蘇小江，鄧國(guó)華

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安710018）

全斷面砂層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良技術(shù)試驗(yàn)研究

蘇小江，鄧國(guó)華

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安710018）

針對(duì)西安地區(qū)全斷面砂層特點(diǎn)，以膨潤(rùn)土與黃土等土體改良材料，對(duì)各類(lèi)砂土進(jìn)行了土體改良試驗(yàn)，研究土壓平衡盾構(gòu)砂層施工渣土改良材料配比參數(shù)，并結(jié)合西安地鐵二號(hào)線一期工程運(yùn)動(dòng)公園站～北客站盾構(gòu)隧道下穿全斷面砂層工程實(shí)例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果及工程實(shí)踐表明：膨潤(rùn)土與黃土混合泥漿對(duì)各類(lèi)砂層渣土具有較好的改良效果，提高了砂層渣土流塑性，解決了土壓平衡盾構(gòu)在西安地區(qū)全斷面砂層中出土不暢、土壓難以建立等施工難題，為同類(lèi)工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

砂層；土壓平衡盾構(gòu)；渣土改良

當(dāng)前，隨著城市建設(shè)水平的不斷提高和建設(shè)范圍的不斷擴(kuò)展，地鐵工程面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，尤其是城市建成區(qū)，高樓密集，管線錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)地面沉降和地層穩(wěn)定要求極高。盾構(gòu)法成了緩解這一問(wèn)題最好的方法［1］。西安城區(qū)位于渭河南岸，分布有深度大、范圍廣的砂層，在地鐵建設(shè)初期，土壓平衡盾構(gòu)施工遇到了掘進(jìn)困難、土壓平衡難以建立、地面沉降量大、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不易控制、設(shè)備磨損過(guò)大等技術(shù)難題，究其原因，與渣土改良技術(shù)密不可分，本文以此為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，通過(guò)一系列試驗(yàn)，系統(tǒng)探討全斷面砂層土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)渣土改良技術(shù)，旨在為此類(lèi)地層的后續(xù)施工提供必要的參考和幫助。

1 砂層渣土改良技術(shù)簡(jiǎn)介

渣土改良是向開(kāi)挖面、土倉(cāng)或螺旋輸送機(jī)內(nèi)添加塑流化改性材料，通過(guò)攪拌，使被開(kāi)挖土體形成一定的流塑性，以滿足開(kāi)挖設(shè)備的要求［2－3］。現(xiàn)代隧道施工中，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)通過(guò)渣土改良技術(shù)已能適應(yīng)多種環(huán)境和地層的要求，可在砂礫、砂、粉砂、粘土等地層中使用［4－8］。目前，土體改良材料主要為泡沫、膨潤(rùn)土泥漿和聚合物［9－11］，其中泡沫可增強(qiáng)開(kāi)挖面穩(wěn)定性和渣土流塑性，減少泥餅的形成；膨潤(rùn)土泥漿可改善土體的密實(shí)性和流塑性，提高土體的可開(kāi)挖性和防水性，穩(wěn)定地層；聚合物一般用于水量較大的地層施工，可有效治理噴涌，穩(wěn)定開(kāi)挖面。膨潤(rùn)土與其他土體改良材料相比，其取材方便，使用成本相對(duì)較低，結(jié)合西安的地質(zhì)特征，膨潤(rùn)土具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 試驗(yàn)分析

為使土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)西安地區(qū)砂層施工，在二號(hào)線運(yùn)動(dòng)公園站～北客站區(qū)間施工期間就砂層渣土改良進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并結(jié)合工程施工實(shí)際效果進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。

2.1 研究思路

本文主要以膨潤(rùn)土和黃土等添加材料對(duì)砂土進(jìn)行改良，按水與膨潤(rùn)土的不同質(zhì)量比、膨潤(rùn)土泥漿與砂土不同體積比、膨潤(rùn)土和黃土混合泥漿與砂土不同體積比3種工況進(jìn)行試驗(yàn)砂土配置、常規(guī)土工試驗(yàn)、稠度及比重試驗(yàn)、塌落度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)［12－14］，研究膨潤(rùn)土膨化效果最優(yōu)時(shí)的膨潤(rùn)土泥漿濃度，使改良后的砂土具有優(yōu)良的物理力學(xué)指標(biāo)和塑性流動(dòng)狀態(tài)［15］。

2.2 膨潤(rùn)土膨化試驗(yàn)

試驗(yàn)按照工況1分別選取鈣基膨潤(rùn)土和鈉基膨潤(rùn)土進(jìn)行不同濃度的膨化試驗(yàn)，在試驗(yàn)溫度5℃～10℃條件下，不同濃度的膨潤(rùn)土泥漿粘度和膨化時(shí)間關(guān)系曲線如圖1～圖3所示。膨潤(rùn)土泥漿比重、粘度與濃度關(guān)系曲線見(jiàn)圖4、圖5。

圖1 不同濃度鈣基膨潤(rùn)土泥漿粘度變化曲線

由圖1～圖5可看出，相同濃度的鈉基膨潤(rùn)土與鈣基膨潤(rùn)土，鈉基膨潤(rùn)土在比重和粘度方面優(yōu)于鈣基膨潤(rùn)土，而洋縣宏泰鈉基膨潤(rùn)土比洋縣人和鈉基膨潤(rùn)土更能獲得較好粘度和比重；鈉基膨潤(rùn)土泥漿濃度大于等于1∶10時(shí)，粘度隨膨潤(rùn)土的添加比例和膨化時(shí)間增加而增大，粘度峰值介于18 h～24 h，而當(dāng)泥漿濃度小于1∶10時(shí)，粘度變化并不顯著。為此，后續(xù)試驗(yàn)取鈉基膨潤(rùn)土泥漿濃度為1∶10，膨潤(rùn)土泥漿膨化時(shí)間選定為18 h。

圖2 不同濃度鈉基膨潤(rùn)土（洋縣宏泰）泥漿粘度變化曲線

圖3 不同濃度鈉基膨潤(rùn)土（洋縣人和）泥漿粘度變化曲線

圖4 膨潤(rùn)土泥漿比重與濃度關(guān)系曲線

圖5 鈉基膨潤(rùn)土泥漿粘度（膨化18 h）與濃度關(guān)系曲線

2.3 膨潤(rùn)土泥漿改良砂土效果試驗(yàn)

為測(cè)試膨潤(rùn)土泥漿的改良效果，根據(jù)施工區(qū)域巖土勘察報(bào)告，按工況2選取不同類(lèi)砂土的顆粒級(jí)配曲線配制中細(xì)砂、中粗砂及礫砂并使其飽和，選濃度為1∶10的鈉基膨潤(rùn)土泥漿（膨潤(rùn)土選用產(chǎn)自洋縣人和的鈉基膨潤(rùn)土），以膨潤(rùn)土泥漿與砂土不同體積比例改良各類(lèi)砂土，測(cè)定滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度、塌落度等指標(biāo)數(shù)據(jù)，選出最優(yōu)膨潤(rùn)土泥漿與砂土的體積比。

2.3.1 砂土的滲透試驗(yàn)

本試驗(yàn)測(cè)定土體改良前后的滲透系數(shù)變化情況，選擇滿足盾構(gòu)施工要求的渣土。針對(duì)西安地區(qū)砂石土層，試驗(yàn)采用變水頭法對(duì)中細(xì)沙、中粗砂和礫砂三種重塑砂土經(jīng)膨潤(rùn)土泥漿改良效果進(jìn)行滲透試驗(yàn)，滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 滲透試驗(yàn)滲透系數(shù) 單位：cm／s

從表1可知，三類(lèi)重塑砂土滲透系數(shù)均達(dá)到了10－2cm／s數(shù)量級(jí)，具有較強(qiáng)的滲透性，經(jīng)膨潤(rùn)土泥漿改良后的各類(lèi)砂土的滲透系數(shù)有了顯著的改變，但礫砂滲透系數(shù)并未達(dá)到盾構(gòu)土倉(cāng)渣土滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10－5cm／s的條件［4］，其改良后滲透系數(shù)仍較大，需繼續(xù)尋找更加合適的改良材料和方法。當(dāng)膨潤(rùn)土泥漿與砂土體積比達(dá)到2∶10以后，渣土抗?jié)B效果隨泥漿增加變化并不顯著，從抗?jié)B效果和經(jīng)濟(jì)方面考慮，膨潤(rùn)土泥漿與砂土的體積比應(yīng)選定為2∶10。

2.3.2 砂土的抗剪試驗(yàn)

采用應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)定盾構(gòu)掘進(jìn)地層中的重塑土以及加入膨潤(rùn)土泥漿改良土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，如圖6、圖7所示。

圖6 改良后砂土黏聚力隨膨潤(rùn)土泥漿加入量的變化曲線

圖7 改良后砂土內(nèi)摩擦角隨膨潤(rùn)土泥漿加入量的變化曲線

西安地區(qū)砂層內(nèi)摩擦角大、抗剪強(qiáng)度高，200 kPa垂直壓力直剪強(qiáng)度中細(xì)砂層為143.44 kPa、中粗砂層為197.23 kPa、礫砂層為200.49 kPa，較大的刀盤(pán)扭矩使得盾構(gòu)機(jī)難以掘進(jìn)。當(dāng)不同比例膨潤(rùn)土泥漿改良三類(lèi)重塑砂土后，內(nèi)摩擦角均較改良前有了不同程度降低，提高了黏聚力，改良效果較為明顯，如圖6所示；膨潤(rùn)土泥漿與砂土的體積比例為2∶10時(shí)能使重塑土體的內(nèi)摩擦角降低最大約為5°，并與比例為2.5∶10時(shí)的重塑砂土抗剪強(qiáng)度相當(dāng)，如圖7所示。為此，從流動(dòng)性方面考慮，應(yīng)選取膨潤(rùn)土泥漿與砂土的體積比例為2∶10，對(duì)渣土改良效果最佳。

2.3.3 砂土的塌落度試驗(yàn)

本試驗(yàn)為對(duì)膨潤(rùn)土泥漿改良的三類(lèi)重塑砂土進(jìn)行塌落度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 塌落度試驗(yàn)結(jié)果

從表2可知，改良前三類(lèi)重塑砂土塌落度很小、流塑性差，隨膨潤(rùn)土泥漿的增加三類(lèi)砂土塌落度均增大，但礫砂改良效果不及中細(xì)、中粗砂層。當(dāng)膨潤(rùn)土泥漿和礫砂體積比為2∶10時(shí)，中細(xì)砂和中粗砂的塌落度分別為14.0 cm和12.0 cm，而礫砂塌落度為6.5 cm，未達(dá)到盾構(gòu)渣土塌落度應(yīng)為10 cm～15 cm的要求［5］；當(dāng)膨潤(rùn)土泥漿和礫砂體積比達(dá)到3∶10時(shí)，礫砂塌落度也僅為11.0 cm，但泥漿用量過(guò)大，不符合工程經(jīng)濟(jì)要求，需繼續(xù)研究適合礫砂的渣土改良材料和方法。

2.4 膨潤(rùn)土與黃土混合泥漿改良礫砂效果試驗(yàn)

根據(jù)上述兩種試驗(yàn)結(jié)果，膨潤(rùn)土泥漿對(duì)礫砂渣土改良不理想，本試驗(yàn)按工況3進(jìn)行膨潤(rùn)土與黃土混合泥漿改良礫砂效果試驗(yàn)。選取鈉基膨潤(rùn)土泥漿濃度為1∶10，膨潤(rùn)土泥漿與砂土體積為2∶10，黃土加入量與加入礫砂的膨潤(rùn)土的質(zhì)量比為1∶3、2∶3、3∶3，測(cè)定改良后礫砂的滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、塌落度等數(shù)據(jù)，選出較適合礫砂的混合泥漿配比。

2.4.1 礫砂的滲透試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可看出，隨黃土量的增加改良礫砂的抗?jié)B性得到不斷提高，當(dāng)黃土與膨潤(rùn)土的加入量為3∶3時(shí)，改良后的礫砂滲透系數(shù)達(dá)到了3.47×10－5cm／s，達(dá)到了改良土體理想抗?jié)B性的要求，比單獨(dú)使用膨潤(rùn)土?xí)r的抗?jié)B效果也有大幅提升。

表3 滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果 單位：cm／s

2.4.2 礫砂的抗剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 改良后砂土粘聚力隨黃土加入量的變化曲線

圖9 改良后砂土內(nèi)摩擦角隨黃土加入量的變化曲線

從圖8、圖9可看出，黃土使改良礫砂的黏聚力得到較大提高，改善了土體和易性，黏聚力從19.3 kPa增加到22.9 kPa，且內(nèi)摩擦角從初始33.1°降至29.4°。為此，膨潤(rùn)土加入黃土組成混合泥漿的改良效果比單獨(dú)使用膨潤(rùn)土泥漿要好。

2.4.3 礫砂的塌落度試驗(yàn)

塌落度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 塌落度試驗(yàn)結(jié)果表

從表4可看出，加入黃土以后，土體的塌落度分別達(dá)到了110mm、120mm、160mm，其和易性得到了明顯的改善，可滿足工程需要。

3 渣土改良方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.1 渣土改良參數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)研究，并結(jié)合西安地鐵二號(hào)線運(yùn)動(dòng)公園站－北苑站區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)實(shí)踐，渣土改良材料及參數(shù)確定為：

A材料：洋縣宏泰鈉基膨潤(rùn)土、砂性土專用氣泡劑（現(xiàn)場(chǎng)添加，未做試驗(yàn)對(duì)比）、黃土（就近采取干凈黃土）；B參數(shù)：膨潤(rùn)土泥漿（膨潤(rùn)土與水質(zhì)量比為1∶10）、注入率為20%（與渣土體積比）。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及改進(jìn)

按每臺(tái)盾構(gòu)日掘進(jìn)10環(huán)（每環(huán)1.5m）和膨潤(rùn)土用量為60 m3考慮，北苑站－北客站區(qū)間左右線盾構(gòu)施工時(shí)，盾構(gòu)施工場(chǎng)地修建了膨潤(rùn)土泥漿拌合基地，包括膨化池、鋼制拌漿池、黃土漿池和放漿池。選用反循環(huán)泥漿泵并及時(shí)調(diào)整泥漿泵，膨化24 h后將膨化好的泥漿抽入泥漿泵，通過(guò)特殊改造的運(yùn)漿車(chē)運(yùn)至盾構(gòu)機(jī)加泥箱中使用。

本區(qū)間隨著盾構(gòu)掘進(jìn)方向，地層的礫石含量及礫石直徑均逐漸增加。當(dāng)掘進(jìn)256環(huán)時(shí)，地層中礫石含量由10%增加到15%，刀盤(pán)扭矩達(dá)到70%；掘進(jìn)407環(huán)時(shí)，礫石含量增加至30%，刀盤(pán)扭矩明顯增加，故將刀盤(pán)前泥漿流量增大至100 L／min左右，但因地下水豐富，渣土改良效果不佳，螺旋口出渣較??；掘進(jìn)至584環(huán)時(shí)，礫石含量保持在30%以上，但其粒徑明顯增加，由原來(lái)的1 cm～2 cm增加至2 cm以上，刀盤(pán)啟動(dòng)時(shí)扭矩在40%～50%，正常掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)扭矩基本保持在88%以上，且極易超過(guò)額定扭矩，經(jīng)常采用停止推進(jìn)而空轉(zhuǎn)刀盤(pán)降低扭矩的辦法（扭矩降至75%左右后再次推進(jìn)），當(dāng)增加膨潤(rùn)土泥漿的注入量時(shí)螺旋出土很稀，采用提高螺旋轉(zhuǎn)速減小螺旋后閘門(mén)開(kāi)度，使土倉(cāng)內(nèi)膨潤(rùn)土泥漿與含礫砂渣土得到充分?jǐn)嚢?，進(jìn)而減小刀盤(pán)扭矩。掘進(jìn)至612環(huán)時(shí)，礫石粒徑由原來(lái)的2 cm～3 cm增加至5 cm～10 cm，但普通膨潤(rùn)土比重較低（僅能達(dá)到1.07），較大直徑礫石在盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)下部堆積，刀盤(pán)扭矩很大。為此在膨潤(rùn)土泥漿中加入了黃土，加入黃土后的膨潤(rùn)土泥漿不僅提高了渣土改良效果，可將較大礫石帶出螺旋。

3.3 改良效果評(píng)價(jià)

3.3.1 降低刀盤(pán)內(nèi)外周溫度

北苑站－北客站區(qū)間盾構(gòu)穿越北三環(huán)輔道時(shí)，因輔道下方地層長(zhǎng)期受車(chē)輛動(dòng)荷載影響，地層密度較高，盾構(gòu)連續(xù)推進(jìn)1／2環(huán)時(shí)刀盤(pán)內(nèi)周溫度上升到60℃。在增加泡沫和膨潤(rùn)土泥漿注入量后，其溫度降至40℃～50℃，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)盾構(gòu)加泥管路進(jìn)行了改造，將加泥管路也接至刀盤(pán)面板，效果比較顯著，見(jiàn)圖10所示。

圖10 渣土改良對(duì)刀盤(pán)溫度的影響

3.3.2 增加砂性土的塑性、流動(dòng)性

通過(guò)觀察螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力和出土口的渣土改良情況，膨潤(rùn)土及黃土泥漿對(duì)砂層改良效果較好，如圖11～圖13所示。

圖11 渣土改良對(duì)螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力的影響

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)三類(lèi)重塑砂土在三種工況下的渣土改良試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

圖12 渣土改良較差

圖13 渣土改良較理想

（1）相同濃度的鈣基膨潤(rùn)土在比重與粘度方面均不如鈉基膨潤(rùn)土效果顯著，盾構(gòu)砂層施工宜選用鈉基膨潤(rùn)土作為渣土改良劑。

（2）鈉基膨潤(rùn)土添加比例應(yīng)為1∶10，膨化時(shí)間在18 h～24 h之間。

（3）膨潤(rùn)土泥漿對(duì)中細(xì)砂、中粗砂改良效果較好，通過(guò)改良提高了渣土的和易性、流動(dòng)性及抗?jié)B性等性能。當(dāng)膨潤(rùn)土泥漿與砂土的體積比為2∶10時(shí)，能從經(jīng)濟(jì)和改良效果上達(dá)到最佳。

（4）膨潤(rùn)土泥漿對(duì)礫砂改良效果一般，但在膨潤(rùn)土泥漿中加入黃土，組成混合泥漿對(duì)礫砂改良的效果較好，當(dāng)膨潤(rùn)土泥漿與砂土的體積比為2∶10、黃土與膨潤(rùn)土質(zhì)量比為2∶3時(shí)，能從經(jīng)濟(jì)和改良效果上達(dá)到最佳。

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Experimental Study on Improvement Techniques of Muck in the Tunnelling of Whole－section Sand Strata Soil Pressure Balance Shield

SU Xiao－jiang，DENGGuo－h(huán)ua
（Xi’an Metro Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi710018，China）

According to the characteristics ofwhole－section sand strata in Xi’an area，the experiments of soilmass improvementwere conducted by using bentonite，loess and other soilmass improvementmaterials to study the ratio parameters ofmuck improvementmaterials in soil pressure balance shield tunnels.The experimental resultswere verified by the case study of shield tunnelof the first－stage construction of Xi’anMetro Line2which runs through thewhole－section sand strata，from Sports Park Station to Beike Station.The experimental results and engineering practice indicate thatmixed slurry of bentonite and loess has a great improving effect onmuck of all kinds of sand strata，flow plasticity is also improved in the sand strata.Thussolve construction problemssuch as difficultunearthing in the shield tunneland establishment of soilpressure inwhole－section sand strata of Xi’an area.Thiswill provide referentialguidance to similar projects.

sand stratum；soil pressure balance shield；muck improvement

U455.43

A

1672—1144（2014）04—0166—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.033

2014－03－03

2014－04－23

蘇小江（1979—），男 ，甘肅隴西人 ，碩士 ，主要從事巖土工程、地下工程等領(lǐng)域的研究工作。