長沙板巖地層地鐵盾構(gòu)施工渣土改良試驗(yàn)研究

胡煥校，楊萬松，孫端陽(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410006)

土壓平衡盾構(gòu)因施工效率高、環(huán)境影響小、工程造價(jià)較低等優(yōu)勢已被廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)中[1～3]。盾構(gòu)施工為實(shí)現(xiàn)渣土支撐掌子面以建立良好的土壓平衡，降低發(fā)生掌突水或坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，要求渣土具備良好的保水性和塑流性，而刀具切削巖土體天然形成的渣土一般達(dá)不到要求，往往需要根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行改良[4～6]。

膨潤土泥漿和泡沫溶液是常用的渣土改良添加劑，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列探究。汪國鋒[7]總結(jié)了土壓平衡盾構(gòu)施工的主要問題，指出了土體改良的重要性。王明勝[8]針對廣州復(fù)雜多變的地質(zhì)條件進(jìn)行渣土改良研究，使盾構(gòu)法能夠適應(yīng)廣州地區(qū)復(fù)雜地層施工。Borio等[9]開展泡沫改良渣土的滲透性試驗(yàn)，其研究成果對實(shí)際施工具有指導(dǎo)意義。Quebaud等[10]認(rèn)為泡沫摻量會顯著影響土體滲透性。Raffaele等[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究影響渣土坍落度的因素，提出坍落度可反映渣土性質(zhì)。針對富水砂層盾構(gòu)施工易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)崩塌問題[12]，唐益群等[13]通過試驗(yàn)，探究添加劑對減小盾構(gòu)推進(jìn)阻力及其對改善砂性土層特性的影響。鐘毅等學(xué)者[14-18]著眼于富水卵石地層摩擦性高、渣土塑流性差等情況，設(shè)計(jì)試驗(yàn)探究適合于各自工程的改良方案。

坍落度值是評價(jià)渣土改良效果的重要指標(biāo)。Jancsecz等[19]建議泡沫劑改良砂性土的最佳坍落度為20～25cm，姜厚停等[17]認(rèn)為膨潤土泥漿和泡沫溶液改良卵石層合理坍落度在15～20cm之間，葉新宇等[20]提出泥質(zhì)粉砂巖渣土改良最優(yōu)坍落度是17～20cm，邱龑等[21]總結(jié)富水砂層膨潤土泥漿和泡沫溶液改良最優(yōu)坍落度分別為19.5～20.5cm和20～21cm。

目前渣土改良相關(guān)研究較少，再加上工程地質(zhì)條件復(fù)雜各異，改良劑種類、配比、注入量等因素對改良效果的影響仍有待深入研究。本文以長沙地鐵4號線某區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)微風(fēng)化板巖地層為背景，首先通過XRD、SEM與室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，探究板巖地層盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重和排渣不暢的原因，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)板巖中石英、長石、錳尖晶石較多，礦物分布均勻，板巖巖性致密，研磨性高，渣土磨圓度、黏性差導(dǎo)致出渣不暢，然后針對渣土特征設(shè)計(jì)坍落度試驗(yàn)進(jìn)行改良。由于渣土顆粒多呈棱角狀，平均粒徑較大，細(xì)粒土極少，級配不良，故分別采用膨潤土泥漿和泡沫溶液進(jìn)行改良試驗(yàn)，探究各改良參數(shù)條件下渣土改良效果，結(jié)合渣土塑流性、和易性、保水性指標(biāo)，研究坍落度、含水率、添加劑配比與注入量的最優(yōu)值問題。最后將改良方案運(yùn)用到實(shí)際施工中，探究其實(shí)用性，確定適合于長沙地區(qū)典型微風(fēng)化板巖渣土改良的合理參數(shù)。

1 微風(fēng)化板巖礦物成分與結(jié)構(gòu)分析

長沙地鐵4號線某區(qū)間盾構(gòu)連續(xù)、全斷面穿越約1.3 km微風(fēng)化板巖，隧道線間距13～15 m，隧道埋深16～21 m，設(shè)有聯(lián)絡(luò)通道。該板巖屬于典型的元古界板溪群板巖，為淺變質(zhì)巖系，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖芯呈塊狀、短柱狀及柱狀，巖塊難折斷，RQD值60%～80%，屬較硬—硬巖，巖體較完整[22]。為研究微風(fēng)化板巖研磨性，在聯(lián)絡(luò)通道取大塊原狀巖石，將具有代表性的樣品分別研磨成粉末和制成薄片，巖粉采用D/max 2500X射線衍射儀進(jìn)行XRD粉晶衍射試驗(yàn)，分析板巖礦物成分(圖1)，薄片進(jìn)行SEM掃描電鏡試驗(yàn)，觀察巖石微觀結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖1 微風(fēng)化板巖礦物成分圖Fig.1 Mineral composition of the slightly weathered slate

圖2 微風(fēng)化板巖結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the slightly weathered slate

由圖1可知，板巖中主要礦物為石英、長石、方解石、高嶺石，次要礦物為錳尖晶石和云母。石英含量最高為35%，方解石含量為26%，在電鏡下都呈淺灰色，結(jié)構(gòu)均為細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)；長石含量為14.4%，在放大倍數(shù)較大時(shí)可以清晰看到穿插變晶結(jié)構(gòu)發(fā)育；高嶺石含量為15.4%，錳尖晶石含量為6.1%，云母含量為3.1%。石英、方解石、高嶺石等主要礦物分布均勻，板巖巖性致密，增加放大倍數(shù)后可明顯看出巖石內(nèi)部存在微裂隙。

微風(fēng)化板巖中長石和石英含量約占一半，且含有部分錳尖晶石，長石、石英、錳尖晶石摩氏硬度高，加上礦物分布均勻，板巖巖性致密，決定板巖具有較高的研磨性，對刀具有較大的磨損。盾構(gòu)刀具切削板巖是物理過程，形成的渣土顆粒研磨性高，板巖渣土黏性差，出渣不順暢易產(chǎn)生二次磨損。

2 微風(fēng)化板巖室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)

微風(fēng)化板巖結(jié)構(gòu)中存在的微小孔裂隙使其強(qiáng)度可能受水和泡沫溶液影響。為探究水和泡沫溶液對板巖自身力學(xué)性質(zhì)的影響，通過聯(lián)絡(luò)通道取代表性、一致性較強(qiáng)的大塊原狀板巖，按規(guī)范[23]要求取樣并加工成直徑65 mm、高130 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，進(jìn)行室內(nèi)單軸抗壓與直剪試驗(yàn)。單軸抗壓試驗(yàn)巖樣分5組，每組4個(gè)樣，分別進(jìn)行干燥、天然、飽和、泡沫配比飽和處理，其中，泡沫配比依工程經(jīng)驗(yàn)取泡沫劑與水體積比5%，充分混合發(fā)泡后放入巖樣飽和。直剪試驗(yàn)巖樣設(shè)置干燥、天然、飽和、泡沫配比飽和4種狀態(tài)，每種狀態(tài)設(shè)置5個(gè)巖樣，對應(yīng)5級垂直壓力。烘干、飽和、加載等操作均嚴(yán)格按規(guī)范執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

表2 微風(fēng)化板巖直剪試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Shear test results of the slightly weathered slate

由表1知，飽和狀態(tài)板巖單軸抗壓強(qiáng)度比天然狀態(tài)低約18%，天然狀態(tài)比干燥狀態(tài)低13%，軟化系數(shù)為0.73，表明水對微風(fēng)化板巖抗壓強(qiáng)度有明顯影響。泡沫配比飽和板巖單軸抗壓強(qiáng)度比飽和低約3%，可見泡沫配比飽和與清水飽和對板巖單軸抗壓強(qiáng)度影響差異性不明顯。研究抗剪強(qiáng)度參數(shù)發(fā)現(xiàn)，微風(fēng)化板巖天然狀態(tài)黏聚力約2.2 MPa，內(nèi)摩擦角在42°左右，黏聚力與內(nèi)摩擦角均隨含水率增加而降低。與干燥狀態(tài)相比：飽和狀態(tài)板巖黏聚力約降6%，內(nèi)摩擦角約降14%，泡沫配比飽和狀態(tài)板巖黏聚力約降10%，內(nèi)摩擦角約降18%，可見泡沫配比飽和與清水飽和對板巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響有一定差異，泡沫配比飽和狀態(tài)板巖黏聚力和內(nèi)摩擦角更小。綜上，微風(fēng)化板巖單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)受水的影響均很明顯。

3 微風(fēng)化板巖渣土改良試驗(yàn)

為保證與工程實(shí)際的一致性，取現(xiàn)場掘進(jìn)微風(fēng)化板巖形成的渣土進(jìn)行篩分與坍落度試驗(yàn)。膨潤土泥漿適合改良細(xì)粒含量少的土體，泡沫溶液適合平均粒徑較大的土體[24]。分析渣土級配發(fā)現(xiàn)其細(xì)粒土含量少，平均粒徑大，滿足膨潤土泥漿和泡沫溶液對改良對象的要求。誠然，渣土含水率對坍落度影響很大，本試驗(yàn)采用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合盾構(gòu)實(shí)際施工參數(shù)確定渣土含水率，并將現(xiàn)場不同注水量與含水率對應(yīng)，研究其對坍落度的影響。然后分別將膨潤土泥漿與泡沫溶液作為改良添加劑，通過測量不同含水率、添加劑配比與注入比條件下渣土坍落度值，研究其與各改良參數(shù)之間的關(guān)系。再結(jié)合渣土塑流性、和易性、黏稠度與保水性指標(biāo)，評價(jià)渣土改良效果，探究膨潤土泥漿與泡沫溶液改良微風(fēng)化板巖渣土的實(shí)用性與最佳坍落度值，并確定含水率、添加劑配比與注入比等改良參數(shù)的最優(yōu)值。

3.1 渣土級配分析與含水率確定

渣土級配對改良方法和效果影響較大[25]，取板巖渣土進(jìn)行0.075 mm及以上粒徑篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)渣土中幾乎沒有20 mm及以上的顆粒，得到級配圖(圖3)。根據(jù)篩分試驗(yàn)計(jì)算出中礫約占17%，細(xì)礫含量約18.2%，粗砂約31.7%，中砂約占10.1%，渣土粗顆粒含量超過80%；細(xì)砂約16.6%，細(xì)粒土僅約6.4%。渣土顆粒多為棱角狀，磨圓度較差，細(xì)顆粒土極少，級配不良，導(dǎo)致黏性、塑流性差，出渣過程不易發(fā)生結(jié)餅等現(xiàn)象，但出渣不順暢。

圖3 板巖渣土級配圖Fig.3 Grain size distribution of soil

盾構(gòu)渣土含水率與巖土體自身含水率及注水量等因素有關(guān)。為保證試驗(yàn)渣土含水率與現(xiàn)場基本一致，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)[17]確定渣土含水率ω：

(1)

式中：ωn，ρd——板巖含水率、干密度。室內(nèi)試驗(yàn)測得ωn=12.1%，ρd=2.34 g/cm3；

l，D——管片寬度和盾構(gòu)開挖直徑，依實(shí)際情況取1.5，6.28 m；

ρw——水的密度，取1 g/cm3；

vi——掘進(jìn)每環(huán)注水量，硬巖盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)值為4～10 m3。

3.2 膨潤土泥漿渣土改良試驗(yàn)

微風(fēng)化板巖渣土中細(xì)顆粒含量少，黏性差，采用膨潤土泥漿作為改良添加劑進(jìn)行坍落度試驗(yàn)。泥漿濃度(土水質(zhì)量比)經(jīng)驗(yàn)值為1/8～1/6，據(jù)此設(shè)置泥漿濃度10%，12%，14%，16%，18%，按不同濃度配制泥漿(加3%CMC促進(jìn)土粒分散)，靜置水化12 h，通過ZNN-SD6黏度計(jì)測定不同濃度的泥漿黏度(圖4)，研究泥漿濃度對黏度的影響規(guī)律。

圖4 膨潤土泥漿黏度-濃度圖Fig.4 Viscosity-concentration diagram of the bentonite mud

從圖4中可以看出，泥漿濃度對表觀黏度和塑性黏度的影響規(guī)律大致可分為3個(gè)階段：濃度低于12%時(shí)，黏度隨濃度增長較快；濃度在12%～14%時(shí)，黏度隨濃度的增加迅速增大，黏度受濃度影響程度最大；濃度超過14%后其對黏度的影響程度較小。

每次坍落度試驗(yàn)取10 L渣土稱重，依經(jīng)驗(yàn)vi取3，4，…，8 m3，由式(1)確定渣土含水率為14.9%，15.8%，16.8%，17.7%，18.6%，19.6%；注入比(泥漿與渣土體積比)為10%～18%，取8%，11%，14%，17%，20%，據(jù)此確定摻入泥漿的體積。采用不同含水率重配渣土，再根據(jù)不同注入比分別摻入不同濃度的泥漿，充分混合攪拌進(jìn)行2次坍落度試驗(yàn)，取坍落度平均值作為測定值，并觀察各條件下渣土塑流性、和易性及保水性，結(jié)果見圖5。

圖5 膨潤土泥漿渣土改良坍落度值Fig.5 Slump constant values of soil conditioning experiment by the bentonite mud

由圖5知，在泥漿濃度和注入比相同的條件下，渣土坍落度隨含水率增加而增大，且泥漿濃度和注入比較小時(shí)含水率對坍落度的影響更大。當(dāng)泥漿濃度和含水率相同時(shí)，坍落度隨注入比增加而增大，且注入比低于約17%時(shí)其對坍落度的影響程度更大。在含水率和注入比相同的條件下，泥漿濃度對坍落度的影響大致可分為2個(gè)階段，濃度低于14%時(shí)其對坍落度的影響不明顯，總體上濃度增加坍落度略有下降；濃度高于14%時(shí)其對坍落度影響較大，坍落度隨濃度增加而明顯下降，泥漿濃度過小則黏度過小，對渣土黏性和保水性影響較小，達(dá)不到改良效果，過大會增加成本，甚至可能產(chǎn)生結(jié)泥餅等新問題。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)坍落度在19～22 cm時(shí)渣土塑流性、保水性良好，綜合確定膨潤土泥漿改良微風(fēng)化板巖渣土的合理泥漿濃度為14%～15%，注入比為14%～17%，含水率為16.8%～18.6%，由此確定注水量宜為每環(huán)5～7 m3。

3.3 泡沫劑渣土改良試驗(yàn)

由于微風(fēng)化板巖渣土平均粒徑較大，適合采用泡沫溶液改良。坍落度試驗(yàn)vi依經(jīng)驗(yàn)取6，7，…，11 m3，確定渣土含水率為17.7%，18.6%，19.6%，20.5%，21.5%，22.4%。泡沫劑為羅氏泡沫，發(fā)泡率為15倍，經(jīng)驗(yàn)配比(泡沫劑與水體積比)為3%～6%，試驗(yàn)取3%，4%，…，7%制成溶液充分發(fā)泡，注入比(泡沫溶液與渣土體積比)取經(jīng)驗(yàn)值10%。每次坍落度試驗(yàn)取渣土10 L稱重，按不同含水率配制渣土后根據(jù)注入比分別摻入配比不同的泡沫溶液，充分?jǐn)嚢杈鶆蜻M(jìn)行2次坍落度平行試驗(yàn)，并觀察各條件下渣土狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 泡沫溶液渣土改良坍落度值Fig.6 Slump constant values of soil conditioning experiment by the foaming agent

圖6顯示，注入比為10%時(shí)渣土坍落度隨泡沫配比和含水率增加而增大，且當(dāng)含水率低于18.6%時(shí)坍落度受其影響更大，含水率增加1%，坍落度增大7～8 cm；含水率低于18.6%渣土坍落度小，塑流性差。注入比和含水率相同的條件下，坍落度隨泡沫配比增加而增大。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)最優(yōu)坍落度為19～21 cm，此時(shí)渣土塑流性、和易性較好，不出現(xiàn)析水現(xiàn)象。綜合考慮，泡沫溶液改良微風(fēng)化板巖渣土合理配比為4%～5%，含水率為19.6%～21.5%，對應(yīng)注水量為每環(huán)8～10 m3。試驗(yàn)過程渣土3種典型狀態(tài)見圖7。

圖7 渣土三種典型狀態(tài)Fig.7 Three typical states of soil(less slump, reasonable slump and much slump)

4 現(xiàn)場渣土改良效果驗(yàn)證與評價(jià)

為驗(yàn)證和評價(jià)渣土改良方案實(shí)用性，當(dāng)盾構(gòu)左、右線在微風(fēng)化板巖地層掘進(jìn)901環(huán)時(shí)分別開始注入泡沫溶液與膨潤土泥漿。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，泡沫溶液配比取4%～5%，注入比10%，計(jì)算掘進(jìn)每環(huán)泡沫劑用量為40～50 L、注水量為8～9 m3；同樣，膨潤土泥漿渣土改良泥漿濃度取14%～15%，注入比15%～16%，計(jì)算掘進(jìn)每環(huán)膨潤土用量0.5～0.9 m3、注水量5～6 m3。渣土改良每環(huán)實(shí)際參數(shù)見表3，改良前后盾構(gòu)部分施工參數(shù)見圖8。

表3 盾構(gòu)掘進(jìn)每環(huán)實(shí)際改良參數(shù)Table 3 Actual improvement parameters for each segment of the shield tunneling

圖8 渣土改良前后盾構(gòu)部分施工參數(shù)Fig.8 Partial construction parameters of EPB shield before and after soil conditioning

從圖8可以看出，左、右線901環(huán)以前盾構(gòu)推力和扭矩平均值分別為18 500 kN、3 000 kN·m，均超過其理論計(jì)算值16 000 kN和2 800 kN·m。分別采用泡沫溶液和膨潤土泥漿改良渣土后，推力和扭矩均下降約30%，低于理論計(jì)算值；改良后盾構(gòu)平均掘進(jìn)速度由23 mm/min提高到34 mm/min，效率提高40%?，F(xiàn)場渣土塑流性、保水性、和易性較好，出渣順暢，刀具磨損大幅度降低，完成1.3 km微風(fēng)化板巖掘進(jìn)僅換刀2次，換刀次數(shù)比預(yù)計(jì)大幅減少，表明泡沫溶液和膨潤土泥漿均實(shí)用于微風(fēng)化板巖地層渣土改良，且改良參數(shù)合理有效。

5 結(jié)論

(1)微風(fēng)化板巖含大量長石、石英和部分錳尖晶石，礦物分布均勻，板巖巖性致密，對刀磨損較大；板巖渣土黏性、磨圓度、顆粒級配差，出渣不順暢，易產(chǎn)生二次磨損。天然狀態(tài)微風(fēng)化板巖單軸抗壓強(qiáng)度約65 MPa，黏聚力約2.2 MPa，內(nèi)摩擦角42°左右，板巖內(nèi)部存在微小孔裂隙，具有軟化性，水對板巖單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響較大。

(2)通過室內(nèi)坍落度試驗(yàn)，得到膨潤土泥漿改良板巖渣土的合理含水率為16.8%～18.6%，對應(yīng)掘進(jìn)每環(huán)注水量5～7 m3，泥漿濃度為14%～15%，注入比為14%～17%；結(jié)合渣土塑流性、和易性與保水性指標(biāo)，確定膨潤土泥漿改良最佳坍落度為19～22 cm。

(3)根據(jù)泡沫溶液改良板巖渣土的坍落度試驗(yàn)結(jié)果，確定其改良合理配比為4%～5%，含水率為19.6% ～21.5%，對應(yīng)掘進(jìn)每環(huán)注水量8～10 m3，注入比約10%，坍落度為19～21 cm時(shí)渣土塑流性良好。

(4)將室內(nèi)試驗(yàn)確定的改良方案與參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際施工中，分別進(jìn)行膨潤土泥漿和泡沫溶液渣土改良。經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，渣土改良后盾構(gòu)推力、扭矩明顯降低，掘進(jìn)效率明顯提高，刀具磨損大幅度下降，膨潤土泥漿和泡沫溶液改良微風(fēng)化板巖渣土實(shí)用性強(qiáng)，效果顯著，同時(shí)，該渣土改良方法對盾構(gòu)掘進(jìn)類似地層仍有借鑒意義。