強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層中盾構(gòu)泥餅堵塞情況下渣土改良劑效果分析

周凱歌，方 勇, *，廖 杭，王 凱，宋天田

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著我國(guó)隧道行業(yè)的蓬勃發(fā)展，盾構(gòu)工法以其安全、高效、高度機(jī)械化等特點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，隨著盾構(gòu)工法應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬和延伸，衍生出硬巖地層刀具磨損嚴(yán)重、黏性地層盾構(gòu)結(jié)泥餅嚴(yán)重、軟硬復(fù)合地層刀具偏磨、砂性地層液化及噴涌等一系列問(wèn)題。為保證盾構(gòu)開(kāi)挖的順利進(jìn)行，實(shí)際施工中需要采用向地層中加入改良劑的方法，使渣土保持塑性流動(dòng)狀態(tài)，即具有良好的流塑性、低滲透性、較好的壓縮性和較小的內(nèi)摩擦角[1]。

關(guān)于渣土改良技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了很多研究。Martinotto等[2]研究了泡沫、聚合物等改良劑對(duì)渣土改良的作用機(jī)制，明確了渣土改良對(duì)黏土地層盾構(gòu)掘進(jìn)效率的重要性;并依托實(shí)際工程采用了2種改良方法，通過(guò)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，多角度評(píng)價(jià)了2種改良方法的改良效果。Budach等[3]認(rèn)為改良砂土的坍落度合理范圍為10～20 cm，并結(jié)合坍落度、壓縮、滲流和直剪等試驗(yàn)，得出了僅用泡沫就能得到合適的砂土級(jí)配的結(jié)論。Peila等[4]根據(jù)坍落度試驗(yàn)結(jié)果將改良砂土分為不合適、邊界體和合適3種，并經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)渣土中的粗粒含量直接影響改良劑的參數(shù)選取。Zumsteg等[5]進(jìn)行了室內(nèi)攪拌試驗(yàn)和金屬圓盤(pán)剪切試驗(yàn)，研究了不同礦物成分黏土的盾構(gòu)堵塞風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)試驗(yàn)分析了渣土改良劑的減黏效果。研究發(fā)現(xiàn)，改良劑能有效降低渣土與金屬的界面黏附力，當(dāng)土壤含水率接近渣土塑限時(shí)，改良劑的作用會(huì)被其他作用抵消，減黏效果不佳。葉新宇等[6]依托南昌某地鐵項(xiàng)目，進(jìn)行了坍落度試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際施工參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的渣土改良技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估，得出了坍落度與含水率等參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了渣土改良精細(xì)化控制。

綜上可知，目前評(píng)價(jià)渣土改良效果的方法以坍落度試驗(yàn)為主，但對(duì)于渣土的合理坍落度值并沒(méi)有定論[7]，并且不同地層的合理坍落度值也不相同，難以形成一套適用性廣的評(píng)估方法。而實(shí)質(zhì)上結(jié)泥餅是盾構(gòu)切削渣土在刀盤(pán)和土艙內(nèi)重新聚集形成固結(jié)或半固結(jié)的塊狀體的過(guò)程，由于土壤-金屬界面的黏附作用(包括法向、切向黏附力)，刀具周?chē)令w粒逐漸吸附形成團(tuán)聚體，受到面板擠壓研磨作用固結(jié)成泥餅并黏附在刀盤(pán)上[8-9]，因此可將界面黏附力的大小作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)估渣土改良效果。

本文采用自主研發(fā)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)設(shè)備，以取自深圳地鐵留仙洞站—白芒站盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)盾構(gòu)堵塞風(fēng)險(xiǎn)為Ⅵ級(jí)、稠度指數(shù)為0.9的強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖為試驗(yàn)土樣，探究不同渣土改良方式(含水率優(yōu)化、注入分散劑、注入泡沫劑)對(duì)強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層改良效果的影響；然后對(duì)3種改良方法進(jìn)行綜合評(píng)估，得出一套適用于強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層的渣土改良方案，以期為類(lèi)似工程提供一定參考。

1 工程概況

深圳地鐵13號(hào)線留仙洞站—白芒站盾構(gòu)區(qū)間項(xiàng)目隧道全長(zhǎng)4 606.182 m,地下線擬采用2條平行的單洞單線結(jié)構(gòu)形式，線間距最小約為12 m，最大約為26 m，隧道洞徑約為6.7 m。盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面如圖1所示。渣土改良研究段主要穿越強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖(土狀)，其礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。地層呈褐灰、灰白色，原巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞，除石英、長(zhǎng)石外其余礦物大部分風(fēng)化為黏性土，殘余較多巖碎屑，手捏易碎，巖芯呈土柱狀、砂土狀、碎屑狀，遇水易軟化崩解。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面

表1 強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由于上述地層具有稠度高、流塑性差、法向及切向黏附力大、遇水易軟化崩解等特點(diǎn)，在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)上的刀具會(huì)逐漸被固結(jié)渣土糊住，導(dǎo)致切削地層時(shí)刀具貫入度降低，引起刀盤(pán)開(kāi)口堵塞。刀盤(pán)上大體積的泥餅還會(huì)使得掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)異常，對(duì)施工和設(shè)備安全造成極大威脅[10]?，F(xiàn)場(chǎng)“泥餅”礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。若刀盤(pán)堵塞沒(méi)有得到及時(shí)處理，刀盤(pán)切削動(dòng)能會(huì)因摩擦生熱而大部分轉(zhuǎn)化為熱能，在刀盤(pán)和開(kāi)挖面上產(chǎn)生高溫，刀盤(pán)上的泥餅受熱會(huì)發(fā)生脫水固結(jié)等物理化學(xué)作用，進(jìn)一步硬化，很難被去除。土艙中心泥餅還使土艙調(diào)節(jié)容積變小，導(dǎo)致土艙壓力波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)引起盾構(gòu)堵塞，因此應(yīng)合理配置添加劑進(jìn)行渣土改良。

表2 現(xiàn)場(chǎng)“泥餅”礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 試驗(yàn)介紹

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

2.1.1 法向黏附力拉拔試驗(yàn)設(shè)備

為了研究土壤與金屬表面的黏附力大小以及黏附力的影響因素，自主研發(fā)了法向黏附力拉拔試驗(yàn)裝置，如圖2所示。裝置主要包括電機(jī)、平臺(tái)、支架、固定部件、壓力傳感器、傳感器放大器、壓錘、土盒、底座等部件。試驗(yàn)的主要原理是通過(guò)壓力傳感器測(cè)量金屬?gòu)耐寥辣砻胬饡r(shí)產(chǎn)生的黏附力，同時(shí)對(duì)黏附的狀態(tài)進(jìn)行觀察。

圖2 法向黏附力拉拔試驗(yàn)裝置

旋轉(zhuǎn)電機(jī)下方與旋轉(zhuǎn)螺栓連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)固定部件以一定速度向下運(yùn)動(dòng)。壓力傳感器連接在壓錘上方，并外接到放大器，可以連接到電腦記錄壓力變化。土盒由下方螺栓固定在平臺(tái)上，土盒內(nèi)裝有試驗(yàn)土樣。土盒的內(nèi)徑為6 cm，高度為2 cm，壓錘的直徑為3 cm，鋼壓錘與土壤接觸面的表面粗糙度為10 μm。壓力傳感器最大量程為5 kg，精度為3‰，配套的數(shù)據(jù)處理軟件數(shù)據(jù)記錄頻率為30 Hz。上方電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為50 r/min，在標(biāo)定后可以確定壓錘沿垂直方向運(yùn)動(dòng)的速度。

2.1.2 切向黏附力試驗(yàn)設(shè)備

傳統(tǒng)的直剪試驗(yàn)裝置用于測(cè)定土與土之間的抗剪強(qiáng)度。為了研究土壤與金屬表面的切向黏附力大小以及黏附力的影響因素，對(duì)傳統(tǒng)直剪裝置進(jìn)行了改進(jìn)，即將剪切面下部試驗(yàn)土樣替換為試驗(yàn)金屬塊，切向黏附力試驗(yàn)裝置如圖3所示[8]。

(a)改進(jìn)前

2.2 渣土改良方案

針對(duì)深圳強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層，為了提出最優(yōu)的渣土改良方案，本試驗(yàn)對(duì)比了3種比較常用的改良方法，即含水率優(yōu)化、注入分散劑和注入泡沫劑。

2.2.1 含水率優(yōu)化

通過(guò)調(diào)節(jié)含水率來(lái)改變?cè)亮鲃?dòng)性是一種比較常見(jiàn)的方法。以往施工經(jīng)驗(yàn)表明，最適宜盾構(gòu)掘進(jìn)的渣土稠度系數(shù)為0.40～0.75。渣土稠度系數(shù)大于0.75時(shí)，渣土較硬，難以傳遞支護(hù)力；小于0.40時(shí)，出土機(jī)難以保壓。區(qū)間原狀土的含水率為23.33%，通過(guò)加水獲得含水率為26.64%、29.96%、33.28%的試驗(yàn)土樣，并分別進(jìn)行黏附力試驗(yàn)。

2.2.2 注入分散劑

分散劑的作用是分散地層顆粒，在地層中注入分散劑后，可以降低渣土和水之間的界面張力，使高黏性土的黏附性降低，釋放土體內(nèi)部結(jié)合水，增加流動(dòng)性。本組試驗(yàn)采用的分散劑為六偏磷酸鈉，為白色顆粒，與純水混合，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的分散劑溶液，注入到原狀土中，獲得分散劑注入率為1%、2%、3%、4%、5%的土樣，并進(jìn)行黏附力試驗(yàn)。

2.2.3 注入泡沫劑

泡沫劑是最常使用的渣土改良劑之一，其優(yōu)勢(shì)是體積小，發(fā)泡后能對(duì)土體顆粒起到良好的潤(rùn)滑分離作用。泡沫劑中絕大部分是空氣，少部分是水，只有極少數(shù)有效成分是發(fā)泡劑。在發(fā)泡后一段時(shí)間內(nèi)，泡沫劑中的氣體會(huì)揮發(fā)逃逸，此時(shí)土體流塑性迅速降低，因此應(yīng)根據(jù)地層特點(diǎn)嚴(yán)格控制泡沫劑的發(fā)泡率。一般來(lái)說(shuō)，泡沫劑適用于滲透系數(shù)小于10-5m/s的細(xì)顆粒土層中。當(dāng)泡沫劑與土體作用時(shí)，其在土體單元表面形成薄膜，從而阻止了土體之間的黏結(jié)，避免刀盤(pán)結(jié)泥餅、螺旋機(jī)出土不暢情況的發(fā)生。本組試驗(yàn)中使用的泡沫劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的泡沫液在發(fā)泡壓力0.3 MPa、氣液比為13的條件下制備的，將其注入到原狀土中，獲得泡沫劑注入率為20%、40%、60%、80%、100%的土樣，并進(jìn)行黏附力試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 含水率試驗(yàn)

不同含水率下強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力如圖4所示。由圖可知：隨著含水率的增加，強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖試樣的法向黏附力先增后減，最大值為5.38 kPa，對(duì)應(yīng)含水率為26.64%；切向黏附力則迅速減小，在含水率大于29.96%后基本穩(wěn)定在1.4 kPa。

圖4 不同含水率下強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力

3.2 分散劑試驗(yàn)

不同分散劑注入率下強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力如圖5所示。由圖可知，分散劑對(duì)法向黏附力和切向黏附力的作用效果是相反的。法向黏附力隨著分散劑注入率的增大而增大，且在注入率大于3%后基本穩(wěn)定；而切向黏附力隨著分散劑注入率的增大迅速減小，在注入率大于3%后變化較小。

圖5 不同分散劑注入率下強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是分散劑會(huì)降低渣土與金屬間的界面張力，釋放土體內(nèi)部結(jié)合水。根據(jù)Fountaine[9]提出的水膜理論可知，土壤與金屬界面的黏附力是由土壤與金屬間的水膜提供的，水膜面積越大，黏附力就越大，被釋放的結(jié)合水加速了水膜的形成，增大了水膜的面積，因此法向黏附力增大；而水膜是不能傳遞剪力的，且能起到一定的潤(rùn)滑作用，因此切向黏附力減小。

3.3 泡沫劑試驗(yàn)

不同泡沫劑注入率下強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力如圖6所示。從圖中可以看出：1)泡沫劑注入率的變化對(duì)切向黏附力的影響更為顯著，注入率小于60%時(shí)，切向黏附力隨注入率的增加迅速減小；而當(dāng)注入率大于60%后，切向黏附力基本穩(wěn)定在1 kPa左右。2)法向黏附力隨著泡沫劑注入率的增加先增大后減小，在注入率為80%時(shí)達(dá)到峰值，總體變化幅度不大。

圖6 不同泡沫劑注入率下強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力

注入泡沫劑后切向黏附力顯著減小的原因主要有2個(gè)：1)泡沫劑填充了土顆粒間的孔隙，相當(dāng)于減少了與金屬界面接觸的土顆粒數(shù)量；2)泡沫液本身具有潤(rùn)滑作用，土顆粒與金屬界面之間的摩擦力均被減弱了。法向黏附力增大的部分同樣可以用Fountaine提出的水膜理論解釋?zhuān)粶p小的部分是由于泡沫劑注入率過(guò)大，土體內(nèi)部孔隙較多，界面處無(wú)法形成負(fù)壓。

3.4 改良方案對(duì)比

僅從切向黏附力角度來(lái)看，當(dāng)含水率、分散劑注入率、泡沫劑注入率達(dá)到一定程度時(shí)，切向黏附力均能趨于一較小值，此時(shí)渣土具備一定的流動(dòng)性和較小的內(nèi)摩擦角，能夠降低渣土在刀盤(pán)上形成團(tuán)聚體的概率。

雖然3種方法都能取得較好的改良效果，但也都存在一定的問(wèn)題。1)含水率優(yōu)化雖然成本低廉，對(duì)環(huán)境影響小，但在實(shí)際施工中，當(dāng)土艙內(nèi)渣土含水率過(guò)高時(shí)，掌子面的支護(hù)壓力很難保證，螺旋輸送機(jī)的噴涌風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)大大增加[11]；另外，受限于黏土地層低滲透性的特點(diǎn)，注入的水很難與渣土充分混合形成均勻的渣土介質(zhì)。2)分散劑改良方法的不足在于,分散劑發(fā)揮作用所需的時(shí)間較長(zhǎng)，所需的能量較大，當(dāng)土體含水率較小且滲透性較小時(shí)，分散劑難以快速與土體充分混合，結(jié)合水釋放緩慢，具有一定的局限性。3)泡沫劑改良方法的不足在于，氣泡的壽命較短，泡沫劑注入地層一段時(shí)間后，泡沫會(huì)破裂[12]，土體流塑性會(huì)迅速降低。

從噴涌風(fēng)險(xiǎn)、渣土改良成本和環(huán)境保護(hù)角度考慮，實(shí)際施工中應(yīng)選擇合理的切向黏附力，不可一味追求減小切向黏附力。

對(duì)比上述渣土改良試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)可知，泡沫劑改良方法具有響應(yīng)速度快和各地層適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，更適用于深圳地鐵留仙洞站—白芒站盾構(gòu)區(qū)間強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層的渣土改良，并且泡沫劑壽命較短的缺陷可以通過(guò)適當(dāng)降低發(fā)泡氣液比的方法來(lái)克服。因此，最終采取注入泡沫劑的渣土改良方案，泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，泡沫氣液比為10，注入率為60%。

4 盾構(gòu)泥餅堵塞防治研究

4.1 刀盤(pán)配置

4.1.1 刀盤(pán)防泥餅設(shè)計(jì)

刀盤(pán)配置如圖7所示。刀盤(pán)采用“6主梁+6副梁”配置，中心區(qū)域具有較大開(kāi)口，開(kāi)口位置在盤(pán)面上均勻布置，整體開(kāi)口率為30%。刀盤(pán)面板布置了8路噴口，其中，中心區(qū)域布置了4路噴口，每路噴口采用單管單泵設(shè)計(jì)，且均可在刀盤(pán)背部維修更換。土壓模式時(shí)刀盤(pán)背部焊接4根被動(dòng)攪拌棒，對(duì)土艙渣土進(jìn)行擾動(dòng),增加其流動(dòng)性。

圖7 刀盤(pán)配置示意圖

4.1.2 刀具針對(duì)性設(shè)計(jì)

刀盤(pán)刮刀采用大合金設(shè)計(jì)，寬200 mm，側(cè)面堆焊耐磨合金條，刀座焊接保護(hù)塊，及時(shí)收集渣土的同時(shí)又可有效防止切刀表面形成泥餅。

4.1.3 渣土改良系統(tǒng)針對(duì)性設(shè)計(jì)

泡沫混合方式設(shè)計(jì)為預(yù)混合，配置的泡沫發(fā)生器為孔隙式泡沫發(fā)生器。泡沫發(fā)生器有2個(gè)注入口，一個(gè)注入氣體，另一個(gè)注入配制好的基液和發(fā)泡劑的混合液體。泡沫劑注入系統(tǒng)采用8路單管單泵設(shè)計(jì)，泡沫劑注入量大，為5～300 L/h，渣土改良均勻。泡沫劑注入系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 泡沫劑注入系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表

4.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

在盾構(gòu)區(qū)間右線穿越強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層時(shí)(280—350環(huán))，出現(xiàn)了盾構(gòu)參數(shù)異常的現(xiàn)象，并且在317環(huán)和334環(huán)進(jìn)行了帶壓開(kāi)艙清除泥餅和換刀作業(yè)，并從317環(huán)開(kāi)始注入泡沫改良劑。泡沫劑注入速度隨掘進(jìn)速度而變化，處于200～250 L/h。通過(guò)分析280—350環(huán)間掘進(jìn)參數(shù)，包含盾構(gòu)掘進(jìn)速度、推力、轉(zhuǎn)矩、掘進(jìn)比能，對(duì)泡沫劑渣土改良方案的適用性做出評(píng)估。

4.2.1 掘進(jìn)速度

試驗(yàn)研究段280—350環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)速度波動(dòng)情況如圖8所示。由圖可知，在280—290環(huán)，盾構(gòu)掘進(jìn)速度在30 mm/min左右，比較穩(wěn)定；在290—317環(huán)，由于盾構(gòu)穿越強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層，土體黏性強(qiáng)，易結(jié)泥餅，盾構(gòu)推進(jìn)困難，掘進(jìn)速度在317環(huán)降低至20 mm/min。由此判斷，在317環(huán)時(shí)刀盤(pán)已結(jié)泥餅。在317環(huán)帶壓開(kāi)艙處理泥餅、更換刀具后，采用泡沫劑渣土改良方案(泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，泡沫劑注入率60%，發(fā)泡氣液比10)進(jìn)行渣土改良；然后繼續(xù)掘進(jìn)，掘進(jìn)速度顯著提升，但繼續(xù)向前掘進(jìn)至334環(huán)時(shí)，掘進(jìn)速度驟降至19 mm/min；在334環(huán)進(jìn)行第2次帶壓開(kāi)艙處理泥餅和換刀作業(yè)；第2次開(kāi)艙后，掘進(jìn)速度大幅提升，且穩(wěn)定在較高水平。

圖8 盾構(gòu)掘進(jìn)速度

以2次開(kāi)艙處理作為節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程劃分為3個(gè)部分，3個(gè)部分的平均掘進(jìn)速度分別為24.62、27.26、31.00 mm/min，334環(huán)之后的掘進(jìn)速度較前2個(gè)階段分別提升了13%和26%，泡沫劑渣土改良方案效果明顯。

4.2.2 推力

試驗(yàn)研究段280—350環(huán)盾構(gòu)推力波動(dòng)曲線如圖9所示。由圖可知：1)在第1次開(kāi)艙前，盾構(gòu)推力波動(dòng)頻繁，且維持在較高水平，平均推力為29 950 kN；2)進(jìn)行第1次帶壓開(kāi)艙且采用泡沫劑渣土改良方案后，盾構(gòu)推力顯著下降，這部分盾構(gòu)的平均推力為25 140 kN，較前階段減小了16%；3)在334環(huán)，盾構(gòu)推力驟升至35 010 kN，再次帶壓開(kāi)艙，發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)大面積被泥餅包裹，對(duì)于刀盤(pán)周邊位置情況較輕微的泥餅可以用高壓水槍進(jìn)行清除，對(duì)于刀盤(pán)中心處以及某些刀具位置泥餅較為嚴(yán)重的區(qū)域，需要操作人員用鐵棍、鏟等工具進(jìn)行泥餅挖除；4)開(kāi)艙處理后恢復(fù)掘進(jìn)，盾構(gòu)推力明顯降低且穩(wěn)定在低位，該階段推力平均值為20 340 kN，較前階段減小了19%，較317環(huán)開(kāi)艙前降低了9 610 kN，減小了32%。

圖9 盾構(gòu)推力

4.2.3 刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩

試驗(yàn)研究段280—350環(huán)盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩變化情況如圖10所示。由圖可知：1)第1次開(kāi)艙前，盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍較大，且整體處于較高水平，轉(zhuǎn)矩平均值為2 714 kN·m，開(kāi)艙處理泥餅并采用泡沫劑渣土改良方案后，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩迅速降低至1 101 kN·m。2)繼續(xù)掘進(jìn)后，轉(zhuǎn)矩回升，但總體小于317環(huán)前的平均轉(zhuǎn)矩，這部分刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩平均值為2 362 kN·m，較前階段的平均轉(zhuǎn)矩減小了13%。3)334環(huán)第2次開(kāi)艙后，轉(zhuǎn)矩值迅速降低至2 010 kN·m，略有回升后又再次下降，334—350環(huán)盾構(gòu)的平均轉(zhuǎn)矩為2 083 kN·m，較前階段減小了12%，較317環(huán)開(kāi)艙前降低了631 kN·m，減小了23%。

圖10 盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩

4.2.4 掘進(jìn)比能

Teale[13]針對(duì)盾構(gòu)參數(shù)提出了盾構(gòu)掘進(jìn)比能(tunneling specific energy，SE)的概念，用來(lái)表示盾構(gòu)掘進(jìn)單位體積土層所需的能量。它可以由盾構(gòu)開(kāi)挖所消耗的機(jī)械功除以被開(kāi)挖地層的體積求得。由定義可知：

SE=(Tω+Fν)/(πR2ν)。

式中：T為刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩，kN·m；F為盾構(gòu)推力，kN；ω為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/s；ν為掘進(jìn)速度，m/s；R為刀盤(pán)開(kāi)挖半徑，m，此工程中為3.49 m。

由于掘進(jìn)參數(shù)的波動(dòng)變化，必然會(huì)使得開(kāi)挖過(guò)程中盾構(gòu)能量的利用效率不同。使用掘進(jìn)比能的概念可使掘進(jìn)分析簡(jiǎn)單化，具有較好的客觀性和連續(xù)性[14-15]。

試驗(yàn)研究段280—350環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)比能如圖11所示。由圖可知：1)盾構(gòu)穿越強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層時(shí)，掘進(jìn)比能波動(dòng)明顯。2)317環(huán)第1次開(kāi)艙前，盾構(gòu)掘進(jìn)比能處于高位，平均掘進(jìn)比能為4.50 MPa，掘進(jìn)效率低。3)開(kāi)艙處理后，掘進(jìn)比能顯著下降，掘進(jìn)效率得到了提升，此階段的掘進(jìn)比能平均值為3.90 MPa，較前階段的掘進(jìn)比能平均值降低0.6 MPa，減小幅度為13.3%。4)繼續(xù)向前掘進(jìn)至334環(huán)再次開(kāi)艙后，盾構(gòu)掘進(jìn)比能再次減小，此階段盾構(gòu)掘進(jìn)比能平均值為3.39 MPa，較前階段平均掘進(jìn)比能降低0.51 MPa，減小幅度為13%，較第1階段減小了24.7%。

圖11 盾構(gòu)掘進(jìn)比能

綜上所述，盾構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層中開(kāi)挖時(shí)，刀盤(pán)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)極大，結(jié)泥餅后盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)明顯，具體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩、推力顯著上升,掘進(jìn)速度顯著下降。從掘進(jìn)參數(shù)曲線可以看出，開(kāi)艙換刀對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在開(kāi)艙后2～3環(huán)內(nèi)，而注入泡沫劑使得開(kāi)艙后較長(zhǎng)一段距離內(nèi)的掘進(jìn)參數(shù)明顯優(yōu)于開(kāi)艙前。另外，通過(guò)比較盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)在317環(huán)和334環(huán)開(kāi)艙后2環(huán)內(nèi)的變化率可以發(fā)現(xiàn)，推力分別下降了32.4%和14.1%，轉(zhuǎn)矩分別下降了57.6%和27.6%，掘進(jìn)比能分別下降了55.5%和27.5%。

由上述對(duì)比可知，2次開(kāi)艙后掘進(jìn)參數(shù)的變化率相差較大。這是因?yàn)榈?次開(kāi)艙經(jīng)歷了泡沫劑從無(wú)到有的過(guò)程，改良效果顯著，而第2次開(kāi)艙是在已有泡沫劑改良的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，可改良提升空間較小，所以第2次開(kāi)艙改良效果稍弱，這也充分反映了注入泡沫劑對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的改良效果。

綜上所述，泡沫劑渣土改良方案對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)有較為明顯的改善，能夠顯著提升盾構(gòu)掘進(jìn)效率。但是，泡沫劑渣土改良方案并不能完全杜絕結(jié)泥餅現(xiàn)象，在317環(huán)采取改良措施之后，334環(huán)還是出現(xiàn)了結(jié)泥餅現(xiàn)象，這可能與泡沫劑對(duì)渣土法向黏附力的改良效果不佳有關(guān)。根據(jù)第3節(jié)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，含水率優(yōu)化對(duì)渣土法向黏附力的改良效果是最優(yōu)的。因此，在強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖這種結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)極高的地層中掘進(jìn)時(shí)，除采取泡沫劑改良外，還應(yīng)適當(dāng)改善地層含水率，以達(dá)到防止結(jié)泥餅的目的。

5 結(jié)論與討論

本文依托深圳地鐵13號(hào)線留仙洞站—白芒站盾構(gòu)區(qū)間項(xiàng)目，結(jié)合法向、切向黏附力試驗(yàn)，研究了含水率優(yōu)化、注入分散劑、注入泡沫劑3種渣土改良方法對(duì)強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層的改良效果，通過(guò)綜合對(duì)比分析得出了適用于強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層的渣土改良方案。得出的結(jié)論如下：

1)本文采用的3種改良方案中，含水率優(yōu)化能有效降低渣土的法向、切向黏附力，而分散劑和泡沫劑只對(duì)渣土的切向黏附力有改良作用，對(duì)渣土的法向黏附力反而有增大作用，且分散劑的增大幅度較泡沫劑大。

2)盾構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)極大，結(jié)泥餅后盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)明顯，采取泡沫劑渣土改良方案后，盾構(gòu)的掘進(jìn)速度、推力、轉(zhuǎn)矩以及掘進(jìn)比能都有了較為顯著的改善。

3)盾構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層中掘進(jìn)時(shí)，泡沫劑渣土改良方案并不能完全防止刀盤(pán)結(jié)泥餅，建議在采取泡沫劑改良方案的同時(shí)適當(dāng)進(jìn)行含水率優(yōu)化，以最大限度降低刀盤(pán)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。

目前尚存在難以解決的問(wèn)題為法向、切向黏附力試驗(yàn)條件與盾構(gòu)施工高壓、高溫的現(xiàn)場(chǎng)條件仍有差別。

此外，建議在以下3方面進(jìn)行進(jìn)一步研究：1)本文缺乏對(duì)土壤內(nèi)部及接觸界面微觀層面的觀測(cè)，后續(xù)可在試樣裝置中增設(shè)微型孔壓計(jì)，以測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中的水力梯度變化，并通過(guò)掃描電鏡觀察試驗(yàn)前后土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，從更加全面的視角分析泥餅形成機(jī)制；2)實(shí)際工程中，對(duì)設(shè)備的密封性要求極高，對(duì)于法向、切向黏附力試驗(yàn)設(shè)備還需在保壓、保溫方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造；3)本文僅針對(duì)法向、切向黏附力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究，為提升實(shí)驗(yàn)室階段研究的準(zhǔn)確性，后續(xù)可再增加塌落度試驗(yàn)、盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)等進(jìn)行更加深入且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觥?/p>