葸振東， 胡林浩， 張書(shū)香， 張 波

(中交一公局第三工程有限公司， 北京 101102)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市軌道交通日益成為人們出行不可缺少的交通方式。盾構(gòu)法在地鐵和隧道工程施工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。成都地區(qū)以砂卵石地層為主，具有含水量高、卵石含量高以及滲透性高的特點(diǎn)，如果渣土改良效果不佳，將導(dǎo)致土壓平衡盾構(gòu)施工過(guò)程中出現(xiàn)掌子面坍塌、噴涌[3]、卵石沉艙以及螺旋出土器卡死等現(xiàn)象，極易造成工程事故，同時(shí)大幅增加施工成本。因此，富水砂卵石地層渣土改良的質(zhì)量直接決定了盾構(gòu)能否順利施工。

目前，國(guó)內(nèi)在渣土改良方面已有大量的研究成果。張淑朝等[4]針對(duì)蘭州富水砂卵石地層采用膨潤(rùn)土泥漿以及泡沫劑進(jìn)行了大量改良試驗(yàn)，研究表明，泥漿和泡沫混合摻入體積比分別為7%和8%時(shí)改良效果最佳。胡長(zhǎng)明等[5]以成都地鐵3號(hào)線施工為背景，采用盾構(gòu)主要參數(shù)作為間接評(píng)價(jià)渣土改良效果的指標(biāo)，驗(yàn)證了采用泡沫劑+水在稍密卵石和中密卵石為主的富水砂卵石地層中進(jìn)行渣土改良的可行性。鐘小春等[6]針對(duì)礫砂地層中容易出現(xiàn)螺旋排土器噴涌等問(wèn)題進(jìn)行了研究，認(rèn)為噴涌的主要原因是該地層某粒徑區(qū)間細(xì)顆粒缺失，通過(guò)在膨潤(rùn)土泥漿中摻入粉土對(duì)渣土進(jìn)行改良，渣土的滲透系數(shù)大幅下降，改良效果良好。文獻(xiàn)[7-11]針對(duì)砂性地層的盾構(gòu)渣土改良進(jìn)行了深入研究，通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了砂性地層渣土改良劑的選擇及配比，并提供了改良劑的摻入比例。然而，以上研究工作主要局限于直徑為6 m的盾構(gòu)，而對(duì)于8.6 m大直徑盾構(gòu)在富水砂卵石地層掘進(jìn)的渣土改良尚無(wú)研究。大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)推力、轉(zhuǎn)矩較大，在施工過(guò)程中土艙渣溫較高，加之土艙壓力較大，極大增加了渣土改良的難度。如果改良渣土黏聚性過(guò)高、流動(dòng)性差，則容易造成結(jié)泥餅、刀盤(pán)糊死；反之，容易造成機(jī)械設(shè)備磨損較大、卵石沉艙、螺旋出土器卡死以及噴涌。渣土改良效果的優(yōu)劣，將直接影響到盾構(gòu)的掘進(jìn)速度、掘進(jìn)模式、掘進(jìn)成本，甚至可能影響到工程的成敗。因此，探尋適合大直徑盾構(gòu)穿越富水砂卵石地層的渣土改良配比成為亟待解決的問(wèn)題。

鑒于此，本文以成都地鐵17號(hào)線1期工程盾構(gòu)隧道為依托，通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)膨潤(rùn)土及泡沫劑最佳配比進(jìn)行了研究，并提供了渣土改良的摻入體積分?jǐn)?shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)渣土取樣和掘進(jìn)參數(shù)結(jié)果驗(yàn)證了渣土改良的效果。

1 工程概況

成都地鐵17號(hào)線明九區(qū)間2#風(fēng)井—九江北站盾構(gòu)工程，區(qū)間單線長(zhǎng)2.2 km，埋深為18～30 m，最大坡度為12‰。采用土壓平衡式盾構(gòu)施工，開(kāi)挖直徑8.6 m，管片外徑8.3 m、內(nèi)徑7.5 m。該區(qū)間地層豎向方向自上而下分為人工填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂、卵石土，地層工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征如表1所示。場(chǎng)地內(nèi)主要為孔隙潛水，含水層主要為卵石土層，通過(guò)水文試驗(yàn)可知，卵石土層的滲透系數(shù)為27.000～30.000 m/d，為強(qiáng)透水層。該工程是國(guó)內(nèi)首次采用8.6 m大直徑盾構(gòu)穿越富水砂卵石地層，工程挑戰(zhàn)與工程意義重大。

表1 地層工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

2 改良劑配比試驗(yàn)研究

渣土改良常用的材料主要分為礦物類(lèi)、高吸水性樹(shù)脂和界面活性材料，常用材料及其特征具體見(jiàn)表2[12]。

表2 渣土改良常用材料及其特征[12]

2.1 膨潤(rùn)土漿液配比

試驗(yàn)配置了不同膨水質(zhì)量比的膨潤(rùn)土，設(shè)定膨潤(rùn)土膨化時(shí)間約為6 h時(shí)，測(cè)得不同配比膨潤(rùn)土的漏斗黏度，以探求最佳配比。試驗(yàn)包括鈉基膨潤(rùn)土、鈣基膨潤(rùn)土以及鈉基、鈣基質(zhì)量比為1∶1的混合型膨潤(rùn)土。由于鈣基膨潤(rùn)土在膨水質(zhì)量比小于1∶4的情況下基本無(wú)漏斗黏度，因此，本文主要以鈉基膨潤(rùn)土以及鈉基、鈣基1∶1混合型膨潤(rùn)土進(jìn)行漏斗黏度、相對(duì)密度對(duì)比。膨潤(rùn)土漿液漏斗黏度和相對(duì)密度隨膨水質(zhì)量比的變化曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 膨潤(rùn)土漿液漏斗黏度隨膨水質(zhì)量比的變化曲線

圖2 膨潤(rùn)土漿液相對(duì)密度隨膨水質(zhì)量比的變化曲線

由圖1和圖2可知： 1)膨潤(rùn)土漿液漏斗黏度以及相對(duì)密度隨著膨水質(zhì)量比的增加而減小，且鈉基膨潤(rùn)土漏斗黏度略高于混合型膨潤(rùn)土； 2)當(dāng)膨水質(zhì)量比低于1∶7時(shí)，膨潤(rùn)土漿液漏斗黏度基本保持為20 s左右的較低值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用需求以及成本因素，建議采用膨水質(zhì)量比為1∶6的配比，此時(shí)膨化6 h后漏斗黏度為35 s，相對(duì)密度為1.09；鈣基膨潤(rùn)土在膨水質(zhì)量比較低的情況下基本無(wú)黏性，但是可以作為細(xì)顆粒補(bǔ)充物與鈉基膨潤(rùn)土混合，相對(duì)密度得到明顯提高。

2.2 聚丙烯酰胺配比

考慮到施工成本問(wèn)題，為了保證在膨潤(rùn)土漿液漏斗黏度不變的情況下，降低膨潤(rùn)土用量，試驗(yàn)中引入了高分子材料——聚丙烯酰胺。該材料易溶于水，且溶解后呈現(xiàn)膠凝狀(如圖3所示)，由于該物質(zhì)摻入過(guò)多，會(huì)使得膨潤(rùn)土漿液呈膠狀且有分層現(xiàn)象，因此，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，建議加入膨潤(rùn)土漿液質(zhì)量的0.5‰。通過(guò)配置不同配比的膨潤(rùn)土漿液，并加入其質(zhì)量0.5‰的聚丙烯酰胺，效果如圖4所示。得到加入與未加入聚丙烯酰胺的鈉基膨潤(rùn)土漿液漏斗黏度隨膨水質(zhì)量比的變化曲線，如圖5所示。

圖3 水中加入高分子材料后的效果圖

圖4 膨潤(rùn)土漿液中加入高分子材料后的效果圖

圖5 加入與未加入聚丙烯酰胺的鈉基膨潤(rùn)土漿液漏斗黏度隨膨水質(zhì)量比的變化曲線對(duì)比

由上述試驗(yàn)可得，高分子材料(聚丙烯酰胺)可以明顯增加膨潤(rùn)土漿液的漏斗黏度。但由于膨潤(rùn)土用量減少，渣土改良的細(xì)顆粒摻入量也會(huì)減少，對(duì)改良后渣土的滲透性有一定影響，因此，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出渣情況以及是否有噴涌現(xiàn)象進(jìn)行膨潤(rùn)土配比調(diào)整。

2.3 泡沫劑配比

富水砂卵石地層應(yīng)用泡沫劑的主要目的是降低砂卵石地層的摩擦力，改善渣土的流動(dòng)性，防止刀盤(pán)及土艙糊死。根據(jù)前期參考資料以及成都地區(qū)盾構(gòu)工程實(shí)際應(yīng)用情況可知，一般泡沫溶液體積分?jǐn)?shù)為1.5%～3.5%，發(fā)泡倍數(shù)控制在8～15倍。目前市場(chǎng)上泡沫劑品種較多，質(zhì)量不一。本次試驗(yàn)采用進(jìn)口巴斯夫泡沫劑，測(cè)試不同體積分?jǐn)?shù)泡沫溶液的發(fā)泡倍數(shù)及半衰期，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可見(jiàn)，泡沫溶液發(fā)泡倍數(shù)和半衰期均隨著泡沫劑體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。綜合考慮施工質(zhì)量以及成本，確定采用體積分?jǐn)?shù)為3%的泡沫劑。

表3 不同體積分?jǐn)?shù)泡沫溶液的發(fā)泡倍數(shù)及半衰期

3 改良渣土性質(zhì)研究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掘進(jìn)渣樣情況，通過(guò)篩分試驗(yàn)，篩分不同粒徑顆粒，按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)進(jìn)行組合，不同粒徑顆粒質(zhì)量分布見(jiàn)表4，繪制的顆粒級(jí)配曲線如圖6所示。

表4 試驗(yàn)用土不同粒徑組成

圖6 試驗(yàn)用土顆粒級(jí)配曲線

3.1 黏聚性

針對(duì)砂卵石地層，為了降低對(duì)刀盤(pán)刀具的磨損以及防止卵石離析沉艙、卡死螺旋出土器，改良渣土必須具有一定的黏聚性，并可形成包裹狀，整體攜帶出艙。通過(guò)在砂卵石中摻入膨水質(zhì)量比為1∶6的膨潤(rùn)土、體積分?jǐn)?shù)為3%的泡沫劑進(jìn)行改良，渣土性狀如圖7所示。其黏聚性可通過(guò)表面觀察。

圖7 改良后渣土效果圖

3.2 流動(dòng)性

改良渣土不僅要求具有黏聚性，還必須保證一定的流動(dòng)性，多數(shù)研究將坍落度作為檢測(cè)流動(dòng)性的指標(biāo)。但坍落度受卵石粒徑以及含水率的影響很大，具有一定的局限性。因此，為了更好地判定改良渣土流動(dòng)性的好壞，通過(guò)對(duì)砂漿攪拌桶與功率表進(jìn)行改造，模擬盾構(gòu)土艙攪拌，自制了試驗(yàn)裝置，如圖8所示。不同流動(dòng)性的渣土在攪拌過(guò)程中，轉(zhuǎn)速保持不變，通過(guò)功率大小計(jì)算轉(zhuǎn)矩值，將轉(zhuǎn)矩值作為渣土流動(dòng)性的檢測(cè)指標(biāo)。機(jī)器空轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為58 r/min，空轉(zhuǎn)功率為185 W，則空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為30.46 N·m(由式(1)計(jì)算得出)。

T=9.55P/n。

(1)

式中：T為額外轉(zhuǎn)矩，N·m；P為額外功率，W；n為轉(zhuǎn)速， r/min。

圖8 改良渣土轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)裝置圖

在砂卵石中摻入不同比例的膨潤(rùn)土漿液(鈉基膨潤(rùn)土膨水質(zhì)量比為1∶6)以及泡沫劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%)，通過(guò)坍落度以及攪拌轉(zhuǎn)矩雙重指標(biāo)對(duì)流動(dòng)性進(jìn)行把控，得到改良渣土坍落度和轉(zhuǎn)矩變化曲線分別如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知，隨著膨潤(rùn)土漿液和泡沫劑摻入體積分?jǐn)?shù)的增加，改良渣土坍落度不斷增加，攪拌轉(zhuǎn)矩不斷減小。說(shuō)明采用坍落度和攪拌轉(zhuǎn)矩值2種方法得出的結(jié)論一致，其結(jié)果與文獻(xiàn)[4]類(lèi)似，證明了本文提出的將轉(zhuǎn)矩值作為渣土流動(dòng)性檢測(cè)指標(biāo)的合理性。通過(guò)多組試驗(yàn)測(cè)試及觀察，流塑性渣土改良坍落度評(píng)價(jià)指標(biāo)建議為15～18 cm，攪拌轉(zhuǎn)矩評(píng)價(jià)指標(biāo)建議為13～18 N·m。

圖9 改良渣土坍落度變化曲線

圖10 改良渣土轉(zhuǎn)矩變化曲線

由圖9和圖10可知，雖然提高泡沫摻入體積分?jǐn)?shù)后，改良渣土的流動(dòng)性得到提高，但是卵石出現(xiàn)離析現(xiàn)象，黏聚性無(wú)法保證。因此，本次試驗(yàn)將膨潤(rùn)土泥漿以及泡沫劑結(jié)合使用，經(jīng)多次試驗(yàn)，建議加入的膨潤(rùn)土泥漿(膨水質(zhì)量比為1∶6)為渣土體積的10%～12%，泡沫劑為渣土體積的20%左右(可根據(jù)地下水的含量微調(diào))。

3.3 滲透性

在保證漏斗黏度以及流動(dòng)性的基礎(chǔ)上，滲透性也是一項(xiàng)不容忽視的重要指標(biāo)。改良渣土滲透性的強(qiáng)弱直接關(guān)系到掌子面是否能夠保持穩(wěn)定以及是否會(huì)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。試驗(yàn)采用自制的測(cè)試滲透系數(shù)以及擊穿壓力的設(shè)備。裝置的主體是一個(gè)內(nèi)徑為8.4 cm、高度為80.0 cm的有機(jī)玻璃柱，試驗(yàn)柱上部連接空壓機(jī)和調(diào)壓裝置，如圖11所示。裝置密封后，施加一定的氣壓可模擬施工中的土艙壓力。該裝置最大可承受的壓力為1.0 MPa，通過(guò)與玻璃柱連接的調(diào)壓裝置監(jiān)測(cè)柱內(nèi)氣壓，保持壓力的穩(wěn)定。

圖11 改良渣土滲透性試驗(yàn)裝置

改良渣土滲透性試驗(yàn)裝置示意如圖12所示。試驗(yàn)前在儀器底部鋪1層碎石作為濾層，將改良后的渣土放于濾層上，在上部加入適量的水，密封儀器，加氣壓到200 kPa(根據(jù)盾構(gòu)施工過(guò)程中土艙壓力確定)并維持穩(wěn)定，打開(kāi)排水閥，記錄一定時(shí)間內(nèi)排出水的質(zhì)量平均值。根據(jù)式(2)得到被測(cè)土體的滲透系數(shù)。

k=VL/A(h1-h2)t。

(2)

式中：k為滲透系數(shù)， cm/s；V為一定時(shí)間t內(nèi)的水流量， m3；A為滲流橫截面面積， m2；L為渣樣的高度， m；h1為氣壓換算的水頭高度， m；h2為靜水頭高度， m。

圖12 改良渣土滲透性試驗(yàn)裝置示意圖

為了探究膨潤(rùn)土、泡沫劑對(duì)改良渣土滲透性的影響，分別在渣土中摻入不同體積分?jǐn)?shù)的改良劑進(jìn)行滲透試驗(yàn)。改良后渣土滲透系數(shù)變化曲線如圖13所示。由圖可知： 1)隨著鈉基膨潤(rùn)土摻入體積分?jǐn)?shù)的增加，滲透系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，鈉基膨潤(rùn)土摻入體積分?jǐn)?shù)為8%～16%時(shí)，滲透系數(shù)主要分布在10-5cm/s量級(jí)；當(dāng)鈉基膨潤(rùn)土摻入體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，滲透系數(shù)突增，改良效果降低，這可能是由于鈉基膨潤(rùn)土摻入體積分?jǐn)?shù)過(guò)大導(dǎo)致渣土級(jí)配不良。2)隨著泡沫劑的摻入，滲透系數(shù)急劇上升，說(shuō)明泡沫劑顯著提高了改良渣土的滲透性能。3)在鈉基膨潤(rùn)土中加入同比例的鈣基膨潤(rùn)土，滲透系數(shù)明顯降低，維持在10-6cm/s量級(jí)，說(shuō)明鈣基膨潤(rùn)土可以加大渣土中的細(xì)顆粒含量，降低渣土的滲透性能。

圖13 改良后渣土滲透系數(shù)變化曲線

4 工程實(shí)際應(yīng)用

通過(guò)對(duì)改良劑的合理調(diào)配，可使得改良渣土滿足黏聚性、流動(dòng)性及滲透性的要求。通過(guò)上述試驗(yàn)研究，建議加入的膨潤(rùn)土泥漿(膨水質(zhì)量比為1∶6)為渣土體積的10%～12%，泡沫劑為渣土體積的20%左右。為了確保室內(nèi)試驗(yàn)的可實(shí)施性，現(xiàn)場(chǎng)按照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了配比施工，具體結(jié)果如下。

4.1 渣土坍落度

為驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)果的可行性，在實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，每環(huán)取渣土對(duì)其坍落度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示大部分渣土坍落度分布在15 cm附近(如圖14所示)，流動(dòng)性較好，能夠確?，F(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)施工。

圖14 實(shí)際工程中渣土坍落度曲線

4.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

統(tǒng)計(jì)盾構(gòu)掘進(jìn)100 m時(shí)的平均推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、平均推進(jìn)速度，結(jié)果分別如圖15和圖16所示。由圖可知： 掘進(jìn)參數(shù)較為穩(wěn)定，平均推力為30 000～35 000 kN，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩為8 000～10 000 kN·m，平均推進(jìn)速度為45 mm/min。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中渣土改良效果較好(如圖17所示)，無(wú)卵石離析、糊刀盤(pán)等異?，F(xiàn)象，充分說(shuō)明了膨潤(rùn)土、泡沫劑在試驗(yàn)配比下，對(duì)富水砂卵石地層大直徑盾構(gòu)渣土改良的可行性。

圖15 盾構(gòu)掘進(jìn)平均推力及刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩曲線

圖16 盾構(gòu)平均推進(jìn)速度曲線

圖17 實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中渣土改良效果

5 結(jié)論與建議

本文以成都地鐵17號(hào)線明九區(qū)間2#風(fēng)井—九江北站盾構(gòu)區(qū)間8.6 m盾構(gòu)工程為背景，通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1)富水砂卵石地層渣土改良應(yīng)注重低黏聚性、高流動(dòng)性以及低滲透性，流塑性渣土改良坍落度指標(biāo)評(píng)價(jià)建議為15～18 cm，攪拌轉(zhuǎn)矩指標(biāo)評(píng)價(jià)建議為13～18 N·m，滲透系數(shù)不大于10-5cm/s。

2)針對(duì)富水砂卵石地層渣土改良，建議采用膨潤(rùn)土、泡沫劑混合液。其中，膨潤(rùn)土漏斗黏度不低于35 s，相對(duì)密度為1.1～1.2，按照渣土體積的10%～12%摻入，在考慮施工成本的情況下，在膨水質(zhì)量比為1∶8的膨潤(rùn)土中摻入0.5‰的高分子材料，可快速提高泥漿漏斗黏度，有效節(jié)約膨潤(rùn)土使用量；單獨(dú)使用泡沫時(shí)，渣土黏聚性無(wú)法保證，因此，建議與膨潤(rùn)土一同使用。泡沫劑發(fā)泡倍數(shù)控制在15倍，按照渣土體積的20%左右摻入。

3)根據(jù)渣土顆粒篩分試驗(yàn)，在細(xì)顆粒(小于0.075 mm)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)低于25%的情況下，可加入適量鈣基膨潤(rùn)土，提高改良劑的相對(duì)密度，以補(bǔ)充地層缺失的細(xì)顆粒含量，有效降低渣土改良滲透系數(shù)，防止掌子面坍塌以及噴涌現(xiàn)象發(fā)生。

4)如果摻入足量改良劑后出現(xiàn)卵石顆粒無(wú)法被細(xì)顆粒完全包裹、累積、離析等現(xiàn)象，建議從顆粒補(bǔ)充、提高泥漿漏斗黏度和攜渣能力等方面進(jìn)行改善，并進(jìn)一步深入研究。