盾構(gòu)下穿侖頭海高水壓粉細砂地層渣土改良試驗研究

宋相帥，許 超*，石紅兵,楊志勇，孫 恒

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；3.中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京 100029)

近年來，盾構(gòu)穿江越海工程日益增多，在一定水頭壓力作用下盾構(gòu)穿越強透水地層越來越普遍，極易造成盾構(gòu)機出現(xiàn)不同程度噴涌現(xiàn)象[1]。噴涌現(xiàn)象高發(fā)于粉細砂、中粗砂地層、礫石、卵石、斷裂帶巖層等地層，由于沒有足夠多的黏土物質(zhì)，地下水與進入密封倉內(nèi)的固體物質(zhì)不能揉合成一體，在密封倉內(nèi)就形成“水是水，渣是渣”的狀態(tài)，嚴重影響施工進度，甚至出現(xiàn)上覆地層過大的沉降。

目前，國內(nèi)外常用噴涌處理方法為渣土改良及盾構(gòu)螺旋機加設(shè)防噴涌結(jié)構(gòu)。寧小平[2]結(jié)合福州地鐵1號線富水巖層，分析了正常狀態(tài)下盾構(gòu)設(shè)備出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象的可能性；朱自鵬[3-5]以蘭州地鐵1號線盾構(gòu)區(qū)間為依托，通過渣土改良試驗和數(shù)值模擬，開展高水壓砂卵石地層下土壓平衡盾構(gòu)防噴涌研究；韓鋒[6]針對福州地層土性、富含承壓力水特點，建立水壓力傳遞理論模型，分析出影響噴涌變量；葉晨立[7]以福州地鐵1號線上藤站—達道站區(qū)間為背景，開展渣土改良室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，確定了土壓平衡盾構(gòu)穿越高水壓高滲透性地層渣土改良綜合解決方案；劉琦[8]結(jié)合實際工程情況，采用對應(yīng)技術(shù)分析噴涌發(fā)生因素，并采取對應(yīng)措施實現(xiàn)噴涌控制技術(shù)；胡長明等[9]針對穿越砂層的盾構(gòu)施工進行了渣土改良試驗，通過對比改良前后渣土抗剪強度、滲透性及塌落度，得到了合理的膨潤土用量及泥漿摻入比；趙宗智[10]針對土壓平衡盾構(gòu)施工過程中噴涌災(zāi)害的預(yù)警問題，提出建立考慮施工過程影響的渣土水頭分布模型的研究方法；文斌等人[11-15]重點分析富水砂層下盾構(gòu)渣土改良及噴涌控制相關(guān)技術(shù)，獲得了相應(yīng)的渣土改良參數(shù)，提出了防止噴涌的一些參數(shù)建議。通過對相關(guān)文獻進行分析發(fā)現(xiàn)，渣土改良中評價改良效果主要以渣土滲透系數(shù)、坍落度等為指標(biāo)，尚無室內(nèi)試驗真實模擬渣土改良后噴出效果，且無合適的評判標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致渣土改良實際運用效果判斷具有滯后性。

本文以廣州地鐵12號線下穿侖頭海富水砂層段為工程背景，結(jié)合改良劑改良砂層機理及室內(nèi)試驗，設(shè)計了一套噴涌發(fā)生、評價裝置，確定了高水壓粉細砂地層的渣土改良配比方案，為渣土改良效果提供了直觀評判，為類似工程提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

廣州地鐵官洲站—侖頭站盾構(gòu)工程，區(qū)間長1.4 km，最大坡度為29.5‰。采用土壓平衡盾構(gòu)施工，開挖直徑6.7 m，管片外徑6.4 m、內(nèi)徑5.8 m。盾構(gòu)下穿侖頭海于210～280環(huán)穿越全斷面粉細砂地層，80～210環(huán)、280～350環(huán)部分穿越富水粉細砂地層，最大水壓0.42 MPa，地層以粉細砂、中粗砂為主，顆粒級配一般，地層工程與水文地質(zhì)特征如表1所示。場地內(nèi)主要為孔隙潛水，含水層主要為砂層。該工程是連接官洲生物島與侖頭的重要樞紐線，同時下穿侖頭海等重要河流，工程挑戰(zhàn)與意義重大。

渣土改良放噴涌試驗所用砂樣取自類似地層130環(huán)<2-2>、<2-3>混合砂樣，試驗砂樣制備A、B、C、D等4組，同時結(jié)合地勘資料對<2-2>、<2-3>進行分析，含水率為40%，對取出砂樣烘干后進行篩分實驗，得到其級配曲線如圖1所示。

通過對圖1試驗砂樣顆粒級配分析可知，砂樣的不均勻系數(shù)Cu約為2.6，曲率系數(shù)Cc約為3.1。通過比較試驗砂樣不均勻系數(shù)Cu<5，且曲率系數(shù)Cc>3，表明砂樣級配不良，易導(dǎo)致掘進中細顆粒被地下水帶走形成涌水通道，造成噴涌現(xiàn)象。

表1 地層工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征Tab.1 Engineering geological and hydrogeological characteristics of stratum

圖1 試驗砂樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle grading curve of test sand sample

2 砂層噴涌及改良劑改良機理

2.1 噴涌發(fā)生機理

噴涌發(fā)生原理[1]：盾構(gòu)開挖面上水壓力過高，渣土本身不具止水性，難以將土體中水體按照輸送水體和土體一起排出盾構(gòu)機。較大流量的滲流水經(jīng)過壓力艙和螺旋排土器后其壓力水頭沒有遞減到和零相接近的范圍。滲流水在輸送至出口的瞬間，由于前方隧道內(nèi)部臨空，且處于無壓狀態(tài)，滲流水在忽然增大的壓力下帶動正常輸送的砂土噴涌而出。

噴涌發(fā)生條件：排土器自身壓縮效應(yīng)和排土閘門可以抵10 kPa(H2=1 m)的水壓力和3 cm3/s的滲流量，水壓力和滲流量中任一指標(biāo)低于這兩值，認為不發(fā)生噴涌；兩個指標(biāo)同時超出以上兩個標(biāo)準(zhǔn)，視為噴涌發(fā)生；若排土口水流量Q>4 cm3/s且水壓力Pw>20 kPa(即H2>2 m)時，認為發(fā)生嚴重噴涌。

2.2 改良劑改良機理

膨潤土屬于膨脹蒙脫石粘土礦物，具有較高膨脹性和較低導(dǎo)水率，與級配一般的砂土混合后，膨潤土?xí)纬擅擅撌w粒包裹著石英顆粒鏈，連接鎖定砂性土顆粒，形成一套互相咬合的低滲透性顆粒系統(tǒng)。當(dāng)自由水接觸到土體后，砂土顆粒與膨潤土形成的鏈鎖系統(tǒng)可以吸收并阻隔自由水分，且膨潤土顆粒水化后均有潤滑作用，可以改善土體流塑性。

高分子聚合物一般以碳氫元素為主，構(gòu)成分子長鏈，大多可溶于水或與水反應(yīng)，常用的改良劑如羥甲基纖維素(CMC)、高吸水性樹脂等。高吸水性樹脂可吸收土中自由水，形成樹脂類凝膠顆粒填充土體間隙，起到改善土體流塑性的作用；CMC溶于水后可極大提高水的粘性，該類材料具較長分子鏈，通過分子鏈間的結(jié)合、拉扯作用，可增加粘性，將分散的砂土顆粒緊密地拉扯包裹在一起，降低砂土孔隙率。

3 渣土改良劑選擇

為解決土壓盾構(gòu)穿越富水粉細砂地層易出現(xiàn)噴涌問題，渣土改良試驗需實現(xiàn)：(1)改善土倉渣土的滲透性能，避免開挖面因排水固結(jié)而帶來較大的地表沉降或坍塌事故；(2)降低土倉渣土及開挖面土體的內(nèi)摩擦角，使渣土對刀具的磨損進一步減少，對刀盤扭矩進一步降低；(3)改善砂性土層的流動性，避免盾構(gòu)推進時產(chǎn)生噴涌情況，同時防止盾構(gòu)停機土倉內(nèi)渣土離析沉淀，使刀盤重新啟動扭矩增大，損害盾構(gòu)設(shè)備。

3.1 膨潤土改良劑配比

試驗優(yōu)選了廣州恒運紅鈉土、浙江安吉苑豐膨潤土兩種鈉基膨潤土改良材料，試驗選用不同膨水比進行膨潤土漿液基礎(chǔ)試驗。結(jié)合兩種膨潤土泥漿性能測量情況，考慮到膨潤土粘度對砂層的適配性，選定紅鈉土膨水比為1∶7及安吉膨潤土膨水比1∶4兩種比例繼續(xù)開展性能測試，其不同膨化時間下比重、粘度試驗如圖2、圖3所示。

圖2 不同膨化時間下比重對比曲線圖Fig.2 Comparison curve of specific gravity under different expansion time

圖3 不同膨化時間下粘度對比曲線圖Fig.3 Viscosity comparison curve under different expansion time

分析表明，膨水比1∶7的紅鈉土比重明顯小于膨水比1∶4安吉膨潤土，但兩者在相同膨化時間下，粘度變化趨勢基本一致，且兩者的粘度值較為接近。

3.2 高分子聚合物配比

試驗優(yōu)選了2種高分子聚合物改良材料，對不同配比條件下材料性能進行了試驗，試驗指標(biāo)主要包括比重、粘度、膠體懸浮率以及pH值，測試所用高分子材料如圖4所示。

圖4 試驗選用的兩種高分子聚合物Fig.4 Two kinds of high molecular polymers selected in the test

通過試驗可知，1#高分子聚合物在濃度為8∶1 000時加入泥漿攪拌開始出現(xiàn)掛絲，手挑后有一定的黏手效果；2#高分子聚合物在濃度為6∶1 000時加入泥漿攪拌開始出現(xiàn)掛絲，手挑后黏手效果不明顯，且加入高分子聚合物后會出現(xiàn)離析狀態(tài)，因此后續(xù)不考慮加入高分子聚合物進行噴涌試驗。

3.3 膨潤土泥漿優(yōu)選

通過對膨潤土材料及高分子聚合物材料進行性能參數(shù)對比分析，結(jié)合材料運用成本，保證既定改良效果的前提下，選擇浙江安吉苑豐膨潤土作為砂層防噴涌試驗的改良材料，開展砂層噴涌模擬試驗，進而評價膨潤土材料的配比方案。

4 砂層防噴涌試驗研究

4.1 防噴涌試驗裝置

為能較為精確地還原現(xiàn)場盾構(gòu)螺旋機在穿越易噴涌地層的噴涌現(xiàn)象，基于相似理論進行模型試驗，對盾構(gòu)機土倉、螺旋機進行一定比例結(jié)構(gòu)縮放，設(shè)定體積放縮比例在10 000∶1左右，如圖5所示。

圖5 試驗裝置設(shè)計原理Fig.5 Design principle of test device

通過簡易裝置測量不同噴射距離，實現(xiàn)了實驗室噴涌試驗的可操作化，進而評判膨潤土改良噴涌的效果，試驗裝置如圖6所示。

本裝置試驗原理：利用外部空壓機對裝有渣樣壓力罐進行加壓，壓力控制參照實際工程進行施加，待裝有渣樣壓力罐內(nèi)壓力穩(wěn)定后，打開壓力罐的排漿閥。罐內(nèi)渣樣在工作壓力0.42 MPa作用下會噴射出一定距離，選取不同改良參數(shù)下渣樣噴射最遠點為基準(zhǔn)點位，獲取不同參數(shù)下渣樣噴射距離及出口端速度，進而優(yōu)選膨潤土摻入比、膨化時間及膨水比等參數(shù)范圍，現(xiàn)場渣土噴涌模擬試驗如圖7所示。

圖6 渣土噴涌模擬裝置Fig.6 Slag gushing simulation device

圖7 現(xiàn)場試驗情況Fig.7 Field test

本渣土噴涌模擬裝置有益效果：(1)使得土壓平衡盾構(gòu)渣土改良防噴涌效果轉(zhuǎn)換為試驗可操作性、可評判性的數(shù)據(jù)參數(shù)；(2)便于對改良劑改良地層防噴涌的效果進行直觀評價，提供盾構(gòu)渣土防噴涌改良效果評價指標(biāo)；(3)可測試不同壓力下不同改良劑對渣土防噴涌的改良效果，具有較高的普適性。

4.2 膨潤土摻入比

膨潤土摻入比是表征膨潤土漿液改良砂層消耗量的重要指標(biāo)，直接影響現(xiàn)場材料成本及渣樣改良效果。本組試驗通過設(shè)置不同的膨潤土泥漿摻入量來驗證噴涌試驗的噴射效果，其中設(shè)置膨潤土泥漿摻入比為2.67%、5.35%、8.02%、10.69%及13.37%進行噴涌試驗，試驗工況如表2所示，試驗結(jié)果如圖8所示。

表2 膨潤土摻入比試驗工況Tab.2 Test conditions of bentonite mixing ratio

圖8 不同膨潤土泥漿摻入比Fig.8 Different bentonite slurry mixing ratio

試驗表明在相同工作壓力下，隨著膨潤土泥漿摻入比的增加，渣樣噴射出口至落點距離先逐漸減小后增加，主要原因是由于在摻入比小于10.79%時，膨潤土泥漿對砂樣起到成團包裹作用，整體摩阻力增加，導(dǎo)致噴射距離降低；當(dāng)摻入比高于10.79%時，膨潤土泥漿占比較大，成團包裹作用基本飽和，再加入膨潤土泥漿會增大渣樣的潤滑效果，導(dǎo)致渣樣噴射距離增加，建議膨潤土泥漿摻入比為10%～12%。

4.3 膨潤土膨化時間

膨潤土膨化時間反映的是膨潤土吸水飽和程度，直接影響其粘度等參數(shù)。本組試驗通過設(shè)置不同的膨潤土泥漿膨化時間來驗證噴涌試驗的噴射效果，其中膨潤土泥漿的膨化時間分別選擇為0、1、2.5、4.5及6.5 h進行噴涌試驗，膨化時間利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計測量的粘度指標(biāo)來反映，試驗工況如表3所示，試驗結(jié)果如圖9所示。

試驗表明，在相同工作壓力下，隨著膨潤土泥漿粘度的增加，渣樣噴射出口至落點距離先逐漸減小后增加，主要原因是由于隨著漿液膨化時間的增加，漿液的黏附效果增強，攜渣裹挾能力增加，但當(dāng)膨化時間足夠大時，漿液膨化基本完成，相應(yīng)的黏附效果等不會進一步提升，同時考慮到實際工程運用工期等影響，建議該種膨潤土泥漿膨化時間不低于1 h，粘度50～70 s為宜。

表3 膨潤土膨化時間試驗工況Tab.3 Test conditions of bentonite expansion time

圖9 不同膨潤土泥漿膨化時間Fig.9 Expansion time of different bentonite slurry

4.4 膨潤土膨水比

膨潤土膨水比反映膨潤土與水的比值。本組試驗通過設(shè)置不同膨潤土泥漿膨水比來驗證噴涌試驗的噴射效果，其中膨潤土泥漿膨水比為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6及1∶7進行噴涌試驗，試驗工況如表4所示，試驗結(jié)果如圖10所示。

表4 膨潤土膨水比試驗工況Tab.4 Test conditions of bentonite water ratio

圖10 不同膨潤土泥漿膨水比Fig.10 Bentonite water ratio of different bentonite slurry

試驗表明，在相同工作壓力下，在保證膨潤土漿液粘度基本一致時，隨著膨潤土膨水比的增加，噴射出口至落點距離逐漸增大，表明膨潤土材料在不同膨水比中成團包裹砂粒的效果不同，建議膨潤土膨水比為1∶4。

5 工程實際運用效果

結(jié)合砂樣顆粒級配分析、改良劑優(yōu)選試驗及噴涌模擬試驗，制定了盾構(gòu)下穿侖頭海160環(huán)～265環(huán)富水粉細砂層時的防噴涌渣土改良實施方案，確定了膨潤土為主、高分子聚合物為輔的渣土改良方案，采用的膨潤土材料為浙江安吉苑豐鈉基膨潤土材料，膨潤土摻入比為10%～12%、膨化時間50～70 s、膨水比1∶4，高分子聚合物視掘進情況而定。

現(xiàn)場經(jīng)過技術(shù)人員相關(guān)論證后，通過了該項富水粉細砂層時的防噴涌渣土改良實施方案。結(jié)合實際運用效果分析，如圖11至圖13所示。圖11反映砂層區(qū)段內(nèi)出渣情況，該地層在運用本試驗膨潤土漿液參數(shù)后，渣樣整體排出順暢，且膨潤土漿液成團攜砂效果較好，未出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，同時有效地解決了盾構(gòu)停機土倉內(nèi)渣土離析沉淀，保障了施工安全，驗證了本富水粉細砂層時的防噴涌渣土改良實施方案及膨潤土渣土改良參數(shù)的可行性。

圖11 盾構(gòu)出渣情況Fig.11 Shield cutter head speed

圖12 盾構(gòu)掘進速度Fig.12 Shield tunneling speed

圖13 盾構(gòu)刀盤扭矩Fig.13 Torque of shield cutterhead

圖12、圖13對比盾構(gòu)掘進前400環(huán)盾構(gòu)穿越不同地層的掘進參數(shù)，其中<5Z-2>、<6Z>、<2-2>、<2-3>、<7Z-A>、<2-1B>分別為砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化混合花崗巖、粉細砂、淤泥質(zhì)中粗砂層、混合花崗巖強風(fēng)化層、淤泥質(zhì)土，在160環(huán)～265環(huán)砂層地段加入上述配比方案膨潤土漿液后，盾構(gòu)出渣順暢，未出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，盾構(gòu)掘進速度明顯提升，由原來30 m/min提升至40 mm/min，并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。盾構(gòu)刀盤的扭矩明顯減小，由2 800 kN·m降低至2 200 kN·m，盾構(gòu)掘進參數(shù)整體控制效果良好，為類似工程提供經(jīng)驗借鑒。

6 結(jié)論

本文以廣州地鐵12號線下穿侖頭海穿越粉細砂層段為工程背景，通過砂樣顆粒級配分析、改良劑優(yōu)選試驗、噴涌模擬試驗及現(xiàn)場應(yīng)用效果驗證，得出如下結(jié)論：

1)富水粉細砂地層渣土改良，建議采用鈉基膨潤土，質(zhì)量比為1∶4，膨化時間不低于1 h，粘度建議值為50～70 s左右，膨潤土泥漿摻入比為10%～12%。

2)針對現(xiàn)有砂土改良效果評價方法的局限性，設(shè)計了一套簡便、實用的土壓平衡盾構(gòu)模擬噴涌發(fā)生裝置，真實再現(xiàn)了渣樣在特定工作壓力下噴涌現(xiàn)象，實現(xiàn)了不同工作壓力下不同改良劑對渣土防噴涌改良效果的模擬測試。

3)結(jié)合本土壓平衡噴涌模擬發(fā)生裝置，設(shè)計了一套防噴涌渣土改良效果的評價標(biāo)準(zhǔn)，通過渣樣噴涌距離ΔL、噴口處速度v等指標(biāo)直觀反映了改良劑改良砂土效果。

4)通過現(xiàn)場盾構(gòu)穿越侖頭海實際運用效果，驗證了本噴涌模擬裝置和評價標(biāo)準(zhǔn)的可靠性以及渣土改良方案的合理性，解決了本項目盾構(gòu)穿越富水砂層易發(fā)生噴涌的難題，也為后續(xù)類似工程提供經(jīng)驗借鑒。