鐘小春，劉健美，鄭 翔，朱能文，陳 冉

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

土壓盾構(gòu)工法已經(jīng)成為了城市地鐵建設(shè)的主流施工方法[1]。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)近30年的推廣應(yīng)用，盾構(gòu)技術(shù)對(duì)各種復(fù)雜地層的適應(yīng)性、盾構(gòu)的掘進(jìn)效率已大幅提高，施工成本已大幅降低。然而，在砂卵石地層中，土壓盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)難題還遠(yuǎn)未克服。盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進(jìn)，首先遇到的難題就是刀具和刀盤磨損[2]，需要不斷更換刀具才能維持盾構(gòu)的良好工作狀態(tài)；其次，盾構(gòu)開(kāi)挖面易失穩(wěn)，導(dǎo)致地表不斷出現(xiàn)塌坑，對(duì)周邊環(huán)境造成極大影響[3-4]，特別是穿越建(構(gòu))筑物或城市道路時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)的安全控制成為了土壓盾構(gòu)技術(shù)的重要挑戰(zhàn)。

砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)中的噴涌問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。王星鈞等[5]以在建的南寧地鐵1號(hào)線某標(biāo)段工程為背景，分析了該工程在強(qiáng)滲透性富水圓礫地層采用土壓平衡盾構(gòu)施工遇到的噴涌問(wèn)題，并對(duì)該工程的防噴涌措施進(jìn)行了總結(jié)分析。朱偉等[6]建立了盾構(gòu)內(nèi)水壓力遞減模型，并基于此模型推導(dǎo)了水壓力和流量的變化關(guān)系，闡述了噴涌的發(fā)生機(jī)制。茅華[7]以土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)發(fā)生的噴涌現(xiàn)象為例，闡述了噴涌的危害性以及噴涌的發(fā)生機(jī)制和施工應(yīng)對(duì)措施。

國(guó)外學(xué)者對(duì)于泡沫改良效果進(jìn)行了深入的研究并得出結(jié)論，泡沫劑對(duì)高滲透性或高水壓地層改良效果有限。Peila[8]采用4組土體樣本進(jìn)行土工試驗(yàn)得出，泡沫可改善開(kāi)挖過(guò)程中土體的性能。在一定范圍內(nèi)，泡沫對(duì)淤泥和黏性土的流塑性有較為明顯的改良效果，但當(dāng)淤泥或黏性土達(dá)到一定百分比時(shí)，添加劑的效果降低。Vinai等[9]通過(guò)塌落度試驗(yàn)和壓力艙模型試驗(yàn)，對(duì)螺旋輸送機(jī)內(nèi)改良渣土的壓力分布進(jìn)行研究，得出：螺旋輸送機(jī)內(nèi)的改良渣土流塑性較好時(shí)，土壓力逐漸減?。坏?dāng)土艙內(nèi)渣土是飽和或含水量過(guò)大的渣土?xí)r，螺旋輸送機(jī)內(nèi)土壓力變化不明顯。Psomas[10]開(kāi)展了攪拌試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和滲透性試驗(yàn)等一系列土工試驗(yàn)，研究泡沫在土壓平衡式盾構(gòu)土體改良中的應(yīng)用。

由于砂卵石渣土改良涉及到摻入劑種類、摻入量以及成本問(wèn)題，引起較多學(xué)者的關(guān)注。賀少輝等[11]針對(duì)蘭州地鐵砂卵石開(kāi)展了改良砂卵石的滲透性試驗(yàn)，建議同時(shí)摻加鈉基膨潤(rùn)土漿液和泡沫改良渣土，泡沫的摻入體積比應(yīng)小于1∶5。汪國(guó)鋒[12]針對(duì)北京的砂卵石開(kāi)展了新型泡沫劑和泥漿渣土改良系統(tǒng)性試驗(yàn)，認(rèn)為砂卵石地層應(yīng)該摻入復(fù)合外加劑才能達(dá)到有效的流塑性。郭彩霞等[13]以北京地鐵9號(hào)線砂卵石地層中的盾構(gòu)隧道工程為背景，采用膨潤(rùn)土和泡沫作為混合改良添加劑對(duì)渣土進(jìn)行改良，對(duì)盾構(gòu)的推力和轉(zhuǎn)矩、渣土的溫度以及掌子面泥膜的保壓性等進(jìn)行研究。

綜合上述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于土壓盾構(gòu)噴涌問(wèn)題研究較多，且有較多的研究成果；但對(duì)砂卵石地層渣土改良研究主要以針對(duì)具體工程開(kāi)展的試驗(yàn)研究為主，缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致有的工程摻入泡沫劑改良效果理想，但是另外的工程卻改良效果不理想，頻繁出現(xiàn)各種施工事故。實(shí)際上，蘭州和成都的砂卵石粒徑分布相差明顯，且即使同一城市不同區(qū)域，砂卵石粒徑分布和大小都有明顯差異。這就是為什么同樣是砂卵石地層，有時(shí)僅摻入泡沫改良就能成功，但更多的時(shí)候需要摻入膨潤(rùn)土泥漿加泡沫復(fù)合改良才能防止噴涌。因此，本文首先建立砂卵石、渣土的二相圖，并以此為基礎(chǔ)對(duì)砂卵石渣土改良難易程度進(jìn)行分類，最后用于指導(dǎo)成都地鐵17號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間的隧道掘進(jìn)。

1 砂卵石渣土和易性形成機(jī)制

砂卵石渣土與混凝土拌合物的和易性存在一定的相似性，砂卵石渣土中的中粗砂、細(xì)砂、粉粒和黏粒等細(xì)粒(粒徑<2 mm)和卵礫石粗粒(粒徑>2 mm)亦應(yīng)存在某一特定比例，使得砂卵石渣土的細(xì)骨料充填滿粗骨料形成的孔隙，從而分離粗骨料之間的直接接觸，更好地將其改良，達(dá)到良好的和易性，不發(fā)生離析。故參考混凝土計(jì)算砂率時(shí)所利用的“填充包裹原理”，將砂卵石渣土中的卵礫石顆粒類比混凝土拌合物中的石子，其他細(xì)顆粒(粒徑<2 mm，包括砂、粉土和黏土等)類比混凝土拌合物中的砂子，構(gòu)建砂卵石渣土填充包裹模型，探究砂卵石渣土中臨界細(xì)骨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。細(xì)顆粒對(duì)粗顆粒孔隙填充包裹程度如圖1所示。為了求得細(xì)顆粒的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)，建立如圖2所示砂卵石堆積二相體，從而可以得到式(1)和式(2)。

(a)細(xì)粒含量較大

(a)卵礫石堆積體

(1)

(2)

對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)砂卵石渣土改良，細(xì)粒部分包括粗砂、細(xì)砂、粉土、黏土、水和膨潤(rùn)土、泡沫等添加劑的總和；粗粒部分包括礫石和卵石總和。

由式(2)確定的砂卵石細(xì)粒部分與粗粒部分比例，可以基于砂卵石地層粒徑分布情況將其按改良難易程度分為3類：1)細(xì)粒含量較多，不僅能夠有效填充粗粒形成的孔隙，而且能夠有更多的細(xì)粒將粗粒完成隔離；2)細(xì)粒含量剛好充填滿粗顆粒形成的孔隙，此時(shí)細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于臨界狀態(tài)，以βsb表示；3)細(xì)粒含量無(wú)法填滿粗顆粒形成的孔隙。在后續(xù)的渣土改良試驗(yàn)研究中，進(jìn)一步證實(shí)本文根據(jù)細(xì)粒部分含量將砂卵石地層分為3類的合理性。由此可以獲得與3類砂卵石對(duì)應(yīng)的初步改良方案：1)改良容易型，當(dāng)砂卵石渣土的細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)βs超過(guò)βsb10%以上時(shí)，通過(guò)摻入穩(wěn)定泡沫劑可以將砂卵石渣土改良成流塑狀態(tài)；2)改良較困難型，當(dāng)砂卵石渣土的細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)略微超過(guò)βsb，但不超過(guò)βsb的1.1倍時(shí)，通過(guò)摻入泡沫+膨潤(rùn)土復(fù)合方式進(jìn)行渣土改良；3)改良困難型，當(dāng)砂卵石渣土細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于βsb，改良將變得極為困難，需要考慮泡沫+膨潤(rùn)土+聚合物復(fù)合改良方式進(jìn)行砂卵石渣土改良。

2 砂卵石臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

2.1 試驗(yàn)材料

為證實(shí)以上基于砂卵石二相體模型推導(dǎo)的細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算公式的合理性，開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)中使用的工具包括振動(dòng)篩、天平、容器、鏟子、振搗棒，將砂卵石分為卵礫石粗粒、砂粒及以下組成的細(xì)粒2部分，如圖3所示。

(a)

2.2 試驗(yàn)步驟

1)以2 mm篩對(duì)烘干的砂卵石進(jìn)行篩分，分為粗粒組和細(xì)粒組。

2)取測(cè)得的卵礫石堆積密度，隨機(jī)挑選砂粒、黏粒顆粒，測(cè)得其細(xì)顆粒堆積密度。

3)將卵礫石放入在容器中，邊加入邊振搗，直至卵礫石顆粒緊密結(jié)合在一起。

4)倒入細(xì)顆粒，不斷振搗，直到細(xì)顆粒填滿了整個(gè)容器。試驗(yàn)中加入的卵石顆粒質(zhì)量記為G1，細(xì)顆粒質(zhì)量記為G2。卵石堆積體積即為整個(gè)砂卵石的體積。

5)計(jì)算細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)G2/(G1+G2)，并與試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

2.3.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)過(guò)程中，卵石與細(xì)砂等細(xì)顆?；旌先鐖D4所示。

(a)測(cè)試卵礫石堆積密度

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照理論公式計(jì)算的臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算的臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

表1 臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算

表2 臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗(yàn)結(jié)果

3組試驗(yàn)結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果的誤差分別為1.5%、1.7%、2.2%，可以認(rèn)為建立的細(xì)顆粒填充卵石堆積形成的孔隙模型是正確的。由于以上試驗(yàn)中砂卵石取自成都地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)砂卵石渣土，因此可以認(rèn)為成都砂卵石臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%左右。

3 工程應(yīng)用

成都地鐵17號(hào)線1期某盾構(gòu)隧道區(qū)間，盾構(gòu)穿越了全斷面砂卵石地層，其地質(zhì)縱斷面如圖5所示，地層參數(shù)如表3所示。該區(qū)間的盾構(gòu)線路走向如圖6所示。盾構(gòu)穿越的地層卵石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%～70%，粒徑一般為2～15 cm，最大可達(dá)250 mm，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%，余下的為細(xì)、中砂和黏粉粒充填。根據(jù)地勘報(bào)告，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～45%，超過(guò)該工程臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的條件。本區(qū)段使用的盾構(gòu)為土壓平衡盾構(gòu)，外徑8 634 mm，類型為面板式，開(kāi)口率約36%，刀盤面板焊HARDOX600，外圍焊合金耐磨環(huán)。主刮刀66把，邊緣刮刀24把，刀座保護(hù)刀31把，注入口保護(hù)刀10把，同時(shí)配備有超挖滾刀，盾構(gòu)刀盤如圖7所示。

圖5 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面(單位：m)

表3 地層參數(shù)

圖6 盾構(gòu)區(qū)間線路

圖7 盾構(gòu)刀盤

3.1 盾構(gòu)施工難題

由于該區(qū)間隧道穿越的砂卵石地層中卵石含量大，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(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、石英砂巖、石灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度高，自穩(wěn)性較差，滲透系數(shù)大，透水性強(qiáng)，富水性良好；前期由于砂卵石渣土改良不到位給盾構(gòu)法施工帶來(lái)較多不便和難度，如螺旋排土器噴涌導(dǎo)致開(kāi)挖面壓力失控、卵石堆積于底部、盾構(gòu)掘進(jìn)轉(zhuǎn)矩推力過(guò)大、刀具磨損過(guò)快，如圖8—9所示。

圖8 排土口噴涌

圖9 刀具磨損

3.2 現(xiàn)場(chǎng)渣土改良

3.2.1 改良劑選擇及用量

根據(jù)前面的研究成果，掘進(jìn)時(shí)本區(qū)間盾構(gòu)采用鈉基膨潤(rùn)土泥漿和泡沫復(fù)合摻入進(jìn)行砂卵石改良，以期獲得較好的流塑性。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，膨潤(rùn)土泥漿膨水比為1∶6，鈉基膨潤(rùn)土泥漿注入量每環(huán)平均為10 m3；泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，發(fā)泡倍率為20，半衰期為13.5 min，每環(huán)掘進(jìn)泡沫劑原液使用量為100～150 L。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)改良效果

項(xiàng)目前期施工中，主要采用了膨水比1∶10的較稀膨潤(rùn)土泥漿，盾構(gòu)在初始掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)了多次螺旋排土器噴涌，特別是盾構(gòu)停機(jī)拼裝管片后再次啟動(dòng)時(shí)，噴涌現(xiàn)象較為普遍(見(jiàn)圖8)。砂卵石改良前出渣狀態(tài)如圖10所示。從圖10可以看出，砂卵石渣土和易性差，出現(xiàn)了明顯的卵石與細(xì)顆粒分離，大量卵石無(wú)法帶出壓力艙，細(xì)顆粒部分更容易快速排出，其渣土狀態(tài)偏稀。螺旋排土器出口的持續(xù)噴涌，已經(jīng)嚴(yán)重影響土壓盾構(gòu)掘進(jìn)安全和掘進(jìn)速度(僅為20～30 mm/min)，工期嚴(yán)重滯后。由于渣土改良效果不佳，部分滾刀出現(xiàn)了結(jié)泥餅現(xiàn)象，如圖11所示。

(a)皮帶運(yùn)輸機(jī)上的渣土、卵石出現(xiàn)分離

圖11 泥餅粘附刀具

為此，項(xiàng)目部決定進(jìn)行砂卵石地層渣土改良試驗(yàn)及機(jī)制研究工作。

改良后的渣土狀態(tài)如圖12所示，外觀上渣土的整體性與和易性良好。經(jīng)坍落度試驗(yàn)測(cè)得坍落度為16.2 cm，通過(guò)滲透試驗(yàn)測(cè)得滲透系數(shù)為5.2×10-5cm/s，且盾構(gòu)掘進(jìn)途中幾乎不發(fā)生噴涌現(xiàn)象。隨機(jī)取出掘出的幾環(huán)渣土，烘干后通過(guò)篩分試驗(yàn)(取平均值)得到顆分曲線如圖13所示，可以看出渣土中細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)于改良之前有所增加，2 mm以下的顆粒占比超過(guò)40%。

(a)改良后輸送皮帶上的渣土

圖13 排放渣土顆分曲線

采取室內(nèi)試驗(yàn)所得的改良方案進(jìn)行渣土改良之后，盾構(gòu)平均推進(jìn)速度提高到43 mm/min，平均推力由初始的3.65×104kN減少到2.70×104kN，掘進(jìn)速率顯著提高，如圖14所示。

(a)推進(jìn)速度

結(jié)合以上可以看出，添加膨潤(rùn)土泥漿和泡沫的混合改良劑之后，渣土中細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，渣土的流塑性、抗?jié)B性有了顯著提高。盾構(gòu)推力有所減小，掘進(jìn)速率顯著提高。與成都地鐵1號(hào)線相比(1號(hào)線全線最初半年內(nèi)盾構(gòu)掘進(jìn)累計(jì)完成的1 000 m隧道，大約每150 m左右就需進(jìn)行刀具的檢查與更換，甚至出現(xiàn)更換刀盤的嚴(yán)重故障)，本盾構(gòu)區(qū)間的刀具磨損程度大大減少，換刀距離接近400 m。

4 結(jié)論與建議

1)參考混凝土流動(dòng)性來(lái)源，將砂卵石分為粗粒(>2 mm)和細(xì)粒(≤2 mm)2部分，建立細(xì)粒和粗粒二相體模型，并基于該二相體模型推導(dǎo)了細(xì)顆粒包裹粗顆粒形成的孔隙時(shí)細(xì)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算公式，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該計(jì)算公式的合理性。

2)針對(duì)本文提出的二相體模型將砂卵石劃分為3種不同的類型，提出相應(yīng)的改良措施建議。針對(duì)改良困難型砂卵石地層，應(yīng)摻入泡沫+膨潤(rùn)土泥漿+聚合物；針對(duì)改良較困難型砂卵石地層，則可以采用中等稠度的膨潤(rùn)土泥漿+泡沫劑方式進(jìn)行改良；針對(duì)改良容易型砂卵石地層，采用穩(wěn)定性泡沫劑改良即可達(dá)到較好的流塑性，必要時(shí)摻入少量的膨潤(rùn)土泥漿。

3)根據(jù)推導(dǎo)公式(2)計(jì)算得到成都砂卵石臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%左右，依據(jù)該臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，砂卵石改良難易程度分為3類：改良容易型、改良較困難型、改良困難型。

4)將以上成果指導(dǎo)成都地鐵17號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道掘進(jìn)，依據(jù)其細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)推薦采用泡沫+膨潤(rùn)土泥漿復(fù)合改良方式。相對(duì)于項(xiàng)目部之前的改良方式，該方法確保砂卵石改良狀態(tài)達(dá)到了較好的流塑性，螺旋輸送機(jī)排土出渣順利，盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)。

本文主要探討了砂卵石渣土改良的難易性，對(duì)于砂卵石渣土的流動(dòng)性機(jī)制及微觀機(jī)制研究還不夠深入，下一步將在這方面開(kāi)展深入的研究工作。