長春風化泥巖黏性地層渣土改良與應用研究

李 樹 良

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司,山東 濟南 250000)

1 概述

隨著經濟的增長、人民生活水平的提高，城市交通建設需求逐步增大，因此交通擁堵成為制約城市發(fā)展的重要難題。目前城市地鐵隧道主要以盾構法[1]開挖為主，而其中土壓平衡盾構法以其地層適應性廣、作業(yè)方式安全、掘進速度快及對環(huán)境影響小等特點在地鐵區(qū)間隧道施工中得到了廣泛的應用。

在全風化泥巖地層中，土體粘粒含量高，土壓平衡盾構機在掘進過程中易出現(xiàn)一系列問題，糊刀盤的現(xiàn)象；刀盤結泥餅[2]；開挖面易失穩(wěn)[3]，從而引起地面過量沉降[4]；盾構機開挖的土體黏性太高導致渣土結塊無法順利排出，從而影響盾構機正常掘進。盾構渣土改良[5]是解決上述問題的關鍵。

隨著盾構技術的不斷發(fā)展，人們對渣土改良的研究也日益成熟，需要根據(jù)施工時的地層條件對渣土改良劑進行對比優(yōu)選。R.P.A.Ball等[6]針對砂性土和黏性土地層分析了土壓盾構穿越該地層時易發(fā)生的工程技術難題，并開展了渣土改良試驗對比了不同改良方式對應的改良效果；Lars Langmaack[8]著重研究了渣土改良劑的改良機理，并進行了現(xiàn)場試驗得到最優(yōu)改良方案；周風山[10]從基礎理論出發(fā)對泡沫改良劑的基本概念進行了闡述；王闖[12]針對于泡沫劑改良砂卵石土的試驗研究，主要通過對比不同濃度的泡沫劑溶液的半衰期和發(fā)泡倍率，對泡沫劑的性能做了簡要的評價，最后選取最優(yōu)的泡沫劑以及最優(yōu)的泡沫劑濃度；喬國剛[13]研發(fā)了新型泡沫劑，以自制泡沫劑與國內外泡沫劑的相關物理力學性能進行了比較，并對復雜地層中的泡沫改良機理進行了研究。

本文在前人的基礎上，依托長春地鐵2號線西沿線盾構隧道，分別開展粉質黏土和風化泥巖地層的渣土改良技術研究，通過室內試驗優(yōu)選渣土改良劑并得到最優(yōu)配比，保證盾構機在不同地層條件下的順利掘進，進而提高盾構機的施工效率、施工質量，對今后此類地層盾構施工具有指導意義和借鑒價值。

2 工程概況

本文所依托的是長春地鐵工程，該工程起始點為汽車公園站南端，沿凱達北街途經富奧大路、長虹大路、捷達大路，與在建2號線西湖站南端相接，總體呈南北走向。線路全長2 564.5 m，包含兩站兩區(qū)間，其中盾構區(qū)間為：汽車公園站—捷達大路站區(qū)間和捷達大路站—西湖站(不含)區(qū)間，本文以西捷區(qū)間的情況為例，圖1為西捷區(qū)間地質縱斷面圖。

盾構從西湖站始發(fā)，向西南掘進至捷達大路站北端接收。在右K2+432.597 m下穿220 kV高壓線塔，高壓線塔基礎為鉆孔灌注樁基礎，為四柱承臺。其中最近一根樁樁中心距盾構管片外側水平凈距離為0.5 m，豎向凈距離為5.08 m；下穿區(qū)間盾構埋深為14.78 m。盾構區(qū)間在右K2+431.877～K2+467.561盾構正穿下穿石油管線，石油線分別為DN711，DN813，其埋深3.33 m，2.31 m；下穿范圍距盾構頂部埋深為14.40 m～14.88 m。

本標段盾構工程所使用的盾構機開挖直徑6.28 m，所使用的管片外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，管片為6分塊，厚度為300 mm，其寬度為1.2 m。而且該區(qū)間由西湖站始發(fā)，下穿富民大街、凱達北街、西新大街等街路及石油管線、高壓線塔等風險源，其中包括石油管線兩條，高壓線塔三個如圖2所示。

根據(jù)鉆探資料及室內土工試驗結果，按照地層沉積年代、成因類型，將本工程場地勘探范圍內的土層分為人工填土層、第四紀中更新統(tǒng)沖積層、白堊紀泥巖三大類。具體的土體物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學參數(shù)

由于黏土地層黏性較大，在施工過程中易出現(xiàn)一些問題：

1)排土不暢：由于黏性較大，渣土改良過程水很難滲透進去，造成泥水分離，游離水較多黏土塊易在皮帶機上打滑，導致無法及時的將黏土運輸至渣土斗，嚴重制約了施工效率。

2)結泥餅：在黏性地層中隨著黏土礦物含量的增加，刀具結泥餅的幾率逐漸增大，且受盾構選型和刀盤刀具設計的影響，一旦泥餅形成，盾構機推進速度緩慢。

目前的解決措施主要是采取渣土改良技術手段，選取泡沫劑+抗粘劑配合使用作為主要的渣土改良方式，對于這種黏性較大的地層效果顯著。分散劑能夠吸附于固體顆粒的表面，降低液—液或固—液之間的界面張力。使用時與泡沫劑混合共同通過泡沫注入系統(tǒng)注入至掌子面、土倉和螺旋輸送機中，使土體達到盾構開挖要求。

3 渣土改良劑及其適用性

土壓平衡盾構作為城市軟土地層隧道修建的首選方法，當盾構機掘進時，其前端刀盤旋轉切削土體，切削下來的土體進入土艙。當土體充滿土艙時，其被動土壓與開挖面上的土壓、水壓基本平衡，使得開挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果支護力不足易導致地表沉降，支護力過大易導致地表隆起。而且土壓平衡盾構機的壓力艙內土體的理想狀態(tài)應調整為“塑性流動狀態(tài)”[14]。然而，原狀土體很少可以同時滿足這些條件，通常需要對土體進行改良以改變土體特性來滿足土壓平衡盾構機開挖的條件。有效的渣土改良可以顯著提高盾構機的掘進性能，控制通過螺旋輸送機[15]的土體流量，達到順利連續(xù)出渣的要求。實際工程中常用的渣土改良劑有：泡沫劑、抗粘劑、聚合物、膨潤土等。

泡沫劑本質上是由表面活性劑、穩(wěn)泡劑與其他成分組成。膨潤土是土壓平衡盾構機最早使用的渣土改良劑之一。對于粗粒土的開挖，可以在掘進過程中，從掘進開挖面掘進的刀盤前方注入膨潤土，相當于在粗粒土中增加了細粒含量?？拐硠┦且环N液態(tài)聚合物黏土分散劑，專門用于有堵塞和粘附刀盤風險的黏土地層條件下的盾構開挖。聚合物是由大量重復的小分子組成的大分子高聚物，性質因其化學成分和結構而異。不同的改良劑對應在不同的地層中使用，具體情況如表2所示。

表2 渣土改良劑的地層適應性

4 室內試驗

4.1 泡沫劑性能試驗

本工程盾構施工主要采用的是泡沫劑及泡沫劑+分散劑兩種改良方式。泡沫劑評價指標主要是半衰期和發(fā)泡倍率。根據(jù)已有研究表明，一般要求泡沫的半衰期大于5 min，發(fā)泡倍率在10～20之間。而本實驗選取自制的泡沫劑進行優(yōu)化試驗，研究不同泡沫濃度下對應發(fā)泡后半衰期和發(fā)泡倍率的變化規(guī)律。其中不同濃度泡沫隨時間衰變規(guī)律如圖3所示，半衰期的關系如表3所示。

由圖3所示，根據(jù)起始時間與相對剩余質量達到50%時對應的時間，可以得到不同泡沫濃度所對應的半衰期如表3所示。

表3 不同濃度發(fā)泡液對應的泡沫半衰期

不同發(fā)泡液濃度對應的發(fā)泡倍率如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)整體上發(fā)泡倍率隨著發(fā)泡液濃度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

表4 不同濃度發(fā)泡液對應的發(fā)泡倍率

由以上結果可得到以下結論：

1)發(fā)泡倍率隨著發(fā)泡液濃度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；

2)泡沫的半衰期隨發(fā)泡液濃度的增加而增加。

4.2 坍落度試驗

盾構法施工過程中，土壓平衡盾構機的壓力艙內土體的理想狀態(tài)應調整為“塑性流動狀態(tài)”，需要保持一定的流動性，才能保證渣土順利的排出及盾構機的正常掘進。土體的流動性可以通過坍落度體現(xiàn)，因為它可以體現(xiàn)土體的粘聚性、保水性以及流動性，再加上坍落度試驗簡單方便易行，因此這一指標在渣土改良中普遍使用。

開展坍落度試驗時，一般需要做三組試驗，通過取平均值的方式來提高結果的準確性。根據(jù)已有研究工作可知，坍落度值維持在110 mm～160 mm范圍內流塑性較好。

本次試驗通過對粉質黏土、風化泥巖的渣土進行不同泡沫添加比、不同泡沫劑發(fā)泡液濃度的試驗試樣進行坍落度試驗，根據(jù)其改良后的狀態(tài)及坍落度值的大小來比較分析研究，其坍落度結果如圖4所示。

由以上試驗可以得到，通過改變泡沫劑溶液濃度及摻入比，可顯著改變渣土的流塑性狀態(tài)。由圖4可知：1)相同濃度條件下，坍落度值隨著泡沫摻入比的增大呈現(xiàn)增大的趨勢；2)在摻入比一定時，低摻入比(10%～20%)時，隨著濃度增加坍落度增大，當摻入比達到25%時，坍落度減?。?)該工程使用泡沫劑發(fā)泡液濃度為2%時應選取泡沫注入比為23%～30%；若使用泡沫劑發(fā)泡液濃度為3%～4%時應選取泡沫注入比為17%～23%。這樣的改良方案可以使待改良渣土的流動性得到顯著提高，進而滿足盾構機開挖土體的要求。

5 現(xiàn)場渣土改良效果分析

長春地鐵2號線西延線西捷區(qū)間盾構下穿地層主要為粉質黏土和全風化泥巖，土體中黏土顆粒含量較大，盾構機在掘進過程中極易形成泥餅，土倉堵塞，影響排渣。

為了施工方便，并考慮成本區(qū)間左線全程使用“泡沫劑+抗粘劑”的渣土改良方式，主要的改良方案為，通過地層粘性的高低決定泡沫劑和抗粘劑的用量，低粘性地層時泡沫劑用量為每延米消耗量80 kg；高粘性地層時泡沫劑用量為每延米100 kg，并按照實際情況混入抗粘劑，抗粘劑每延米消耗量為20 kg～60 kg。實際使用過程中，泡沫劑與抗粘劑原液按照2∶1～10∶1的比例(混合比例與地層黏性有關)混合，加水稀釋到2%的濃度通過刀盤前方發(fā)泡系統(tǒng)發(fā)泡后注入，調節(jié)開挖土體粘聚性，提高盾構機排渣能力。泡沫劑每環(huán)(1.2 m)用量約為100 kg～120 kg，抗粘劑每環(huán)用量約為20 kg～60 kg(黏性地層抗粘劑用量會明顯增加)。圖5顯示了盾構區(qū)間左線盾構掘進參數(shù)的變化情況。

在右線前60環(huán)采用普通市場的泡沫劑，在60環(huán)附近發(fā)生了結泥餅的現(xiàn)象，后續(xù)全程使用本文提到自主研發(fā)的高效泡沫劑，很好的解決了粘性地層結泥餅問題，圖6顯示了盾構區(qū)間右線盾構掘進參數(shù)的變化情況。

通過盾構右線掘進參數(shù)對比可以看出，前60環(huán)使用國產其他品牌泡沫劑刀盤扭矩在3 200 kN·m～3 600 kN·m之間，推力在10 500 kN～13 000 kN之間，而采用自主研發(fā)的“高效泡沫劑+抗粘劑”組合時，刀盤扭矩降低至2 400 kN·m左右，推力降低至8 000 kN～9 000 kN，說明該渣土改良效果很好，解決了黏性地層結泥餅難題。

6 結語

通過對渣土改良劑種類、地層適應性等多方面的認識，以及泡沫性能試驗、坍落度試驗及現(xiàn)場掘進渣土改良效果分析，可得到以下結論：

1)盾構施工過程中，原狀土是很少可以同時滿足盾構機開挖條件的，因此需要渣土改良來提高土體的特性。渣土改良劑種類繁多且具有地層適應性，不同的地層選擇不同的渣土改良劑。

2)結合泡沫劑發(fā)泡倍率及半衰期試驗結果可知，發(fā)泡液濃度為3%～4%時泡沫劑發(fā)泡效果最好。

3)結合改良后渣土的坍落度試驗，相同濃度下，坍落度值隨著泡沫摻入比的增大而增大；摻入比一定時有以下規(guī)律：低摻入比時，隨著濃度增加坍落度增大，當摻入比達到25%時，坍落度減小。而最為理想的改良方案應選取發(fā)泡劑溶液濃度為3%～4%，對應的摻入比為17%～23%。

4)通過現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)可知，采用泡沫劑+抗粘劑的改良方案的改良效果很好，解決了該工程地層黏性問題，而且還達到了普通泡沫劑無法達到的效果。