孫智勇

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無隔水層越江隧道土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)研究

孫智勇

對(duì)于全斷面砂層的盾構(gòu)掘進(jìn)隧道，當(dāng)盾構(gòu)所穿越的高透水性中砂地層滲透系數(shù)達(dá)1.10×10-2cm/s，且其上部水頭較高時(shí)，發(fā)生噴涌的風(fēng)險(xiǎn)極大，一旦發(fā)生噴涌嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致盾構(gòu)隧道整體失穩(wěn)，因此，必須對(duì)渣土改良進(jìn)行深入研究。文章就福州市軌道交通 1 號(hào)線越江隧道土壓平衡盾構(gòu)渣土改良技術(shù)要求、渣土改良試驗(yàn)添加材料、試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、闡述。

越江隧道；土壓平衡盾構(gòu)；渣土改良；試驗(yàn)研究

土壓平衡式盾構(gòu)越江隧道的關(guān)鍵技術(shù)之一是確保出倉(cāng)渣土經(jīng)攪拌、改良后形成一種“塑性流動(dòng)狀態(tài)”[1]。在國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)研究中，主要使用膨潤(rùn)土、泡沫劑、高分子材料及相互組合使用等對(duì)砂土、黏性土等進(jìn)行改良研究。文獻(xiàn)[2]提出了土壓平衡盾構(gòu)施工“理想狀態(tài)土體”的概念（即較低的滲透性，相對(duì)適中的壓縮性，較小的抗剪強(qiáng)度，一定的流動(dòng)性），并認(rèn)為只要有效、有針對(duì)性地使用外加劑，就可將施工中可能出現(xiàn)的問題控制在最小。渣土改良試驗(yàn)研究中，主要涉及使用泡沫劑、膨潤(rùn)土、高分子材料及相互組合使用等對(duì)砂土、黏性土進(jìn)行改良。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)各種地質(zhì)條件下的盾構(gòu)渣土改良進(jìn)行了研究，但目前國(guó)內(nèi)很少對(duì)無隔水層情況下高透水砂層的越江隧道土壓平衡盾構(gòu)渣土改良進(jìn)行研究，因此，針對(duì)這種工況條件下的渣土改良研究尤為重要。

1　工程概況

福州市軌道交通1號(hào)線越江隧道工程下穿寬度約500 m 的閩江。該隧道主要穿越 ⑦j中砂、⑤2細(xì)砂、⑤3淤泥質(zhì)土夾粉砂、⑧2中砂、⑧3淤泥質(zhì)土夾粉砂、112中砂等地層，區(qū)間上方上無隔水層，地下水與江水連通。場(chǎng)地內(nèi)對(duì)工程影響較大的承壓含水層主要為⑦j中砂、⑧2中砂含水層，根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，⑦j、⑧2中砂承壓水測(cè)壓水位埋深為 4.54～5.50 m，屬中等透水層。⑦j中砂、⑤2細(xì)砂、⑧2中砂、112中砂均為飽和砂土，松軟，富含承壓水，易產(chǎn)生噴涌，極易坍塌變形。

本段越江隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，大部分穿越全斷面透水砂層且其上部無隔水層，盾構(gòu)所穿越的高透水性中砂地層滲透系數(shù)可達(dá) 1.10×10-2cm/s，且其上部水頭較高，出渣時(shí)發(fā)生噴涌的風(fēng)險(xiǎn)較大。而一旦發(fā)生噴涌，周圍地層砂土將會(huì)流失，失去對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的約束作用，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致盾構(gòu)隧道整體失穩(wěn)等危險(xiǎn)，因此，如何進(jìn)行渣土改良、防止噴涌的發(fā)生，成為本越江隧道工程至關(guān)重要的前提條件。

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌發(fā)生的機(jī)理，預(yù)防噴涌可采取2 種技術(shù)措施：①優(yōu)化螺旋出土器結(jié)構(gòu)，如減小直徑或增加長(zhǎng)度等，也可采用雙螺旋出土器等特殊構(gòu)造；②對(duì)土艙內(nèi)渣土進(jìn)行渣土改良，減小渣土的滲透系數(shù)等。對(duì)于措施①，即改造盾構(gòu)機(jī)來說，需要設(shè)備改動(dòng)的范圍比較大而一般不予采用。本工程選擇措施 ②，并對(duì)渣土改良方案進(jìn)行深入研究。

2　渣土改良的技術(shù)要求

根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例，一般可認(rèn)為出土器可以抵抗 10 kPa ( 水頭高 1 m ) 的水壓力和 3 cm3/s 的滲流量，當(dāng)2 指標(biāo)同時(shí)超出上述 2 個(gè)閥值，則視為噴涌發(fā)生。若排土口水流量 Q ＞ 4 cm3/ s 且水壓力 Pw＞ 20 kPa ( 水頭高度＞ 2 m ) 時(shí)，則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的噴涌。

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(dòng)狀態(tài)”。為使渣土達(dá)到此狀態(tài)，要求改良后渣土應(yīng)能滿足下述物理參數(shù)：①滲透系數(shù)一般要＜1×10-5cm/s；②坍落度 10～15 cm。

3　渣土改良試驗(yàn)研究

3.1用于渣土改良的添加材料

目前，使用的添加材料主要分為礦物類（膨潤(rùn)土、黏土）、界面活性劑類（泡沫劑）、聚合物類（CMC聚合物、SPA-Ⅲ）等 3 類。

施工現(xiàn)場(chǎng)出于施工因素考慮，多使用純膨潤(rùn)土漿液和泡沫，為了達(dá)到膨潤(rùn)土漿液粘度、稠度等方面的性質(zhì)要求，多采用加大膨潤(rùn)土用量的方法，但這導(dǎo)致了造價(jià)提高，性能不完善等多方面的缺陷。

3.2試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)依據(jù)S L237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》、TB10102-2004《 鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程 》等有關(guān)規(guī)程執(zhí)行。具體包括：

（1）準(zhǔn)備砂土土樣；

（2）膨潤(rùn)土漿液配置；

（3）對(duì)靜置 24 h的膨潤(rùn)土漿液使用漿液粘度計(jì)進(jìn)行漿液粘度測(cè)試；

（4）將不同濃度的膨潤(rùn)土漿液按相同體積比制備改良渣土，測(cè)定渣土在不同濃度漿液、相同漿液摻量下的坍落度；

（5）采用相同濃度的膨潤(rùn)土漿液按不同體積比分別制備改良渣土，測(cè)定渣土在相同濃度漿液、不同漿液摻量下的坍落度；

（6）對(duì)根據(jù)級(jí)配制作的渣土樣進(jìn)行常水頭滲透試驗(yàn)，測(cè)定其滲透系數(shù)，對(duì)未改良砂土物理特性進(jìn)行標(biāo)定；

（7）將不同濃度的膨潤(rùn)土漿液按相同體積比制備改良渣土，測(cè)定渣土在不同濃度漿液、相同漿液摻量下的滲透系數(shù)；

（8）將不同濃度的CMC聚合物（羧甲基纖維素）漿液按相同體積比制備改良渣土，測(cè)定渣土在不同濃度、相同摻量下的滲透系數(shù)；

（9）將不同濃度的CMC聚合物與不同濃度膨潤(rùn)土漿液配合使用，使渣土與改良劑漿液按相同體積比制備改良渣土，測(cè)定渣土在不同濃度膨潤(rùn)土漿液及不同濃度 CMC 聚合物、相同摻量下的滲透系數(shù)；

（10）不同水灰比條件下水泥-水玻璃雙液漿反應(yīng)時(shí)間以及收水效果試驗(yàn)。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1膨潤(rùn)土漿液濃度對(duì)其粘度的影響

圖 1 給出了不同膨潤(rùn)土漿液濃度與其粘度的關(guān)系曲線。由圖 1 可見，以 9.09% 漿液濃度為拐點(diǎn)，當(dāng)膨潤(rùn)土漿液濃度小于 9.09% 時(shí)，其粘度增加不明顯；大于9.09% 時(shí)，其粘度急劇上升，當(dāng)膨潤(rùn)土漿液濃度大于11.1% 時(shí)，其漿液過于粘稠。

圖1　膨潤(rùn)土漿液濃度與其粘度關(guān)系圖

3.3.2膨潤(rùn)土漿液濃度對(duì)渣土坍落度的影響

文獻(xiàn)[4]研究表明，當(dāng)膨潤(rùn)土漿液與砂土體積比大于等于 2 : 10 時(shí)，繼續(xù)增大膨潤(rùn)土漿液的含量，改良后的渣土抗?jié)B性的提高效果增加不明顯。因此，選用膨潤(rùn)土漿液與砂土的體積比為 2 : 10 較為合適[4]，故本試驗(yàn)選用2 : 10 體積比情況下研究膨潤(rùn)土漿液濃度與渣土坍落度關(guān)系。

圖 2 給出了膨潤(rùn)土漿液與砂土體積比為 2 : 10 情況下，膨潤(rùn)土漿液濃度與渣土坍落度關(guān)系曲線。由圖 2 可見，隨膨潤(rùn)土漿液濃度的變化，渣土的坍落度沒有明顯變化，膨潤(rùn)土漿液濃度并非影響渣土坍落度的主要因素。

3.3.3膨潤(rùn)土漿液濃度對(duì)渣土滲透系數(shù)的影響

圖 3 給出了膨潤(rùn)土漿液與砂土體積比為 2 : 10 時(shí)，膨潤(rùn)土漿液濃度與渣土滲透系數(shù)關(guān)系曲線。由圖 3 可見，隨膨潤(rùn)土漿液濃度的增加，渣土滲透系數(shù)相應(yīng)減小。

圖2　膨潤(rùn)土漿液濃度與渣土坍落度關(guān)系圖

圖3　膨潤(rùn)土漿液濃度與渣土滲透系數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)本過江隧道工程地質(zhì)報(bào)告，無隔水層將地下水與江水隔斷，這導(dǎo)致江水與地下水連通，全斷面砂層含水量過大，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中土倉(cāng)中的進(jìn)水量預(yù)計(jì)可達(dá)到10%以上。為防止膨潤(rùn)土漿液微粒的損失，需采用較大濃度的膨潤(rùn)土漿液，本工程考慮采用膨潤(rùn)土濃度在9.09%～11.1% 區(qū)間內(nèi)。

3.3.4膨潤(rùn)土漿液與砂土的體積比對(duì)渣土坍落度的影響

根據(jù)相關(guān)研究[4]所得指標(biāo)，膨潤(rùn)土漿液與砂土的體積比應(yīng)處于 2 : 10～2.5 : 10 之間，即 1 m3砂土中摻入 200 ～250 L 濃度為 9.09% 的膨潤(rùn)土漿液。圖 4 給出了膨潤(rùn)土漿液濃度為 9.09% 時(shí)，其與砂土不同的體積比對(duì)渣土的改良作用曲線。由圖 4可見，改良后的渣土坍落度隨膨潤(rùn)土漿液摻量的增加而增加。

圖4　膨潤(rùn)土漿液與砂土體積比與渣土坍落度關(guān)系圖

圖5　CMC聚合物濃度與渣土滲透系數(shù)關(guān)系圖

3.3.5CMC聚合物濃度對(duì)渣土滲透系數(shù)的影響

圖 5 給出了 CMC 聚合物與砂土的體積比為2 : 10時(shí)，不同濃度 CMC 聚合物對(duì)渣土滲透系數(shù)的改良作用曲線。由圖 5 可見，隨 CMC 聚合物濃度的增加渣土滲透系數(shù)降低，CMC 聚合物對(duì)改善渣土的滲透性效果顯著。在實(shí)際工程中由于其成本較高，作為主要改良材料的可能性較小，可作為應(yīng)急措施使用，也可使用低濃度CMC 聚合物配合膨潤(rùn)土漿液共同使用。

3.3.6膨潤(rùn)土漿液與 CMC 聚合物配合使用對(duì)渣土滲透系數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)研究，在砂土中摻入與其體積比為 2 : 10 的改良劑情況下（膨潤(rùn)土漿液與 CMC 聚合物按照 1 : 1 體積比配合使用），改良效果將顯著提高。圖6給出了膨潤(rùn)土漿液、CMC 聚合物配合使用時(shí)，渣土滲透系數(shù)變化曲線。由圖 6 可見，當(dāng) CMC 聚合物濃度大于 3% 后，渣土滲透系數(shù)下降的斜率逐漸降低，這說明當(dāng) CMC 聚合物濃度大于 3% 后，其對(duì)渣土滲透系數(shù)的改良作用趨緩。鑒于越江段水量較大，結(jié)合適用性與經(jīng)濟(jì)性兩方面，可采用 3%～5% 濃度的 CMC 聚合物配合 9.09% 濃度的膨潤(rùn)土漿液共同使用。

3.3.7水泥-水玻璃雙液漿中水灰比對(duì)其凝結(jié)時(shí)間影響

圖 7 給出了水泥-水玻璃雙液漿中水灰比與其凝結(jié)時(shí)間關(guān)系曲線。由圖 7 可見，隨著水灰比的減小，雙液漿的凝結(jié)時(shí)間逐漸減小。這是由于水灰比減小后水泥液漿中水泥所占比例增加，其自身水化以及與水玻璃的反應(yīng)速度都會(huì)加快。

圖6　膨潤(rùn)土漿液、CMC 聚合物配合使用與渣土滲透系數(shù)關(guān)系圖

圖7　雙液漿中水灰比與其凝結(jié)時(shí)間關(guān)系圖

3.3.8水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量對(duì)其凝結(jié)時(shí)間的影響

圖 8 給出了水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量與其凝結(jié)時(shí)間關(guān)系曲線。由圖 8 可見，隨著水玻璃用量的增加，雙液漿的凝結(jié)時(shí)間增大，當(dāng)單位體積（L）雙液漿中水玻璃用量增加到 100 mL 時(shí)，雙液漿的凝結(jié)時(shí)間會(huì)急劇增加，說明單位體積雙液漿中水玻璃的用量不易超過 100 mL。

圖8　雙液漿中水玻璃用量與其凝結(jié)時(shí)間關(guān)系圖

3.3.9水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響

圖 9 給出了水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量與其抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線。由圖 9 可見，隨著水泥-水玻璃雙液漿中水玻璃用量的增加，雙液漿試件的 1 h、1 天、7 天、28 天的抗壓強(qiáng)度都表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。其中，1 h 的抗壓強(qiáng)度變化幅度較小，而 1 天、7 天和28 天的抗壓強(qiáng)度變化較為明顯。

圖9　雙液漿水玻璃用量與其抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

3.3.10 水泥-水玻璃雙液漿中水灰比與水玻璃用量的協(xié)調(diào)關(guān)系

圖 10 給出了水泥-水玻璃雙液漿中水灰比與水玻璃用量的協(xié)調(diào)關(guān)系曲線。由圖 10 可見，水灰比和水玻璃用量的增加均會(huì)使得雙液漿凝結(jié)時(shí)間增加，當(dāng)水灰比與水玻璃用量分別為 4 : 1～5 : 1 和 130 mL 時(shí)，雙液漿的凝結(jié)時(shí)間最為接近（約為100 s），此時(shí)即為水泥-水玻璃雙液漿中水灰比與水玻璃用量的最佳協(xié)調(diào)關(guān)系。

圖10　不同水灰比、水玻璃用量與雙液漿凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系圖

實(shí)際工程中，水玻璃的用量應(yīng)根據(jù)土艙內(nèi)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。將水灰比為 1 : 1 的水泥漿泵送進(jìn)土艙時(shí)，水泥漿的用量根據(jù)土艙內(nèi)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后在土艙內(nèi)形成水灰比為 5 : 1 左右的水泥漿，然后注入與水泥漿體積比為 1.5 : 10～2 : 10 的水玻璃與其發(fā)生反應(yīng)，可獲得良好的收水效果。

4　結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)本次試驗(yàn)研究，在無隔水層條件下，全斷面砂層越江隧道工程中將濃度為 9.09% 的膨潤(rùn)土漿液與濃度為 5% 的 CMC 聚合物配合使用，使得隧道掘進(jìn)時(shí)改良后渣土的 24 h 粘度達(dá)到 97 s，有效地改良了渣土的性狀，大部分渣土均達(dá)到了“塑性流動(dòng)狀態(tài)”，說明根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果采用的渣土改良措施效果良好，期望為后續(xù)類似工程起到良好的參考作用。

[1] 朱偉，陳仁俊. 盾構(gòu)隧道技術(shù)問題和施工管理[J]. 巖土工程界，2001（12）：l8-20.

[2] 魏康林. 土壓平衡式盾構(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）.

[3] 秦建設(shè)，朱偉，林進(jìn)也. 盾構(gòu)施工中氣泡應(yīng)用效果評(píng)價(jià)研究[J]. 地下空間，2004，24（3）.

[4] 胡長(zhǎng)明，崔耀，王雪艷，等. 土壓平衡盾構(gòu)施工穿越砂層渣土改良試驗(yàn)研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，43（6）.

[5] 劉衛(wèi). 南昌復(fù)合地層盾構(gòu)渣土改良技術(shù)[J]. 隧道建設(shè)，2015（5）.

Experimental Study on Soil Improvement of Earth Pressure Balance Shield for Cross-River Tunnel

Sun Zhiyong

For the whole profi le section of sand layer of shield tunneling, when the shield is boring through high permeable formation sand with permeability coeffi cient up to 1.10 × 10-2cm/s, and the water level at the upper part of the section is high, water gushing and inflow risk increases greatly. In the event of a serious gushing, it can lead to instability of the shield tunnel. Therefore, it is necessary to carry out in-depth study on muck improvement. The paper analyzes and discusses the technical requirements on the improved muck of tunnel earth pressure balance (EPB) shield for the under crossing river Fuzhou transit line 1, ingredient materials for muck improvement conditioning test, content in the test and the test results.

cross-river tunnel, EPB shield, muck improvement, experimental study

U455.43

孫智勇：福州市城市地鐵有限責(zé)任公司，總工程師，高級(jí)工程師，福建福州 350001

2015-09-28責(zé)任編輯 朱開明