富水砂層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)與應(yīng)用

商 躍 鋒

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 210000)

1 概述

目前城市地鐵隧道的開挖方式主要以盾構(gòu)法[1]為主，根據(jù)作用原理主要分為土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)，其中土壓平衡盾構(gòu)法以其獨(dú)特的特點(diǎn)在地鐵隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用，也是相對(duì)最成功、最常采用的機(jī)械化隧道技術(shù)，代表著隧道施工的方向。土壓平衡盾構(gòu)是通過(guò)土倉(cāng)及螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土的土壓來(lái)平衡開挖面上的水土壓力，而螺旋輸送機(jī)需要及時(shí)的把開挖渣土運(yùn)移走，從而保證掌子面的土壓動(dòng)態(tài)平衡。輸送過(guò)程中渣土的理想狀態(tài)應(yīng)為“塑性流動(dòng)狀態(tài)”[2]。根據(jù)已有研究表明，此狀態(tài)的土需要滿足各種力學(xué)指標(biāo)，使其具有較低的滲透性、較低的內(nèi)摩擦角等特征。然而天然的切削渣土不足以滿足此要求，因此需要通過(guò)有效的利用添加劑來(lái)對(duì)土體進(jìn)行改良，進(jìn)而讓其達(dá)到土壓盾構(gòu)施工的要求，保證隧道施工的有效進(jìn)行。而在富水砂層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，由于地層中含水量很大，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中易出現(xiàn)一系列的問(wèn)題，排渣不暢、噴涌[3]現(xiàn)象、地表沉降[4]等等。

隨著盾構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)者對(duì)渣土改良的研究也日益成熟。Lars Langmaack[5]對(duì)改良劑的改良機(jī)理[6]展開研究；朱俊易[7]旨在研發(fā)一種新型泡沫劑，通過(guò)開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)，得到了一種盾構(gòu)適用的穩(wěn)定泡沫劑；劉大鵬[8]研發(fā)了一種新型泡沫劑，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其改良效果作出相應(yīng)評(píng)價(jià)；邱龑、楊新安[9]針對(duì)深圳的富水砂層展開渣土改良試驗(yàn)研究，采用常用的三種改良劑泡沫劑、膨潤(rùn)土以及高分子聚合物，通過(guò)對(duì)改良后渣土的現(xiàn)場(chǎng)坍落度試驗(yàn)，得到最優(yōu)渣土改良方案；喬國(guó)剛[10]自主研發(fā)盾構(gòu)用泡沫劑，將其改良后的渣土進(jìn)行各種力學(xué)性能試驗(yàn)，與已有泡沫劑進(jìn)行對(duì)比，并針對(duì)改良機(jī)理進(jìn)行了研究。根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)穿越各種地層的研究?jī)?nèi)容很多，包括富水砂性地層、黏土地層等，但是目前仍沒有形成統(tǒng)一的渣土改良標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)具體工程須進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)確定最優(yōu)改良方案。

因此，本文在已有研究基礎(chǔ)上，依托現(xiàn)場(chǎng)工程，擬進(jìn)行富水砂層的渣土改良技術(shù)研究，通過(guò)開展室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有渣土改良劑類型進(jìn)行參數(shù)對(duì)比和優(yōu)選，并得到改良劑最優(yōu)配比，最終改善渣土的塑性流動(dòng)狀態(tài)，保證盾構(gòu)機(jī)在不同富水砂礫地層條件下的順利掘進(jìn)，進(jìn)而提高盾構(gòu)機(jī)的施工效率、施工質(zhì)量，研究成果旨在為今后此類地層盾構(gòu)施工提供指導(dǎo)意義和借鑒價(jià)值。

2 工程概況

本文所依托的是南昌市軌道交通4號(hào)線一期工程，該工程標(biāo)段主要位于南昌市高新區(qū)，如圖1地質(zhì)縱斷面勘察所示，分布特征為：上部為灰色～灰白色粉土，含黏性土成分，在地鐵沿線呈透鏡體狀不連續(xù)產(chǎn)出，局部呈條帶狀分布。中部的砂土層，為黃～黃灰色，沉積韻律從上部細(xì)顆粒的粉細(xì)砂，漸變?yōu)橐灾写稚盀橹鳎瑢哟畏置?。在此之下則為礫砂、礫石、卵石層直至圓礫。該類土層以粗顆粒為主，具有很強(qiáng)的透水性，對(duì)地鐵工程施工具有危害性。該隧道科技城—魚尾洲區(qū)間穿越砂性地層主要包括中粗砂、礫砂和圓礫。且該地區(qū)水位隨氣候變化大，含水量豐富。

根據(jù)沿線巖土層的成因類型、性質(zhì)、工程特征、風(fēng)化狀態(tài)等，結(jié)合沿線工程地質(zhì)縱斷面，可劃分為3個(gè)巖土層：人工填土層、上更新世沖積層、基巖。土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

由于隧道區(qū)間主要穿越富水砂性地層，由表1可知砂性地層粘聚力較低，內(nèi)摩擦角較大，而且其滲透系數(shù)很高，很難形成塑性流動(dòng)狀態(tài)，在盾構(gòu)開挖過(guò)程中容易造成出渣不暢，再加上該地區(qū)含水量豐富，極有可能引發(fā)地表沉降和噴涌問(wèn)題。

1)“噴涌”問(wèn)題：由于開挖面土體存在充水裂隙，隨著盾構(gòu)機(jī)的開挖水不斷流入土倉(cāng)，當(dāng)螺旋輸送機(jī)工作時(shí)，排渣口便會(huì)發(fā)生噴水、噴渣的現(xiàn)象，從而形成“噴涌”。

2)地表沉降問(wèn)題：一般由于富水砂礫地層中富含地下水，以及在施工過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題(未及時(shí)封堵洞門、同步注漿參數(shù)不合理、二次注漿不及時(shí)等)，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致地表沉降問(wèn)題的發(fā)生。

3 渣土改良劑

渣土改良是通過(guò)化學(xué)添加劑改良開挖渣土的一種施工技術(shù)手段，主要是在盾構(gòu)機(jī)開挖面、土倉(cāng)、螺旋輸送機(jī)中注入各種化學(xué)改良劑，來(lái)改良盾構(gòu)施工開挖土體，使其滿足盾構(gòu)機(jī)正常施工的土體要求。具體作用大體上分為以下幾點(diǎn)：

1)理想塑性流動(dòng)狀態(tài)；

2)減少土體與盾構(gòu)機(jī)本身的摩擦力，進(jìn)而減少刀具磨損、減小刀盤扭矩；

3)可以減小粘性土對(duì)刀盤的粘附作用[11]；

4)降低土體的滲透性[12]。

目前盾構(gòu)穿越砂性地層施工中常用的渣土改良劑主要有泡沫劑、聚合物、膨潤(rùn)土(各自的對(duì)比情況見表2)，其作用機(jī)理和力學(xué)特征可概括如下：

泡沫劑本質(zhì)上是由表面活性劑[13]、穩(wěn)泡劑與其他成分組成。聚合物是由大量重復(fù)的小分子組成的大分子高聚物，性質(zhì)因其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)而異。而膨潤(rùn)土是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)最早使用的渣土改良劑之一，主要用于改變土體中的細(xì)粒含量。而且這三種改良劑也可以采用兩兩復(fù)合的改良形式。

針對(duì)于本工程中的富水砂性地層，由于其較大的內(nèi)摩擦角、較小的粘聚力以及較高的滲透系數(shù)，土體很難達(dá)到理想流塑性狀態(tài)。因此，通過(guò)渣土改良技術(shù)改變土體的性質(zhì)，使其達(dá)到盾構(gòu)開挖渣土的要求。其中泡沫劑可以降低土體的內(nèi)摩擦角以及土體的滲透性，而聚合物可以增加砂性土的粘聚性。因此，針對(duì)該富水砂性地層選取“泡沫劑+聚合物”的復(fù)合改良方式。

表2 常用改良劑

4 室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 坍落度試驗(yàn)

土體的流動(dòng)性可以通過(guò)坍落度試驗(yàn)進(jìn)行衡量。試驗(yàn)中研究了不同含水量、不同摻量及所采用的復(fù)合改良劑中泡沫劑與聚合物的不同比例條件下改良后土體的坍落度。根據(jù)已有研究可知[14]，室內(nèi)試驗(yàn)建議指標(biāo)為：坍落度值在180 mm～210 mm時(shí)，渣土流塑性較好，滿足渣土運(yùn)移的工程需求。

本次坍落度試驗(yàn)選取富水砂層渣土試樣進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)比較不同含水量、不同摻量以及所采用的復(fù)合改良劑中泡沫劑與聚合物的不同比例的條件下，改良后渣土的坍落度值的變化規(guī)律。此次試驗(yàn)均采用2%濃度的泡沫劑，著重研究以上三種因素對(duì)改良后渣土坍落度的影響規(guī)律。分別進(jìn)行渣土含水量w=15%，w=20%，改良劑中泡沫劑與聚合物比例為10∶1，5∶1，4∶1時(shí)進(jìn)行不同摻量的坍落度室內(nèi)試驗(yàn)。圖2是渣土含水量w=15%，改良劑中泡沫劑與聚合物比例為10∶1時(shí)進(jìn)行不同摻量的坍落度室內(nèi)試驗(yàn)，而所有試驗(yàn)的坍落度數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如圖3所示。

由以上試驗(yàn)可以得到，通過(guò)改變復(fù)合改良劑中聚合物和泡沫劑的比例及摻量，可顯著改變?cè)恋牧魉苄誀顟B(tài)，而且含水量對(duì)于坍落度的影響比較大，由圖3可知：

1)相同含水量條件下，同一種比例的復(fù)合改良劑隨著摻入量的增大，其坍落度值呈逐漸增大趨勢(shì)；

2)相同含水量、同一摻量的條件下，隨著復(fù)合改良劑中聚合物所占比例的增大，其坍落度值基本上呈下降趨勢(shì)；

3)該工程中含水量對(duì)改良后土體的坍落度有很大的影響；

4)由上所述，該工程中所采用的是聚合物+泡沫劑這種復(fù)合渣土改良劑，在相對(duì)較低含水量地段，應(yīng)采用聚合物與泡沫劑的比例為1∶10，混合摻量為20%～25%；在相對(duì)較高含水量地段，應(yīng)采用聚合物與泡沫劑的比例為1∶5，混合摻量為18%～22%。這樣的改良方案可以使待改良渣土的流動(dòng)性得到顯著提高，進(jìn)而滿足盾構(gòu)機(jī)開挖土體的要求。

4.2 滲透性試驗(yàn)

對(duì)于土體的滲透性通常用滲透試驗(yàn)測(cè)定。本文滲透試驗(yàn)儀器采用標(biāo)準(zhǔn)的常水頭滲透儀。每次滲透試驗(yàn)記錄3個(gè)時(shí)間段的滲流水量，分別求出它們的滲透系數(shù)，最后取其平均值作為該次試驗(yàn)的滲透系數(shù)測(cè)試值。

本次試驗(yàn)主要研究改良劑在不同濃度、不同摻量的條件下，改良后渣土滲透系數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)中采用聚合物+泡沫劑的復(fù)合改良方式，其中泡沫劑與聚合物的比例為10∶1，分別制備濃度為2%，2.5%，3%的改良劑，在不同摻量0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%的情況下進(jìn)行渣土改良，將改良后土體分別進(jìn)行滲透性試驗(yàn)并記錄相應(yīng)的滲透系數(shù)值(具體的滲透系數(shù)值由上述的平均值法得到)，最后分析試驗(yàn)結(jié)果并總結(jié)渣土滲透性的變化規(guī)律。圖4為滲透性系數(shù)變化曲線。

由以上試驗(yàn)可以得到，通過(guò)復(fù)合改良劑濃度及摻量對(duì)改良后土體的滲透性有一定的影響，可改變?cè)恋臐B透性，具體結(jié)論如下：

1)隨著改良劑摻量的增大，改良后渣土的滲透系數(shù)逐漸降低；

2)隨著改良劑濃度的增大，改良后渣土的滲透系數(shù)也呈減小趨勢(shì)；

3)由圖4可知，改良劑的濃度由2%變?yōu)?.5%時(shí)，滲透系數(shù)的變化程度相對(duì)較大，范圍比較廣；而當(dāng)改良劑濃度由2.5%變?yōu)?%時(shí)，滲透系數(shù)的變化程度相對(duì)較小，范圍比較窄；所以當(dāng)符合改良劑中泡沫劑與聚合物的比例為10∶1時(shí)，應(yīng)取改良劑的濃度為2.5%，具體摻量應(yīng)在11%～30%。

5 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)隧道所穿越的地層條件主要為中粗砂、礫砂和圓礫，始發(fā)段和接收段局部穿越中細(xì)砂地層，砂層及礫砂地層粘聚性小、滲透系數(shù)較大，開挖渣土不易排出，且當(dāng)盾構(gòu)在具有承壓水的砂層中掘進(jìn)時(shí)，極易發(fā)生螺管機(jī)噴涌災(zāi)害，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率和盾構(gòu)施工安全。

根據(jù)實(shí)際工程與試驗(yàn)結(jié)果，主要采用濃度為2%，3%的泡沫對(duì)富水砂層進(jìn)行改良，同時(shí)，常備一定質(zhì)量比的高分子聚合物防噴涌的發(fā)生。根據(jù)具體整個(gè)區(qū)間的地層情況，盾構(gòu)施工1段(1環(huán)～180環(huán))，采用“泡沫劑+高分子聚合物”的方式進(jìn)行渣土改良，并按照10∶1～5∶1的比例在泡沫劑中混入高分子聚合物，將泡沫劑和聚合物的混合物加水稀釋到2%的濃度，通過(guò)刀盤前方發(fā)泡系統(tǒng)發(fā)泡后注入；盾構(gòu)施工2段(181環(huán)～720環(huán))，采用“泡沫劑+高分子聚合物”的方式進(jìn)行渣土改良，并按照5∶1～4∶1的比例在泡沫劑中混入高分子聚合物，將泡沫劑和聚合物的混合物加水稀釋到2%的濃度，通過(guò)刀盤前方發(fā)泡系統(tǒng)發(fā)泡后注入；盾構(gòu)施工3段(721環(huán)～1 185環(huán))，采用“泡沫劑+高分子聚合物”的方式進(jìn)行渣土改良，并按照4∶1～3∶1的比例在泡沫劑中混入高分子聚合物，將泡沫劑和聚合物的混合物加水稀釋到2%的濃度，通過(guò)刀盤前方發(fā)泡系統(tǒng)發(fā)泡后注入；盾構(gòu)施工4段(1 186環(huán)～1440環(huán))，采用“泡沫劑+高分子聚合物”的方式進(jìn)行渣土改良，并按照5∶1～4∶1的比例在泡沫劑中混入高分子聚合物，將泡沫劑和聚合物的混合物加水稀釋到2%的濃度，通過(guò)刀盤前方發(fā)泡系統(tǒng)發(fā)泡后注入。

盾構(gòu)采用此改良方案在富水砂層中掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度在25 mm/min～35 mm/min之間，扭矩在3 500 kN·m～4 500 kN·m之間，每環(huán)出土量在45 m3～52 m3間。通過(guò)渣土改良使得土體的內(nèi)摩擦角降低、粘聚力提高、滲透性降低，達(dá)到理想流塑性狀態(tài)，以致盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)符合盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)要求。如圖5，圖6分別為現(xiàn)場(chǎng)區(qū)間1 000環(huán)～1 050環(huán)的 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，采用上述渣土改良方案時(shí)，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程的推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度均較為穩(wěn)定，且在理論計(jì)算值范圍內(nèi)。結(jié)合此處地質(zhì)條件，隧道穿越地層為富水砂層，添加劑很好地穩(wěn)定了刀盤扭矩及推進(jìn)速度，且提高了刀盤轉(zhuǎn)速，說(shuō)明同時(shí)用泡沫劑、高分子聚合物對(duì)富水砂性地層進(jìn)行渣土改良，刀盤的工作參數(shù)穩(wěn)定，渣土改良的效果顯著。為以后盾構(gòu)隧道穿越富水砂性地層提供借鑒意義。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)渣土改良劑種類、地層適應(yīng)性等多方面的認(rèn)識(shí)，以及坍落度滲透試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)渣土改良效果分析，可得到以下結(jié)論：

1)渣土改良劑種類繁多，不同的地層選擇不同的渣土改良劑，每種改良劑都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)特殊的地層情況可選擇組合的形式形成復(fù)合改良劑。

2)結(jié)合改良后渣土的坍落度試驗(yàn)，相同含水量條件下，同一種比例的復(fù)合改良劑隨著摻入量的增大，其坍落度值呈逐漸增大趨勢(shì)；相同含水量、同一摻量的條件下，隨著復(fù)合改良劑中聚合物所占比例的增大，其坍落度值基本上呈增大趨勢(shì)；而且含水量對(duì)改良后土體的坍落度有很大的影響，也是影響開挖渣土流動(dòng)性的一大重要因素。

3)結(jié)合改良后渣土的滲透試驗(yàn)，隨著改良劑摻量的增大，改良后渣土的滲透系數(shù)逐漸降低；隨著改良劑濃度的增大，改良后渣土的滲透系數(shù)也呈減小趨勢(shì)，而且當(dāng)改良劑濃度增加到一定程度上，滲透系數(shù)的變化程度會(huì)開始減小。

4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)可知，采用泡沫劑+高分子聚合物的改良方案的改良效果很好，可以保證盾構(gòu)機(jī)在富水砂性地層中的正常掘進(jìn)。