砂卵石紅砂巖復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)研究

于開貞 李忠

上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院 201620

引言

目前，我國的城市軌道交通主要以地下建設(shè)為主，北京、上海、廣州等大型城市已完成地鐵系統(tǒng)的整合建設(shè)［1］。盾構(gòu)法在地鐵建設(shè)中展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢，其中土壓平衡盾構(gòu)因其施工安全、施工速度快、成本相對較低、適用地層范圍廣等特點(diǎn)被大量應(yīng)用在地鐵隧道施工中。

蘭州地鐵穿越地層為砂卵石紅砂巖復(fù)合結(jié)構(gòu)，上部為密實(shí)卵石下部為強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖。砂卵石層有卵石含量高、粒徑級配差、黏聚力低、摩擦阻力大等特點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時刀盤扭矩過大，易造成刀盤卡停，加速刀盤損耗；在風(fēng)化巖層掘進(jìn)時，刀盤容易結(jié)泥；在復(fù)合地層掘進(jìn)過程中，刀盤扭矩、盾構(gòu)推力波動較大，并且砂卵石顆粒與紅砂巖會黏聚成膠結(jié)狀板塊，堆積在切削口造成刀盤堵塞，容易引發(fā)工程事故。因此，砂卵石紅砂巖復(fù)合地層渣土改良的質(zhì)量直接決定了盾構(gòu)施工的掘進(jìn)效率。

基于國內(nèi)地鐵的大量工程實(shí)踐，國內(nèi)學(xué)者針對不同地層進(jìn)行了渣土改良的試驗(yàn)研究，王磊磊等［2］通過室內(nèi)土體改良試驗(yàn)提出了適用于砂土地層的改良劑配比方案。張潤來等［3］針對砂卵石地層研究了膨潤土種類差異對土體改良配比方案的影響，認(rèn)為鈉基膨潤土比鈣基膨潤土更適合用于渣土改良，并在采用膨潤土、泡沫劑的基礎(chǔ)上添加了PAM（聚丙烯酰胺）和CMC（羧甲基纖維素）兩種聚合物作為改良劑，在地層含水量較高時，膨潤土被稀釋使泥漿黏度下降，添加聚合物能夠快速止水，達(dá)到增稠效果。葸振東等［4］研究了大直徑盾構(gòu)在富水砂卵石地層添加改良劑后對渣土滲透性的影響。張淑朝等［5］以蘭州地鐵1 號線盾構(gòu)工程為背景，探討了改良劑對砂卵石抗?jié)B性能方面的影響，認(rèn)為采用膨潤土、泡沫劑混合改良的方式優(yōu)于單一改良劑。張宏偉等［6］通過盾構(gòu)參數(shù)的變化對比闡釋了盾構(gòu)結(jié)泥餅的現(xiàn)象，通過坍落度試驗(yàn)總結(jié)了適用于風(fēng)化花崗巖地層的改良劑配比。王海明［7］對盾構(gòu)機(jī)在上砂卵石下泥巖復(fù)合地層中不同推進(jìn)控制方式下進(jìn)行了試驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為在復(fù)合地層中掘進(jìn)時，盾構(gòu)機(jī)控制參數(shù)的設(shè)定應(yīng)首先考慮不良地層，如卵石層，其后再考慮其他地層。張迅［8］通過泡沫劑室內(nèi)配比試驗(yàn)，分析了泡沫劑參數(shù)與盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，認(rèn)為泡沫改良劑的使用能夠有效降低盾構(gòu)推力和刀盤扭矩。徐征杰［9］采用正交試驗(yàn)方法，研究了泡沫注入率、泡沫濃度對推進(jìn)速度的影響關(guān)系。郭彩霞［10］等通過現(xiàn)場試驗(yàn)探究了膨潤土和泡沫混合改良劑對盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的影響，認(rèn)為渣土改良能有效解決盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層掘進(jìn)時的刀盤磨損問題。潘振興［11］等通過析因試驗(yàn)得出適用于富水礫砂地層的改良劑濃度范圍。

盡管目前對渣土改良方向的研究眾多，但對改良劑種類的選用以及配比并無普遍適用的方案，所得出的研究結(jié)論大都僅適用于特定地層，對盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層掘進(jìn)的情況研究較少。本文依托蘭州地鐵2 號線盾構(gòu)工程，針對砂卵石紅砂巖復(fù)合地層上硬下軟的特點(diǎn)，對膨潤土泥漿、泡沫劑的濃度配比進(jìn)行優(yōu)化，提出同時適用于砂卵石及紅砂巖地層的改良方案，并將改良方案應(yīng)用到現(xiàn)場施工中，通過盾構(gòu)機(jī)參數(shù)前后對比驗(yàn)證了方案的可行性。

1 工程概況

本文以蘭州地鐵2 號線1 期工程定西路站～五里鋪站區(qū)間盾構(gòu)工程為背景。盾構(gòu)區(qū)間隧道施工采用土壓平衡盾構(gòu)，隧道開挖直徑6.46m，區(qū)間左線全長661.143m，右線全長661.365m，區(qū)間埋深12.1m ～15.3m。區(qū)間地層自上而下依次為雜填土、素填土、黃土狀土、砂卵石土、強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖、中風(fēng)化紅砂巖。盾構(gòu)機(jī)穿越地層主要為砂卵石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖，呈上硬下軟狀，易產(chǎn)生上下偏移。部分線程位于砂卵石、強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖地層分界處，如圖1、圖2所示，土層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil parameter

圖1 定西路站～五里鋪站部分區(qū)間地質(zhì)縱剖面Fig.1 Geological longitudinal section of Dingxi Road station ～Wulipu station

圖2 砂卵石紅砂巖復(fù)合地層Fig.2 Sandy cobble red sandstone composite formation

2 渣土改良劑的選用及配比試驗(yàn)

渣土改良劑的選用及分析如表2 所示。

表2 各種改良劑特適用地層及特征Tab.2 Amendments suitable for stratum and characteristics

2.1 泡沫劑配比

試驗(yàn)采用蘭州盾構(gòu)施工現(xiàn)場的國外進(jìn)口泡沫劑，參考實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。盾構(gòu)施工中泡沫劑濃度通常為1.5% ～5%之間，發(fā)泡倍率在10 倍以上。試驗(yàn)以0.5%的遞增梯度，共設(shè)計(jì)8 組泡沫劑濃度進(jìn)行測試，得到發(fā)泡倍數(shù)、半衰期與泡沫劑濃度的關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3 所示。其中，泡沫劑濃度為4%時，發(fā)泡倍率達(dá)到19 倍，半衰期超過400s，滿足施工要求?？紤]施工成本，選用4%濃度的泡沫劑進(jìn)行土體改良試驗(yàn)。

圖3 泡沫發(fā)泡倍數(shù)、 半衰期與泡沫劑濃度關(guān)系曲線Fig.3 Curve of relationship between foaming factor，half-life and foaming agent concentration

2.2 膨潤土泥漿配比

施工中常用的膨潤土主要為鈣基和鈉基兩類。鈉基膨潤土的吸附能力明顯比鈣基等其他類型的膨潤土礦物吸附能力強(qiáng)，而且鈣基膨潤土靜置較久后泥質(zhì)顆粒沉淀，與水容易發(fā)生分層，在工程中容易發(fā)生堵管現(xiàn)象，不建議使用。試驗(yàn)選用鈉基膨潤土，按照1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14 的配合比共配置6 組泥漿，充分?jǐn)嚢韬竺块g隔2h 進(jìn)行漏斗黏度測試，漏斗黏度計(jì)水值15s。

由圖4 可以看出，泥漿黏度隨膨潤土泥漿配合比的增大而增大。膨潤土泥漿濃度大于1∶10時，泥漿黏度隨時間變化波動較為明顯，在8h之后，增幅變緩，且在18h ～24h 泥漿黏度達(dá)到最大值。膨潤土濃度小于1∶8 時，泥漿黏度隨時間變化波動較小，但泥漿黏度最大不超過25s，黏度值較低，不滿足最低濃度要求?；谔m州地層的特殊性，選用濃度1∶8 以下的鈉基膨潤土泥漿時，泥漿黏度偏低，不適用于蘭州現(xiàn)場盾構(gòu)施工。結(jié)合蘭州施工現(xiàn)場的實(shí)際使用需求以及使用成本，建議采用膨水質(zhì)量比為1∶6 的配合比，隨膨化時間的變化泥漿黏度均在35s以上，膨化時間超過8h為宜（施工現(xiàn)場若使用高速剪切泵對膨潤土泥漿進(jìn)行攪拌，膨化時間可根據(jù)實(shí)際使用情況而定）。

圖4 不同濃度膨潤土泥漿黏度隨時間變化關(guān)系曲線Fig.4 Curves of viscosity of bentonite mud with different concentrations changing with time

靜置24h 后取少量泥漿觀察，泥漿流動性、膨化性優(yōu)良，無顆粒狀粉末，滿足工程使用要求。

3 室內(nèi)試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析

和易性是衡量渣土是否均勻密實(shí)、易于施工操作的性能指標(biāo)，表征渣土的黏聚性、流動性以及滲透性。坍落度是測量渣土和易性的重要指標(biāo)。根據(jù)上文數(shù)據(jù)分析所得結(jié)果，針對蘭州地區(qū)砂卵石紅砂巖復(fù)合地層，本試驗(yàn)選用濃度4%的泡沫劑和1∶6 配合比的膨潤土泥漿進(jìn)行砂卵石、紅砂巖土的室內(nèi)改良試驗(yàn)，以坍落度作為量化指標(biāo)來衡量改良效果，觀察改良后渣土的和易性。

3.1 地層取樣

在基坑開挖期間，對砂卵石、紅砂巖地層進(jìn)行鉆孔取樣。A 組取樣深度為15m ～20m，B 組取樣深度為20m ～25m。將鉆孔土樣烘干后，人工將粒徑大于60mm的砂卵石顆粒進(jìn)行分揀，采用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分試驗(yàn)，稱量各篩上砂卵石的質(zhì)量，計(jì)算各粒徑所占百分比，繪制顆粒級配曲線，篩分試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。行發(fā)泡，確保發(fā)泡倍率達(dá)到15 倍以上，發(fā)泡完成后按一定體積摻入比與土樣混合后進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，結(jié)果如圖6b所示。

圖5 土樣顆粒級配曲線Fig.5 Grain gradation curves of soil samples

圖6 渣土改良變化曲線Fig.6 Improvement curve of muck

從圖5 中可看出砂卵石土層級配不良，顆粒粒徑連續(xù)性較差，缺少中間粒徑顆粒，且大粒徑砂卵石含量較多，因此，對砂卵石紅砂巖復(fù)合地層的渣土改良尤為必要。

3.2 砂卵石、紅砂巖土改良試驗(yàn)

在定西路站～五里鋪站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)挖取原狀土，按照坍落度試驗(yàn)要求制備試驗(yàn)用土樣，分別進(jìn)行單獨(dú)摻入膨潤土泥漿、單獨(dú)摻入泡沫劑和膨潤土泥漿-泡沫劑混合摻入的坍落度試驗(yàn)，記錄坍落度數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，坍落度在100mm ～200mm 范圍內(nèi)即可滿足渣土和易性指標(biāo)，150mm ～200mm范圍內(nèi)為最佳指標(biāo)。

1.單一改良劑坍落度試驗(yàn)

按照1∶6 的最佳濃度配合比制備膨潤土泥漿，充分?jǐn)嚢璨⑴蚧?h 后使用。將膨潤土泥漿與土樣按照一定體積摻入比拌合后，按照坍落度試驗(yàn)規(guī)范，測量改良后渣土的坍落度，結(jié)果如圖6a所示。

選用4%濃度的泡沫劑溶液，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)

從圖6 中可看出，膨潤土泥漿與泡沫劑對砂卵石、紅砂巖土的改良效果顯著。隨著體積摻入比的升高，渣土流動性得到提高，砂卵石土較紅砂巖土改良效果更為明顯。這是因?yàn)樯奥咽貙由奥咽慷?，?dǎo)致土體黏聚性差，隨著改良劑摻入比的升高，砂卵石土的流動性變化更加明顯。

圖6a中，對砂卵石土的渣土改良，膨潤土泥漿摻入比在0 ～17%之間時，隨著摻入比增加，土樣坍落度迅速升高，流動性明顯提高，摻入比達(dá)到17%后，變化幅度趨于緩和，當(dāng)摻入比為20%時，坍落度達(dá)到22.5cm，此時渣土流動性極強(qiáng)，建議摻入量在15% ～20%之間；膨潤土泥漿對紅砂巖的改良效果相比于砂卵石土較弱，需要更高的泥漿摻入比才能有效提高渣土流動性，建議摻入量在20% ～25%。

圖6b 中，泡沫劑對砂卵石土的渣土改良，土樣流動性隨摻入比的增加持續(xù)提高，體積摻入比在20% ～25%之間達(dá)到坍落度最佳標(biāo)準(zhǔn)值；對紅砂巖的渣土改良，摻入比在30% ～40%時，改良后的渣土流動性符合要求。

從圖6 中可知，采用不同改良劑的試驗(yàn)方案，都能滿足渣土流動性的要求，實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)摻入泡沫劑對砂卵石土的流動性改善效果更為顯著，但改良后的渣土黏聚性較差，需要配合膨潤土泥漿使用；而紅砂巖的自身黏聚性較高，在單獨(dú)使用膨潤土泥漿改良后，不能解決刀盤結(jié)泥餅的問題，加入泡沫劑能夠減輕這一問題。因此，需要進(jìn)行膨潤土泥漿、泡沫劑混合改良劑的試驗(yàn)研究。

2.混合改良劑坍落度試驗(yàn)

按照1∶6 配合比配置膨潤土泥漿，配合濃度為4%的泡沫劑混合使用，分別對砂卵石土、紅砂巖土進(jìn)行改良試驗(yàn)。向提前制備的土樣中分別按體積摻入比5%、10%、15%加入膨潤土泥漿，混合后，注入泡沫劑，測量不同混合比的渣土坍落度數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

圖7 混合改良劑改良變化曲線Fig.7 Improvement curve of mixed modifier

圖6 與圖7 對比中可以看出，坍落度曲線變化幅度明顯變緩，說明提前摻入膨潤土泥漿后的土樣，坍落度隨泡沫劑摻入比的增高緩慢增大。與單一改良劑的作用效果相比，單一改良劑作用下的坍落度曲線變化幅度較大，因此，使用混合改良劑更容易控制渣土的流動性。

圖7a中，對砂卵石土的坍落度試驗(yàn)，當(dāng)泥漿摻入比達(dá)到15%時，坍落度隨泡沫劑摻入比的增加曲線變化幅度較低，說明泥漿摻入量過高，泡沫劑發(fā)揮的作用效果較弱，不建議使用；泥漿摻入比為5%時，隨著泡沫劑摻入比的增高，在泡沫劑的作用下，可以快速提高土樣的流動性，但改良后的渣土黏聚性仍然較差，流塑性不能滿足要求，不建議使用；泥漿摻入比10%的條件下，當(dāng)泡沫劑摻入比達(dá)到10%時，坍落度可以達(dá)到18.5cm，渣土的黏聚性、流動性都得到明顯改善。

圖7b中，對紅砂巖土的坍落度試驗(yàn)，不同混合比的改良劑摻入下，可以得到多種滿足流動性要求的改良方案。在泥漿摻入比5%的條件下，泡沫劑摻入比在20%左右可滿足渣土流動性要求；泥漿摻入比10%的條件下，泡沫劑摻入比在15%左右即可滿足渣土流動性要求；泥漿摻入比到達(dá)15%時，泡沫劑摻入比在10%即可滿足渣土流動性要求。以上幾種方案的渣土坍落度均能夠達(dá)到15cm ～20cm，并且改良后渣土都具備良好的和易性。因此，可根據(jù)掘進(jìn)地層的具體情況合理選擇改良方案。

綜上所述，采用1∶6 配合比膨潤土泥漿、4%濃度泡沫劑，膨潤土泥漿按照渣土體積的10%摻入，泡沫劑摻入比控制在15%左右的渣土改良方案，能夠同時適用于砂卵石、紅砂巖兩種地層。

4 工程應(yīng)用

按照上述試驗(yàn)的配比結(jié)果調(diào)整渣土改良方案，在施工隧道內(nèi)選取部分區(qū)間作為試驗(yàn)環(huán)，分析渣土改良對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的影響，以驗(yàn)證試驗(yàn)配比的可行性。

蘭州地鐵2 號線左線盾構(gòu)掘進(jìn)至220 環(huán)左右時，此處設(shè)計(jì)線程大至位于砂卵石與紅砂巖的地層分界線處，且上部為密實(shí)砂卵石土層，下部為紅砂巖地層，整體呈上硬下軟狀，容易造成盾構(gòu)姿態(tài)上下偏移，掘進(jìn)過程中發(fā)生往復(fù)穿越砂卵石、紅砂巖地層的現(xiàn)象，而砂卵石與紅砂巖的地質(zhì)條件差異巨大，不同種地層需要做出特定的渣土改良方案，導(dǎo)致實(shí)際施工中需要不斷更換改良劑以適應(yīng)地層的變化。在結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對改良劑的選用和配比進(jìn)行了重新優(yōu)化，找到同時適用于兩種地層的膨潤土泥漿、泡沫劑混合改良劑配比，并應(yīng)用到實(shí)際施工中。

如圖8、圖9 所示，統(tǒng)計(jì)盾構(gòu)掘進(jìn)220 環(huán)～350 環(huán)時的油缸推力、刀盤扭矩以及掘進(jìn)速度，220 環(huán)～270 環(huán)處仍使用優(yōu)化前的改良方案，270環(huán)后為試驗(yàn)環(huán)。220 環(huán)～270 環(huán)處，油缸推力和刀盤扭矩波動較大，原因是盾構(gòu)機(jī)在砂卵石、紅砂巖往復(fù)掘進(jìn)的過程中，在砂卵石地層掘進(jìn)時阻力更大，需要增加推力，在紅砂巖地層掘進(jìn)時，刀盤切削過程相對更為困難，需要調(diào)整刀盤扭矩。在270 環(huán)后，盾構(gòu)機(jī)油缸推力、刀盤扭矩變化明顯趨于平緩，掘進(jìn)速度也有小幅度提升，油缸推力在14000kN ～18000kN，刀盤扭矩保持在3500kN·m ～4200kN·m，掘進(jìn)速度穩(wěn)定在50mm／min左右，盾構(gòu)參數(shù)較為穩(wěn)定，說明優(yōu)化后的混合改良劑方案起到了作用，證實(shí)了改良方案的可行性。

圖8 盾構(gòu)掘進(jìn)推力與刀盤扭矩變化曲線Fig.8 Variation curves of shield driving thrust and cutter torque

圖9 盾構(gòu)掘進(jìn)推力與掘進(jìn)速度變化曲線Fig.9 Change curve of shield driving force and driving speed

5 結(jié)論

本文以蘭州地鐵2 號線1 期工程定西路站～五里鋪站區(qū)間盾構(gòu)工程為背景，通過大量試驗(yàn)研究，并結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1.選用鈉基膨潤土，膨潤土泥漿采用1∶6配合比，膨化時間超過8h后使用，選用4%濃度的泡沫劑，發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到15 ～20 倍。膨潤土泥漿體積摻入比為10%、泡沫劑體積摻入比為15%左右，對砂卵石紅砂巖復(fù)合地層、以砂卵石為主的地層及紅砂巖為主的地層改良后塌落度在17cm ～19cm，改良后的渣土和易性能夠滿足施工要求，并且掘進(jìn)過程中沒有出現(xiàn)砂卵石離析、刀盤結(jié)泥、刀盤卡停等問題。

2.通過盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的參數(shù)數(shù)據(jù)對比分析，使用混合改良劑效果明顯優(yōu)于單獨(dú)使用膨潤土以及單獨(dú)使用泡沫劑，改良后的混合改良劑方案能有效降低盾構(gòu)推力、刀盤扭矩，使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)更加平穩(wěn)效率。