上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)施工時(shí)的渣土改良試驗(yàn)研究

摘要：簡(jiǎn)介新建寧波至舟山鐵路盾構(gòu)工程概況、上軟下硬地質(zhì)情況和存在的問題，確定試驗(yàn)方法和試驗(yàn)工況。進(jìn)行改良劑的配合比設(shè)計(jì)，開展砂礫渣土坍落度和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土試驗(yàn)，分析改良劑的不同配合比對(duì)砂礫渣土坍落度的影響，粉砂巖渣土不同含水率對(duì)坍落度的影響，以及粉砂巖渣土不同含水率對(duì)改良效果的影響，得出了科學(xué)有效的試驗(yàn)結(jié)論，為上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)施工提供了數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：上軟下硬復(fù)合地層；盾構(gòu)施工；渣土改良；泡沫劑；膨潤(rùn)土泥漿

0" "引言

在現(xiàn)代城市建設(shè)中，地下空間的利用日益重要。盾構(gòu)作為地下隧道建設(shè)的主要施工方法，面臨著復(fù)雜多變的地質(zhì)條件和工程挑戰(zhàn)。特別是在上軟下硬復(fù)合地層中，刀盤結(jié)泥餅的現(xiàn)象頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了施工效率和工程安全，成為制約工程進(jìn)展的重要因素。

上軟下硬復(fù)合地層的特點(diǎn)在于表層土質(zhì)軟弱易變，而底層土質(zhì)堅(jiān)硬穩(wěn)定，這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)使得在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，渣土易受流變性和固結(jié)性差異的影響，容易引發(fā)刀盤結(jié)出泥餅[1-3]。上層軟土體的流變性造成其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，與下層硬土體的固結(jié)性形成不兼容組合，因此在刀盤上結(jié)出泥餅，進(jìn)而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)不能正常推進(jìn)、泥水系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

近年來，隨著科技不斷發(fā)展，礦物類、界面活性材料、高吸水性樹脂、水溶性高分子等各種新型渣土改良劑不斷涌現(xiàn)，這些渣土改良劑為盾構(gòu)機(jī)的正常推進(jìn)提供了新的思路和方法。不少學(xué)者對(duì)改良劑對(duì)盾構(gòu)渣土改良效果的影響進(jìn)行了研究。張建勇[5]利用固廢基膠凝材料及玄武巖纖維對(duì)盾構(gòu)漿渣進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)摻量的玄武巖纖維可提高筋-土界面的摩擦力，加入的改良劑對(duì)增強(qiáng)漿渣的抗凍性具有重要作用；單青紅[6]提出合理選擇渣土改良方案，可有效預(yù)防盾構(gòu)泥餅。

本文以新建寧波至舟山鐵路盾構(gòu)施工段為背景，通過室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比合適的改良劑，以解決盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，為泥水平衡盾構(gòu)工程質(zhì)量和施工安全提供參考。

1" "工程概況

位于浙江省東部沿海地區(qū)的新建寧波（含）至舟山（含）鐵路，西起寧波東站，經(jīng)寧波市鄞州區(qū)、北侖區(qū)，至舟山市的金塘島、冊(cè)子島及舟山本島。該鐵路正線全長(zhǎng)為76.396km，其中新建線路長(zhǎng)度為70.137km，利用既有線路的長(zhǎng)度為6.259km。既有線路包含寧波樞紐、舟山地區(qū)相關(guān)工程及公鐵合建橋梁公路部分。

2" "地質(zhì)情況和存在問題

2.1" "地質(zhì)情況

該鐵路寧波一側(cè)的始發(fā)盾構(gòu)機(jī)累計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為4940m，其上軟下硬復(fù)合地層的厚度為1115m，最大強(qiáng)度為191MPa。該盾構(gòu)段上覆土層主要為：第四系人工填筑土層，第四系全新統(tǒng)海積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土，第四系上更新統(tǒng)海積層粉質(zhì)黏土，第四系上更新統(tǒng)沖積層、沖湖積、沖海積粉砂、細(xì)砂、中砂、圓礫土，第四系中更新統(tǒng)沖湖積層粉質(zhì)黏土，第四系中更新統(tǒng)沖積層圓礫土、含黏性土碎石層。該盾構(gòu)段下伏基巖主要為侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r、凝灰熔巖、英安巖、安山巖。

2.2" "存在問題

盾構(gòu)機(jī)在該鐵路上軟下硬復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，容易出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)跑偏、盾構(gòu)機(jī)上浮、出渣量過大引起地表沉降、刀具受力不均造成其偏磨，以及刀盤結(jié)泥餅和出渣困難等問題。本文擬通過試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出配合比合適的渣土改良劑，以改善刀盤結(jié)出泥餅現(xiàn)象。

3" "試驗(yàn)方法、工況以及配合比設(shè)計(jì)

3.1" "試驗(yàn)方法

根據(jù)上軟下硬復(fù)合地層的特性，在該鐵路盾構(gòu)工程中擬將膨潤(rùn)土泥漿與泡沫劑混合，組成新的配合比對(duì)渣土進(jìn)行改良。為獲取膨潤(rùn)土與泡沫劑不同配合比對(duì)渣土改良效果的影響，采取坍落度、直接剪切以及滲透性等試驗(yàn)方法。

3.2" "試驗(yàn)工況及配合比設(shè)計(jì)

共設(shè)置4種試驗(yàn)工況，每種試驗(yàn)工況設(shè)置7組改良劑的配合比，以此對(duì)渣土改良效果進(jìn)行深入研究。渣土改良的四種試驗(yàn)工況七組配合比如表1所示。

4" "試驗(yàn)種類與數(shù)據(jù)分析

4.1" "砂礫渣土坍落度試驗(yàn)

4.1.1" "單一改良劑對(duì)坍落度的影響

4種試驗(yàn)工況下改良劑對(duì)砂礫渣土坍落度的影響如圖1所示。由圖1可知改良后砂礫渣土坍落度的變化情況。工況1僅使用膨潤(rùn)土泥漿改良，膨潤(rùn)土泥漿含量越多，改良后砂礫渣土的坍落度趨向于大，其變化區(qū)間為40～200mm，使用膨潤(rùn)土泥漿改良后的砂礫渣土具有可塑性較好、流動(dòng)性較差的特點(diǎn)。工況2僅使用泡沫劑改良，泡沫劑含量越多，改良后砂礫渣土的坍落度更大，其坍落度從200mm增加到260mm。改良后的砂礫渣土具有流動(dòng)性較好、可塑性較差的特點(diǎn)。

4.1.2" "改良劑的不同配合比對(duì)坍落度影響

改良劑的不同配合比對(duì)坍落度影響如圖2所示。由圖2可知，隨著改良劑的配合比加大，改良后砂礫渣土的坍落度也從142mm增加到210mm。當(dāng)泡沫劑與膨潤(rùn)土泥漿配合比在5%～7%時(shí)，改良后砂礫渣土的流塑性最好。

通過室內(nèi)滲透性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著改良劑的配合比從1%增加到8%，改良后砂礫渣土的滲透系數(shù)從3.92×10-3cm/s減小至8.10×10-5cm/s。在配合比達(dá)到3%時(shí)，砂礫渣土的滲透系數(shù)減小的最快，超過3%時(shí)減小速度變緩。

通過室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著改良劑的配合比從1%增加到8%，改良后的砂礫渣土的粘聚力從3.69kPa增加到4.25kPa，增大了0.56kPa；內(nèi)摩擦角從34.3°減小到28.6°，減小了5.7°。

4.2" "中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土試驗(yàn)

4.2.1" "中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的特性

中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的特性如下：一是含有豐富的粘土顆粒，具有較高的黏性和塑性。二是含有大量的細(xì)小孔隙和通道，使其對(duì)水分具有較強(qiáng)的吸附能力，遇水時(shí)會(huì)吸附水分并逐漸填充至其內(nèi)部孔隙中，造成其粘土顆粒之間的粘聚力和吸附力增加，從而導(dǎo)致其軟化。三是其顆粒結(jié)構(gòu)細(xì)小且均勻，使得其整體的孔隙度較高，水分很容易滲入其內(nèi)部，導(dǎo)致其滲透系數(shù)增加，從而表現(xiàn)出較高的滲透性。

分析認(rèn)為，對(duì)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土試驗(yàn)的重點(diǎn)，是通過坍落度試驗(yàn)探究改良后的渣土的流塑性。通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土的液限和塑限分別為27.9%和18.4%。因此主要研究中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土含水率在18%、20%和22%時(shí)的流塑性變化規(guī)律。

4.2.2" "粉砂巖渣土不同含水率對(duì)坍落度的影響

中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土不同含水率對(duì)坍落度的影響如圖3所示。由圖3可知，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土在含水率小于18.4%時(shí)，其坍落度極小，幾乎為零；當(dāng)含水量超過18.4%后，其坍落度不斷增大。當(dāng)含水量超過液限后，其坍落度最大值為170mm。此時(shí)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土的黏性較大，若不對(duì)該渣土進(jìn)行任何改良，就會(huì)出現(xiàn)刀盤結(jié)出泥餅的現(xiàn)象，從而影響盾構(gòu)機(jī)施工。

4.2.3" "膨潤(rùn)土泥漿對(duì)粉砂巖渣土的作用

中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土不同含水率試驗(yàn)曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖渣土含水率的增加，改良后該渣土的坍落度逐漸增大。與泡沫劑相比，使用膨潤(rùn)土泥漿改良粉砂巖渣土的坍落度更大。

分析其原因如下：一是膨潤(rùn)土具有較強(qiáng)的吸附能力，能夠吸附水分子，使得渣土顆粒表面形成一層水膜，從而增加了渣土的坍落度。二是膨潤(rùn)土在水中能夠形成膠體，具有較強(qiáng)的粘結(jié)作用，能夠?qū)⒃令w粒黏結(jié)在一起，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而增加了渣土的坍落度，而泡沫劑對(duì)坍落度的作用較弱。三是膨潤(rùn)土具有較強(qiáng)的吸水性和保水性，使得渣土內(nèi)部保持一定的濕潤(rùn)狀態(tài)，從而增大了渣土的流動(dòng)性和可塑性，有利于提高渣土的坍落度，而泡沫劑的保水性能較弱。四是使用膨潤(rùn)土可以通過調(diào)節(jié)其粒徑和含量來實(shí)現(xiàn)對(duì)渣土坍落度的精確控制，而泡沫劑的作用相對(duì)單一，很難像膨潤(rùn)土那樣實(shí)現(xiàn)粒徑的調(diào)控。

4.2.4" "粉砂巖渣土不同含水率對(duì)改良效果的影響

由圖4a、圖4b、圖4c可知，當(dāng)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖含水率分別為18%、20%和22%時(shí)，渣土的坍落度分別為20～181mm、30～207mm、33～237mm。葉新宇[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，最佳坍落度取值范圍為170～200mm，因此在含水率為18%時(shí)，需要添加12.9%～14%的膨潤(rùn)土泥漿；在含水率為20%時(shí)，需要添加10.8%～12.6%的改良劑，其中膨潤(rùn)土泥漿與泡沫的比例為4：1；在含水率為22%時(shí)，需要添加12%～14%的改良劑，其中膨潤(rùn)土泥漿與泡沫的比例為4：1，或者添加11.4%～13.8%的膨潤(rùn)土泥漿。

5" "結(jié)束語

本文以新建寧波至舟山鐵路盾構(gòu)工程為研究背景，針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤結(jié)泥餅的問題提出了渣土改良措施。通過室內(nèi)試驗(yàn)，探究了膨潤(rùn)土泥漿與泡沫不同配合比對(duì)復(fù)合地層盾構(gòu)施工中的渣土改良效果的影響，得出的主要結(jié)論如下：

僅使用膨潤(rùn)土泥漿，改良后的砂礫渣土具有可塑性較好、流動(dòng)性較差的特點(diǎn)。僅使用泡沫劑改良，改良后的砂礫渣土具有流動(dòng)性較好、可塑性較差的特點(diǎn)。

當(dāng)泡沫劑與膨潤(rùn)土泥漿配合比在5%～7%時(shí)，渣土改良的流塑性最好；在含水率為18%時(shí)，需要添加12.9%～14%的膨潤(rùn)土泥漿；在含水率為20%時(shí)，需要添加10.8%～12.6%的改良劑，其中膨潤(rùn)土泥漿與泡沫的比例為4：1；在含水率為22%時(shí)，需要添加12%～14%的改良劑，其中膨潤(rùn)土泥漿與泡沫的比例為4：1，或者添加11.4%～13.8%的膨潤(rùn)土泥漿。

隨著改良劑含量的增加，渣土的坍落度逐漸增大，相比于泡沫劑，膨潤(rùn)土泥漿對(duì)渣土的影響更大，最佳坍落度取值范圍為170～200mm。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭沁穎，李白云，丁建文，等.工業(yè)廢渣改良泥水盾構(gòu)渣土的路用性能試驗(yàn)研究[J/OL].土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)（中英文），1-11[2025-01-23].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1218.TU.20221222.0927.002.html.

[2] 杜昌言，朱漢標(biāo)，王樹英，等.泥水盾構(gòu)泥餅分散崩解試驗(yàn)與應(yīng)用研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2022，42（5）：847-853.

[3] 李興高，郭易東，孫宇，等.泥水盾構(gòu)排漿系統(tǒng)輸送大粒徑卵石管道的壓力損失[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，52（7）：135-144.

[4] 李洋洋，丁智儒.大直徑泥水盾構(gòu)常壓刀盤設(shè)計(jì)使用淺談[J].建筑機(jī)械，2024（4）：14-17.

[5] 張建勇.基于凍融循環(huán)試驗(yàn)的改良泥水盾構(gòu)漿渣劣化特性研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2024，61（1）：260-271.

[6] 單青紅.泥巖地層盾構(gòu)渣土改良技術(shù)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2024（5）：217-219.

[7] 葉新宇.泥質(zhì)粉砂巖地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)研究與應(yīng)用[D].武漢：中南大學(xué)，2014.