王漢軍

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，100037，北京∥高級(jí)工程師)

隨著盾構(gòu)施工配套技術(shù)的逐步完善，土體改良技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的關(guān)注［1－5］。土體改良效果不佳，不僅會(huì)大大增加盾構(gòu)的掘進(jìn)負(fù)荷，而且會(huì)影響盾構(gòu)的使用壽命。因此，如何防止渣土在刀盤上形成泥餅、在土艙內(nèi)積壓、堵艙，在螺旋輸送機(jī)處產(chǎn)生堵塞、噴涌等，仍是盾構(gòu)施工應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。尤其對(duì)已富含超大粒徑漂石的礫巖、卵石⑦層及其復(fù)合地層，刀盤、刀具開挖后的渣土流塑性差，很難及時(shí)、流暢地被排出，因此土體改良效果的好壞對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)效率及盾構(gòu)－地層適應(yīng)性至關(guān)重要，必須予以重點(diǎn)考慮。目前國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)土體改良劑的選擇及配比進(jìn)行了大量的研究［6－11］，但大多數(shù)研究均集中在大學(xué)與科研機(jī)構(gòu)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室中，并沒有將室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與盾構(gòu)掘進(jìn)特征和現(xiàn)場(chǎng)工程條件有機(jī)結(jié)合，理論成果工程實(shí)用性差;而且目前的研究對(duì)象主要為中小粒徑砂卵石地層，基于超大粒徑漂石地層的研究目前國(guó)內(nèi)外沒有相關(guān)報(bào)道。

北京地鐵9號(hào)線06標(biāo)“軍事博物館站—東釣魚臺(tái)站”盾構(gòu)區(qū)間施工場(chǎng)地內(nèi)遇到3種類型的富含超大粒徑漂石地層，分別為富含超大粒徑漂石的礫巖地層、富含超大粒徑漂石的卵石⑦層及富含超大粒徑漂石的復(fù)合地層，力學(xué)性質(zhì)極其不穩(wěn)定。超大粒徑漂石含量高，顆粒之間空隙大，無(wú)黏聚力，盾構(gòu)在此條件下掘進(jìn)，土體塑流性差，推力、刀盤扭矩大，刀盤、刀具及螺旋輸送機(jī)磨損嚴(yán)重，推進(jìn)速度極其緩慢，且地層在盾構(gòu)施工擾動(dòng)下穩(wěn)定性較差，給工程施工造成了極大的困難。

本文以上述工程為背景，開展了盾構(gòu)施工過(guò)程的土體改良試驗(yàn)，分析了富含超大粒徑漂石的礫巖地層、卵石⑦層及其復(fù)合地層土體改良劑的適應(yīng)性特征，找出了適用于北京地區(qū)富含超大粒徑漂石地層的土體改良劑。

1 礫巖地層土體改良技術(shù)研究

1.1 礫巖地層特征

經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)分析，礫巖層的沉積成巖時(shí)間較短，成巖作用差，呈半膠結(jié)狀態(tài)，屬半成巖。因其巖石性質(zhì)的弱化，其通常具有飽和軟化、干燥收縮和吸水崩解的特征，泥質(zhì)膠結(jié)物的水理性質(zhì)較差，具有一定脹縮性。第三紀(jì)沉積的礫巖均形成時(shí)間較晚，成巖程度低，其強(qiáng)度很低。其中礫巖中膠結(jié)物單軸抗壓強(qiáng)度一般約為0.3～2.0 MPa。膠結(jié)物隨著深度的增加，強(qiáng)度隨之增加。

此外，礫巖由于成巖程度低，當(dāng)含水量過(guò)低或接近干燥狀態(tài)時(shí)，礫巖的結(jié)構(gòu)易受到擾動(dòng)而使單軸抗壓強(qiáng)度降低。隨著含水量的增加，礫巖的單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)具有逐漸增加的特點(diǎn)，但含水量過(guò)大時(shí)，水對(duì)礫巖中的泥質(zhì)會(huì)起到較明顯的軟化作用，從而降低其單軸抗壓強(qiáng)度。一般礫巖中的含水量在10%左右時(shí)的強(qiáng)度較高。但是該礫巖地層最大的特征是地層中包括了大量的大粒徑漂石，漂石強(qiáng)度大多為60～120 MPa，給盾構(gòu)施工造成了很大的難題。

1.2 土體改良劑的選擇

通過(guò)對(duì)富含超大粒徑漂石的礫巖地層的力學(xué)特征和工程特性進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研和分析后，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)選用“泡沫加水”對(duì)開挖面前方的土體進(jìn)行土體改良，采用的泡沫為康達(dá)特(COMDAT)公司生產(chǎn)的CLB F4 AD型泡沫，發(fā)泡裝置設(shè)置的泡沫劑濃度為3.5%，泡沫注入率大于20%，該泡沫原液在25℃時(shí)實(shí)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 泡沫原液的物理力學(xué)性質(zhì)

1.3 土體改良效果分析

土體改良后，盾構(gòu)關(guān)鍵施工參數(shù)也發(fā)生了顯著的變化:① 土體改良前，上土壓力偏小，穩(wěn)定性差，時(shí)常出現(xiàn)上土壓力小于0.02 MPa的情況，非常不利于開挖面穩(wěn)定及地表沉降的控制;土體改良后，上土壓力提高明顯，而且穩(wěn)定性好，控制在0.05 MPa以上，詳細(xì)情況如圖1所示。② 土體改良后，刀盤扭矩控制的均比土體改良前降低明顯，且控制的較為穩(wěn)定，非常有利于盾構(gòu)掘進(jìn)，如圖2所示。③ 土體改良前后，盾構(gòu)掘進(jìn)效率也發(fā)生了明顯的變化。土體改良前，盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程穩(wěn)定性差，時(shí)常出現(xiàn)推進(jìn)速度為零的情況;土體改良后，盾構(gòu)推進(jìn)速度明顯提高，約30～40 mm/min，如圖3所示。

圖1 土體改良前后上土壓力的對(duì)比情況

圖2 土體改良前后刀盤扭矩對(duì)比情況

圖3 土體改良前后盾構(gòu)推進(jìn)速度對(duì)比情況

現(xiàn)場(chǎng)土體改良試驗(yàn)證明，使用“泡沫原液加水”且分散式打入刀盤前方進(jìn)行渣土改良能夠?qū)Φ谌o(jì)礫巖層進(jìn)行有效改良，并能順暢地將大粒徑漂石排出。

2 卵石⑦層土體改良技術(shù)研究

2.1 卵石⑦層地層特征

本區(qū)段中部(玉淵潭東湖南北一定范圍內(nèi))全斷面穿過(guò)的土層主要為第四紀(jì)沉積的卵石⑦層，該范圍內(nèi)存在隨機(jī)分布的大粒徑卵石和漂石。卵漂石強(qiáng)度高，最大強(qiáng)度200 MPa，平均強(qiáng)度100 MPa，而且不同深度處卵漂石分布不均。在卵石⑦層內(nèi)施工換刀井時(shí)揭示地層如下(隧道埋深－16～－22 m):

(1)深度14.00～16.00 m范圍內(nèi)分布有第四紀(jì)沉積的漂石層，粒徑一般為15～25 cm，最大粒徑為40 cm;粒徑為20～50 cm的漂石約占50%;粒徑為50～80 cm的漂石有1塊。

(2)深度16.00～18.20 m范圍內(nèi)分布的第四紀(jì)沉積的漂石粒徑一般為15～22 cm，最大粒徑為38 cm;粒徑為20～50 cm的漂石約占40%。

(3)深度18.2 0～20.00 m范圍內(nèi)分布的第四紀(jì)沉積的漂石粒徑一般為18～30 cm，最大粒徑為40 cm;粒徑為20～50 cm的漂石約占40%;35～50 cm的漂石有12塊。

(4)深度20.00～21.00 m范圍內(nèi)分布的第四紀(jì)沉積的漂石粒徑一般為25～35 cm，最大粒徑為61 cm;粒徑為 50～80 cm的漂石有 14塊，約占30%。

2.2 土體改良劑的選擇與土體改良效果評(píng)價(jià)

針對(duì)該地層，掘進(jìn)時(shí)采用“鈉基膨潤(rùn)土加泡沫”為渣土改良材料，1 m3膨潤(rùn)土漿液的配比為55 kg納基膨潤(rùn)土、1 000 kg水、3 kg盾構(gòu)制漿劑，膨潤(rùn)土漿液稠度為60～100 s，pH值為7.2。泡沫采用的是康達(dá)特(COMDAT)生產(chǎn)的CLB F4 AD型泡沫，發(fā)泡裝置設(shè)置的泡沫劑濃度為4.0%，泡沫注入率大于20%。經(jīng)過(guò)土體改良，渣土的流塑性及和易性得到了很大的提高，能確保盾構(gòu)的高效掘進(jìn)。

類似與礫巖段土體改良前后盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比情況，盾構(gòu)在卵石⑦層掘進(jìn)時(shí)，土體改良后上土壓力、刀盤扭矩及推進(jìn)速度等盾構(gòu)參數(shù)均比土體改良前得到了很好的改善，大大提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率，地表沉降得到了有效地控制。其中:①土體改良前上土壓力較小，大多小于0.03 MPa，非常不利于開挖面穩(wěn)定和地表沉降控制，土體改良后，上土壓力顯著提高，平均上土壓力控制在0.5 MPa;② 土體改良前，刀盤扭矩波動(dòng)大，在2 000～5 000 kN·m之間變化，土體改良后，刀盤扭矩控制的非常平穩(wěn)，多為3 000～4 000 kN·m;③土體改良前，盾構(gòu)掘進(jìn)效率低，掘進(jìn)速度時(shí)快時(shí)慢，非常不穩(wěn)定，平均掘進(jìn)速度20 mm/min，時(shí)有掘進(jìn)速度為零的情況發(fā)生，土體改良后，掘進(jìn)效率顯著提高，平均掘進(jìn)速度提高到42 mm/min，詳細(xì)情況如圖4～6所示。

圖4 土體改良前后上土壓力對(duì)比情況

圖5 土體改良前后刀盤扭矩對(duì)比情況

圖6 土體改良前后推進(jìn)速度對(duì)比情況

現(xiàn)場(chǎng)土體改良試驗(yàn)結(jié)果證明:使用鈉基膨潤(rùn)土漿液加泡沫溶液且分散式打入刀盤前方進(jìn)行渣土改良能夠?qū)Ω凰咽邔舆M(jìn)行有效改良，并能順暢排出。

3 礫巖與卵石⑦層復(fù)合地層土體改良技術(shù)研究

3.1 地層特征分析

本區(qū)間兩種地層間的過(guò)渡段為礫巖入卵石⑦段及卵石⑦入礫巖段。根據(jù)詳勘提供資料，卵石⑦層實(shí)際為古金溝河河道，而過(guò)渡段恰為河床部位，上游沖刷及地殼變化等條件的共同作用使該部位產(chǎn)生級(jí)配良好的石群，且此處為掘進(jìn)斷面含水與否的分水嶺。

兩段地層對(duì)應(yīng)地面位置為玉淵潭公園東湖南岸及玉淵潭公園北側(cè)軍事管理區(qū)內(nèi)，地面情況不具備地面處理的條件，只能依靠地下措施進(jìn)行處理。

3.2 土體改良劑的選擇及土體改良效果評(píng)價(jià)

3.2.1 方案一效果評(píng)價(jià)

仍然沿用卵石⑦層的土體改良方案，采用“鈉基鵬潤(rùn)土加泡沫”的土體改良劑組合。

施工過(guò)程中，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)了異常，第254環(huán)推進(jìn)過(guò)程中上土壓大多小于0.03 MPa，掘進(jìn)速度波動(dòng)大，平均10 mm/min，時(shí)常出現(xiàn)推進(jìn)速度為零的情況;刀盤扭矩為4 500～7 000 kN·m，如圖7～9所示，螺旋輸送機(jī)出渣很稀并伴有噴涌的現(xiàn)象，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)前方有大面積的響聲。同時(shí)，渣土中石塊含量極大，直徑均為10～20 cm，液態(tài)渣土中含有細(xì)顆粒。這易導(dǎo)致直徑稍大的石塊難以破碎、排出，極有可能在刀盤面板前方封堵住進(jìn)土口，長(zhǎng)時(shí)間這樣會(huì)導(dǎo)致刀盤前方石塊堆積，會(huì)造成刀盤被卡、難以啟動(dòng)的現(xiàn)象。

圖7 兩方案上土壓力對(duì)比情況

圖8 兩方案刀盤扭矩對(duì)比情況

3.2.2 方案二效果評(píng)價(jià)

總結(jié)第一階段土體改良過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，更改原有渣土改良材料及用法、用量，增加高分子聚合物溶液的使用，將原膨潤(rùn)土漿液稠度提高到120 s以上。土體的土體改良劑及用量情況如下所示。

圖9 兩方案推進(jìn)速度對(duì)比情況

(1)土體改良材料:優(yōu)質(zhì)納基膨潤(rùn)土、制漿劑、高分子聚合物、飲用水、泡沫原液。

(2)土體改良劑的制作:膨潤(rùn)土漿液制拌稠度為120 s以上漿液，1 m3膨潤(rùn)土的配比為55 kg膨潤(rùn)土、1 000 kg水、3 kg盾構(gòu)制漿劑，以確保最終注入刀盤前方稠度。高分子聚合物混合液制拌，原料與水按5‰混合。泡沫混合液(康達(dá)特生產(chǎn)的CLB F4 AD型泡沫，發(fā)泡裝置設(shè)置的泡沫劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%)，通過(guò)泡沫泵根據(jù)實(shí)際情況確定泡沫用量，但是泡沫注入率應(yīng)大于20%。

(3)各種改良劑的用量:每環(huán)注入膨潤(rùn)土漿液7～9 m3，注入位置為刀盤面板前方及螺旋機(jī)內(nèi)(停止掘進(jìn)時(shí)每半小時(shí)注入一次，持續(xù)2 min。每環(huán)注入聚合物混合液1.8～2 m3，注入位置為土艙內(nèi)，其主要目的為防噴涌、防止地層中水份將膨潤(rùn)土漿液稀釋，所以其注入量和注入時(shí)間參照出渣樣調(diào)整。

采用上述土體改良方案后，渣土的流塑性得到改善，同時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)效率得到了有效地提高，掘進(jìn)參數(shù)得到很好的改善，其中盾構(gòu)推進(jìn)速度達(dá)到25～30 mm/min，上土壓力約5～8 kPa，刀盤扭矩約3 000～5 000 kN·m。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)“軍事博物館站—東釣魚臺(tái)站”區(qū)間地層卵石含量高、粒徑大、顆粒間黏結(jié)力弱，被盾構(gòu)刀盤、刀具開挖后不易形成“流塑性狀態(tài)”的土體，必須在盾構(gòu)施工過(guò)程中進(jìn)行土體改良，才能保證盾構(gòu)施工有序地進(jìn)行。

(2)盾構(gòu)設(shè)備選型對(duì)盾構(gòu)施工地層適應(yīng)性至關(guān)重要，但是設(shè)備選型不能完全決定掘進(jìn)效能，盾構(gòu)施工過(guò)程中可以通過(guò)土體改良措施有效地提高設(shè)備的掘進(jìn)效能，使其最大程度地適應(yīng)開挖地層。

(3)富含超大粒徑漂石的礫巖地層、卵石⑦層及其復(fù)合地層由于力學(xué)性質(zhì)差異較大，三者土體改良劑選用上存在一定差異?，F(xiàn)場(chǎng)土體改良試驗(yàn)結(jié)果表明:①“泡沫加水”適用于礫巖地層;②“鈉基膨潤(rùn)土加泡沫”適用于卵石⑦層;③“鈉基膨潤(rùn)土加泡沫加高分子聚合物”適用于礫巖與卵石⑦復(fù)合地層。但是，土體改良試驗(yàn)必須與盾構(gòu)掘進(jìn)模式有機(jī)結(jié)合才能起到最佳的效果，且應(yīng)該根據(jù)盾構(gòu)開挖過(guò)程中出土情況、土壓力變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整土體改良劑的注入時(shí)間、注入量等參數(shù)。

(4)研發(fā)并成功應(yīng)用了具有高阻尼特性(漿液稠度＞120 s)的渣土改良技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了破巖機(jī)理，解決了破碎巖石渣土輸排問(wèn)題。

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