宋相帥，許 超*，石紅兵,楊志勇，孫 恒

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；3.中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京 100029)

近年來，盾構(gòu)穿江越海工程日益增多，在一定水頭壓力作用下盾構(gòu)穿越強(qiáng)透水地層越來越普遍，極易造成盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)不同程度噴涌現(xiàn)象[1]。噴涌現(xiàn)象高發(fā)于粉細(xì)砂、中粗砂地層、礫石、卵石、斷裂帶巖層等地層，由于沒有足夠多的黏土物質(zhì)，地下水與進(jìn)入密封倉內(nèi)的固體物質(zhì)不能揉合成一體，在密封倉內(nèi)就形成“水是水，渣是渣”的狀態(tài)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，甚至出現(xiàn)上覆地層過大的沉降。

目前，國內(nèi)外常用噴涌處理方法為渣土改良及盾構(gòu)螺旋機(jī)加設(shè)防噴涌結(jié)構(gòu)。寧小平[2]結(jié)合福州地鐵1號線富水巖層，分析了正常狀態(tài)下盾構(gòu)設(shè)備出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象的可能性；朱自鵬[3-5]以蘭州地鐵1號線盾構(gòu)區(qū)間為依托，通過渣土改良試驗(yàn)和數(shù)值模擬，開展高水壓砂卵石地層下土壓平衡盾構(gòu)防噴涌研究；韓鋒[6]針對福州地層土性、富含承壓力水特點(diǎn)，建立水壓力傳遞理論模型，分析出影響噴涌變量；葉晨立[7]以福州地鐵1號線上藤站—達(dá)道站區(qū)間為背景，開展渣土改良室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)，確定了土壓平衡盾構(gòu)穿越高水壓高滲透性地層渣土改良綜合解決方案；劉琦[8]結(jié)合實(shí)際工程情況，采用對應(yīng)技術(shù)分析噴涌發(fā)生因素，并采取對應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)噴涌控制技術(shù)；胡長明等[9]針對穿越砂層的盾構(gòu)施工進(jìn)行了渣土改良試驗(yàn)，通過對比改良前后渣土抗剪強(qiáng)度、滲透性及塌落度，得到了合理的膨潤土用量及泥漿摻入比；趙宗智[10]針對土壓平衡盾構(gòu)施工過程中噴涌災(zāi)害的預(yù)警問題，提出建立考慮施工過程影響的渣土水頭分布模型的研究方法；文斌等人[11-15]重點(diǎn)分析富水砂層下盾構(gòu)渣土改良及噴涌控制相關(guān)技術(shù)，獲得了相應(yīng)的渣土改良參數(shù)，提出了防止噴涌的一些參數(shù)建議。通過對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，渣土改良中評價(jià)改良效果主要以渣土滲透系數(shù)、坍落度等為指標(biāo)，尚無室內(nèi)試驗(yàn)真實(shí)模擬渣土改良后噴出效果，且無合適的評判標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致渣土改良實(shí)際運(yùn)用效果判斷具有滯后性。

本文以廣州地鐵12號線下穿侖頭海富水砂層段為工程背景，結(jié)合改良劑改良砂層機(jī)理及室內(nèi)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套噴涌發(fā)生、評價(jià)裝置，確定了高水壓粉細(xì)砂地層的渣土改良配比方案，為渣土改良效果提供了直觀評判，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

廣州地鐵官洲站—侖頭站盾構(gòu)工程，區(qū)間長1.4 km，最大坡度為29.5‰。采用土壓平衡盾構(gòu)施工，開挖直徑6.7 m，管片外徑6.4 m、內(nèi)徑5.8 m。盾構(gòu)下穿侖頭海于210～280環(huán)穿越全斷面粉細(xì)砂地層，80～210環(huán)、280～350環(huán)部分穿越富水粉細(xì)砂地層，最大水壓0.42 MPa，地層以粉細(xì)砂、中粗砂為主，顆粒級配一般，地層工程與水文地質(zhì)特征如表1所示。場地內(nèi)主要為孔隙潛水，含水層主要為砂層。該工程是連接官洲生物島與侖頭的重要樞紐線，同時下穿侖頭海等重要河流，工程挑戰(zhàn)與意義重大。

渣土改良放噴涌試驗(yàn)所用砂樣取自類似地層130環(huán)<2-2>、<2-3>混合砂樣，試驗(yàn)砂樣制備A、B、C、D等4組，同時結(jié)合地勘資料對<2-2>、<2-3>進(jìn)行分析，含水率為40%，對取出砂樣烘干后進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)，得到其級配曲線如圖1所示。

通過對圖1試驗(yàn)砂樣顆粒級配分析可知，砂樣的不均勻系數(shù)Cu約為2.6，曲率系數(shù)Cc約為3.1。通過比較試驗(yàn)砂樣不均勻系數(shù)Cu<5，且曲率系數(shù)Cc>3，表明砂樣級配不良，易導(dǎo)致掘進(jìn)中細(xì)顆粒被地下水帶走形成涌水通道，造成噴涌現(xiàn)象。

表1 地層工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征Tab.1 Engineering geological and hydrogeological characteristics of stratum

圖1 試驗(yàn)砂樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle grading curve of test sand sample

2 砂層噴涌及改良劑改良機(jī)理

2.1 噴涌發(fā)生機(jī)理

噴涌發(fā)生原理[1]：盾構(gòu)開挖面上水壓力過高，渣土本身不具止水性，難以將土體中水體按照輸送水體和土體一起排出盾構(gòu)機(jī)。較大流量的滲流水經(jīng)過壓力艙和螺旋排土器后其壓力水頭沒有遞減到和零相接近的范圍。滲流水在輸送至出口的瞬間，由于前方隧道內(nèi)部臨空，且處于無壓狀態(tài)，滲流水在忽然增大的壓力下帶動正常輸送的砂土噴涌而出。

噴涌發(fā)生條件：排土器自身壓縮效應(yīng)和排土閘門可以抵10 kPa(H2=1 m)的水壓力和3 cm3/s的滲流量，水壓力和滲流量中任一指標(biāo)低于這兩值，認(rèn)為不發(fā)生噴涌；兩個指標(biāo)同時超出以上兩個標(biāo)準(zhǔn)，視為噴涌發(fā)生；若排土口水流量Q>4 cm3/s且水壓力Pw>20 kPa(即H2>2 m)時，認(rèn)為發(fā)生嚴(yán)重噴涌。

2.2 改良劑改良機(jī)理

膨潤土屬于膨脹蒙脫石粘土礦物，具有較高膨脹性和較低導(dǎo)水率，與級配一般的砂土混合后，膨潤土?xí)纬擅擅撌w粒包裹著石英顆粒鏈，連接鎖定砂性土顆粒，形成一套互相咬合的低滲透性顆粒系統(tǒng)。當(dāng)自由水接觸到土體后，砂土顆粒與膨潤土形成的鏈鎖系統(tǒng)可以吸收并阻隔自由水分，且膨潤土顆粒水化后均有潤滑作用，可以改善土體流塑性。

高分子聚合物一般以碳?xì)湓貫橹?，?gòu)成分子長鏈，大多可溶于水或與水反應(yīng)，常用的改良劑如羥甲基纖維素(CMC)、高吸水性樹脂等。高吸水性樹脂可吸收土中自由水，形成樹脂類凝膠顆粒填充土體間隙，起到改善土體流塑性的作用；CMC溶于水后可極大提高水的粘性，該類材料具較長分子鏈，通過分子鏈間的結(jié)合、拉扯作用，可增加粘性，將分散的砂土顆粒緊密地拉扯包裹在一起，降低砂土孔隙率。

3 渣土改良劑選擇

為解決土壓盾構(gòu)穿越富水粉細(xì)砂地層易出現(xiàn)噴涌問題，渣土改良試驗(yàn)需實(shí)現(xiàn)：(1)改善土倉渣土的滲透性能，避免開挖面因排水固結(jié)而帶來較大的地表沉降或坍塌事故；(2)降低土倉渣土及開挖面土體的內(nèi)摩擦角，使渣土對刀具的磨損進(jìn)一步減少，對刀盤扭矩進(jìn)一步降低；(3)改善砂性土層的流動性，避免盾構(gòu)推進(jìn)時產(chǎn)生噴涌情況，同時防止盾構(gòu)停機(jī)土倉內(nèi)渣土離析沉淀，使刀盤重新啟動扭矩增大，損害盾構(gòu)設(shè)備。

3.1 膨潤土改良劑配比

試驗(yàn)優(yōu)選了廣州恒運(yùn)紅鈉土、浙江安吉苑豐膨潤土兩種鈉基膨潤土改良材料，試驗(yàn)選用不同膨水比進(jìn)行膨潤土漿液基礎(chǔ)試驗(yàn)。結(jié)合兩種膨潤土泥漿性能測量情況，考慮到膨潤土粘度對砂層的適配性，選定紅鈉土膨水比為1∶7及安吉膨潤土膨水比1∶4兩種比例繼續(xù)開展性能測試，其不同膨化時間下比重、粘度試驗(yàn)如圖2、圖3所示。

圖2 不同膨化時間下比重對比曲線圖Fig.2 Comparison curve of specific gravity under different expansion time

圖3 不同膨化時間下粘度對比曲線圖Fig.3 Viscosity comparison curve under different expansion time

分析表明，膨水比1∶7的紅鈉土比重明顯小于膨水比1∶4安吉膨潤土，但兩者在相同膨化時間下，粘度變化趨勢基本一致，且兩者的粘度值較為接近。

3.2 高分子聚合物配比

試驗(yàn)優(yōu)選了2種高分子聚合物改良材料，對不同配比條件下材料性能進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)主要包括比重、粘度、膠體懸浮率以及pH值，測試所用高分子材料如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)選用的兩種高分子聚合物Fig.4 Two kinds of high molecular polymers selected in the test

通過試驗(yàn)可知，1#高分子聚合物在濃度為8∶1 000時加入泥漿攪拌開始出現(xiàn)掛絲，手挑后有一定的黏手效果；2#高分子聚合物在濃度為6∶1 000時加入泥漿攪拌開始出現(xiàn)掛絲，手挑后黏手效果不明顯，且加入高分子聚合物后會出現(xiàn)離析狀態(tài)，因此后續(xù)不考慮加入高分子聚合物進(jìn)行噴涌試驗(yàn)。

3.3 膨潤土泥漿優(yōu)選

通過對膨潤土材料及高分子聚合物材料進(jìn)行性能參數(shù)對比分析，結(jié)合材料運(yùn)用成本，保證既定改良效果的前提下，選擇浙江安吉苑豐膨潤土作為砂層防噴涌試驗(yàn)的改良材料，開展砂層噴涌模擬試驗(yàn)，進(jìn)而評價(jià)膨潤土材料的配比方案。

4 砂層防噴涌試驗(yàn)研究

4.1 防噴涌試驗(yàn)裝置

為能較為精確地還原現(xiàn)場盾構(gòu)螺旋機(jī)在穿越易噴涌地層的噴涌現(xiàn)象，基于相似理論進(jìn)行模型試驗(yàn)，對盾構(gòu)機(jī)土倉、螺旋機(jī)進(jìn)行一定比例結(jié)構(gòu)縮放，設(shè)定體積放縮比例在10 000∶1左右，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理Fig.5 Design principle of test device

通過簡易裝置測量不同噴射距離，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室噴涌試驗(yàn)的可操作化，進(jìn)而評判膨潤土改良噴涌的效果，試驗(yàn)裝置如圖6所示。

本裝置試驗(yàn)原理：利用外部空壓機(jī)對裝有渣樣壓力罐進(jìn)行加壓，壓力控制參照實(shí)際工程進(jìn)行施加，待裝有渣樣壓力罐內(nèi)壓力穩(wěn)定后，打開壓力罐的排漿閥。罐內(nèi)渣樣在工作壓力0.42 MPa作用下會噴射出一定距離，選取不同改良參數(shù)下渣樣噴射最遠(yuǎn)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)位，獲取不同參數(shù)下渣樣噴射距離及出口端速度，進(jìn)而優(yōu)選膨潤土摻入比、膨化時間及膨水比等參數(shù)范圍，現(xiàn)場渣土噴涌模擬試驗(yàn)如圖7所示。

圖6 渣土噴涌模擬裝置Fig.6 Slag gushing simulation device

圖7 現(xiàn)場試驗(yàn)情況Fig.7 Field test

本渣土噴涌模擬裝置有益效果：(1)使得土壓平衡盾構(gòu)渣土改良防噴涌效果轉(zhuǎn)換為試驗(yàn)可操作性、可評判性的數(shù)據(jù)參數(shù)；(2)便于對改良劑改良地層防噴涌的效果進(jìn)行直觀評價(jià)，提供盾構(gòu)渣土防噴涌改良效果評價(jià)指標(biāo)；(3)可測試不同壓力下不同改良劑對渣土防噴涌的改良效果，具有較高的普適性。

4.2 膨潤土摻入比

膨潤土摻入比是表征膨潤土漿液改良砂層消耗量的重要指標(biāo)，直接影響現(xiàn)場材料成本及渣樣改良效果。本組試驗(yàn)通過設(shè)置不同的膨潤土泥漿摻入量來驗(yàn)證噴涌試驗(yàn)的噴射效果，其中設(shè)置膨潤土泥漿摻入比為2.67%、5.35%、8.02%、10.69%及13.37%進(jìn)行噴涌試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

表2 膨潤土摻入比試驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions of bentonite mixing ratio

圖8 不同膨潤土泥漿摻入比Fig.8 Different bentonite slurry mixing ratio

試驗(yàn)表明在相同工作壓力下，隨著膨潤土泥漿摻入比的增加，渣樣噴射出口至落點(diǎn)距離先逐漸減小后增加，主要原因是由于在摻入比小于10.79%時，膨潤土泥漿對砂樣起到成團(tuán)包裹作用，整體摩阻力增加，導(dǎo)致噴射距離降低；當(dāng)摻入比高于10.79%時，膨潤土泥漿占比較大，成團(tuán)包裹作用基本飽和，再加入膨潤土泥漿會增大渣樣的潤滑效果，導(dǎo)致渣樣噴射距離增加，建議膨潤土泥漿摻入比為10%～12%。

4.3 膨潤土膨化時間

膨潤土膨化時間反映的是膨潤土吸水飽和程度，直接影響其粘度等參數(shù)。本組試驗(yàn)通過設(shè)置不同的膨潤土泥漿膨化時間來驗(yàn)證噴涌試驗(yàn)的噴射效果，其中膨潤土泥漿的膨化時間分別選擇為0、1、2.5、4.5及6.5 h進(jìn)行噴涌試驗(yàn)，膨化時間利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測量的粘度指標(biāo)來反映，試驗(yàn)工況如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

試驗(yàn)表明，在相同工作壓力下，隨著膨潤土泥漿粘度的增加，渣樣噴射出口至落點(diǎn)距離先逐漸減小后增加，主要原因是由于隨著漿液膨化時間的增加，漿液的黏附效果增強(qiáng)，攜渣裹挾能力增加，但當(dāng)膨化時間足夠大時，漿液膨化基本完成，相應(yīng)的黏附效果等不會進(jìn)一步提升，同時考慮到實(shí)際工程運(yùn)用工期等影響，建議該種膨潤土泥漿膨化時間不低于1 h，粘度50～70 s為宜。

表3 膨潤土膨化時間試驗(yàn)工況Tab.3 Test conditions of bentonite expansion time

圖9 不同膨潤土泥漿膨化時間Fig.9 Expansion time of different bentonite slurry

4.4 膨潤土膨水比

膨潤土膨水比反映膨潤土與水的比值。本組試驗(yàn)通過設(shè)置不同膨潤土泥漿膨水比來驗(yàn)證噴涌試驗(yàn)的噴射效果，其中膨潤土泥漿膨水比為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6及1∶7進(jìn)行噴涌試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表4所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

表4 膨潤土膨水比試驗(yàn)工況Tab.4 Test conditions of bentonite water ratio

圖10 不同膨潤土泥漿膨水比Fig.10 Bentonite water ratio of different bentonite slurry

試驗(yàn)表明，在相同工作壓力下，在保證膨潤土漿液粘度基本一致時，隨著膨潤土膨水比的增加，噴射出口至落點(diǎn)距離逐漸增大，表明膨潤土材料在不同膨水比中成團(tuán)包裹砂粒的效果不同，建議膨潤土膨水比為1∶4。

5 工程實(shí)際運(yùn)用效果

結(jié)合砂樣顆粒級配分析、改良劑優(yōu)選試驗(yàn)及噴涌模擬試驗(yàn)，制定了盾構(gòu)下穿侖頭海160環(huán)～265環(huán)富水粉細(xì)砂層時的防噴涌渣土改良實(shí)施方案，確定了膨潤土為主、高分子聚合物為輔的渣土改良方案，采用的膨潤土材料為浙江安吉苑豐鈉基膨潤土材料，膨潤土摻入比為10%～12%、膨化時間50～70 s、膨水比1∶4，高分子聚合物視掘進(jìn)情況而定。

現(xiàn)場經(jīng)過技術(shù)人員相關(guān)論證后，通過了該項(xiàng)富水粉細(xì)砂層時的防噴涌渣土改良實(shí)施方案。結(jié)合實(shí)際運(yùn)用效果分析，如圖11至圖13所示。圖11反映砂層區(qū)段內(nèi)出渣情況，該地層在運(yùn)用本試驗(yàn)膨潤土漿液參數(shù)后，渣樣整體排出順暢，且膨潤土漿液成團(tuán)攜砂效果較好，未出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，同時有效地解決了盾構(gòu)停機(jī)土倉內(nèi)渣土離析沉淀，保障了施工安全，驗(yàn)證了本富水粉細(xì)砂層時的防噴涌渣土改良實(shí)施方案及膨潤土渣土改良參數(shù)的可行性。

圖11 盾構(gòu)出渣情況Fig.11 Shield cutter head speed

圖12 盾構(gòu)掘進(jìn)速度Fig.12 Shield tunneling speed

圖13 盾構(gòu)刀盤扭矩Fig.13 Torque of shield cutterhead

圖12、圖13對比盾構(gòu)掘進(jìn)前400環(huán)盾構(gòu)穿越不同地層的掘進(jìn)參數(shù)，其中<5Z-2>、<6Z>、<2-2>、<2-3>、<7Z-A>、<2-1B>分別為砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化混合花崗巖、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)中粗砂層、混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層、淤泥質(zhì)土，在160環(huán)～265環(huán)砂層地段加入上述配比方案膨潤土漿液后，盾構(gòu)出渣順暢，未出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，盾構(gòu)掘進(jìn)速度明顯提升，由原來30 m/min提升至40 mm/min，并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。盾構(gòu)刀盤的扭矩明顯減小，由2 800 kN·m降低至2 200 kN·m，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)整體控制效果良好，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

6 結(jié)論

本文以廣州地鐵12號線下穿侖頭海穿越粉細(xì)砂層段為工程背景，通過砂樣顆粒級配分析、改良劑優(yōu)選試驗(yàn)、噴涌模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用效果驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1)富水粉細(xì)砂地層渣土改良，建議采用鈉基膨潤土，質(zhì)量比為1∶4，膨化時間不低于1 h，粘度建議值為50～70 s左右，膨潤土泥漿摻入比為10%～12%。

2)針對現(xiàn)有砂土改良效果評價(jià)方法的局限性，設(shè)計(jì)了一套簡便、實(shí)用的土壓平衡盾構(gòu)模擬噴涌發(fā)生裝置，真實(shí)再現(xiàn)了渣樣在特定工作壓力下噴涌現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了不同工作壓力下不同改良劑對渣土防噴涌改良效果的模擬測試。

3)結(jié)合本土壓平衡噴涌模擬發(fā)生裝置，設(shè)計(jì)了一套防噴涌渣土改良效果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過渣樣噴涌距離ΔL、噴口處速度v等指標(biāo)直觀反映了改良劑改良砂土效果。

4)通過現(xiàn)場盾構(gòu)穿越侖頭海實(shí)際運(yùn)用效果，驗(yàn)證了本噴涌模擬裝置和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的可靠性以及渣土改良方案的合理性，解決了本項(xiàng)目盾構(gòu)穿越富水砂層易發(fā)生噴涌的難題，也為后續(xù)類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。