盾構(gòu)掘進中富含超大粒徑漂石地層土體改良技術(shù)研究

王漢軍

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，100037，北京∥高級工程師)

隨著盾構(gòu)施工配套技術(shù)的逐步完善，土體改良技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注［1－5］。土體改良效果不佳，不僅會大大增加盾構(gòu)的掘進負荷，而且會影響盾構(gòu)的使用壽命。因此，如何防止渣土在刀盤上形成泥餅、在土艙內(nèi)積壓、堵艙，在螺旋輸送機處產(chǎn)生堵塞、噴涌等，仍是盾構(gòu)施工應(yīng)重點關(guān)注的問題。尤其對已富含超大粒徑漂石的礫巖、卵石⑦層及其復合地層，刀盤、刀具開挖后的渣土流塑性差，很難及時、流暢地被排出，因此土體改良效果的好壞對盾構(gòu)掘進效率及盾構(gòu)－地層適應(yīng)性至關(guān)重要，必須予以重點考慮。目前國內(nèi)外專家和學者對土體改良劑的選擇及配比進行了大量的研究［6－11］，但大多數(shù)研究均集中在大學與科研機構(gòu)的室內(nèi)實驗室中，并沒有將室內(nèi)試驗結(jié)果與盾構(gòu)掘進特征和現(xiàn)場工程條件有機結(jié)合，理論成果工程實用性差;而且目前的研究對象主要為中小粒徑砂卵石地層，基于超大粒徑漂石地層的研究目前國內(nèi)外沒有相關(guān)報道。

北京地鐵9號線06標“軍事博物館站—東釣魚臺站”盾構(gòu)區(qū)間施工場地內(nèi)遇到3種類型的富含超大粒徑漂石地層，分別為富含超大粒徑漂石的礫巖地層、富含超大粒徑漂石的卵石⑦層及富含超大粒徑漂石的復合地層，力學性質(zhì)極其不穩(wěn)定。超大粒徑漂石含量高，顆粒之間空隙大，無黏聚力，盾構(gòu)在此條件下掘進，土體塑流性差，推力、刀盤扭矩大，刀盤、刀具及螺旋輸送機磨損嚴重，推進速度極其緩慢，且地層在盾構(gòu)施工擾動下穩(wěn)定性較差，給工程施工造成了極大的困難。

本文以上述工程為背景，開展了盾構(gòu)施工過程的土體改良試驗，分析了富含超大粒徑漂石的礫巖地層、卵石⑦層及其復合地層土體改良劑的適應(yīng)性特征，找出了適用于北京地區(qū)富含超大粒徑漂石地層的土體改良劑。

1 礫巖地層土體改良技術(shù)研究

1.1 礫巖地層特征

經(jīng)室內(nèi)試驗分析，礫巖層的沉積成巖時間較短，成巖作用差，呈半膠結(jié)狀態(tài)，屬半成巖。因其巖石性質(zhì)的弱化，其通常具有飽和軟化、干燥收縮和吸水崩解的特征，泥質(zhì)膠結(jié)物的水理性質(zhì)較差，具有一定脹縮性。第三紀沉積的礫巖均形成時間較晚，成巖程度低，其強度很低。其中礫巖中膠結(jié)物單軸抗壓強度一般約為0.3～2.0 MPa。膠結(jié)物隨著深度的增加，強度隨之增加。

此外，礫巖由于成巖程度低，當含水量過低或接近干燥狀態(tài)時，礫巖的結(jié)構(gòu)易受到擾動而使單軸抗壓強度降低。隨著含水量的增加，礫巖的單軸抗壓強度會具有逐漸增加的特點，但含水量過大時，水對礫巖中的泥質(zhì)會起到較明顯的軟化作用，從而降低其單軸抗壓強度。一般礫巖中的含水量在10%左右時的強度較高。但是該礫巖地層最大的特征是地層中包括了大量的大粒徑漂石，漂石強度大多為60～120 MPa，給盾構(gòu)施工造成了很大的難題。

1.2 土體改良劑的選擇

通過對富含超大粒徑漂石的礫巖地層的力學特征和工程特性進行詳細的調(diào)研和分析后，盾構(gòu)掘進時選用“泡沫加水”對開挖面前方的土體進行土體改良，采用的泡沫為康達特(COMDAT)公司生產(chǎn)的CLB F4 AD型泡沫，發(fā)泡裝置設(shè)置的泡沫劑濃度為3.5%，泡沫注入率大于20%，該泡沫原液在25℃時實測各項指標如表1所示。

表1 泡沫原液的物理力學性質(zhì)

1.3 土體改良效果分析

土體改良后，盾構(gòu)關(guān)鍵施工參數(shù)也發(fā)生了顯著的變化:① 土體改良前，上土壓力偏小，穩(wěn)定性差，時常出現(xiàn)上土壓力小于0.02 MPa的情況，非常不利于開挖面穩(wěn)定及地表沉降的控制;土體改良后，上土壓力提高明顯，而且穩(wěn)定性好，控制在0.05 MPa以上，詳細情況如圖1所示。② 土體改良后，刀盤扭矩控制的均比土體改良前降低明顯，且控制的較為穩(wěn)定，非常有利于盾構(gòu)掘進，如圖2所示。③ 土體改良前后，盾構(gòu)掘進效率也發(fā)生了明顯的變化。土體改良前，盾構(gòu)推進過程穩(wěn)定性差，時常出現(xiàn)推進速度為零的情況;土體改良后，盾構(gòu)推進速度明顯提高，約30～40 mm/min，如圖3所示。

圖1 土體改良前后上土壓力的對比情況

圖2 土體改良前后刀盤扭矩對比情況

圖3 土體改良前后盾構(gòu)推進速度對比情況

現(xiàn)場土體改良試驗證明，使用“泡沫原液加水”且分散式打入刀盤前方進行渣土改良能夠?qū)Φ谌o礫巖層進行有效改良，并能順暢地將大粒徑漂石排出。

2 卵石⑦層土體改良技術(shù)研究

2.1 卵石⑦層地層特征

本區(qū)段中部(玉淵潭東湖南北一定范圍內(nèi))全斷面穿過的土層主要為第四紀沉積的卵石⑦層，該范圍內(nèi)存在隨機分布的大粒徑卵石和漂石。卵漂石強度高，最大強度200 MPa，平均強度100 MPa，而且不同深度處卵漂石分布不均。在卵石⑦層內(nèi)施工換刀井時揭示地層如下(隧道埋深－16～－22 m):

(1)深度14.00～16.00 m范圍內(nèi)分布有第四紀沉積的漂石層，粒徑一般為15～25 cm，最大粒徑為40 cm;粒徑為20～50 cm的漂石約占50%;粒徑為50～80 cm的漂石有1塊。

(2)深度16.00～18.20 m范圍內(nèi)分布的第四紀沉積的漂石粒徑一般為15～22 cm，最大粒徑為38 cm;粒徑為20～50 cm的漂石約占40%。

(3)深度18.2 0～20.00 m范圍內(nèi)分布的第四紀沉積的漂石粒徑一般為18～30 cm，最大粒徑為40 cm;粒徑為20～50 cm的漂石約占40%;35～50 cm的漂石有12塊。

(4)深度20.00～21.00 m范圍內(nèi)分布的第四紀沉積的漂石粒徑一般為25～35 cm，最大粒徑為61 cm;粒徑為 50～80 cm的漂石有 14塊，約占30%。

2.2 土體改良劑的選擇與土體改良效果評價

針對該地層，掘進時采用“鈉基膨潤土加泡沫”為渣土改良材料，1 m3膨潤土漿液的配比為55 kg納基膨潤土、1 000 kg水、3 kg盾構(gòu)制漿劑，膨潤土漿液稠度為60～100 s，pH值為7.2。泡沫采用的是康達特(COMDAT)生產(chǎn)的CLB F4 AD型泡沫，發(fā)泡裝置設(shè)置的泡沫劑濃度為4.0%，泡沫注入率大于20%。經(jīng)過土體改良，渣土的流塑性及和易性得到了很大的提高，能確保盾構(gòu)的高效掘進。

類似與礫巖段土體改良前后盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的對比情況，盾構(gòu)在卵石⑦層掘進時，土體改良后上土壓力、刀盤扭矩及推進速度等盾構(gòu)參數(shù)均比土體改良前得到了很好的改善，大大提高了盾構(gòu)掘進效率，地表沉降得到了有效地控制。其中:①土體改良前上土壓力較小，大多小于0.03 MPa，非常不利于開挖面穩(wěn)定和地表沉降控制，土體改良后，上土壓力顯著提高，平均上土壓力控制在0.5 MPa;② 土體改良前，刀盤扭矩波動大，在2 000～5 000 kN·m之間變化，土體改良后，刀盤扭矩控制的非常平穩(wěn)，多為3 000～4 000 kN·m;③土體改良前，盾構(gòu)掘進效率低，掘進速度時快時慢，非常不穩(wěn)定，平均掘進速度20 mm/min，時有掘進速度為零的情況發(fā)生，土體改良后，掘進效率顯著提高，平均掘進速度提高到42 mm/min，詳細情況如圖4～6所示。

圖4 土體改良前后上土壓力對比情況

圖5 土體改良前后刀盤扭矩對比情況

圖6 土體改良前后推進速度對比情況

現(xiàn)場土體改良試驗結(jié)果證明:使用鈉基膨潤土漿液加泡沫溶液且分散式打入刀盤前方進行渣土改良能夠?qū)Ω凰咽邔舆M行有效改良，并能順暢排出。

3 礫巖與卵石⑦層復合地層土體改良技術(shù)研究

3.1 地層特征分析

本區(qū)間兩種地層間的過渡段為礫巖入卵石⑦段及卵石⑦入礫巖段。根據(jù)詳勘提供資料，卵石⑦層實際為古金溝河河道，而過渡段恰為河床部位，上游沖刷及地殼變化等條件的共同作用使該部位產(chǎn)生級配良好的石群，且此處為掘進斷面含水與否的分水嶺。

兩段地層對應(yīng)地面位置為玉淵潭公園東湖南岸及玉淵潭公園北側(cè)軍事管理區(qū)內(nèi)，地面情況不具備地面處理的條件，只能依靠地下措施進行處理。

3.2 土體改良劑的選擇及土體改良效果評價

3.2.1 方案一效果評價

仍然沿用卵石⑦層的土體改良方案，采用“鈉基鵬潤土加泡沫”的土體改良劑組合。

施工過程中，盾構(gòu)掘進參數(shù)出現(xiàn)了異常，第254環(huán)推進過程中上土壓大多小于0.03 MPa，掘進速度波動大，平均10 mm/min，時常出現(xiàn)推進速度為零的情況;刀盤扭矩為4 500～7 000 kN·m，如圖7～9所示，螺旋輸送機出渣很稀并伴有噴涌的現(xiàn)象，刀盤轉(zhuǎn)動時前方有大面積的響聲。同時，渣土中石塊含量極大，直徑均為10～20 cm，液態(tài)渣土中含有細顆粒。這易導致直徑稍大的石塊難以破碎、排出，極有可能在刀盤面板前方封堵住進土口，長時間這樣會導致刀盤前方石塊堆積，會造成刀盤被卡、難以啟動的現(xiàn)象。

圖7 兩方案上土壓力對比情況

圖8 兩方案刀盤扭矩對比情況

3.2.2 方案二效果評價

總結(jié)第一階段土體改良過程中出現(xiàn)的問題，更改原有渣土改良材料及用法、用量，增加高分子聚合物溶液的使用，將原膨潤土漿液稠度提高到120 s以上。土體的土體改良劑及用量情況如下所示。

圖9 兩方案推進速度對比情況

(1)土體改良材料:優(yōu)質(zhì)納基膨潤土、制漿劑、高分子聚合物、飲用水、泡沫原液。

(2)土體改良劑的制作:膨潤土漿液制拌稠度為120 s以上漿液，1 m3膨潤土的配比為55 kg膨潤土、1 000 kg水、3 kg盾構(gòu)制漿劑，以確保最終注入刀盤前方稠度。高分子聚合物混合液制拌，原料與水按5‰混合。泡沫混合液(康達特生產(chǎn)的CLB F4 AD型泡沫，發(fā)泡裝置設(shè)置的泡沫劑的質(zhì)量分數(shù)為4.0%)，通過泡沫泵根據(jù)實際情況確定泡沫用量，但是泡沫注入率應(yīng)大于20%。

(3)各種改良劑的用量:每環(huán)注入膨潤土漿液7～9 m3，注入位置為刀盤面板前方及螺旋機內(nèi)(停止掘進時每半小時注入一次，持續(xù)2 min。每環(huán)注入聚合物混合液1.8～2 m3，注入位置為土艙內(nèi)，其主要目的為防噴涌、防止地層中水份將膨潤土漿液稀釋，所以其注入量和注入時間參照出渣樣調(diào)整。

采用上述土體改良方案后，渣土的流塑性得到改善，同時盾構(gòu)掘進效率得到了有效地提高，掘進參數(shù)得到很好的改善，其中盾構(gòu)推進速度達到25～30 mm/min，上土壓力約5～8 kPa，刀盤扭矩約3 000～5 000 kN·m。

4 結(jié)語

(1)“軍事博物館站—東釣魚臺站”區(qū)間地層卵石含量高、粒徑大、顆粒間黏結(jié)力弱，被盾構(gòu)刀盤、刀具開挖后不易形成“流塑性狀態(tài)”的土體，必須在盾構(gòu)施工過程中進行土體改良，才能保證盾構(gòu)施工有序地進行。

(2)盾構(gòu)設(shè)備選型對盾構(gòu)施工地層適應(yīng)性至關(guān)重要，但是設(shè)備選型不能完全決定掘進效能，盾構(gòu)施工過程中可以通過土體改良措施有效地提高設(shè)備的掘進效能，使其最大程度地適應(yīng)開挖地層。

(3)富含超大粒徑漂石的礫巖地層、卵石⑦層及其復合地層由于力學性質(zhì)差異較大，三者土體改良劑選用上存在一定差異?，F(xiàn)場土體改良試驗結(jié)果表明:①“泡沫加水”適用于礫巖地層;②“鈉基膨潤土加泡沫”適用于卵石⑦層;③“鈉基膨潤土加泡沫加高分子聚合物”適用于礫巖與卵石⑦復合地層。但是，土體改良試驗必須與盾構(gòu)掘進模式有機結(jié)合才能起到最佳的效果，且應(yīng)該根據(jù)盾構(gòu)開挖過程中出土情況、土壓力變化情況實時調(diào)整土體改良劑的注入時間、注入量等參數(shù)。

(4)研發(fā)并成功應(yīng)用了具有高阻尼特性(漿液稠度＞120 s)的渣土改良技術(shù)，有效實現(xiàn)了破巖機理，解決了破碎巖石渣土輸排問題。

［1］王博.富水弱膠結(jié)大粒徑砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)［J］.都市快軌交通，2014，27(2):70.

［2］魏康林，朱偉.盾構(gòu)隧道施工技術(shù)發(fā)展新動向［J］.河海大學學報:自然科學版，2001，(29):28.

［3］江華，張晉勛，江玉生.大粒徑卵礫石地層土壓平衡盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)性特征［J］.都市快軌交通，2013，26(2):94.

［4］朱偉，郭濤，魏康林.盾構(gòu)用氣泡的性能及對開挖土體改良效果影響［J］.地下空間與工程學報，2006，2(4):571.

［5］郭勝忠.全斷面砂礫地層盾構(gòu)法施工土體改良技術(shù)［J］.都市快軌交通，2011，24(1):73.

［6］魏康林.土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(1):73.

［7］林健.土體改良降低土壓平衡式盾構(gòu)刀盤扭矩的機理研究［D］.南京:河海大學，2006.

［8］韓月旺，鐘小春，朱偉，等.壓力艙土體改良對盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定影響研究［J］.巖土力學，2007，28(增刊):45.

［9］喬國剛.土壓平衡盾構(gòu)用新型發(fā)泡劑的開發(fā)與泡沫改良土體研究［D］.北京:中國礦業(yè)大學(北京)，2010.

［10］閆鑫，龔秋明，姜厚停.土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫改良砂土的試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2010，6(3):449.

［11］郭濤.土壓平衡式盾構(gòu)壓力艙土體力學性質(zhì)改良及其機理研究［D］.南京:河海大學，2005.