羅云峰

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433

土壓平衡盾構(gòu)在流塑性差、摩擦因數(shù)大、含水量高、滲透系數(shù)大的砂土等地層中施工時(shí)，會(huì)遇到盾構(gòu)機(jī)推力增加、出土不易、排土及推進(jìn)困難，甚至無(wú)法推進(jìn)等問(wèn)題。

針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的常規(guī)解決方法是摻入改良劑，改善砂性土的特性。在改良劑方面，應(yīng)用較多的是泡沫劑和泥漿。采用泡沫劑作為改良劑雖然效果較為理想，但易造成污染，高效無(wú)污染的泡沫劑造價(jià)又相對(duì)較高。膨潤(rùn)土泥漿作為另外一種常用的改良劑，能夠較好地節(jié)約成本，但施工現(xiàn)場(chǎng)一般直接使用純膨潤(rùn)土泥漿來(lái)改良渣土，為增加黏性顆粒在砂性渣土中的含量和增大泥漿黏度，采取往泥漿中增加膨潤(rùn)土量的方式居多，這會(huì)直接引起泥漿相對(duì)密度變得過(guò)大，流動(dòng)性變差，導(dǎo)致在停止泵送后再次開泵困難，還會(huì)使泥漿造價(jià)升高，且又沒有合理的摻入比規(guī)定等[1-4]。本文針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂土層時(shí)遇到的技術(shù)難題，采用膨潤(rùn)土泥漿作為改良劑，進(jìn)行渣土改良泥漿研究，以期使工程順利實(shí)施，并為以后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

福州軌交1號(hào)線盾構(gòu)下穿閩江段長(zhǎng)度約400 m，全斷面穿越的地層主要有⑤2細(xì)砂、⑧2中砂等飽和富水砂層，滲透系數(shù)較大，最大已達(dá)到1×10-2cm/s，且上方無(wú)隔水層，與閩江水系直通。

以往這種在江底穿越類似地層的施工基本采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，由于背景工程除下穿閩江段外，還需穿越殘積土、中風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖等復(fù)雜地層，因此綜合考量后決定采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，則其穿越江底富水砂層時(shí)的關(guān)鍵在于做好渣土改良工作。

砂性土層內(nèi)聚力小，屬于典型的軟弱不穩(wěn)定地層，且對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的影響反應(yīng)靈敏。砂土被削切或擾動(dòng)時(shí)，極易破壞原有相對(duì)平衡的穩(wěn)定狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，掘削面將失去穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)地表塌陷等情況。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，因砂土流塑性差，會(huì)導(dǎo)致刀盤對(duì)土體的切削及螺旋出土機(jī)對(duì)土體的運(yùn)送效果差[5-7]。在土壓平衡盾構(gòu)閩江穿越施工前，基于閩江底強(qiáng)透水砂層的土層特性，對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行探討和研究，得出土壓平衡盾構(gòu)施工穿越富水砂層所受到的不利影響主要有以下幾方面：

1）在砂性土層中，砂粒土內(nèi)摩擦角大、流動(dòng)性差，當(dāng)土壓平衡盾構(gòu)土艙內(nèi)充滿砂性渣土?xí)r，盾構(gòu)機(jī)刀盤的扭矩、螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)矩及盾尾千斤頂?shù)耐屏?huì)大大增加，甚至?xí)?dǎo)致開挖困難。

2）在盾構(gòu)機(jī)刀盤切削砂性土體時(shí)，摩擦力大會(huì)導(dǎo)致刀盤溫度升高，進(jìn)而加劇刀盤刀具的損耗，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的整體性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3）砂性地層因其砂土流塑性差，還會(huì)導(dǎo)致顆粒較大的礫石滯留在盾構(gòu)機(jī)土艙底部，進(jìn)而引起盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制困難，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法掘進(jìn)。

基于以上種種困難，為了實(shí)現(xiàn)土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中的順利推進(jìn)，通過(guò)渣土改良，使普通土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在砂性地層中呈現(xiàn)較好的適應(yīng)性是十分必要的。

2 渣土改良泥漿性能研究

2.1 相對(duì)密度

從保證掘削面穩(wěn)定的方面來(lái)講，泥漿相對(duì)密度大，細(xì)粒成分多，成膜性就會(huì)變好，此外泥漿相對(duì)密度大，對(duì)切削下來(lái)的渣土的懸浮力也變大，渣土輸送的效果也越好。但相對(duì)密度大的泥漿流動(dòng)性差，易使泥漿泵送超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。泥漿相對(duì)密度小，流動(dòng)性好，但成膜效率慢，對(duì)掘削面的穩(wěn)定不利。經(jīng)過(guò)查詢文獻(xiàn)和調(diào)研，拌制泥漿相對(duì)密度以1.02～1.07為宜。

2.2 黏度

泥漿黏度是泥漿流動(dòng)時(shí)固體顆粒之間、固體顆粒與液體之間，以及液體分子之間內(nèi)摩擦的總反映。泥漿組成較復(fù)雜，它是具有凝膠結(jié)構(gòu)的膠態(tài)體系和觸變性的塑性液體，內(nèi)摩擦現(xiàn)象亦相當(dāng)復(fù)雜。為保證泥漿成膜性及懸浮性，要求泥漿應(yīng)具有一定的黏度。為此，需做到以下幾點(diǎn)：防止泥漿中的黏土、砂土顆粒在盾構(gòu)機(jī)土艙內(nèi)發(fā)生沉積，保持盾構(gòu)掘削面穩(wěn)定； 防止逸泥現(xiàn)象的發(fā)生；能以流塑性的形式把切削下來(lái)的渣土運(yùn)出。

3 渣土改良泥漿試驗(yàn)研究

3.1 室內(nèi)小樣試驗(yàn)

3.1.1 純膨潤(rùn)土配制泥漿

先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有材料進(jìn)行室內(nèi)小樣試驗(yàn)，希望在現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有條件下完成渣土改良泥漿配比的確定?，F(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有泥漿材料僅有采購(gòu)自山東的一種膨潤(rùn)土，因此直接采用膨潤(rùn)土配制泥漿進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 純膨潤(rùn)土泥漿配比試驗(yàn)

從表1可知，純膨潤(rùn)土配制的泥漿存在黏度小、相對(duì)密度大、失水量大（易離析）等問(wèn)題，相對(duì)密度隨著材料摻量的增加而增加，但其黏度增加和失水量減小的幅度都較緩慢，這些都與渣土改良泥漿的性能指標(biāo)要求存在一定的差異，因此要依靠純膨潤(rùn)土配制出適宜的砂性渣土改良泥漿存在一定的困難。

3.1.2 膨潤(rùn)土+化學(xué)添加劑配制泥漿

在純膨潤(rùn)土配制性能指標(biāo)良好的泥漿存在一定困難的基礎(chǔ)上，擬尋求一種好的化學(xué)添加劑來(lái)達(dá)到這個(gè)要求，要求這種材料具有增黏性和水溶性，并可以減少膨潤(rùn)土的用量，同時(shí)保證黏度的升高和失水量的降低。基于我們所具有的泥漿研究方面的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)泥漿材料的了解，最終選用羧甲基纖維素鈉（CMC）作為化學(xué)添加劑。CMC具有增黏、增稠、保水等作用，且無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、對(duì)人體無(wú)害、不污染環(huán)境。采用膨潤(rùn)土+CMC配制泥漿進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 膨潤(rùn)土+CMC泥漿室內(nèi)配比試驗(yàn)

對(duì)比表1與表2可知，在添加CMC后，泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)出現(xiàn)顯著改善。在保持膨潤(rùn)土摻量不變的情況下，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的CMC后，泥漿黏度增加80%左右，泥漿失水量減小80%左右，且泥漿的相對(duì)密度也處于合理的區(qū)間內(nèi)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)拌制試驗(yàn)

上述試驗(yàn)測(cè)定的性能指標(biāo)是在室內(nèi)小樣攪拌狀態(tài)下測(cè)得，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拌制泥漿時(shí)其條件存在一定的局限性，攪拌速度、攪拌均勻程度、靜置條件等均達(dá)不到室內(nèi)小樣攪拌的條件，且室內(nèi)小樣攪拌可以根據(jù)需求任意配比。本著現(xiàn)場(chǎng)施工操作簡(jiǎn)單明了的原則，現(xiàn)場(chǎng)攪拌桶的每桶水體積是1.3 m3，每袋膨潤(rùn)土質(zhì)量為25 kg，每包CMC質(zhì)量為0.25 kg，這些客觀條件也限制了現(xiàn)場(chǎng)配比的任意性。

室內(nèi)小樣試驗(yàn)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)所選取泥漿材料性能指標(biāo)的充分掌握，以便現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)能有針對(duì)性。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用泥漿的配比還是需要現(xiàn)場(chǎng)攪拌試驗(yàn)確定?，F(xiàn)場(chǎng)攪拌試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 現(xiàn)場(chǎng)泥漿試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)攪拌試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比（圖1）可得出：在相同配比情況下，現(xiàn)場(chǎng)攪拌泥漿黏度只有室內(nèi)小樣試驗(yàn)時(shí)的60%左右。靜置1 d后，室內(nèi)小樣試驗(yàn)?zāi)酀{黏度增長(zhǎng)在1.5倍以上，現(xiàn)場(chǎng)攪拌桶泥漿黏度增長(zhǎng)在1倍左右。

圖1 室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)相同配比泥漿黏度對(duì)比

因此，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)需要適當(dāng)增加材料用量。如要保持新漿黏度40～50 s，室內(nèi)小樣試驗(yàn)膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在7%～9%之間，CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.3%～0.4%；現(xiàn)場(chǎng)攪拌試驗(yàn)膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在9%～10%之間，CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.4%～0.5%。

3.3 泥漿砂土融合試驗(yàn)研究

為測(cè)試膨潤(rùn)土泥漿的渣土改良效果，砂土加水使其飽和后，進(jìn)行泥漿融合試驗(yàn)。以膨潤(rùn)土泥漿與砂土不同體積比例改良各類砂土，測(cè)定坍落度，選出最優(yōu)膨潤(rùn)土泥漿與砂土的體積比。

經(jīng)文獻(xiàn)查閱和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，在確保砂土中黏粒含量達(dá)20%時(shí)砂土容易排出，取砂∶泥漿∶水＝5∶1∶1進(jìn)行砂土與泥漿融合試驗(yàn)，測(cè)試泥漿改良砂土的效果。發(fā)現(xiàn)當(dāng)泥漿黏度≥100 s時(shí)，砂和泥漿融合較好，混合物呈塊狀，手抓有明顯聚合物的黏稠效果，基本無(wú)明顯的離析現(xiàn)象，此時(shí)渣土坍落度為11 cm，滲透系數(shù)為9.29×10-6cm/s。

基于以上試驗(yàn)研究分析，為保證砂土與泥漿能較好融合，現(xiàn)場(chǎng)施工用泥漿黏度應(yīng)需要≥100 s，但現(xiàn)場(chǎng)攪拌的新漿黏度達(dá)到100 s會(huì)比較困難，因此實(shí)際使用的泥漿應(yīng)靜置24 h，待其充分水化后再使用，通過(guò)試驗(yàn)確定現(xiàn)場(chǎng)新漿配比為：每桶水（1.3 m3）的膨潤(rùn)土摻量為5包（125 kg），CMC摻量為20包（5 kg）。

4 應(yīng)用實(shí)施效果

針對(duì)下穿閩江全斷面強(qiáng)透水砂層中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)施工，在有效控制渣土改良和施工參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)渣土狀態(tài)和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)輸出渣土的黏聚性、流塑性等得到了較大的改善，盾構(gòu)推力、刀盤扭矩和掘進(jìn)速度等都處于合理范圍，未出現(xiàn)超挖出土及螺旋機(jī)噴涌現(xiàn)象?？傮w看來(lái)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)控制效果明顯，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1）總推力。施工過(guò)程中的盾構(gòu)機(jī)總推力基本控制在15 000～25 000 kN，處于盾構(gòu)機(jī)額定總推力的35%～59%范圍以內(nèi)。

2）刀盤扭矩控制。施工過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)的刀盤扭矩總體控制在3.0 MN·m以內(nèi)，且刀盤的平均扭矩控制在2.2 MN·m左右。

3）掘進(jìn)速度控制。因渣土改良效果明顯及施工參數(shù)有效控制，盾構(gòu)機(jī)在全斷面砂層中的掘進(jìn)速度得到了很大提升，平均可達(dá)55 mm/min。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂土層時(shí)遇到的技術(shù)難題，結(jié)合福州軌交1號(hào)線盾構(gòu)下穿閩江段開展了室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)的渣土改良泥漿試驗(yàn)，通過(guò)大量的渣土改良試驗(yàn)對(duì)比分析研究，確定了現(xiàn)場(chǎng)渣土改良泥漿制備的材料及配比，并應(yīng)用于背景工程。在渣土改良和施工參數(shù)有效控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)渣土狀態(tài)和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)渣土的黏聚性、流塑性等得到了較大的改善，盾構(gòu)推力、刀盤扭矩和掘進(jìn)速度等都處于合理范圍，實(shí)現(xiàn)了富水砂土層中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的順利掘進(jìn)。