賀斯進(jìn)

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510010)

0 引言

西安地鐵是在黃土地質(zhì)條件下修建而成的。由于黃土分布的區(qū)域性，國內(nèi)外對在黃土地層中進(jìn)行土壓平衡盾構(gòu)隧道施工的分析和研究較少。為了得到有利于土壓平衡盾構(gòu)順利施工的理想狀態(tài)的渣土，各國學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，主要涉及使用泡沫劑、膨潤土、高分子材料及相互組合使用等對砂土、黏性土進(jìn)行改良。土壓平衡式盾構(gòu)需要在壓力艙內(nèi)充滿開挖泥土，通過對開挖土體施加壓力來平衡開挖面上的土壓力和水壓力，因此土壓平衡式盾構(gòu)壓力艙內(nèi)土體的理想狀態(tài)應(yīng)為“塑性流動狀態(tài)”［1］。從目前的研究成果來看，業(yè)界對塑性流動狀態(tài)的含義及其物理力學(xué)指標(biāo)已達(dá)成共識。一般認(rèn)為，從土力學(xué)的角度分析，這種塑性流動狀態(tài)主要包括土體不易固結(jié)排水、土體處于流塑狀態(tài)、土體具有較低的透水率、土體具有較低的內(nèi)摩擦角。其力學(xué)指標(biāo)主要包括滲透系數(shù)、內(nèi)摩擦角(φ)和內(nèi)聚力(c)、坍落度T(流動度)、壓縮系數(shù)a。樂貴平等［2］也提到土體應(yīng)具有優(yōu)良的黏稠性，相應(yīng)指標(biāo)為黏稠度指數(shù)Ic。日本的相關(guān)研究學(xué)者認(rèn)為:土體的坍落度在100～150 mm時(shí)，可以認(rèn)為其滿足塑性流動狀態(tài)的要求。國內(nèi)學(xué)者魏康林［3－4］認(rèn)為:經(jīng)過外加劑改良后的土體必須具有較小的抗剪強(qiáng)度、相對適中的可壓縮性、較低的滲透性和一定的流動性?，F(xiàn)場施工一般通過土艙內(nèi)的土壓、盾構(gòu)負(fù)荷、螺旋輸送機(jī)的排土效率和排土性狀測量(坍落度試驗(yàn))來進(jìn)行塑流性狀態(tài)的評價(jià)和管理［5－7］。

盾構(gòu)在黃土地層掘進(jìn)過程中，目前使用的改良劑材料主要為礦物類材料，高吸水性樹脂材料，纖維類、多糖類及負(fù)離子類材料，表面活性材料和硅溶膠等。常用的幾種添加材料的特點(diǎn)及使用土層對比如表1所示。

表1 盾構(gòu)施工中常用渣土改良劑對比Table 1 Ground conditioning agents used in shield tunneling

目前國內(nèi)地鐵盾構(gòu)施工主要采用膨潤土和泡沫對土體進(jìn)行改良［8－9］。膨潤土泥漿組成簡單，功能單一;泡沫主要采用進(jìn)口產(chǎn)品，效果雖好但造價(jià)過高?？傮w上，土體改良劑的使用缺乏理論指導(dǎo)，沒有評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)方法，給盾構(gòu)施工帶來了各種難題。考慮到材料的通用性及經(jīng)濟(jì)性，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合工程實(shí)際，就膨潤土、泡沫對黃土地區(qū)的渣土改良進(jìn)行了研究，通過膨潤土泥漿優(yōu)化試驗(yàn)找到了適合黃土地層的膨潤土改良劑及膨潤土泥漿的最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)，通過泡沫優(yōu)化試驗(yàn)找到了泡沫的性能與發(fā)泡劑溶液最佳體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，并在實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用，以期研究成果為西安地區(qū)乃至西部黃土地區(qū)的地鐵建設(shè)提供借鑒與參考。

1 工程概況

西安地鐵2號線試驗(yàn)段行政中心站—鳳城五路站區(qū)間位于西安市北郊未央大道下方，線路全長1 046 m，線間距13～19 m，最大坡度23‰。區(qū)間地面標(biāo)高383.84～387.70 m，隧道埋深8.0～11.2 m。區(qū)間位于渭河二級階地，地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積、殘積及沖積層。主要為Qeol3，黃土的物質(zhì)成分包括粒度成分、礦物成分和化學(xué)成分3個(gè)方面。表2為西安市二級、三級階地上濕陷性黃土的粒度成分。

表2 西安市濕陷性黃土的粒度成分Table 2 Particle ingredients of collapsible loess in Xi’an

從表2可以看出，黃土主要成分為粉質(zhì)顆粒(粒徑0.5～0.1)，約占52%，而黏粒含量不足25%。黃土的礦物成分中以石英、長石為主，約占90%以上?；瘜W(xué)成分以SiO2和Al2O3為主，其主要化學(xué)成分如表3所示。

表3 西安市區(qū)濕陷性黃土的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of collapsible loess in urban area of Xi’an

2 試驗(yàn)工況

土壓平衡盾構(gòu)在黃土地層掘進(jìn)時(shí)，必須采取土體改良措施，目前采用膨潤土及泡沫劑改良土體已被廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)施工中。我國地鐵施工中開展對渣土改良的試驗(yàn)研究表明，泡沫不但能顯著降低砂土的滲透系數(shù)和剪切強(qiáng)度，而且能加大混合體的和易性;若加入適量膨潤土，則可獲得進(jìn)一步提高砂土保水性、流動性及降低砂土的滲透系數(shù)和剪切強(qiáng)度的效果，這對盾構(gòu)施工中改良土體工程性質(zhì)的研究具有重要意義。

試驗(yàn)的主要目的是通過以下試驗(yàn)，給出合適的膨潤土及泡沫劑添加量。根據(jù)試驗(yàn)的目的及要求，按改良土的組分結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況如下。

1)按照膨潤土與水的質(zhì)量比為 1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶14分別配制膨潤土泥漿，測試泥漿的黏度及相對體積質(zhì)量，繪制泥漿體積分?jǐn)?shù)—黏度、泥漿體積分?jǐn)?shù)—相對體積質(zhì)量關(guān)系曲線，給出膨潤土膨化效果最優(yōu)時(shí)的泥漿體積分?jǐn)?shù)及泥漿膨化時(shí)間。

2)通過對體積分?jǐn)?shù)為1% ～6%發(fā)泡劑溶液所產(chǎn)生的泡沫的半衰期和發(fā)泡倍率進(jìn)行測量，從而得到泡沫的性能與發(fā)泡劑溶液體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對膨潤土及泡沫劑在黃土地層盾構(gòu)施工中渣土改良的效果進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果選擇最優(yōu)膨潤土及泡沫劑與黃土的配比，并進(jìn)行現(xiàn)場試掘進(jìn)來驗(yàn)證其渣土改良效果。

3.1 膨潤土泥漿優(yōu)化試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)情況

為了找出膨潤土泥漿的最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)及最佳膨化效果，按工況選取了西安地區(qū)不同礦質(zhì)的膨潤土，包括鈣基膨潤土、鈉基膨潤土(洋縣宏泰)和鈉基膨潤土(洋縣人和)，配制了其在多種體積分?jǐn)?shù)下的膨潤土泥漿，并分別對其膨化24 h后，找出膨潤土最優(yōu)泥漿下的最佳膨化時(shí)間，試驗(yàn)室溫度為5～10℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4—6，圖1和圖2所示。

表4 不同質(zhì)量比的鈣基膨潤土泥漿黏度隨時(shí)間變化關(guān)系Table 4 Relationship between viscosityof calcium-bentonite slurry with different weight ratio and time s

表5 不同質(zhì)量比的鈉基膨潤土(洋縣宏泰)泥漿黏度隨時(shí)間變化關(guān)系Table 5 Relationship between viscosityof calcium-bentonite slurry(Hongtai)with different weight ratio and time s

表6 不同質(zhì)量比的鈉基膨潤土(洋縣人和)泥漿黏度隨時(shí)間變化關(guān)系Table 6 Relationship between viscosity of calcium-bentonite slurry(Renhe)with different weight ratio and time s

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表4—6和圖1—2可以看出:

1)處于相同質(zhì)量比時(shí)的鈉基膨潤土與鈣基膨潤土，在相對體積質(zhì)量與黏度上鈉基膨潤土優(yōu)于鈣基膨潤土。因此，鈉基膨潤土相比于鈣基膨潤土更有利于渣土改良，在施工過程中宜選擇鈉基膨潤土作為渣土的改良劑。在相同的膨化時(shí)間下，產(chǎn)自洋縣宏泰的鈉基膨潤土比洋縣人和的具有更好的黏度，選擇膨潤土?xí)r宜選擇洋縣宏泰鈉基膨潤土。

2)當(dāng)鈉基膨潤土添加比例大于或等于1∶10時(shí)，其泥漿黏度隨攪拌時(shí)間增長而加大，其增長幅度隨膨潤土添加比例的增大而增大，泥漿黏度峰值分布于18～24 h。當(dāng)膨潤土添加比例小于1∶10時(shí)，黏度隨攪拌時(shí)間增長不明顯，故添加比例小于1∶10的情況不做詳細(xì)研究，而將研究重點(diǎn)放在膨潤土添加比例大于或等于1∶10 的工況。

3)在膨潤土膨化18～24 h后達(dá)到泥漿黏度峰值，后面配制的膨潤土泥漿膨化時(shí)間可選定為18 h。

3.2 泡沫優(yōu)化試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)情況

泡沫的性能主要由半衰期和發(fā)泡倍率2個(gè)指標(biāo)衡量。半衰期為氣泡衰變破滅到一半質(zhì)量時(shí)所需的時(shí)間。發(fā)泡倍率是指一定體積的發(fā)泡劑溶液所發(fā)出的氣泡體積與發(fā)泡劑溶液體積的比值。本試驗(yàn)參照歐洲的測量標(biāo)準(zhǔn)，對這2個(gè)泡沫性能參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測量。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，泡沫的半衰期大于5 min，發(fā)泡倍率為10～20就能滿足土壓平衡盾構(gòu)施工的要求。通過對體積分?jǐn)?shù)為1%～6%發(fā)泡劑溶液所產(chǎn)生的泡沫的半衰期和發(fā)泡倍率進(jìn)行測量，從而得到泡沫的性能與發(fā)泡劑溶液體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。試驗(yàn)使用的發(fā)泡劑為國產(chǎn)發(fā)泡劑。溶液體積分?jǐn)?shù)從1%增大到3%，發(fā)泡倍率從10.0增加到19.3，發(fā)泡倍率增大明顯;溶液體積分?jǐn)?shù)從3%增大到6%時(shí)，發(fā)泡倍率從19.3增加到21.8，發(fā)泡倍率增大并不顯著，如圖3所示。溶液體積分?jǐn)?shù)從1%增大到3%時(shí)，半衰期從9 min增加到10.2 min;而當(dāng)體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大到4%時(shí)，半衰期反而下降，最后維持在9.5 min左右，主要是因?yàn)殡S著發(fā)泡液體積分?jǐn)?shù)增大，泡沫的直徑變大，容易破滅，如圖4所示。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件一定時(shí)，泡沫的發(fā)泡倍率隨著發(fā)泡液體積分?jǐn)?shù)的增加而明顯的增大，發(fā)泡液體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，發(fā)泡倍率變化最明顯，但存在一個(gè)臨界體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)發(fā)泡液體積分?jǐn)?shù)達(dá)到這個(gè)體積分?jǐn)?shù)(5%)時(shí)，發(fā)泡倍率僅有輕微的變化，幾乎不再受溶液體積分?jǐn)?shù)影響。當(dāng)發(fā)泡液超過一定的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，泡沫的半衰期有所降低，從這個(gè)角度看，體積分?jǐn)?shù)過大在降低性能的同時(shí)會造成泡液的浪費(fèi)。

4 實(shí)際施工參數(shù)

經(jīng)過對試驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集、對比分析及對現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果，渣土改良參數(shù)和注入?yún)?shù)如下。

4.1 渣土改良參數(shù)

1)膨潤土。納基膨潤土。

2)泡沫劑。砂性土專用泡沫劑。

4.2 注入?yún)?shù)

1)膨潤土泥漿。膨潤土∶水=1∶10(質(zhì)量比)，注入率20%(與渣土體積比)。

2)泡沫劑。發(fā)泡液體積分?jǐn)?shù)為2%，發(fā)泡倍率為15，注入率為20% ～40%(與渣土體積比)。

5 實(shí)際改良效果

1)降低刀盤內(nèi)外周溫度。盾構(gòu)刀盤密封正常的工作溫度為30～40℃，當(dāng)溫度超過60℃就需要進(jìn)行停機(jī)，使刀盤溫度降低至50℃以內(nèi)，在70℃以上刀盤密封會發(fā)生物理變形，當(dāng)溫度超過規(guī)定值時(shí)就會報(bào)警甚至停機(jī)。

區(qū)間需穿越西安市北三環(huán)輔道，該道路下方在運(yùn)輸車輛動荷載的作用下相對密實(shí)。在掘進(jìn)該道路下方時(shí)，基本上在30 min(即400 mm行程)內(nèi)，盾構(gòu)刀盤內(nèi)周溫度上升至60℃，土溫可達(dá)到42℃。在向刀盤前方加大注入泡沫和膨潤土后，刀盤溫度降低至40～50℃，沒有達(dá)到理想的工作溫度。為了進(jìn)一步降低刀盤密封溫度，對土壓平衡盾構(gòu)的加泥管路進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母脑?，將通往土倉的管路也接到了刀盤面板，效果十分明顯，刀盤密封溫度從原來的46～48℃下降到32～35℃。渣土改良對刀盤溫度的影響詳見圖5。

圖5 渣土改良對刀盤溫度的影響Fig.5 Influence of groud conditioning on temperature of cutter head

在40～90環(huán)這個(gè)區(qū)間盾構(gòu)刀盤密封平均溫度在50℃;90～140環(huán)后，增加了膨潤土和泡沫的使用量并且將加泥管路改至刀盤前方后，溫度降低至40～50℃;在140環(huán)后，即穿越繞城高速后，刀盤密封溫度降低至30～40℃，后期基本穩(wěn)定在30℃上下。

2)增加土的塑性、流動性。渣土過干會使螺旋機(jī)油壓增加，渣土不能順利排出，嚴(yán)重時(shí)會造成螺旋被卡死的情況，需要人工打開螺旋機(jī)的蓋板，將過干的砂土用鐵鍬掏出后，方可恢復(fù)工作;渣土過稀時(shí)，會造成渣土從皮帶與皮帶架之間的間隙處流出，污染雙軌梁下的管片和成型隧道，造成人工不必要的浪費(fèi)。在試驗(yàn)室內(nèi)，對砂土的流塑性一般用坍落度的方法來對渣土改良效果進(jìn)行側(cè)面反映，室內(nèi)渣土改良效果詳見圖6。渣土改良效果比較好時(shí)，改良后的渣土有一定流動性且能夠聚集在一起。在盾構(gòu)施工現(xiàn)場，由于使用的是密閉式土壓平衡盾構(gòu)，不能取到掌子面的原狀土。但可通過了解土壓力變化情況、觀察出土口的出渣情況或直接在皮帶上取土觀察等對渣土改良效果進(jìn)行判斷。

圖6 室內(nèi)渣土改良效果圖Fig.6 Indoor ground conditioning effect

渣土改良對螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力的影響詳見圖7。由圖7可見，在渣土改良初期的40～120環(huán)，螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力處于6 MPa左右，波動大不穩(wěn)定。隨著渣土改良的成熟，在160環(huán)以后，螺旋機(jī)的回轉(zhuǎn)壓力基本處于3 MPa左右。圖7中在360環(huán)、440～480環(huán)附近出現(xiàn)的較高值屬于特殊情況，其中360環(huán)出現(xiàn)的高值是由于盾構(gòu)掘進(jìn)加固區(qū)渣土中含有較多的旋噴樁加固體造成的;440～480環(huán)出現(xiàn)的較高值是由于加泥泵出現(xiàn)故障，不能正常加泥造成的。總體來講，通過膨潤土+泡沫的渣土改良方案，可以改良土的塑性和流動性，具體表現(xiàn)在降低螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力及出渣順利程度上。

圖7 渣土改良對螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力的影響Fig.7 Influence of ground conditioning on rotation pressure of screw conveyor

6 結(jié)論及建議

1)處于相同質(zhì)量比時(shí)的鈉基膨潤土與鈣基膨潤土，在相對體積質(zhì)量與黏度上鈉基膨潤土優(yōu)于鈣基膨潤土，因此，鈉基膨潤土相比于鈣基膨潤土更有利于渣土改良，在施工過程中宜選擇鈉基膨潤土作為渣土的改良劑。

2)當(dāng)鈉基膨潤土添加比例等于1∶10時(shí)，能夠滿足施工要求，建議在今后的泥漿配合時(shí)優(yōu)先選用該配比。最優(yōu)的膨化時(shí)間出現(xiàn)在18～24 h，若小于18 h，膨潤土黏度達(dá)不到峰值，膨化時(shí)間過長，不能滿足施工進(jìn)度要求。

3)在用膨潤土泥漿對渣土進(jìn)行改良時(shí)，能起到很好的效果，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改良后土體的和易性得到了很大的提高，流動性得到了增強(qiáng)，抗?jié)B性也滿足要求。

4)通過土試樣在不同泡沫摻入比下的坍落度試驗(yàn)表明，即使泡沫的摻入比很大也難以達(dá)到良好的改良效果。泡沫的摻入比越大，改良后土的坍落度增長越快。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，最終得到了試驗(yàn)砂土泡沫改良的優(yōu)化摻入比范圍。

5)目前西安地鐵二號線區(qū)間已順利貫通并成功投入運(yùn)營。實(shí)踐證明，通過實(shí)驗(yàn)研制出的膨潤土的種類及最優(yōu)配比在實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用。

［1］ 朱偉，陳仁俊.盾構(gòu)隧道基本原理及在我國的使用情況［J］. 巖土工程界，2001(11):19－21.(ZHU Wei，CHEN Renjun.The basic principle of shield tunnel and the use in our country［J］.Geological Exploration for Non-ferrous Metals，2001(11):19－21.(in Chinese))

［2］ 樂貴平，江玉生.土壓平衡盾構(gòu)法施工掘進(jìn)面平衡壓力初探［C］//中國土木工程學(xué)會第十一屆、隧道及地下工程分會第十三屆年會論文集.北京:中國土木工程學(xué)會，2004.

［3］ 魏康林.土壓平衡式盾構(gòu)施工中噴涌問題的發(fā)生機(jī)理及其防治措施研究［D］.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，2003:1－21.(WEI Kanglin.Earth pressure balance type shield tunnel beneath the happening of the problems in the mechanism and its prevention and control measures［D］.School of Civil Engineering and Communication，Hohai University，2003:1－21.(in Chinese))

［4］ 魏康林.土壓平衡盾構(gòu)施工中“理想狀態(tài)土體”的探討［J］.城市軌道交通研究，2007(1):67－70.(WEI Kanglin.On the “Ideal Soil”in the earth pressure balanced shield tunnelling［J］.Urban Mass Transit，2007(1):67 －70.(in Chinese))

［5］ 秦建設(shè)，朱偉，林進(jìn)也.盾構(gòu)施工中氣泡應(yīng)用效果評價(jià)研究［J］. 地下空間，2004(3):285－289.(QIN Jianshe，ZHU Wei，LIN Jinye.Assessment of the foam application in EPB shield tunneling［J］.Underground Space，2004(3):285－289.(in Chinese))

［6］ 張明晶.土壓平衡式盾構(gòu)施工中閉塞問題的發(fā)生機(jī)理及其防治措施研究［D］.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，2004:3－26.(ZHANG Mingjing.Study on the mechanism and curing method of blocking in EPBs［D］.School of Civil Engineering and Communication，Hohai University，2004:3 －26.(in Chinese))

［7］ 林健.土體改良降低土壓平衡式盾構(gòu)刀盤扭距的機(jī)理研究［D］.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，2006:9－32.(LIN Jian.The soil improvement reduce soil pressure balance type shield the knife dish of torque is its mechanism［D］.School of Civil Engineering and Communication，Hohai University，2006:9 －32.(in Chinese))

［8］ 閆鑫，龔秋明，姜厚停.土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫改良砂土的試驗(yàn)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010(3):449－453.(YAN Xin，GONG Qiuming，JIANG Houting.Soil conditioning for earth-pressure balanced shields excavation in sand layers［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010(3):449－453.(in Chinese))

［9］ 汪國鋒.北京地鐵十號線土壓平衡盾構(gòu)土體改良技術(shù)應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009(4):77－81.(WANG Guofeng.Siol improvement technologies and implementation for EPB shield in Beijing subway Line 10［J］.Modern Tunnelling Technology，2009(4):77－81.(in Chinese))