含礫粗砂巖地層雙模盾構(gòu)土壓模式渣土改良技術(shù)

張 斌，朱漢標(biāo)，佟 彬，王樹(shù)英,4

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.中南大學(xué)隧地工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410075；4.軌道交通工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

為了提高盾構(gòu)穿越復(fù)雜地層時(shí)的適應(yīng)性，通常需要采用渣土改良的輔助措施，以使渣土處于合適的狀態(tài)，利于盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)。在黏土地層中，地層的黏附性通常會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)結(jié)泥餅，因此需要采用分散劑或分散型泡沫劑等改良劑來(lái)降低盾構(gòu)渣土的黏附性，提高渣土的塑流性，以減小盾構(gòu)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)；而砂土地層中，由于砂卵石等地層具有較高的地層強(qiáng)度，容易導(dǎo)致刀盤(pán)刀具磨損等問(wèn)題，同時(shí)，由于砂土地層具有較高的滲透性，當(dāng)盾構(gòu)遭遇高水壓環(huán)境時(shí)，需要預(yù)防噴涌等現(xiàn)象的發(fā)生；因此，砂土地層中，通常采用泡沫劑、膨潤(rùn)土等改良劑進(jìn)行渣土改良，以增大渣土的塑流性、減小刀具磨損以及減小地層的滲透性以防止噴涌等災(zāi)害的發(fā)生。可見(jiàn)，渣土改良在細(xì)顆?；虼诸w粒地層中得到了較多研究，然而在強(qiáng)度較高的含礫粗砂巖地層中渣土改良研究尚未得到重視，如何在含礫粗砂巖地層中發(fā)揮渣土改良的最佳效果，仍然需要進(jìn)一步研究。

渣土塑流性通常是改良效果的重要指標(biāo)之一，而坍落度試驗(yàn)是評(píng)價(jià)渣土塑流性的常用方法。關(guān)于渣土改良的合理坍落度范圍，不同學(xué)者具有不同的見(jiàn)解，如Ye 等研究了高黏粒含量泥質(zhì)粉砂巖的渣土改良，指出泥質(zhì)粉砂巖渣土最佳坍落度范圍為17～20cm；Pe?a 建議砂性渣土最佳改良坍落度范圍取14～20cm，而喬國(guó)剛認(rèn)為盾構(gòu)開(kāi)挖渣土統(tǒng)一最佳坍落度值介于10～16cm?？梢?jiàn)，由于地層性質(zhì)不同，渣土合適改良狀態(tài)是不同的。然而目前對(duì)于含礫粗砂巖地層的渣土改良研究較少，相應(yīng)的渣土改良參數(shù)以及渣土合適狀態(tài)尚未明確，因此針對(duì)含礫粗砂巖地層開(kāi)展盾構(gòu)渣土改良研究將具有一定的技術(shù)價(jià)值和工程意義。

本文依托廣州地鐵7 號(hào)線洪圣沙站-裕豐圍站區(qū)間項(xiàng)目，通過(guò)工程地質(zhì)分析、改良劑性能試驗(yàn)、坍落度試驗(yàn)等研究最佳渣土改良方案，并通過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析選定盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以評(píng)價(jià)含礫粗砂巖地層渣土改良技術(shù)的合理性。

1 工程概況與水文地質(zhì)

1.1 工程概況

廣州地鐵7 號(hào)線二期工程洪圣沙站-裕豐圍站區(qū)間（簡(jiǎn)稱洪裕區(qū)間）位于廣州市東部，連接珠江南北兩岸，期間穿越了860m 珠江水域及約120m 寬的獅子洋斷裂帶。洪裕區(qū)間采用氣墊直排式泥水土壓雙模盾構(gòu)進(jìn)行施工，能實(shí)現(xiàn)土壓和泥水模式的一鍵切換。盾構(gòu)刀盤(pán)采用復(fù)合式刀盤(pán)（圖1），開(kāi)挖直徑6.3m，開(kāi)口率為40%，刀盤(pán)面板設(shè)置5 個(gè)背裝式渣土改良噴口。渣土改良系統(tǒng)包括4 路泡沫管路，均為單泵單路控制管路，并采用半自動(dòng)控制模式進(jìn)行改良劑的施加。

圖1 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式圖

1.2 水文地質(zhì)

盾構(gòu)段隧道埋深約18.68～27.1m，穿越地層包括＜6＞全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、＜7-1＞強(qiáng)風(fēng)化含礫粗砂巖、＜8-1＞中風(fēng)化含礫粗砂巖和＜9-1＞微風(fēng)化含礫粗砂巖，其中＜8-1＞中風(fēng)化含礫粗砂巖地層為盾構(gòu)穿越主要地層，因此選取該地層進(jìn)行渣土改良研究。盾構(gòu)在右線YDK29+240～YDK29+315（左 線ZDK29+290～ZDK29+350）里程中穿越獅子洋斷裂帶，斷裂帶寬度約120m，與隧道近乎垂直，相應(yīng)地質(zhì)縱斷面如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)縱斷面示意圖

盾構(gòu)段主要地表水體為珠江水，盾構(gòu)下穿珠江寬度約為860m。地下水以松散巖類孔隙水和基巖裂隙水為主，地下水位埋深在0.20～3.26m 之間，地下水主要補(bǔ)給為大氣降水和地表水徑流。

2 渣土改良試驗(yàn)方案

2.1 改良劑選型試驗(yàn)

盾構(gòu)在不同地層中掘進(jìn)時(shí)會(huì)有不同的施工風(fēng)險(xiǎn)，如刀盤(pán)刀具結(jié)泥餅、土倉(cāng)堵塞、螺旋機(jī)噴涌等，對(duì)不同的施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)采用不同的渣土改良劑。洪裕區(qū)間穿越地層以中風(fēng)化含礫粗砂巖為主，為了更有針對(duì)性地制定適用于中風(fēng)化含礫粗砂巖的渣土改良方案，進(jìn)行了篩分試驗(yàn)和液塑限試驗(yàn)。通過(guò)篩分試驗(yàn)測(cè)定渣土級(jí)配并確定其分類，同時(shí)通過(guò)液塑限試驗(yàn)測(cè)定渣土液塑限，判斷渣土可塑性，最后優(yōu)選適宜的渣土改良劑，并測(cè)定改良劑性能。試驗(yàn)結(jié)果在第三節(jié)中給出。

2.2 渣土二次改良試驗(yàn)

坍落度試驗(yàn)是研究渣土改良狀態(tài)的常用手段，坍落度試驗(yàn)用土取自944 環(huán)盾構(gòu)新鮮渣土，為中風(fēng)化含礫粗砂巖，渣土在開(kāi)挖倉(cāng)和土倉(cāng)中已被均勻改良，對(duì)應(yīng)盾構(gòu)泡沫注入比為20.1%，初始含水率為14.29%。渣土取樣后立馬開(kāi)展試驗(yàn)，為盾構(gòu)渣土改良基礎(chǔ)上的二次改良，渣土改良參數(shù)建議值為原始盾構(gòu)改良參數(shù)和二次改良參數(shù)之和。試驗(yàn)用泡沫取自盾構(gòu)發(fā)泡系統(tǒng)，為對(duì)比純水和泡沫的改良效果，以體現(xiàn)泡沫的有效改良，采用質(zhì)量控制泡沫或純水注入量，相應(yīng)泡沫注入比可結(jié)合發(fā)泡倍率獲得。同時(shí)由于地層含水率具有多變性，因此探究了不同含水率下的泡沫改良效果以獲得適宜的改良參數(shù)，相應(yīng)的試驗(yàn)工況如表1 所示。擬訂改良渣土合理坍落度值區(qū)間為7～15 cm。

表1 坍落度試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 改良劑選型試驗(yàn)結(jié)果

渣土級(jí)配曲線如圖3，根據(jù)GB/T 50145-2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》，該渣土分類為級(jí)配不良砂（SP）。粒徑小于0.5mm 的渣土占比34.75%，根據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)該粒徑范圍渣土進(jìn)行液塑限試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，因此渣土細(xì)顆粒具有低液限黏土的基本物性。綜上可知含礫粗砂巖地層盾構(gòu)渣土為砂類土，渣土黏粒含量相對(duì)較少，因此盾構(gòu)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)較小。且雖然含礫粗砂巖地層滲透性較小，但是地層經(jīng)切削形成的破碎渣土滲透性較大，在地下水作用下易產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象，影響管片拼裝質(zhì)量及洞內(nèi)工作環(huán)境。因此渣土改良劑主要采用泡沫劑，泡沫劑發(fā)泡倍率為5.45、半衰期為6.31min，起到改善渣土塑流性、減小渣土滲透系數(shù)的作用。

表2 渣土液塑限

圖3 盾構(gòu)渣土級(jí)配曲線

3.2 渣土二次改良試驗(yàn)結(jié)果

圖4 為渣土坍落度隨泡沫或純水注入質(zhì)量的變化規(guī)律，F(xiàn)為泡沫改良，W為純水改良?？梢?jiàn)，隨著純水或泡沫的注入，渣土坍落度逐漸增加。初始改良渣土塑流性明顯較差（坍落度2.5cm），當(dāng)改良工況為w=14.29%、FIR=19.8%～39.6%（對(duì)應(yīng)注入質(zhì)量為200～400g），w=16.16%、FIR=19.8%（對(duì)應(yīng)注入質(zhì)量為200g）和w=17.89%、FIR=0 時(shí)，坍落度值位于合理改良區(qū)間，渣土具有適宜的塑流性。鑒于地層含水率并非定值，因此改良參數(shù)的選擇應(yīng)適宜大部分情況，此時(shí)二次改良注入質(zhì)量可選擇為200g（注入比為19.8%），以滿足含水率為14.29%～16.16%的情況，結(jié)合渣土初始改良狀態(tài)（20.1%的初始泡沫注入比），則可采用40%泡沫注入比進(jìn)行渣土改良，但當(dāng)?shù)貙雍蔬M(jìn)一步變化時(shí)，宜適當(dāng)調(diào)整泡沫注入比。

圖4 不同含水率下渣土坍落度值變化規(guī)律

當(dāng)渣土含水率為14.29%，泡沫注入量較小時(shí)，采用泡沫和采用純水改良的渣土坍落度差別不大，但隨著泡沫注入量的進(jìn)一步增大，采用泡沫和采用純水改良的渣土坍落度差異增大，采用泡沫改良的渣土具有更大的坍落度，表明加入泡沫后可明顯提高渣土的流動(dòng)性，但在含水率較低時(shí)泡沫的作用效果相對(duì)較小。究其原因，破碎后的含礫粗砂巖渣土含水率較小，在基質(zhì)吸力的作用下，渣土吸水導(dǎo)致泡沫快速排液和破滅，使得泡沫對(duì)較干渣土的有效改良效果較小，此時(shí)可首先增大渣土的含水率再進(jìn)行泡沫改良，以減少泡沫的破裂，相應(yīng)的處治措施包括采用純水和泡沫進(jìn)行組合改良、采用發(fā)泡倍率小的泡沫（即“濕泡沫”）進(jìn)行改良以及增大“干泡沫”注入比的措施。選用增大“干泡沫”注入比時(shí)，通常要注入較大體積的泡沫才能充分增大渣土含水率，相比“濕泡沫”，改良時(shí)間較長(zhǎng)，而盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)渣土進(jìn)行快速改良，因此不予考慮；當(dāng)采用純水和泡沫組合改良時(shí)，泡沫容易懸浮于水面，與純水難以混合均勻，導(dǎo)致改良效果不均，且純水容易導(dǎo)致泡沫液膜中表面活性劑分布不均，泡沫質(zhì)量變差容易破裂；因此宜選用發(fā)泡倍率較小的“濕泡沫”進(jìn)行渣土改良，在快速改良的同時(shí)，增大渣土含水率，減少泡沫破裂，改善渣土塑流性以滿足盾構(gòu)掘進(jìn)需求。本文采用泡沫劑發(fā)泡倍率為5.45，相比常規(guī)發(fā)泡倍率屬于濕泡沫，如前文所述采用40%泡沫注入比可較好地改良渣土。

4 渣土改良應(yīng)用效果分析

采用發(fā)泡倍率為5.45、半衰期為6.31min的泡沫進(jìn)行渣土改良應(yīng)用研究，泡沫注入比為40%，如表3 所示。盾構(gòu)注入比從原本的20%～32%逐漸調(diào)整到40%。將掘進(jìn)扭矩除以對(duì)應(yīng)掘進(jìn)推力，得到盾構(gòu)單位掘進(jìn)推力作用下的盾構(gòu)平均掘進(jìn)扭矩值，定義為刀盤(pán)扭矩系數(shù)。將盾構(gòu)掘進(jìn)推力除以速度獲得產(chǎn)生單位掘進(jìn)速度（貫入度）所需要的平均推力值，定義為地層貫入指數(shù)。將螺機(jī)扭矩除以螺機(jī)轉(zhuǎn)速獲得產(chǎn)生單位螺機(jī)轉(zhuǎn)速所需要的平均螺機(jī)扭矩增量，定義為螺機(jī)扭矩系數(shù)。如圖5，當(dāng)盾構(gòu)泡沫注入比逐漸增大時(shí)，螺機(jī)扭矩系數(shù)和刀盤(pán)扭矩系數(shù)均有所減小，說(shuō)明調(diào)整后的改良參數(shù)能較好地改善盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)，在一定程度上降低刀盤(pán)扭矩，減小盾構(gòu)負(fù)荷和刀盤(pán)磨損。然而對(duì)巖體而言，地層貫入指數(shù)更多在于刀具的構(gòu)造和布置，渣土改良對(duì)地層貫入指數(shù)的影響較小，因此隨著泡沫注入比的增加，地層貫入指數(shù)無(wú)明顯變化。

表3 盾構(gòu)渣土改良參數(shù)建議值

圖5 盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)隨泡沫注入比的變化

5 結(jié)論與討論

針對(duì)廣州地鐵7 號(hào)線二期工程洪圣沙站～裕豐圍站區(qū)間項(xiàng)目含礫粗砂巖地層，通過(guò)渣樣物性分析、改良劑性能測(cè)試、二次改良試驗(yàn)、盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)評(píng)價(jià)等方法，開(kāi)展渣土改良研究，探究了合適的渣土劑及其改良參數(shù)，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用效果驗(yàn)證其合理性。主要結(jié)論如下。

1）含礫粗砂巖地層穩(wěn)定性較好，黏粒含量較少，結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)較小，渣土改良劑主要采用泡沫劑，以改善渣土塑流性，利于盾構(gòu)出渣。

2）對(duì)泡沫改良土進(jìn)行二次改良坍落度試驗(yàn)，當(dāng)渣土含水率較小時(shí)泡沫容易破滅導(dǎo)致泡沫的改良效果有限，此時(shí)可選用發(fā)泡倍率較小的“濕泡沫”進(jìn)行渣土改良。根據(jù)坍落度試驗(yàn)結(jié)果可選擇采用40%注入比的泡沫改良渣土，但當(dāng)?shù)貙雍首兓瘯r(shí)，宜適當(dāng)調(diào)整泡沫注入比。

3）采用建議的改良參數(shù)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，螺機(jī)扭矩系數(shù)和刀盤(pán)扭矩系數(shù)均有所減小，說(shuō)明調(diào)整后的改良參數(shù)能在一定程度上降低刀盤(pán)扭矩，減小盾構(gòu)負(fù)荷和磨損，較好地改善盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)，有利于盾構(gòu)出渣，而刀具破巖效率受渣土改良影響較小，地層貫入指數(shù)變化較小。