黃土地層大斷面馬蹄形盾構(gòu)隧道渣土改良技術(shù)

畢清泉 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

土壓平衡式盾構(gòu)需要在壓力艙內(nèi)充滿開挖泥土，通過對(duì)開挖土體施加壓力來平衡開挖面上的土壓力和水壓力，因此土壓平衡式盾構(gòu)壓力艙內(nèi)土體的理想狀態(tài)應(yīng)為“塑性流動(dòng)狀態(tài)”[1]。但一般土體難以達(dá)到此理想狀態(tài)，且當(dāng)土艙內(nèi)土體流塑性差時(shí)，易發(fā)生堆積、壓密，固結(jié)，導(dǎo)致渣土難以排送，開挖面難以穩(wěn)定，進(jìn)而影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率、掘進(jìn)成本，甚至影響工程質(zhì)量。因此，渣土改良對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)的施工至關(guān)重要[2]。

針對(duì)不同地層，學(xué)者們進(jìn)行了大量渣土改良的試驗(yàn)。張淑朝[3]、胡長明[4]、馬連叢[5]等學(xué)者針對(duì)砂卵石地層開展了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，確定了適用于砂卵石地層的土體改良劑及其合理的配比；申興柱[6]、鐘小春[7]等通過室內(nèi)試驗(yàn)，揭示了不同改良劑對(duì)礫砂地層土體的改良效果，以及改良劑不同濃度、摻量及不同組合對(duì)渣土改良效果的影響規(guī)律，并提出了針對(duì)性的配比方案；胡長明[8]、劉彤[9]等針對(duì)砂性地層采用添加泡沫劑和膨潤土等方法進(jìn)行改良，結(jié)合現(xiàn)場掘進(jìn)試驗(yàn)分析改良效果，研究出適用于砂性地層的渣土改良方案。葉新宇[10]、肖超[11]等針對(duì)南昌地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖，進(jìn)行了渣土改良試驗(yàn)，測試了改良后渣土的性能，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)碴土改良的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。楊志勇[12]等對(duì)北京地區(qū)3種典型地層：粉土、粉質(zhì)黏土、黏土地層，粉細(xì)砂、中～粗砂地層和礫石、卵石地層的渣土改良技術(shù)進(jìn)行了研究，總結(jié)出了北京地區(qū)典型地層的渣土改良方法。王明勝[2]針對(duì)廣州地區(qū)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粘性土及全、強(qiáng)、中微風(fēng)化混合巖等復(fù)雜地層，利用高分子聚合物對(duì)渣土進(jìn)行了改良，效果較好，并在廣州地鐵施工中廣泛應(yīng)用。莫振澤[13]等提出一種新型的濃泥渣土改良技術(shù)，并開展土壓盾構(gòu)濃泥渣土改良現(xiàn)場試驗(yàn)，研究掘進(jìn)過程中開挖面前地層中孔隙水壓力、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及地層沉降的變化規(guī)律。上述研究為渣土改良技術(shù)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并取得了一定的成果。

由于黃土分布的區(qū)域性，國內(nèi)外對(duì)在黃土地層中進(jìn)行土壓平衡盾構(gòu)隧道施工的分析和研究較少[14]。賀斯進(jìn)[14]等利用膨潤土、泡沫對(duì)黃土地區(qū)的渣土改良進(jìn)行了研究，通過膨潤土泥漿優(yōu)化試驗(yàn)找到了適合黃土地層的膨潤土改良劑及膨潤土泥漿的最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)，通過泡沫優(yōu)化試驗(yàn)找到了泡沫的性能與發(fā)泡劑溶液最佳體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，并在實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用，可供借鑒。但鑒于浩吉鐵路白城隧道應(yīng)用的馬蹄形斷面面積大、九刀盤同時(shí)開挖攪拌效果不均，同時(shí)存在攪拌盲區(qū)，渣土改良存在很大不均勻性，對(duì)盾體（姿態(tài)）方向控制影響大。而要實(shí)現(xiàn)此設(shè)備的姿態(tài)精確控制，最好的辦法是通過渣土改良讓渣土實(shí)現(xiàn)真正的流塑狀。且該項(xiàng)目的工業(yè)試驗(yàn)段為下穿道路，覆土淺，對(duì)沉降控制要求極高，渣土改良效果的好壞直接影響到沉降的控制。因此，搞好馬蹄形盾構(gòu)渣土改良系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文對(duì)常用改良劑泡沫、膨潤土漿液的特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并通過坍落度試驗(yàn)、攪拌試驗(yàn)、透水性試驗(yàn)等分別研究水、泡沫、膨潤土漿液對(duì)粉土、粉細(xì)砂的改良效果情況。通過復(fù)合的渣土改良配比指導(dǎo)施工，再經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際掘進(jìn)情況綜合確定適合當(dāng)前砂質(zhì)新黃土地層的渣土改良數(shù)據(jù)，在白城隧道馬蹄形盾構(gòu)項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用，以期研究成果為黃土地區(qū)的盾構(gòu)隧道建設(shè)提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

白城隧道位于靖邊縣內(nèi)，隧道全長3345m，為單洞雙線隧道，隧道最大埋深約為81.05m。盾構(gòu)法施工段長2960.0m，盾構(gòu)隧道采用馬蹄形斷面，盾構(gòu)隧道外輪廓跨度為11.54m，高度為10.59m，開挖面積近105m2。

1.2 工程地質(zhì)

白城隧道位于毛烏素沙漠邊緣，地貌屬黃土剝蝕丘陵。隧道洞身范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層（Q4eol）粉砂、細(xì)砂，主要分布于隧道進(jìn)出口段；第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層（Q3eol）砂質(zhì)新黃土，黃褐色、褐黃色，稍密～密實(shí)，稍濕，局部具針孔狀孔隙，局部含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，層厚3.8～85.0m。在隧道區(qū)域內(nèi)廣泛分布。隧道地表稍密的砂質(zhì)新黃土具濕陷性[15]。

1.3 水文地質(zhì)

1.3.1 地表水

地表水不發(fā)育，勘測期間未發(fā)現(xiàn)地表水[15]。

1.3.2 地下水

勘測期間，未見地下水，地下水位于隧道洞身以下。周邊未發(fā)現(xiàn)泉、井。雨季部分段落可能含水量增大，或出現(xiàn)少量流水。最大年降水量為546.3mm，平均降水量為388.7mm，采用降雨入滲法計(jì)算隧道涌水量，預(yù)計(jì)最大涌水量為677m3/d[15]。

1.4 大斷面馬蹄形盾構(gòu)機(jī)概況

如圖1所示，大斷面馬蹄形盾構(gòu)機(jī)刀盤開挖形式采用平行軸式9刀盤布置方案，3前6后成“品”字形，開挖覆蓋率能達(dá)到90%以上，大刀盤由6根刀梁組成，開口率達(dá)到58.2%。盾體設(shè)計(jì)為馬蹄形，上部為圓拱，下部稍扁，左右兩翼下側(cè)的弧度較小。上下兩半組合結(jié)構(gòu)，方便吊裝和運(yùn)輸。沿切口環(huán)周向布置切刀，以增加切土能力及耐磨性。

圖1 刀盤布置圖

2 試驗(yàn)方法

渣土改良研究涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的研究內(nèi)容，而且不同改良介質(zhì)的作用機(jī)理復(fù)雜，研究內(nèi)容廣泛，影響因素多且存在不確定性，需要通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。首先制定渣土改良試驗(yàn)的技術(shù)路線，如圖2所示。

圖2 渣土改良試驗(yàn)技術(shù)路線

利用多功能試驗(yàn)臺(tái)及其它測試儀器，對(duì)常用改良劑泡沫、膨潤土漿液的特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并通過坍落度試驗(yàn)、攪拌試驗(yàn)、透水性試驗(yàn)等分別研究水、泡沫、膨潤土漿液對(duì)粉土、粉細(xì)砂的改良效果情況。

3 泡沫改良渣土試驗(yàn)

泡沫在盾構(gòu)中的應(yīng)用是通過無數(shù)個(gè)小氣泡組成的泡沫來實(shí)現(xiàn)的。泡沫是典型的氣液二相體系，90%以上的體積為空氣，不足10%的體積為發(fā)泡液，而發(fā)泡液95%以上是水，其余為發(fā)泡原液，多為各種表面活性劑的高濃度混合液。

3.1 泡沫液表面張力

通過JYW-200B自動(dòng)界面張力儀檢測了不同濃度下的泡沫混合液的表面張力。如圖3所示，泡沫原液比例與表面張力關(guān)系為：泡沫混合液的表面張力隨著原液濃度增加而減小，泡沫原液濃度達(dá)到3%時(shí)表面張力達(dá)到最小，繼續(xù)增加濃度，表面張力基本不變。

圖3 表面張力與原液濃度的關(guān)系

3.2 泡沫半衰期和實(shí)際發(fā)泡效果

圖4 半衰期與原液濃度的關(guān)系圖

圖5 發(fā)泡倍率與原液濃度的關(guān)系

圖6 泡沫附著厚度與原液濃度的關(guān)系

通過多功能流體試驗(yàn)臺(tái)和半衰期試驗(yàn)裝置，測試了不同濃度的泡沫液的發(fā)泡倍率、半衰期和泡沫附著厚度。

如圖4所示，當(dāng)泡沫原液濃度達(dá)到2%時(shí)，隨著濃度增加半衰期變化較?。话l(fā)泡倍率和附著厚度隨著原液濃度的增加而增大，但增大的趨勢變小。如圖5～圖6所示。

3.3 泡沫改良渣土塌落度試驗(yàn)

渣土坍落度主要是指渣土的塑化性能和出渣性能，影響渣土坍落度的因素主要有級(jí)配變化、含水量、衡器的稱量偏差、外加劑的用量等。坍落度是指渣土的和易性，和易性是指渣土是否易于施工操作和均勻密實(shí)的性能，是一個(gè)很綜合的性能其中包含流動(dòng)性、粘聚性和保水性。具體來說就是保證施工的正常進(jìn)行，其中包括渣土的保水性、流動(dòng)性和粘聚性。

通過熱重分析儀、攪拌機(jī)、坍落度筒等試驗(yàn)儀器測試了多組泡沫改良后的渣土坍落度。

如圖7所示，泡沫對(duì)改良渣土的坍落度效果是很明顯的，添加15%泡沫后塌落度由31mm變?yōu)?32mm，添加到20%時(shí)塌落度達(dá)到212mm。塌落達(dá)到120mm到200mm時(shí)，可認(rèn)為渣土滿足流塑性狀態(tài)要求，所以泡沫注入率為15%時(shí)，其渣土改良效果、經(jīng)濟(jì)性最佳。

圖7 泡沫改良渣土坍落度曲線

當(dāng)含水量為15%時(shí)，加入不同比例的泡沫，對(duì)比塌落度，通過數(shù)據(jù)分析得出塌落度H與添加泡沫比例X%的關(guān)系如下：

綜合以上泡沫性能試驗(yàn)及泡沫渣土改良試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：考慮到工程應(yīng)用的成本，在粉土、粘質(zhì)粉土底層中施工，選用該泡沫原液濃度為3%，泡沫注入率為15%，其性能、經(jīng)濟(jì)性最佳。

S1-鈉基膨潤土

4 膨潤土改良渣土

4.1 膨潤土性能試驗(yàn)

膨潤土為礦物質(zhì)類添加劑，目的是補(bǔ)充土體的微細(xì)粒組分，使得土體的內(nèi)摩擦角變小，提高土體的流動(dòng)性、止水性。研究膨潤土的性能對(duì)渣土改良尤為重要。

通過泥漿漏斗粘度計(jì)、泥漿比重計(jì)、坍落度筒等試驗(yàn)儀器測量了多組S1鈉基膨潤土的比重及漏斗粘度。信陽膨潤土的試驗(yàn)結(jié)果見表1，鈉基膨潤土不同配比的粘度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化規(guī)律見圖8。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，泥漿的粘度不斷上升。由24h養(yǎng)護(hù)時(shí)間不同配比的粘度變化規(guī)律圖9可知：配比在1∶5以下時(shí)粘度增長緩慢，而大于1∶5時(shí)粘度急劇增大，在1∶5時(shí)候出現(xiàn)突變值。從圖10可知：配比低于1∶6時(shí)，泥漿比重緩慢線性增長，當(dāng)配比大于1∶6時(shí)泥漿比重呈急劇線性增長?？傮w上S1-鈉基膨潤土水化程度較好，能夠形成穩(wěn)定的泥漿，未形成較大的析層現(xiàn)象。綜上鈉基膨潤土表現(xiàn)出的性質(zhì)，采用配比1∶6濃度進(jìn)行膨潤土改性。

純堿即碳酸鈉（Na2CO3），在水中容易電離和水解，在配置時(shí)加入從而有效地改善粘土的水化分散能力，因此加入適量的純堿可使泥漿失水下降，粘度、切利增大。通過對(duì)不同比例純堿含量的泥漿進(jìn)行測試，對(duì)多組數(shù)據(jù)分析對(duì)比，得出粘度S與純堿含量X%之間函數(shù)關(guān)系為：

圖8 同配比的粘度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化規(guī)律

圖9 漿粘度與濃度的變化規(guī)律

圖10 漿比重與濃度的變化規(guī)律

圖11 漿粘度與純堿濃度的變化規(guī)律

由圖11可知純堿使泥漿粘度先升高后下降繼而急劇升高。根據(jù)泥漿粘度變化規(guī)律，優(yōu)先采用0.6%含量的純堿改良泥漿的失水性能。

CMC全名稱羧甲基纖維素，可增加泥漿粘性，使土層表面形成薄膜而防護(hù)孔壁剝落并有降低失水的作用。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著CMC含量的增大，泥漿粘度幾乎呈線性增長，粘度S與CMC含量X%之間函數(shù)關(guān)系為：

S=17.9+64X

由圖12可知CMC含量的增大，泥漿粘度幾乎呈線性增長。CMC的含量雖然相對(duì)較低，但其變化對(duì)泥漿漏斗粘度的影響卻非常明顯。

圖12 粘度與CMC濃度的變化規(guī)律

綜上幾個(gè)改良配比試驗(yàn)，優(yōu)先采用膨潤土配比1:6，純堿含量0.6%配比漿液，在泥漿隨CMC含量濃度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上配置含量0.6%和0.8%的CMC泥漿，測得漏斗粘度分別為52.80S和63.00S，所以推薦S1樣本配比為水：膨潤土：Na2CO3∶CMC=6∶1∶0.042∶0.056，其中物料的投放順序建議水和純堿先溶解后在放入CMC進(jìn)入機(jī)械攪拌，攪拌至少1h之后，放入氣吹攪拌桶內(nèi)，打開氣吹閥門，緩慢加入鈉基膨潤土，氣吹攪拌時(shí)間30min即可，最后養(yǎng)護(hù)24h之后方可以投入使用。

4.2 膨潤土渣土改良坍落度試驗(yàn)

在含水量為15%的渣土試樣中添加不同量的膨潤土改良劑進(jìn)行坍落度試驗(yàn)。如圖13所示，膨潤土注入率達(dá)到15%時(shí)，塌落度只有87mm，而達(dá)到20%時(shí)，塌落度達(dá)到151mm。渣土達(dá)到良好的流塑性狀態(tài)，膨潤土注入率較大，需達(dá)到20%左右。

圖13 S1-膨潤土渣土改良坍落度曲線

經(jīng)過對(duì)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)：膨潤土改良后坍落度H與添加膨潤土的比例X%之間的關(guān)系如下所示：

S1∶H=-0.0018X4+0.0706X3-

0.3419 X2+0.4267X+0.7817

綜上，經(jīng)過對(duì)加泡沫與加膨潤土后的坍落度測試對(duì)比分析，另外綜合考慮施工經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于該地質(zhì)，加泡沫后的改良效果優(yōu)于加S1膨潤土，通過綜合分析比對(duì)研究，本項(xiàng)目泡沫原液濃度為3%，泡沫注入率為15%，其性能、經(jīng)濟(jì)性最佳。

5 馬蹄形盾構(gòu)機(jī)渣土改良方案與工程應(yīng)用

通過渣土改良實(shí)驗(yàn)得出渣土改良的最佳方案，主要改良介質(zhì)是泡沫和水，泡沫的作用尤為明顯。

結(jié)合異型盾構(gòu)多刀盤開挖形式，為使泡沫與土體的充分混合并防止刀盤噴口堵塞，對(duì)每一個(gè)刀盤單獨(dú)配置單管單泵泡沫系統(tǒng)，共配置6路泡沫，通過PLC可以實(shí)現(xiàn)泡沫自動(dòng)、半自動(dòng)及手動(dòng)注入控制，開創(chuàng)了異型盾構(gòu)渣土改良系統(tǒng)新的設(shè)計(jì)理念。同時(shí)土倉隔板上均勻布置加水口，針對(duì)盲區(qū)特殊設(shè)置噴水口，實(shí)現(xiàn)土倉內(nèi)均勻加水改良，并采用高壓水沖刷盲區(qū)，有助于盲區(qū)渣土的切削和渣土改良。

在蒙華鐵路白城隧道工程項(xiàng)目中，通過渣土改良實(shí)驗(yàn)，確定合理改良介質(zhì)注入比，并配置合適的渣土改良系統(tǒng)，蒙華鐵路馬蹄形盾構(gòu)項(xiàng)目渣土改良取得良好效果，使土體形成“塑性流變狀態(tài)”，有利于地表沉降的控制。如圖14所示。

圖14 渣土改良后土體

圖15 掘進(jìn)過程中土倉壓力變化

圖15表明了優(yōu)化后的渣土改良方案有效的穩(wěn)定了掌子面，土倉壓力均勻。有利于提高成洞質(zhì)量，使推進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)各種復(fù)雜工況要求。同時(shí)也表明渣土改良有效降低了盾體及刀具的磨損，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的要求。

6 結(jié)論

①泡沫混合液的表面張力隨著原液濃度增加而減小，泡沫原液濃度達(dá)到3%時(shí)表面張力達(dá)到最小，繼續(xù)增加濃度，表面張力基本不變；當(dāng)泡沫原液濃度達(dá)到2%時(shí)，隨著濃度增加半衰期變化較小；發(fā)泡倍率和附著厚度隨著原液濃度的增加而增大，但增大的趨勢變小。

②S1-鈉基膨潤土水化程度較好，能夠形成穩(wěn)定的泥漿，采用配比1:6濃度進(jìn)行膨潤土改性；優(yōu)先采用0.6%含量的純堿進(jìn)行改性泥漿的失水性能；隨著CMC含量的增大，泥漿粘度幾乎呈線性增長，其變化對(duì)泥漿漏斗粘度的影響非常明顯。

③綜合考慮施工經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于該地質(zhì)，加泡沫后的改良效果優(yōu)于加S1膨潤土，通過綜合分析比對(duì)研究，本項(xiàng)目泡沫原液濃度為3%，泡沫注入率為15%，其性能、經(jīng)濟(jì)性最佳。

④蒙華鐵路馬蹄形盾構(gòu)項(xiàng)目渣土改良取得良好效果，使土體形成“塑性流變狀態(tài)”，有利于地表沉降的控制。同時(shí)也表明渣土改良有效降低了盾體及刀具的磨損，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的要求。