確定渣土評價指標，開展室內試驗對渣土改良效果進行評價。從渣土的流塑性、抗剪強度、滲透性三方面評價渣土改良效果。

4.1 坍落度試驗

由圖12中坍落度試驗數據可以發現，在坍落度150～200 mm范圍內，富水礫砂泥質粉砂巖復合地層在不同比例斷面下的最佳泡沫注入比在20%～50%之間時，隨著泥巖比例逐漸增加，泡沫用量也逐漸增加。

4.2 十字板剪切試驗

渣土的剪切強度直接影響刀具的摩擦損耗，改良后的渣土可有效降低摩擦角和剪切強度，保護刀具。改良后的渣土流動性較大，無法通過直剪試驗測得渣土剪切強度，因而采用數顯便攜式十字板剪切儀研究改良后富水礫砂泥質粉砂巖復合地層渣土的不排水剪切強度。試驗過程如圖13所示。

未添加改良劑之前，混合渣土剪切強度為10～15 kPa，注入泡沫等改良劑均勻攪拌后，渣土剪切強度為3～7 kPa。改良劑的加入顯著降低了渣土的剪切強度，減少了土體與刀盤及刀具之間的摩擦，延長了刀具壽命。

4.3 加壓滲透試驗

加壓滲透裝置如圖14所示，既能施加不同水壓模擬不同埋深時盾構機的地下水壓，還能施加不同圍壓模擬不同埋深時盾構機的土倉壓力，可較好地再現土倉內的渣土環境。滲透試樣高40 mm，直徑70 mm，試樣周圍是壓力腔，上方和下方放有透水石和濾紙，滲透壓力和圍壓通過調壓閥調節，壓力調節范圍為0～0.8 MPa。

在圍壓200 kPa、滲透壓力150 kPa工況下對不同比例復合地層改良后渣土進行滲透試驗。5種復合地層改良后渣土滲透系數均小于10 m/s，滿足盾構施工要求，不會發生噴涌現象。通過對比不同泥

巖比例地層，當泥巖含量增加或膨潤土泥漿注入率增加時，渣土滲透系數都逐漸減小，如圖15所示，即泥巖在刀盤破碎后，細顆粒和膨潤土泥漿增強了復合地層渣土的堵水結構。

5 現場渣土改良統計分析與效益對比

根據圖11，針對現場不同體積占比的富水礫砂泥質粉砂巖復合地層，渣土改良參數及評價效果如表1所示。

為評價試驗得到的渣土改良配比及其改良效果，將七民區間右線隧道試驗優化后的渣土改良配比、泡沫注入率與現場采用的改良配比和泡沫注入率進行對比，如圖16所示。

從圖16可以看出，右線平均每環泡沫原液用量為96 L，優化后平均每環泡沫原液用量為48 L。泡沫劑原液市場價格5 000～10 000元/t，優化后每環可節約施工成本約240～480元，整個區間節約90萬～170萬元。

6 結論

在已有渣土改良方法及改良效果評價基礎上，通過不同體積占比的富水礫砂泥質粉砂巖復合地層顆粒級配分析，研究復合地層土層動態變化過程中的渣土改良方案，得到以下結論：

1）基于不同體積占比的復合地層掌子面土樣顆粒級配分析及室內改良試驗可得，隨著泥巖占比從10%增加至90%，復合地層泡沫注入率從20%增加至50%，膨潤土泥漿注入率從20%逐漸減小至0。

2）泥巖占比為10%時，富水礫砂地層含水率較高，應先添加1%左右懸浮劑和膨潤土泥漿進行絮凝堵水，再添加泡沫改善其流塑性;泥巖占比大于70%的地層，黏粒含量較多，渣土成塊，應先添加2%～3%分散劑溶液將黏性顆粒分散，再添加泡沫改善其流塑性。

3）通過渣土級配分析可知，土體被刀盤破碎后細顆粒含量在20%～30%區間效果最佳，只需添水和泡沫改良即可滿足流塑性和滲透性要求。當細顆粒含量小于20%時，需添加膨潤土泥漿降低渣土滲透性;當細顆粒含量大于30%時，需添加分散劑溶液將細顆粒分散，有利于泡沫進入土顆粒間分散或潤滑渣土，改善渣土流動性。

4）通過室內試驗渣土改良方案研究及現場參數分析發現，在不同體積泥巖占比復合地層中，優化后的改良參數能夠穩定控制改良效果，且泡沫原液用量約降低50%。

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（編輯 胡玲）