竺維彬，劉健美，鄭 翔，鐘小春，朱能文

(1.廣州地鐵集團有限公司, 廣東 廣州 510330；2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；3.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

近些年來，土壓平衡盾構廣泛應用于各大城市地鐵隧道建設，取得了極大的成功。但盾構在富水砂卵石地層掘進時容易出現(xiàn)刀盤轉矩過大、刀盤卡死、螺旋輸送機卡死、刀盤及刀具和螺旋輸送機磨損嚴重、螺旋輸送機噴涌等故障[1-2]，其原因在于砂卵石地層開挖后土體流動性差，卵石強度較高，不利于渣土排出，產(chǎn)生嚴重滯排。土壓平衡盾構施工成功的關鍵是要將開挖面開挖下來的土體在壓力艙內調整成一種“塑性流動狀態(tài)”[3]。因此，需要對盾構掘進前方的砂卵石地層進行改良，使其具有較好的流動性和較低的滲透性；在盾構螺旋輸送機順利排渣的同時，在盾構開挖面上建立起穩(wěn)定的支護壓力確保開挖面的穩(wěn)定。

為此，國內盾構技術領域的科研與工程技術人員，從土壓盾構渣土改良機制和改良劑優(yōu)選等方面開展大量研究。通過渣土改良的室內試驗，魏康林[4]提出了國內常用的2種外加劑及土體的作用機制。江華等[5]以北京地鐵9號線盾構隧道工程為背景進行砂卵石改良研究，提出了改良方法應兼顧盾構的工作狀態(tài)。胡長明等[6]針對成都地鐵3號線遇到的富水砂卵石地層，通過室內試驗和數(shù)值模擬得出盾構隧道渣土改良劑優(yōu)化配比及主要掘進參數(shù)。Huang等[7]認為對于質量分數(shù)分別為20%、40%和60%的卵石采用合適的泡沫劑和摻入比是能夠進行有效改良的，而對于質量分數(shù)為80%的砂卵石應采用泡沫+膨潤土泥漿方式進行改良。鐘小春等[8]采用粉土補充高滲透地層粒組的方法，同樣達到了渣土改良的效果。

對于砂卵石地層，由于各地卵石質量分數(shù)不同甚至粒徑大小也不同，導致改良劑的選擇和摻入量上有很大的差異。對于蘭州地鐵建設中遇到的富水砂卵石地層，張淑朝等[9]通過對比不同改良方案，最終確定了既能滿足盾構和易性要求又能保證土壓平衡的改良劑配比，即泥漿和泡沫混合摻入比分別為7%和 8%的配比方案改良效果最佳。宋克志等[10]對于無水砂卵石地層進行了只用泡沫和水作為改良劑的試驗研究，并分析了其作用機制。劉彤等[11]針對南昌地鐵盾構區(qū)間的富水砂礫地層，通過現(xiàn)場掘進試驗發(fā)現(xiàn)，當膨潤土泥漿質量分數(shù)為10%時，改良效果不理想；當膨潤土質量分數(shù)增加到20%時，效果明顯改善。張潤來等[12]針對成都地鐵某盾構區(qū)間砂卵石地層采用泡沫、膨潤土和聚合物改良劑，膨潤土單獨改良的合理配比為泥漿質量分數(shù)14.3%，注入量體積比20%；泡沫+膨潤土共同改良比兩者單獨改良效果要好；當?shù)叵滤S富時，還需要添加聚合物。王士民等[13]針對成都地鐵某盾構區(qū)間砂卵石地層開展渣土滲透、坍落度等試驗后，提出了膨潤土和羧甲基纖維素混合泥漿配合比。

從以上研究可以看出，開展了較多的泡沫或膨潤土泥漿或兩者復合摻加的方式進行砂卵石渣土改良，且大多是針對某一工程案例開展的，對于其改良機制方面的探討較少；相對于砂土地層，砂卵石渣土改良更為困難，對膨潤土泥漿質量分數(shù)有要求，且摻入量較大，達到渣土的10%～20%。

因此，如何高效快速確定既經(jīng)濟又安全的外摻劑及摻入量，是砂卵石渣土改良迫切需要解決的工程難題。本文以成都地鐵某標段遇到的富水砂卵石地層為研究對象，通過室內渣土改良試驗，以渣土的坍落度15～20 cm為目標，以最小膨潤土干土使用量為搜索方向，找出經(jīng)濟較優(yōu)的渣土改良配方。最后將成果應用于工程實踐，得到了很好的驗證。

1 砂卵石渣土改良的坍落度試驗

1.1 砂卵石地層顆粒分析

現(xiàn)場砂卵石渣土見圖1，從皮帶上取樣后或曬干或風干或烘干后篩分，按粒徑分組存放。

圖1 現(xiàn)場砂卵石渣土

根據(jù)地勘報告，砂卵石地層粒徑分布如圖2所示，其顆粒組成指標如表1所示。顯然，該砂卵石地層砂質量分數(shù)較低，粉粒和黏粒質量分數(shù)極低，而卵石質量分數(shù)高達68%，且屬于極度不良的粒徑級配。地層含水率約為4%。

圖2 砂卵石地層粒徑分布曲線

1.2 膨潤土泥漿對砂卵石渣土流動性改良

1.2.1 泥漿性能試驗

結合研究資料及現(xiàn)場情況，采用現(xiàn)場使用的鈉基膨潤土分別配制膨水比(鈉基膨潤土質量∶水質量)為1∶4、1∶6、1∶8的膨潤土泥漿，經(jīng)12 h膨化后使用馬氏漏斗和比重秤進行黏度和相對體積質量試驗，泥漿的相對體積質量與黏度指標如表2所示。

表2 泥漿相對體積質量與黏度

由以上數(shù)據(jù)可以看出，泥漿黏度隨著膨潤土質量分數(shù)減小而減小，膨水比1∶4的泥漿黏度太大，無法滿足工地現(xiàn)場攪拌條件要求，難以攪拌均勻。

1.2.2 坍落度試驗

將上述3種泥漿砂卵石渣土分別按一定質量比(泥漿質量/砂卵石質量)拌合均勻，質量摻入比分別取5%、7.5%、10%、12.5%，然后進行坍落度試驗，見圖3。

圖3 坍落度試驗

圖4示出了不同配比下泥漿摻入質量比對坍落度的影響。從圖4可以看出，隨著泥漿摻入量的增加，砂卵石坍落度幾乎是線性增加，但膨水比越大的膨潤土泥漿，砂卵石渣土的坍落度增加幅度更大一些。

圖4 不同配比下泥漿摻入質量比對坍落度的影響

改良后的砂卵石渣土坍落度如圖5所示。從砂卵石渣土狀態(tài)可以看出，膨潤土泥漿質量分數(shù)較高(膨水比為1∶4)時，改良后渣土黏性過大導致流動性較低；當膨潤土質量分數(shù)較低(膨水比為1∶8)時，流動性改善明顯。但泥漿黏度較小，摻入后易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，渣土不具有良好的裹挾性和整體性，改良后渣土的和易性較差。綜合上述情況，以坍落度150～200 mm為標準，兼顧改良后渣土的和易性，選擇膨水比1∶6的泥漿、摻入質量比9%～12.5%較為適宜。

(a)膨水比1∶4、摻入比12.5%

1.3 泡沫對砂卵石渣土流動性改良

采用施工現(xiàn)場使用的泡沫劑，發(fā)泡倍率為20，配制質量分數(shù)為2%、2.5%、3%的泡沫，按體積摻入比為35%、40%、45%、50%、55%摻入砂卵石中進行拌合，試驗改良后的砂卵石渣土坍落度如圖6所示。

圖6 泡沫摻入量對坍落度的影響

從圖6中可以看出，質量分數(shù)為3%的泡沫在摻入比達到35%～45%即可滿足坍落度要求；采用質量分數(shù)為2%與2.5%的泡沫摻入比需要達到45%～50%可滿足坍落度要求，且兩者改良效果相差不大。為節(jié)約改良成本，選擇質量分數(shù)為2%泡沫劑較為適宜，但是只以泡沫作為改良劑會使渣土黏聚性不足(見圖7)，其渣土滲透性較大、無法滿足該地層防噴涌的要求[9, 12]，因此考慮混合膨潤土泥漿與泡沫2種改良劑進行改良。

圖7 泡沫改良后的效果

1.4 膨潤土泥漿+泡沫對砂卵石渣土流動性改良

1.4.1 坍落度試驗

配制膨水比為1∶6的膨潤土泥漿和質量分數(shù)為2%的泡沫，膨潤土摻入質量比分別為5%、7%、9%，泡沫摻入體積比分別為5%、7.5%、10%、12.5%、15%，以上一一對應的組合與砂卵石拌合后，開展坍落度試驗，如圖8所示。由圖8可以看出，將膨潤土和泡沫控制在上述配比中均較容易達到要求的坍落度目標，例如：要達到15 cm坍落度的目標，只摻入膨水比1∶6的泥漿，需要摻入膨潤土質量比為8%左右；而混合摻入膨潤土和泡沫改良時，在膨潤土質量比為5%和泡沫體積比為11%～12%即可達到。這是由于膨潤土泥漿和泡沫的滾珠效應，在二者的共同作用下增大了砂卵石渣土的流動性，從而可以減少膨潤土泥漿的使用量。在實際工程中除了坍落度方面的要求，還需要考慮改良后渣土的滲透性，以防止螺旋輸送機出口噴涌現(xiàn)象的發(fā)生，對最終膨潤土和泡沫混合改良效果還需要開展?jié)B透試驗。

圖8 泡沫對砂卵石坍落度的影響

1.4.2 滲透試驗

將混合膨潤土和泡沫改良后的渣土裝入滲透儀中，振搗密實；在其上部緩慢注入流水，然后蓋緊上蓋并逐級加氣壓，自動測量滲水量；最后計算改良渣土的滲透系數(shù)。滲透試驗示意見圖9(a)。滲透試驗裝置見圖9(b)?？紤]試驗尺寸，試驗中的卵石尺寸不得超過10 cm，將極少數(shù)超過10 cm的卵石剔除，根據(jù)其粒徑分布圖(見圖2)可知，因其質量分數(shù)小所以影響較小。

(a)滲透試驗示意圖

圖10示出了泡沫摻入對滲透系數(shù)的影響，可以看出，泥漿摻入質量比一定的情況下，隨著泡沫摻入體積比增加，渣土的滲透系數(shù)呈減小趨勢。對比后可發(fā)現(xiàn)，相同的泡沫摻入量下泥漿摻入質量比為5%、7%的抗?jié)B性略微優(yōu)于質量比9%膨潤土泥漿。

圖10 泡沫摻入對滲透系數(shù)的影響(膨水比1∶6)

這是因為砂卵石地層粒徑大、顆粒級配極度不良，泡沫對其改良主要是泡沫的滾珠效果增加其流動性，但是對于其堵塞卵石粗顆粒形成的大孔隙效果不大。結合之前的單摻改良試驗結果，可確定改良劑的優(yōu)化配比范圍為膨水比1∶6的膨潤土泥漿摻入質量比為5.0%，泡沫摻入體積比為10%～30%(考慮到泡沫在施工中消泡特點，適當增加泡沫的摻入量)，即可使砂卵石渣土具有良好的坍落度、和易性和較低的滲透性，達到土壓盾構渣土改良的要求。

2 砂卵石地層盾構渣土改良經(jīng)濟配方確定

砂卵石渣土由于細砂級粒徑以下顆粒質量分數(shù)極低，需要補充膨潤土泥漿，與砂卵石中的細砂、粉土和黏土等細顆粒形成組團，填充到卵礫石大顆粒形成的空隙，這是砂卵石地層渣土改良的內在機制。顯然，需要摻入的泥漿量較多，甚至要求較高的泥漿稠度。如何選擇合適的泥漿稠度，最大程度地節(jié)省泥漿使用量，同時盡量減少渣土排放和資源的浪費，節(jié)約施工成本，這是砂卵石地質盾構掘進的重大課題。

當膨潤土泥漿膨水比過小時，比如膨水比1∶8，摻入該較稀的泥漿無法與砂卵石形成黏性、流塑性良好的渣土，泥漿與卵石易分離。這主要由于泥漿中過多的水導致細顆粒組團流動性過大，無法在卵石塊形成空隙中形成一個流塑性的整體，自然無法包裹更大的卵石，也無法將壓力艙內大直徑卵石攜帶排出，渣土的滲透性也偏高。

鑒于以上分析，從施工經(jīng)濟成本考慮，在滿足渣土性能的基礎上，應該采用膨水比最小的膨潤土泥漿，并與泡沫進行聯(lián)合改良，可以達到最優(yōu)的經(jīng)濟性。為此，將上述膨潤土改良后的砂卵石渣土分為水、膨潤土干土、砂卵石3部分，在滿足渣土流塑性的條件下，以渣土坍落度15～20 cm為目標，以最小膨潤土干土使用量為搜索方向，找出最具經(jīng)濟性的渣土改良措施。以水與砂卵石質量比(水砂比)為x軸，膨潤土與砂卵石質量比(膨砂比)為y軸，改良后的渣土坍落度為z軸，作出三維曲面圖，如圖11所示。

圖11 砂卵石坍落度與外摻劑的關系

由圖11可以看出，右上部分雖然坍落度大，但是出現(xiàn)了明顯的離析現(xiàn)象，這是因為該區(qū)域中泥漿膨水比過小，泥漿黏度太低，摻入量過大時易發(fā)生卵石與細顆粒分離的現(xiàn)象，無法達到所要求的流塑狀態(tài)。突變邊界呈一條直線，此直線斜率(膨潤土干土∶水)為1∶6[14]，即為可滿足渣土流塑性的最小膨水比組合，可以滿足砂卵石渣土的坍落度、和易性、抗?jié)B透性的改良要求，而且最具經(jīng)濟性。

3 工程應用

成都軌道交通17號線一期工程TJ07標明光站(原鳳翔站)—九江北站區(qū)間，右線長2 274.048 m，左線長2 157.2 m，最小曲線半徑為600 m，本區(qū)間設置4座聯(lián)絡通道，隧道埋深為9.1～29.0 m。隧道最大坡度28‰，盾構開挖直徑8.634 m，管片內徑7.5 m，管片外徑8.3 m。區(qū)間主要穿越〈3-8-2〉中密砂卵石土以及〈3-8-3〉密實砂卵石土。

3.1 地質條件與難點分析

主要穿越上更新統(tǒng)冰水沉積與沖積層(Q3fgl+al)卵石土。該卵石土中卵石質量分數(shù)占70～80%，粒徑多為4～17 cm，以亞圓形為主，分選性差；卵石成分主要為中等風化-強風化花崗巖、石英砂巖、石灰?guī)r，抗壓強度高，自穩(wěn)性較差，滲透系數(shù)大，透水性強，富水性良好。此類砂卵石地層可能給盾構隧道掘進帶來難題，如螺旋輸送機噴涌導致開挖面壓力失控、超挖導致地表沉降難以控制，甚至坍方、卵石堆積于壓力艙底部難以排出，還有超挖導致盾構姿態(tài)和管片姿態(tài)穩(wěn)定性差等問題。

3.2 水文情況

區(qū)間沿線分別下穿鳳溪河支渠、丁橋村支渠以及白河，地下水位埋深4.1～7.2 m，主要分為上層滯水及砂土、卵石土中賦存的孔隙潛水，水量較大。其中，孔隙水主要補給源為大氣降水和區(qū)域地表水，對工程影響大。

3.3 現(xiàn)場渣土改良情況及效果

3.3.1 現(xiàn)場改良劑摻入量

盾構始發(fā)時采用鈉基膨潤土泥漿和泡沫進行砂卵石改良，以期獲得較好的流塑性。據(jù)統(tǒng)計，每環(huán)掘進平均鈉基膨潤土泥漿注入量為10 m3，膨水比1∶6；泡沫劑發(fā)泡倍率為20，半衰期大于15 min，每環(huán)掘進泡沫劑原液使用量為100～150 L。計算可得出膨潤土泥漿的質量摻入比為5%左右。

3.3.2 渣土狀態(tài)及推速的對比

現(xiàn)場渣土數(shù)據(jù)統(tǒng)計和狀態(tài)分別見表3和圖12?，F(xiàn)場砂卵石渣土改良效果見圖13。從表3和圖12—13中可以看出，現(xiàn)場改良渣土坍落度超過15 cm，達到流塑狀態(tài)，盾構推進速度明顯加快。改良后盾構刀盤換刀間隔從100 m提高到400～500 m，減小了刀盤的磨損，提高了推進速度，從平均推速20 mm/min提高到40 mm/min以上，平均推力由初始的3.65×104kN減少到2.70×104kN。這驗證了砂卵石渣土改良室內試驗結果的合理性。

表3 現(xiàn)場渣土數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

(a)現(xiàn)場皮帶上的砂卵石渣土

(a)推進速度

4 結論與討論

1)將鈉基膨潤土改良砂卵石坍落度細分為水和膨潤干土2部分，得到坍落度與膨砂比和水砂比的三維曲面圖，以是否發(fā)生離析作為分界線，從而獲得了砂卵石渣土膨潤土泥漿改良最經(jīng)濟的膨水比。

2)針對成都地鐵17號線某盾構區(qū)間隧道穿越的砂卵石地層，為使其達到較好的坍落度、和易性和抗?jié)B性，提出渣土改良的優(yōu)化方案：按膨水比1∶6配制鈉基膨潤土泥漿，其摻入干土質量比為5%，泡沫摻入體積比為10%～30%。在土壓平衡盾構保證安全的前提下，該改良方案的經(jīng)濟性最佳。

3)成都地鐵17號線砂卵石地層經(jīng)過膨潤土泥漿和泡沫復合改良后，盾構掘進的速度明顯提高，總推力顯著降低；同時，減小了刀具磨損和開艙換刀次數(shù)以及地面塌方等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

對于砂卵石地層渣土改良，一般情況下都需要采用膨潤土泥漿進行改良，以填充卵石等粗顆粒形成的孔隙并隔離粗顆粒之間的直接接觸，確保改良后渣土有較好的流塑性，因此對膨潤土泥漿的稠度和調配要求較高。當膨水比較大時，泥漿黏度很大，改良后渣土由于黏度過大導致流動性較低，且不經(jīng)濟；當膨水比較小時，泥漿摻入砂卵石渣土后易出現(xiàn)粗細顆粒之間的離析，無法形成良好的整體性(和易性)，這是砂卵石渣土改良區(qū)別于以往砂土渣土改良的顯著特征。

上述試驗成果和應用效果來源于土壓盾構掘進中良好的土壓平衡狀態(tài)和特定的砂卵石地層。不同城市的砂卵石地層會有差異，建議參考本文提出的配方試驗方法可較快確定既經(jīng)濟又能保障土壓盾構掘進的配方。