泥巖砂卵石復(fù)合地層盾構(gòu)渣土含水特征分析

張乾，王風(fēng)，溫斯遜

[摘要]為探究成都地區(qū)泥巖砂卵石復(fù)合地層盾構(gòu)渣土的含水特征，依托成都30號線一期工程對土壓平衡盾構(gòu)渣土開展了一系列土工試驗(yàn)測定。實(shí)驗(yàn)表明：復(fù)合地層盾構(gòu)渣土含水率位于25.7%～38.2%之間；渣土液限位于21.4%～28.7%之間，渣土塑限位于14.9%～15.1%之間；渣土滲透系數(shù)范圍在4.58×10-5～5.34×10-5 cm/s之間；渣土pH值在8.8～8.9之間。

[關(guān)鍵詞]復(fù)合地層； 盾構(gòu)渣土； 含水率； 液塑限； 滲透系數(shù)； pH

[中國分類號]U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國城市地鐵建設(shè)迎來高速發(fā)展期，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年12月31日，中國內(nèi)地地鐵里程共7 253.73 km，同比增長15.47%。在地鐵建設(shè)施工時(shí)，盾構(gòu)施工因具有對周邊環(huán)境擾動小、掘進(jìn)速度快、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用［1］。當(dāng)采用土壓平衡盾構(gòu)施工掘進(jìn)時(shí)，為確保盾構(gòu)機(jī)順利推進(jìn)，通常對開挖面一定范圍內(nèi)的土體注入泡沫劑等改良劑進(jìn)行土體改良以減小刀盤磨損、提高掘進(jìn)效率，同時(shí)改良后呈塑形流動狀態(tài)的盾構(gòu)渣土進(jìn)入土倉內(nèi)起到平衡掌子面水土壓力的作用［2］。但呈流塑狀態(tài)的盾構(gòu)渣土含水率較高，使得盾構(gòu)渣土的處理成為一個(gè)難題，一方面盾構(gòu)現(xiàn)場因場地限制，渣土需要及時(shí)外運(yùn)，外運(yùn)過程中易造成“拋、撒、滴、漏”等污染環(huán)境的問題，另一方面，含水渣土采用填埋處理占用大量土地，當(dāng)不做處置直接填埋時(shí)易造成滑坡等災(zāi)害［3］。探求盾構(gòu)施工現(xiàn)場適用的脫降水技術(shù)、外運(yùn)盾構(gòu)渣土的合理化資源利用技術(shù)是解決上述問題的有效途徑，因此開展盾構(gòu)渣土的含水特征研究，掌握渣土的水理特性，為盾構(gòu)現(xiàn)場渣土降水技術(shù)的選擇及渣土資源合理利用技術(shù)的研發(fā)具有重大意義。

成都地區(qū)地質(zhì)條件主要為砂巖、泥巖和砂卵石地層［4］，盾構(gòu)穿越泥巖砂卵石復(fù)合地層的情況常見。砂卵石地層滲透性大，富水性強(qiáng)［5］，泥巖地層滲透性差，富水性弱［6］，盾構(gòu)在泥巖砂卵石復(fù)合地層掘進(jìn)時(shí)，經(jīng)泡沫劑改良、刀盤切削形成的盾構(gòu)渣土水理特性尚不可知。本文依托成都軌道交通30號線一期工程對泥巖砂卵石復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)渣土含水特征開展研究，通過對現(xiàn)場渣土的含水率、液塑限、滲透系數(shù)等基本含水特征的試驗(yàn)，揭示復(fù)合地層盾構(gòu)渣土的水理特性。

1工程概況

成都軌道交通30號線高碑壩出線段，盾構(gòu)出高碑壩盾構(gòu)始發(fā)井后，依次下穿成雅高速路基、川大路隧道、海鮮購物廣場等既有建（構(gòu)）筑物，最終在大件路進(jìn)入大同站接收，區(qū)間長度共1 501 m，隧道埋深為6.3～17.4 m。

2地層分布

區(qū)間主要地層為雜填土、卵石土、中風(fēng)化泥巖及強(qiáng)風(fēng)化泥巖，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中主要穿越中風(fēng)化泥巖地層，局部穿越泥巖砂卵石復(fù)合地層，區(qū)間復(fù)合地層占比約為1/3，高碑壩出線段地質(zhì)縱斷面如圖1所示，泥巖和砂卵石的滲透性、富水性差異較大，目前對復(fù)合地層盾構(gòu)渣土含水特征的研究尚少。

3含水特征試驗(yàn)

3.1渣土取樣

為保證試驗(yàn)所取渣土具有代表性，在高碑壩出線段盾構(gòu)穿越泥巖砂卵石復(fù)合地層區(qū)域，共采集2次盾構(gòu)現(xiàn)場渣土試樣，如圖2所示，其中試樣1取樣段砂卵石比例較大，從表觀看含水率較試樣2低，且顏色呈褐色。

3.2渣土含水率試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)采用烘干法，按式（1）計(jì)算渣土含水率［7］，2次取樣含水率測定結(jié)果見表1。

ω=m1-m2m2-m0×100%（1）

式中：ω為含水率，（%）; m0為燒杯的質(zhì)量，（g）;m1為燒杯加濕土的質(zhì)量，（g）;m2為燒杯加干土的質(zhì)量，（g）。

由表1可知，高碑壩出線段盾構(gòu)渣土的含水率在25.7%～38.2%之間。

3.3渣土液塑限試驗(yàn)

試驗(yàn)采用液塑限聯(lián)合測定儀對現(xiàn)場渣土液塑限進(jìn)行測定，圓錐儀規(guī)格為76 g，按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中“T0118-2007液限和塑限聯(lián)合測定法” ［4］， 在雙對數(shù)坐稱標(biāo)紙繪制圓錐錐入深度與含水率關(guān)系，結(jié)果如圖3和圖4所示。當(dāng)圓錐下沉17 mm時(shí)，對應(yīng)的含水率為液限，圓錐下沉2 mm時(shí)，對應(yīng)的含水率為塑限，塑性指數(shù)和液性指數(shù)應(yīng)按式（2）、式（3）計(jì)算，渣土液塑限測定結(jié)果見表2。

IP=ωL-ωP（2）

IL=ω0-ωPIP（3）

式中：ωL為液限，（%）;ωP為塑限，（%）;Ip為液性指數(shù)，（%）;IL為塑性指數(shù)。

由表2可知，高碑壩出線段盾構(gòu)渣土的液限在21.4%～28.7%之間，塑限在14.9%～15.1%之間。

3.4渣土滲透系數(shù)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用滲透容器，變水頭測試方法對渣土滲透系數(shù)進(jìn)行測定，按式（4）、式（5）計(jì)算滲透系數(shù)［4］，現(xiàn)場試驗(yàn)如圖5所示，滲透系數(shù)測定結(jié)果見表3。

kT=2.3a×LA×tlgH1H2（4）

式中：kT為水溫為T ℃時(shí)試樣的滲透系數(shù)，（cm/s）;a為變水頭管的內(nèi)徑面積，（cm2）;L為滲徑，即試樣高度，（cm）;A為試樣的過水面積，（cm2）;t為測讀水頭的起始和終止時(shí)間之差，（s）;H1為起始水頭，（cm）;H2為終止水頭，（cm）。

折算到標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)（η為水的動力粘滯系數(shù)）：

k20=ηTη20kT（5）

式中：k20為標(biāo)準(zhǔn)水溫（20 ℃）時(shí)試樣的滲透系數(shù)/（cm/s）;

ηt為t ℃時(shí)水的動力粘滯系數(shù)，（kPa·s）;η20為20 ℃時(shí)水的動力粘滯系數(shù)，（kPa·s）。

由表3可知，高碑壩出線段現(xiàn)場渣土的滲透系數(shù)在4.58×10-5～5.34×10-5 cm/s之間，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》 ［8］，該土樣屬于粉質(zhì)黏土類別，現(xiàn)場渣土的滲透系數(shù)大于1.0×10-5cm/s，為透水介質(zhì)。

3.5渣土pH值試驗(yàn)

土的pH值指土中的氫離子濃度指數(shù)，是水溶液中氫離子濃度（活度）的常用對數(shù)的負(fù)值。試驗(yàn)采用pH計(jì)對渣土的pH進(jìn)行測定，如圖6所示，渣土pH測定結(jié)果見表4。

由表4可知，高碑壩出線段現(xiàn)場渣土的pH值在8.8～8.9之間，偏堿性。外運(yùn)盾構(gòu)渣土固液分離時(shí)，加入絮凝劑脫水是常用措施［9］，因現(xiàn)場渣土呈堿性，故其適合的絮凝劑為陰離子絮凝劑［10］。

4結(jié)論

本文依托成都30號線一期工程，對泥巖砂卵石復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)渣土開展一系列土工試驗(yàn)測定，得出主要結(jié)論：

（1）高碑壩出線段泥巖砂卵石復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)渣土的含水率在25.7%～38.2%之間；渣土的液限在21.4%～28.7%之間，塑限在14.9%～15.1%之間；渣土的滲透系數(shù)在4.58×10-5～5.34×10-5 cm/s之間；渣土的pH值在8.8～8.9之間。

（2）高碑壩出線段泥巖砂卵石復(fù)合地層盾構(gòu)渣土為透水介質(zhì)，成都地區(qū)泥巖砂卵石復(fù)合地層盾構(gòu)渣土原位降水具有可行性；根據(jù)渣土的pH測定結(jié)果，當(dāng)采用絮凝劑對現(xiàn)場渣土進(jìn)行固液分離時(shí)，應(yīng)選用陰離子絮凝劑。

（3）本文試驗(yàn)測定結(jié)果可為成都地區(qū)泥巖砂卵石復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)渣土降水技術(shù)和渣土資源合理利用技術(shù)的選擇及研發(fā)提供參考。

參考文獻(xiàn)

［1］張晉勛，江華，孫正陽，等.大粒徑卵漂石地層盾構(gòu)破巖機(jī)理及工程應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2017，50（2）：88-96.

［2］秦哲，王成勇，馮尚智，等.地下盾構(gòu)過程中泡沫劑對刀具耐磨性的影響［J］.工具技術(shù)，2006（8）：24-26.

［3］劉恒，薛德韓，吳凌壹，等.深圳市盾構(gòu)渣土現(xiàn)場處理現(xiàn)狀及改進(jìn)建議［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2022，39（2）：152-158.

［4］宋穎鵬. 邊滾刀破巖特性的數(shù)值模擬與優(yōu)化布置研究［D］.成都： 西南交通大學(xué)，2018.

［5］馬連叢.富水砂卵石地層盾構(gòu)施工渣土改良研究［J］.隧道建設(shè)，2010，30（4）：411-415.

［6］徐會珂. 城市生活垃圾填埋場選址適宜性區(qū)劃分析［D］.青島：青島大學(xué)，2007.

［7］公路土工試驗(yàn)規(guī)程： JTG E0-2007［S］.

［8］常士驃，張?zhí)K民. 工程地質(zhì)手冊［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2007.

［9］鐘仁，紫迪，余承曄，等.盾構(gòu)渣土處置和資源化應(yīng)用及建議［J］.廣東化工，2021，48（19）：104-105.

［10］欒道. 印染廢水絮凝淤泥制備雜原子摻雜碳材料及其電化學(xué)性能研究［D］.石河子： 石河子大學(xué)，2020.