土壓盾構(gòu)穿越砂土互層壓力艙渣土改良研究

陳令強(qiáng) 朱曉潔 鐘小春 朱 超 譚 峰 槐榮國(guó) 王 敏

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 510180；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098；3.中鐵五局集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550003）

0 引言

土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的基本原理為開挖面支護(hù)壓力與開挖面前的土層的水土壓力平衡時(shí)才能保持穩(wěn)定。為了達(dá)到以上目的，盾構(gòu)刀盤的挖土量應(yīng)該與螺旋排土器的排土量一致，這對(duì)渣土的流塑性具有較高的要求。工程中通常對(duì)渣土進(jìn)行改良使之具有較好的流塑性以及較低的滲透性。

樂(lè)貴平等[1]對(duì)土壓平衡盾構(gòu)法施工工程進(jìn)行了技術(shù)研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及理論研究后發(fā)現(xiàn)，采用泥漿對(duì)礫石土層進(jìn)行土體改良有較好的效果，并提出了泥漿的最優(yōu)添加量。魏康林[2]認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)壓力艙內(nèi)渣土的狀態(tài)評(píng)價(jià)應(yīng)該包括抗剪強(qiáng)度、壓縮性、滲透性和流動(dòng)性四個(gè)方面。肖超等[1]采用泡沫劑和膨潤(rùn)土泥漿作為泥質(zhì)粉細(xì)砂巖和礫砂的改良劑，能顯著降低渣土的抗剪強(qiáng)度。Stephane Quebaud[4]通過(guò)攪拌試驗(yàn)、坍落度、滲透試驗(yàn)等研究改良土的性質(zhì)，改良土體的滲透性與泡沫的添加量有直接關(guān)系，對(duì)刀盤的剪切抵抗則受孔隙率的影響。Rory P.A.Ball 等[5]針對(duì)缺少細(xì)小顆粒和易引起堵塞的兩類土體進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了不同添加劑的改良效果。

目前研究的土層對(duì)象大多是單一土層，對(duì)于盾構(gòu)穿越砂土互層的渣土改良研究還比較少見。本文通過(guò)對(duì)不同的土層進(jìn)行顆粒分析，考慮多種地層混合之后的級(jí)配曲線以及試驗(yàn)性質(zhì)參數(shù)，提出砂土互層的改良方法。

1 渣土塑性流動(dòng)狀態(tài)分析

土壓平衡盾構(gòu)在施工過(guò)程中，刀盤切削下來(lái)的土體首先充滿在壓力艙中，通過(guò)對(duì)開挖土體施加壓力來(lái)平衡開挖面上的水土壓力，開挖土體通過(guò)螺旋排土器排出，這兩個(gè)作用的實(shí)現(xiàn)需要壓力艙中的渣土具備“塑性流動(dòng)狀態(tài)”。渣土的理想狀態(tài)如圖1 和圖2 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室渣土狀態(tài)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)渣土狀態(tài)

渣土的物理力學(xué)指標(biāo)應(yīng)符合較低的滲透系數(shù)（＜1×10-4cm/s）[6]，合理的塌落度（150-200mm）[7]、較低的強(qiáng)度（不排水抗剪強(qiáng)度小于25kPa）[8]和較大的壓縮系數(shù)（＞0.1MPa-1）[9]。

2 砂土互層渣土改良分析

2.1 土壓盾構(gòu)土層適應(yīng)性關(guān)系

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的土壓平衡盾構(gòu)渣土改良室內(nèi)外試驗(yàn)成果總結(jié)[2]，如圖3 所示。圖中兩條顆分曲線范圍內(nèi)地層是與土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)性較好的土層。該區(qū)域的左側(cè)為粘粒含量較多的區(qū)域，容易粘附刀盤，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)結(jié)泥餅故障。該區(qū)域的右側(cè)為粗顆粒含量較多的粗砂、礫砂或砂卵石地層區(qū)域，都需要進(jìn)行渣土改良，且位于區(qū)域⑤的地層則不適合采用土壓平衡盾構(gòu)施工。

圖3 盾構(gòu)與土層適應(yīng)性的粒徑分布曲線

2.2 砂土互層混合后土粒含量計(jì)算

通過(guò)篩分試驗(yàn)可以得出盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面范圍內(nèi)的各土層的顆分曲線。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告可以得出各土層在盾構(gòu)掘進(jìn)斷面所占的面積比例。各土層在壓力艙內(nèi)經(jīng)過(guò)攪拌后混合均勻，各土層按照比例混合后渣土各粒組土粒含量的計(jì)算公式為：

式中：

A1，A2，A3——A 土層粒組1、粒組2、粒組3 的土粒含量（%）；

B1，B2，B3——B 土層粒組1、粒組2、粒組3 的土粒含量（%）；

C1，C2，C3——C 土層粒組1、粒組2、粒組3 的土粒含量（%）；

Z1、Z2、Z3——砂土互層混合后粒組1、粒組2、粒組3 的土粒含量（%）；

x1，x2，x3——A 土層、B 土層、C 土層在掘進(jìn)斷面所占的面積比例（%）。

以粉質(zhì)黏土和礫砂為例進(jìn)行混合后粒徑分析，如表1 和圖4 所示。

表1 各組土樣的性質(zhì)參數(shù)

圖4 各組土樣的的粒徑分布曲線

從圖4 中可以看出，粉質(zhì)黏土和礫砂各自處在土壓平衡盾構(gòu)適用范圍的兩個(gè)邊緣。粉質(zhì)黏土的黏聚力過(guò)大，易在刀盤上形成泥餅。礫砂的滲透系數(shù)高達(dá)2.8×10-2cm/s，抗?jié)B能力和流動(dòng)性達(dá)不到要求，極易發(fā)生螺旋排土器噴涌的現(xiàn)象。當(dāng)粉質(zhì)黏土與礫砂按照不同比例混合之后，渣土表現(xiàn)出良好的流塑狀態(tài)。當(dāng)粉質(zhì)黏土的含量達(dá)到30%的時(shí)候，砂土互層混合后的滲透系數(shù)為8.4×10-4cm/s，位于兩者之間。

3 工程應(yīng)用與分析

3.1 工程概況

廣州地鐵21 號(hào)線朱村至象嶺區(qū)間主要位于廣州增城市廣汕公路上，起始于莊水村東側(cè)朱村站，之后路繼續(xù)沿廣汕公路向東行進(jìn)，途中經(jīng)多個(gè)規(guī)劃路口及暗渠，途徑廣州大學(xué)松田學(xué)院于盈園東側(cè)設(shè)象嶺站，廣汕路兩邊一般為民居及商鋪等民用建筑，房屋較密集，多為二至六層高建筑物。盾構(gòu)穿越地段主要含水層為粉細(xì)砂層＜3-1＞、中粗砂層＜3-1＞、礫砂層＜3-3＞、圓礫層＜3-4＞及粉質(zhì)黏土層＜4N-2＞。地下水以孔隙潛水形式賦存，受大氣降水及地表水補(bǔ)給，富水性中等。

對(duì)各土層取的土樣烘干后進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得出各粒組的顆粒含量，繪制各地層的粒徑分布曲線，如圖5 所示。從粒組頻率曲線可以發(fā)現(xiàn)，各砂土層都缺少0.075mm 以下的細(xì)顆粒，地層級(jí)配不良；除粉細(xì)砂土層以外，其它三種土層都缺少0.2～0.3mm 這個(gè)粒組的顆粒。從粒徑分布曲線中可以發(fā)現(xiàn)，礫砂和圓礫的曲線已經(jīng)超出了土壓平衡盾構(gòu)適宜的地層范圍，在該類地層中必須要對(duì)渣土進(jìn)行改良。

圖5 各土層的粒徑分布曲線

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)斷面砂土互層混合后顆粒級(jí)配分析

右線第25 環(huán)掘進(jìn)遇到的土層為粉質(zhì)黏土層＜4N-2＞、粉細(xì)砂層＜3-1＞和礫砂層＜3-3＞的土層，如圖6 所示。

圖6 右線第25 環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)斷面土層分布

右線第301 環(huán)掘進(jìn)遇到的土層為粉質(zhì)黏土層＜4N-2＞、中粗砂層＜3-1＞和圓礫層＜3-3＞的土層。如圖7 所示。

圖7 右線第301 環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)斷面土層分布

在現(xiàn)場(chǎng)分別測(cè)量這兩環(huán)的渣土的粒徑分布曲線（如圖8 所示）、滲透系數(shù)和坍落度：第25 環(huán)渣土的滲透系數(shù)為6.8×10-5cm/s，坍落度為183mm，從現(xiàn)場(chǎng)出渣的情況來(lái)看，螺旋排土器出渣順暢，渣土流塑性較好，達(dá)到渣土的理想狀態(tài)；第301環(huán)渣土的滲透系數(shù)為1.5×10-4cm/s，坍落度為210mm。渣土含水率偏高，狀態(tài)偏稀，出渣不易控制。

圖8 右線第25、301 環(huán)渣土粒徑分布曲線

4 結(jié)論

在土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)過(guò)程中遇到單一的土層比如礫砂層或圓礫層，由于顆粒較粗其流動(dòng)性差且滲透性偏大，必須進(jìn)行渣土改良。但是實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)工程中遇到含高滲透砂層和低滲透的粉質(zhì)黏土互層也較為普遍，可以考慮兩者混合后地層顆分曲線出發(fā)進(jìn)行渣土改良，不僅降低了渣土改良的難度，而且降低了改良的成本。

多種土層組成的砂土互層可以考慮細(xì)地層顆粒填充到粗地層顆粒之間的孔隙，從而使得盾構(gòu)掘進(jìn)斷面進(jìn)入壓力艙內(nèi)的渣土顆粒級(jí)配良好，具有較低的滲透性。因此，在盾構(gòu)掘進(jìn)前，可根據(jù)多地層斷面粗細(xì)地層顆粒級(jí)配曲線和各自所占據(jù)的面積，初步確定渣土改良的方向和外加劑摻入的種類和摻入量，并經(jīng)過(guò)少量渣土改良試驗(yàn)進(jìn)行證實(shí)，達(dá)到指導(dǎo)盾構(gòu)施工渣土改良指導(dǎo)的目的。