上軟下硬地層盾構(gòu)渣土改良研究

摘要 該文依托泰山路站～嘉和路站區(qū)間工程，針對盾構(gòu)穿越上軟下硬地層的技術(shù)難點，提出渣土改良針對性措施，通過開展坍落度試驗、壓縮性試驗、十字剪切試驗，分析了泡沫注入比、發(fā)泡劑濃度等對渣土改良效果的影響。研究表明：在一定范圍內(nèi)，通過增大泡沫注入比、減小發(fā)泡氣液比、增大發(fā)泡劑濃度能有效增加改良渣土的坍落度值；隨著壓力的增大，改良渣土的壓縮量先迅速增大，隨后緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定；當泡沫注入比不超過60%時，增大泡沫注入比能有效改善渣土的壓縮性能；當泡沫注入比在40%～60%范圍內(nèi)，提升泡沫注入比能有效降低渣土的剪切強度。

關(guān)鍵詞 上軟下硬地層；盾構(gòu)法；渣土改良；泡沫注入比

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0112-03

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，城市擁堵現(xiàn)象嚴重，為緩解這一問題，各大城市大力新建地下軌道交通，盾構(gòu)法因其安全性高、綠色施工、工期快、對周邊環(huán)境影響小等特點，被廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道工程[1]。但當盾構(gòu)穿越復雜地質(zhì)條件時，往往會出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅、刀盤磨損嚴重等問題，嚴重影響隧道施工安全和工期[2]，渣土改良技術(shù)能有效控制掌子面穩(wěn)定、減輕刀盤磨損等問題。

不少學者通過不同手段對此開展了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。楊益等[3]依托常州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間工程，通過注入泡沫改良劑改良渣土，并開展改良渣土錐體拉拔試驗。鐘毅等[4]以砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)為研究對象，通過泡沫、膨潤土和聚合物改善渣土的流塑性，并開展攪拌試驗、坍落度試驗以評估渣土改良效果。翟圣智等[5]基于南昌地鐵一號線工程，通過礦物成分分析，探討刀盤結(jié)泥餅的關(guān)鍵原因，并提出了針對性渣土改良方案。李培楠等[6]依托盾構(gòu)穿越硬塑高黏度地層背景，分析了刀盤磨損、結(jié)泥餅的機理，并對比不同改良劑、不同摻入比等方案，獲得了最佳改良方案。

該文基于泰山路站～嘉和路站區(qū)間工程，通過坍落度試驗、壓縮性試驗、十字剪切試驗分析了不同因素對渣土改良效果的影響。

1 工程概況

1.1 工程簡介

泰山路站～嘉和路站線路出泰山路站后沿三環(huán)南路南側(cè)向東敷設(shè)，線路下穿太奎大溝新建箱涵、側(cè)穿聯(lián)通信號塔、側(cè)穿泉山美墅小區(qū)后，向東走行約880 m后到達嘉和路站。盾構(gòu)區(qū)間右線起訖里程為YK6+751.134

～YK7+630.274，短鏈0.898 m，右線長878.242 m；左線設(shè)計里程為ZK6+778.784～ZK7+630.274，短鏈6.716 m，

左線長844.774 m。線間距約14.0 m～27.3 m，隧道頂覆土

8.4 m～12.99 m，區(qū)間平面右線設(shè)R＝2 500、680兩組圓曲線，左線設(shè)R＝1 200、1 000、600三組圓曲線，線路左線出泰山路站后先以25‰、7.751‰下坡接入嘉和路站，右線出泰山路站后先以25‰、7.677‰下坡接入嘉和路站，盾構(gòu)管片外徑6 200 mm，管片厚度350 mm，盾構(gòu)機開挖直徑6 440 mm。

1.2 地質(zhì)水文概況

該工點地層類型多、變化大，水文地質(zhì)條件較復雜，始發(fā)段隧道埋深10.45 m，接收段隧道埋深12 m，依據(jù)地下水的埋藏條件和賦存條件，可分為上層滯水、碳酸鹽類巖溶水。上層滯水主要分布于淺部填土層中，上層滯水距離始發(fā)隧道頂5.36 m，距離接收隧道頂8.26 m，受填土分布及降雨影響，富水性存在差異，并隨季節(jié)發(fā)生變化，水位動態(tài)變化較大。巖溶水主要賦存在中風化灰?guī)r、白云巖的溶蝕裂隙及溶洞中，水量中等～豐富。

2 工程重難點分析

該項目隧道區(qū)間主要穿越5-3a-4a黏土（硬塑）、12-2-3中風化石灰?guī)r、12-4-3中風化石灰?guī)r、12-1a-3中風化白云巖、11-3-2強風化白云巖，要求刀盤刀具具有較強的破巖能力，風化巖地層掘進時，刀盤、刀具及螺旋機的磨損作用強烈，會產(chǎn)生較大刀具消耗，存在區(qū)間內(nèi)換刀及換刀困難等問題。并且盾構(gòu)在穿越上軟下硬地層時，會出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象。結(jié)泥餅會造成刀盤升溫、刀盤磨損、扭矩增大等問題，影響施工進度，甚至損壞盾構(gòu)機，誘發(fā)工程事故。渣土改良是通過將盾構(gòu)機掘進過程中產(chǎn)生渣土與改良劑混合攪拌，使得渣土流塑狀態(tài)得到改善，還可以有效控制土倉壓力，維持掌子面水土壓力平衡，保證盾構(gòu)掘進過程中掌子面平衡，可以有效控制盾構(gòu)施工過程中周邊巖土層擾動。

3 渣土改良試驗

3.1 坍落度試驗分析

為分析泡沫注入比對改良渣土坍落度的影響，不同泡沫注入比工況下渣土坍落度值，如圖1所示。從圖中可以看出，改良渣土坍落度值隨泡沫注入比的增大呈不同程度的增長，說明泡沫注入比對渣土和易性有顯著影響。當泡沫注入比為20%時，改良渣土坍落度值為

37 mm；當泡沫注入比增加到30%、40%時，改良渣土坍落度值較20%工況分別增加了5 mm、12 mm，可見注入泡沫量較少對渣土坍落度改善效果一般。當泡沫注入比為40%時，改良渣土坍落度值為49 mm；當泡沫注入比增加到50%、60%時，改良渣土坍落度值較40%工況分別增加了23 mm、29 mm，可見，40%～60%范圍內(nèi)增加泡沫注入比能有效改善渣土坍落度值。

當泡沫注入比為60%時，改良渣土坍落度值為

101 mm；當泡沫注入比增加到70%、80%時，改良渣土坍落度值較60%工況分別增加了12 mm、19 mm。綜合整個曲線變化趨勢可以看出，當泡沫注入比從20%開始逐漸增加后，坍落度初期變化較小，當注入比從40%增大到60%過程中，坍落度提升顯著；當注入比繼續(xù)增大，坍落度的改善逐漸變得有限，說明泡沫注入比過高未能完全發(fā)揮泡沫的改良作用。因而，該工程選擇泡沫注入比60%最合理經(jīng)濟。

為分析發(fā)泡氣液比對改良渣土坍落度的影響，不同發(fā)泡氣液比工況下渣土坍落度值（泡沫注入比取60%），

如圖2所示。從圖中可以看出，隨著改良劑的發(fā)泡氣液比的增加，改良渣土坍落度首先迅速增大，隨后增速放緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。當發(fā)泡氣液比為5時，渣土坍落度值為160 mm；當發(fā)泡氣液比增大到9時，渣土坍落度值降低到95 mm，較發(fā)泡氣液比5工況降低了40.6%；當發(fā)泡氣液比繼續(xù)增大到12時，渣土坍落度值降低到

81 mm，較發(fā)泡氣液比9工況僅降低了14.7%。綜合經(jīng)濟性和穩(wěn)定性考慮，該工程發(fā)泡氣液比為9最為合理。

為分析發(fā)泡劑濃度對改良渣土坍落度的影響，不同發(fā)泡劑濃度工況下渣土坍落度值，如圖3所示。從圖中可以看出，增大發(fā)泡劑濃度能有效增大改良渣土的坍落度值。當發(fā)泡劑濃度為2%時，改良渣土坍落度值為

67 mm；當發(fā)泡劑濃度增大到2.5%時，改良渣土坍落度值為81 mm，較發(fā)泡劑濃度2%工況增加了20.9%；當發(fā)泡劑濃度增大到3%時，改良渣土坍落度值為92 mm，較發(fā)泡劑濃度2%工況增加了37.3%；當發(fā)泡劑濃度繼續(xù)增大到5%時，改良渣土坍落度值為106 mm，較發(fā)泡劑濃度3%工況僅增加了15.2%。可見，當發(fā)泡劑濃度超過3%后，繼續(xù)增加發(fā)泡劑濃度對渣土坍落度值改善效果一般。綜上所述，該工程合理的發(fā)泡劑濃度為3%。

3.2 壓縮性試驗分析

改良渣土的壓縮性對盾構(gòu)施工過程中掌子面平衡十分重要，因此，有必要開展不同工況下改良渣土的壓縮試驗，以評估不同工況改良渣土的壓縮性能。不同泡沫注入比工況下改良渣土壓縮量－壓力曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，隨著壓力的增大，改良渣土的壓縮量先迅速增大，隨后緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定。對比不同泡沫注入比工況可以發(fā)現(xiàn)，隨著泡沫注入比的增大，改良渣土的壓縮性整體得到改善，但是改善程度不一。當泡沫注入比從20%增大到40%時，改良渣土壓縮量從17.9 mm增大到37.4 mm，增加了109%；當泡沫注入比從40%增大到60%時，改良渣土壓縮量從37.4 mm增大到63.1 mm，增加了68.9%；當泡沫注入比從60%增大到80%時，改良渣土壓縮量從63.1 mm增大到

68.2 mm，僅增加了8.1%。可見，泡沫注入比超過60%后，改變泡沫注入比對改良渣土的壓縮性能影響有限。

3.3 十字剪切試驗分析

改良渣土的剪切性能對盾構(gòu)掘進施工至關(guān)重要，渣土注入泡沫改良劑后能有效降低其剪切強度，有利于盾構(gòu)機掘進，減少刀盤的磨損，為此對不同工況下的改良渣土開展十字剪切試驗。不同泡沫注入比工況下改良渣土扭矩－壓力曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，改良渣土的扭矩隨著壓力的增大總體呈增長趨勢，對比不同泡沫注入比工況可知，增大泡沫注入比，改良渣土的扭矩呈現(xiàn)不同程度的降低。當泡沫注入比從20%增大到40%時，改良渣土的扭矩曲線較為接近，說明該范圍內(nèi)改變泡沫注入比對改良渣土扭矩影響不大；當泡沫注入比從40%增大到60%時，改良渣土的扭矩顯著降低，不同壓力下扭矩降幅在0.8～1.2 N·m間，說明該范圍內(nèi)提升泡沫注入比能有效降低渣土的剪切強度；當泡沫注入比從60%增大到80%時，改良渣土的扭矩降幅有限，不同壓力下扭矩降幅不超過0.2 N·m，說明該范圍內(nèi)提升泡沫注入比對降低渣土的剪切強度的效果有限。

4 結(jié)論

（1）改良渣土坍落度值隨泡沫注入比的增大呈不同程度的增長，說明泡沫注入比對渣土和易性有顯著影響；隨著改良劑的發(fā)泡氣液比的增加，改良渣土坍落度首先迅速增大，隨后增速放緩，并逐漸趨于穩(wěn)定；當發(fā)泡劑濃度超過3%后，繼續(xù)增加發(fā)泡劑濃度對渣土坍落度值改善效果一般。

（2）隨著壓力的增大，改良渣土的壓縮量先迅速增大，隨后緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定。

（3）隨著泡沫注入比的增大，改良渣土的壓縮性整體得到改善，泡沫注入比超過60%后，改變泡沫注入比對改良渣土的壓縮性能影響有限。

（4）當泡沫注入比在較小和較大范圍內(nèi)，改變泡沫注入比對改良渣土剪切強度影響不大；當泡沫注入比從40%增大到60%時，改良渣土的扭矩顯著降低，說明該范圍內(nèi)提升泡沫注入比能有效降低渣土的剪切強度。

參考文獻

[1]葉挺，楊振興.超大直徑盾構(gòu)小半徑曲線掘進的管片結(jié)構(gòu)受力分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計， 2023（9）：147-152.

[2]傅鑫暉，莫濤，張晨，等.復合地層盾構(gòu)機刀盤結(jié)泥餅成因及預防措施[J].地下空間與工程學報， 2020（S2）：864-869.

[3]楊益，朱文駿，李興高，等.老黏土地層土壓盾構(gòu)刀盤堵塞渣土改良效果評價方法[J].北京交通大學學報， 2019（6）：43-49+61.

[4]鐘毅，楊龍才，房師濤，等.砂卵石地層的土壓平衡盾構(gòu)施工渣土改良試驗研究[J].華東交通大學學報， 2015（6）：44-53．

[5]翟圣智，胡蒙達，葉明勇，等.南昌上軟下硬地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良技術(shù)研究[J].鐵道建筑， 2014（8）：27-31.

[6]李培楠，黃德中，黃俊，等.硬塑高黏度地層盾構(gòu)施工土體改良試驗研究[J].同濟大學學報（自然科學版）， 2016（1）：59-66.

收稿日期：2024-06-05

作者簡介：蘇芹照（1990—），男，本科，工程師，研究方向：地下工程。