金 成，吳 帆，李福軍，趙軍峰，龔秋明，殷麗君

(1.北京工業(yè)大學城市防災與減災教育部重點試驗室，北京 100124；2.中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130033)

0 引言

地鐵作為緩解我國城市交通擁堵的一種高效交通出行方式在很多一、二線城市得到大力推廣和應用，土壓平衡盾構(gòu)由于占地面積小、適用地層較廣、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點在城市地鐵隧道建設中被廣泛使用[1]。

土壓平衡盾構(gòu)在施工時，依靠刀盤旋轉(zhuǎn)切削前方土體，切削產(chǎn)生的渣土通過刀盤開口到達土壓艙，并利用土壓艙內(nèi)渣土產(chǎn)生的土壓力平衡掌子面前方的水土壓力。為了產(chǎn)生連續(xù)均勻穩(wěn)定的土壓力，這就要求渣土具有良好的流塑性、保水性、較低的摩擦系數(shù)和滲透系數(shù)等[2]。而未改良的渣土一般不具備以上特點，因此有必要針對不同地層進行渣土改良的試驗研究。目前，國內(nèi)外一些學者針對不同地層和泡沫添加劑進行了一系列室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究。對泡沫添加劑，Psomas等[3]設計了一套發(fā)泡裝置，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)影響泡沫質(zhì)量的主要因素為發(fā)泡液性能和氣泡中的氣液比例。汪輝武[4]通過自制的發(fā)泡設備和攪拌設備，研究了氣液比、濃度等對泡沫半衰期、發(fā)泡倍率、泡沫尺寸的影響。對于單一地層渣土改良試驗，楊洪希等[5]針對粉質(zhì)黏土地層易出現(xiàn)“結(jié)泥餅”問題，采用泡沫進行改良，通過室內(nèi)試驗和對現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，粉質(zhì)黏土地層采用泡沫改良可達到改良效果。劉飛等[6]針對富水砂礫地層進行渣土改良試驗研究。通過對試驗段內(nèi)每環(huán)渣土進行坍落度試驗和對掘進參數(shù)進行分析發(fā)現(xiàn)，坍落度達到50～100mm便可滿足施工要求。姜厚停等[7]針對卵石地層進行了室內(nèi)試驗，得到最佳的添加劑配合比，隨后對取樣點的卵石地層進行了掘進試驗，取得良好試驗結(jié)果，并得到卵石地層渣土的最佳坍落度范圍在150～200mm。Sebastiani等[8]進行了室內(nèi)摩擦試驗，得出土體的礦物組成、粒徑分布、顆粒形狀、表面粗糙度等對摩擦試驗結(jié)果影響較大，但加入泡沫后渣土的摩擦性可明顯降低。對于復合地層的渣土改良，龔秋明等[9]形成了一整套針對復合地層的添加劑改良方案。加武榮[10]采用室內(nèi)試驗結(jié)合現(xiàn)場檢測統(tǒng)計的方案，發(fā)現(xiàn)在土巖復合地層中每環(huán)泡沫劑用量最多。

上述針對不同地層渣土改良的試驗中，多數(shù)集中于單一地層，針對土巖復合地層的室內(nèi)渣土改良試驗較少。本文以深圳市地鐵12號線某區(qū)間隧道土巖復合段為例，進行了室內(nèi)渣土改良試驗，從而獲得泡沫注入比與掌子面土體占比變化規(guī)律，為盾構(gòu)施工穿越土巖復合段的渣土改良提供一定參考。

1 工程概況與地質(zhì)條件

深圳市地鐵12號線是支撐深圳市西部發(fā)展軸帶建設，前海(蛇口)自貿(mào)區(qū)、空港新城地區(qū)城市發(fā)展，緩解南山中心區(qū)、寶安中心區(qū)交通擁堵的普速線路。隧道區(qū)間成洞內(nèi)徑5.5m、外徑6.2m。

此區(qū)間地質(zhì)條件呈現(xiàn)出地下水位高、巖體風化程度差異大等特點，覆土在10～110m。隧道區(qū)間施工過程中需穿越軟土地層、軟土硬巖復合地層、硬巖及斷裂構(gòu)造帶。當右線掘進至183環(huán)時，進入長度約為22.5m(15環(huán))的土巖復合地層，此時隧道平均埋深約22m，地下水位于地表下約3.4m處。右線0～205環(huán)地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 區(qū)間右線地質(zhì)剖面

2 試驗方案與巖渣配制

2.1 試驗方案

在土巖復合地層中掘進時，隨著掌子面土體占比降低，渣土中巖渣體積增大，為了保證穩(wěn)定開挖，泡沫注入比必將發(fā)生變化。從該區(qū)間隧道取得全風化混合花崗巖，先進行全風化混合花崗巖的室內(nèi)渣土改良試驗，在此基礎上再進行土巖復合地層的渣土改良試驗研究，具體試驗方案如下(試驗流程如圖2所示)。

圖2 土體改良試驗流程

1)確定全風化混合花崗巖地層的最優(yōu)含水率ω和泡沫注入比FIR。

2)試驗共配制渣樣8L。根據(jù)掌子面土體占比不同，計算出所需巖渣體積V2和質(zhì)量m2。

3)根據(jù)現(xiàn)場所測的巖石渣樣的級配曲線，使用由北京工業(yè)大學機械破巖試驗平臺[11]所破巖渣配制相同級配曲線的巖渣。

4)將所配巖渣摻入土樣進行土巖復合地層的渣土改良室內(nèi)試驗研究。

2.2 土樣參數(shù)和巖渣配制

深圳全風化混合花崗巖的級配曲線如圖3所示。測得土樣d10=0.63mm，d30=1.25mm，d60=5mm，計算得到不均勻系數(shù)Cu=7.94>5，曲率系數(shù)Cc=0.50<1.0，為級配不良的均勻土。采用GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》測得全風化混合花崗巖的塑限ωP和液限ωL分別為24.1%，28.9%。

圖3 土樣級配曲線

選取巖渣約20kg進行篩分，得到篩分曲線如圖4所示。

圖4 巖渣篩分曲線

為了方便計算不同土體占比下巖渣的體積和質(zhì)量，參考文獻[12]的方法，引入土巖復合角θ(0≤θ≤2π)的概念，如圖5所示，其中H1為掌子面土體高度，H2為掌子面巖石高度，D為隧道開挖直徑。掌子面土體占比λ可表示為H1/D。

圖5 土巖復合地層掌子面示意

掌子面土體占比λ與土巖復合角θ間的關(guān)系如下式所示：

θ=2arccos(1-2λ)

(1)

掌子面巖石體積V2與土體體積V1之比為：

(2)

試驗時控制試樣體積為8L，土樣和巖渣的體積V1和V2分別為：

(3)

(4)

巖石密度約為2.6g/cm3，根據(jù)圖4可得每個篩孔篩余的巖石質(zhì)量。

3 渣土改良室內(nèi)試驗

渣土改良室內(nèi)試驗包括泡沫性能試驗、坍落度試驗和攪拌試驗。

3.1 泡沫性能試驗

半衰期和發(fā)泡倍率是評價泡沫性能的重要指標，且已有的試驗研究表明，發(fā)泡液濃度對半衰期和發(fā)泡倍率的影響最大[13]。

本試驗通過龔秋明等[14]研制的室內(nèi)發(fā)泡裝置進行泡沫制備。對不同濃度的泡沫發(fā)泡劑溶液進行了試驗，試驗結(jié)果如圖6，7所示。

圖6 發(fā)泡液濃度與半衰期關(guān)系曲線

圖7 發(fā)泡液濃度與發(fā)泡倍率關(guān)系曲線

從圖6中可看出，隨著發(fā)泡液濃度的增大，半衰期呈現(xiàn)出先快速增大后逐漸平穩(wěn)的變化趨勢。當發(fā)泡液的濃度從1%增長至3%時，半衰期從4.09min增長至8.14min，增長4.05min，增幅接近100%；而當發(fā)泡液濃度從3%增長至6%時，半衰期增長3min左右，增幅明顯下降。

發(fā)泡液濃度與發(fā)泡倍率也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。當發(fā)泡液濃度為3%時，發(fā)泡倍率為34.25。根據(jù)施工經(jīng)驗，泡沫在大氣壓下的半衰期要>6min，發(fā)泡倍率不能<20倍[13]，而當發(fā)泡液濃度為3%時均能滿足以上要求，同時考慮到經(jīng)濟因素，選用3%濃度的發(fā)泡液進行室內(nèi)渣土改良試驗。

3.2 坍落度試驗

坍落度試驗由于設備簡單、操作方便、試驗過程短等優(yōu)點被廣泛應用于室內(nèi)和現(xiàn)場進行。含水率與坍落度關(guān)系曲線如圖8所示，發(fā)現(xiàn)全風化混合花崗巖坍落度與含水率的關(guān)系存在4個階段：①當含水率在4%～12%時，土體較松散，未形成整體的黏聚，坍落度隨含水率的變化不太明顯；②當含水率在14%～18%時，土體逐漸黏結(jié)在一起，但此時的黏聚性依然較差，當含水率達到18%時，坍落度降至0；③含水率在20%～24%時，土體的黏聚性隨著含水率的增加而增大，此時的坍落度依然為0；④當含水率在25%～35%時，坍落度隨著含水率的增加而增大。當含水率達到28%時，坍落度迅速增大，流動性得到明顯提高，但隨著含水率的增大也同時伴隨著析水、土樣坍落過快等問題。

圖8 含水率與坍落度關(guān)系曲線

從試驗現(xiàn)象看，不同含水率下的全風化混合花崗巖流塑性差異大。隨著含水率增大，土樣的流動性和黏聚性都能得到一定提升。當含水率較低時，土樣的流動性對含水率的變化不是很敏感。隨著含水率增加，土樣也會出現(xiàn)析水、坍落不成型等問題，因此只加入水不能使土樣達到理想的改良效果。

在含水率為18%，22%，26%，28%，30%條件下注入不同體積的泡沫，得到坍落度與泡沫注入比的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖9 泡沫注入比與坍落度關(guān)系曲線

從圖9中可看出，當全風化混合花崗巖含水率較低(如為18%，22%)時，由于全風化混合花崗巖吸水性較好，注入的泡沫基本破滅，泡沫對其改良效果較差。當含水率為26%，28%時，隨著泡沫注入比增大，坍落度逐漸增加。而當含水率為30%時，泡沫注入比對土樣坍落度影響較小，但土樣的流動性會得到明顯提升，同時也存在由于含水率過大使得泡沫混合土樣的流動性過大等問題。

總體來說，對于深圳的全風化混合花崗巖，當坍落度值為100～220mm時，土樣流動性較好，坍落度試驗后的土體形狀規(guī)則，較穩(wěn)定，無明顯析水現(xiàn)象，滿足盾構(gòu)施工對土體流動性的要求。

3.3 室內(nèi)攪拌試驗

室內(nèi)攪拌試驗采用由龔秋明等[15]研制的攪拌設備進行。通過記錄的空轉(zhuǎn)電流I0和試驗電流I可換算得到攪拌扭矩T，具體計算過程如下。

1)首先求得攪拌過程中土樣所消耗的攪拌功率P，計算公式如下：

P=U(I-I0)

(5)

式中：I0為攪拌機空轉(zhuǎn)電流；I為攪拌土樣時電流；U為電動機電壓，本試驗取220V。

2)由于攪拌時攪拌葉片的轉(zhuǎn)速w一定，則土樣的攪拌扭矩如下：

T=9.5P/w

(6)

選取合理坍落度下的試樣進行室內(nèi)攪拌試驗。根據(jù)攪拌扭矩的大小和攪拌過程中的扭矩波動情況對不同的改良方案進行評價。選取的試樣：①含水率26%和泡沫注入比90%～140%；②含水率28%和泡沫注入比0～150%；③含水率30%和泡沫注入比0～150%。

圖10反映出不同含水率下攪拌扭矩與泡沫注入比的關(guān)系。從圖10中可發(fā)現(xiàn)，不同改良方案下的攪拌扭矩差異較大。含水率為26%時，泡沫注入比達到140%左右時，攪拌扭矩才較低。而當含水率較高時，較低的泡沫注入比便可獲得較低的扭矩?？紤]到經(jīng)濟因素，含水率為28%時，泡沫注入比在80%～100%和含水率為30%時，泡沫注入比在 50%～60% 較合理。

圖10 不同含水率下攪拌扭矩與泡沫注入比關(guān)系曲線

圖11反映攪拌扭矩隨時間的變化規(guī)律。從圖11中可看出，5種改良方案的扭矩在13.5～18.0N·m 波動。其中，當含水率為28%、泡沫注入比為80%時，扭矩較低的同時，波動也較??；而當含水率為30%時，雖然扭矩較低但波動較大。

圖11 攪拌扭矩隨時間變化曲線

綜上所述，全風化混合花崗巖的最佳改良方案為含水率28%、泡沫注入比80%，此時的坍落度為190mm，渣土流動性好，扭矩低且平穩(wěn)，改良后渣土的理想狀態(tài)如圖12所示。

圖12 改良全風化混合花崗巖的理想狀態(tài)

4 土巖復合地層中不同土體占比條件下的渣土改良試驗

掌子面土體占比λ分別取0.9，0.8，0.7，0.6，0.5。在含水率為28%和泡沫注入比為80%的基礎上進行土巖復合地層的渣土改良試驗研究。進行試驗時發(fā)現(xiàn)當λ為0.9，0.8時，在此基礎上改良可獲得較理想的效果；而當λ為0.7，0.6，0.5時，由于巖粉較多，在渣土中起到黏結(jié)作用，增加了土和巖渣間的黏聚力，降低了其流動性，因此初始含水率為28%不能獲得較好的改良效果。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當含水率為32%時，可獲得較好改良效果。

4.1 坍落度試驗

不同含水率、掌子面土體占比下，坍落度隨泡沫注入比關(guān)系曲線如圖13所示。從圖13中可發(fā)現(xiàn)，隨著掌子面土體占比增加，相同泡沫注入比下坍落度會減小，這是因為巖渣在渣土中起到骨架和填充作用，增加了渣土整體的穩(wěn)定性。當λ=0.9時，坍落度隨泡沫注入比的增加幾乎呈線性增長趨勢；而當λ<0.9時，坍落度隨泡沫注入比的增加呈現(xiàn)先緩慢增長，隨后迅速增長，最后逐漸穩(wěn)定的變化趨勢。從試驗渣土的形狀看，渣土改良后的理想坍落度在100～200mm。

圖13 不同土體占比下坍落度與泡沫注入比關(guān)系曲線

4.2 攪拌試驗

在不同土體占比下攪拌扭矩隨泡沫注入比變化的關(guān)系曲線如圖14所示。從圖14中可看出，隨著泡沫注入比增大，攪拌扭矩隨之降低。當λ=0.9，泡沫注入比為120%時，攪拌扭矩較低。其他情況下，隨著泡沫注入比增加，扭矩初始變化較小，后迅速降低，臨界泡沫注入比分別為180%，220%，280%，300%。

圖14 不同土體占比下攪拌扭矩與泡沫注入比關(guān)系曲線

在λ=0.8，0.7，0.6，0.5時的臨界泡沫注入比下，攪拌扭矩隨時間的變化規(guī)律如圖15所示。從圖15中可看出，隨著掌子面土體占比下降，渣土中巖渣比重上升，攪拌扭矩的波動幅度明顯增加，但扭矩總體上來說還是維持在較低水平。因此，此時的臨界泡沫注入比便可認為是最優(yōu)泡沫注入比。改良后的理想狀態(tài)如圖16所示。

圖15 不同土體占比下攪拌扭矩隨時間變化規(guī)律

圖16 改良后的理想狀態(tài)(λ=0.5)

4.3 改良結(jié)果分析

泡沫注入比與掌子面土體占比關(guān)系曲線如圖17所示。從圖17中可見，隨著掌子面土體占比的降低，泡沫注入比呈現(xiàn)出線性增長趨勢。掌子面土體占比每降低10%，泡沫注入比增加50%。

圖17 泡沫注入比與土體占比關(guān)系曲線

5 工程實例

本文以該區(qū)間的土巖復合段(183～198環(huán))進行分析。隨著環(huán)號增加，掌子面土體占比均勻下降。

5.1 泡沫注入比對比分析

通過采集到的數(shù)據(jù)可計算出施工時使用的發(fā)泡液濃度約為3%。計算渣土體積時考慮一定的松散系數(shù)ξ，復合地層的松散系數(shù)取值可參考文獻[10]。實際工程中泡沫劑的發(fā)泡倍率是在盾構(gòu)壓力艙的有壓狀態(tài)下測出，與大氣壓下測得的發(fā)泡倍率不同。根據(jù)熱力學定律，大氣壓下的發(fā)泡倍率與特定氣壓下的發(fā)泡倍率有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(EFRa-1)Pa=(FER-1)P

(7)

式中：FERa為大氣壓下的發(fā)泡倍率；Pa為大氣壓；FER為特定大氣壓下的發(fā)泡倍率；P為特定大氣壓。

計算得到現(xiàn)場施工泡沫注入比與室內(nèi)試驗的泡沫注入比對比曲線，如圖18所示。

圖18 現(xiàn)場施工與室內(nèi)試驗掌子面土體占比與泡沫注入比對比曲線

從圖18中可看出，隨著掌子面土體占比減小，現(xiàn)場施工的泡沫注入比和試驗所得的泡沫注入比都呈線性增長趨勢。但試驗所得結(jié)果的斜率大于施工現(xiàn)場。室內(nèi)試驗中，掌子面土體占比每降低10%，泡沫注入比平均增加50%，而現(xiàn)場施工中增加的泡沫注入比較低，這有可能會造成施工時的扭矩及其波動均較大。

5.2 盾構(gòu)施工扭矩與土壓力分析

盾構(gòu)扭矩隨掌子面土體占比變化曲線如圖19所示。從圖19中可發(fā)現(xiàn)，當掌子面土體占比為1.0時，此時泡沫注入比為98%，大于室內(nèi)試驗的80%，扭矩較低，僅為1 024.61kN·m。當λ=0.93時，對應的環(huán)號為184環(huán)，泡沫注入比達到135%，扭矩降低至804.25kN·m。但當掘進至185，186環(huán)時，對應的λ分別為0.87，0.80，泡沫注入比僅為71%，94%，相較于184環(huán)不升反降，這造成扭矩快速上升，且最后達到2 296.66kN·m，相較于183環(huán)時的扭矩增加了近125%。但在187環(huán)后隨著泡沫注入比較穩(wěn)定增長，扭矩的變化幅度明顯降低。

圖19 扭矩隨掌子面土體占比變化曲線

186環(huán)和191環(huán)扭矩隨時間變化曲線如圖20所示。從圖20中可看出，雖然191環(huán)掌子面土體占比較低，但由于泡沫注入比為169%，其值較高，而186環(huán)時僅為94%，因此191環(huán)的扭矩整體均低于186環(huán)的扭矩。但186環(huán)和191環(huán)的扭矩隨時間的波動均較大，這不僅會降低掘進效率，也會增加刀具磨損。

圖20 扭矩隨時間變化曲線

土壓艙能否建立穩(wěn)定的土壓力也是評價渣土改良性能的一個重要指標。選取土巖復合地層的上部土壓力測量值，如圖21所示。從圖21中可看出，隨著掌子面土體占比降低，土壓力值較穩(wěn)定，波動幅度也較低。雖然施工中每環(huán)增加的泡沫注入比低于室內(nèi)試驗結(jié)果，但這也有利于土壓艙內(nèi)建立穩(wěn)定的土壓力。

圖21 土巖復合地層的上部土壓力測量值

6 結(jié)語

1)室內(nèi)試驗確定發(fā)泡液的最佳濃度為3%。不同含水率和泡沫注入比下全風化混合花崗巖地層理想改良狀態(tài)下的坍落度為100～220mm。

2)試驗中全風化混合花崗巖最佳改良方案為含水率28%、泡沫注入比80%。

3)試驗得到土巖復合地層理想狀態(tài)下的坍落度為100～200mm；土體占比每降低10%，泡沫注入比增加50%。

4)在土巖復合地層中，隨著掌子面土體占比降低，增加泡沫注入比也有利于土壓艙內(nèi)建立穩(wěn)定的土壓力。