黄土盾构隧道膨润土泥浆渣土改良技术研究

贺斯进

(广州地铁设计研究院有限公司，广州 510010)

0 引言

西安地铁是在黄土地质条件下修建而成的。由于黄土分布的区域性，国内外对在黄土地层中进行土压平衡盾构隧道施工的分析和研究较少。为了得到有利于土压平衡盾构顺利施工的理想状态的渣土，各国学者进行了大量的试验研究，主要涉及使用泡沫剂、膨润土、高分子材料及相互组合使用等对砂土、黏性土进行改良。土压平衡式盾构需要在压力舱内充满开挖泥土，通过对开挖土体施加压力来平衡开挖面上的土压力和水压力，因此土压平衡式盾构压力舱内土体的理想状态应为“塑性流动状态”［1］。从目前的研究成果来看，业界对塑性流动状态的含义及其物理力学指标已达成共识。一般认为，从土力学的角度分析，这种塑性流动状态主要包括土体不易固结排水、土体处于流塑状态、土体具有较低的透水率、土体具有较低的内摩擦角。其力学指标主要包括渗透系数、内摩擦角(φ)和内聚力(c)、坍落度T(流动度)、压缩系数a。乐贵平等［2］也提到土体应具有优良的黏稠性，相应指标为黏稠度指数Ic。日本的相关研究学者认为:土体的坍落度在100～150 mm时，可以认为其满足塑性流动状态的要求。国内学者魏康林［3－4］认为:经过外加剂改良后的土体必须具有较小的抗剪强度、相对适中的可压缩性、较低的渗透性和一定的流动性。现场施工一般通过土舱内的土压、盾构负荷、螺旋输送机的排土效率和排土性状测量(坍落度试验)来进行塑流性状态的评价和管理［5－7］。

盾构在黄土地层掘进过程中，目前使用的改良剂材料主要为矿物类材料，高吸水性树脂材料，纤维类、多糖类及负离子类材料，表面活性材料和硅溶胶等。常用的几种添加材料的特点及使用土层对比如表1所示。

表1 盾构施工中常用渣土改良剂对比Table 1 Ground conditioning agents used in shield tunneling

目前国内地铁盾构施工主要采用膨润土和泡沫对土体进行改良［8－9］。膨润土泥浆组成简单，功能单一;泡沫主要采用进口产品，效果虽好但造价过高。总体上，土体改良剂的使用缺乏理论指导，没有评价标准和评价方法，给盾构施工带来了各种难题。考虑到材料的通用性及经济性，本文通过室内试验结合工程实际，就膨润土、泡沫对黄土地区的渣土改良进行了研究，通过膨润土泥浆优化试验找到了适合黄土地层的膨润土改良剂及膨润土泥浆的最优体积分数，通过泡沫优化试验找到了泡沫的性能与发泡剂溶液最佳体积分数的关系，并在实际工程中得到了成功应用，以期研究成果为西安地区乃至西部黄土地区的地铁建设提供借鉴与参考。

1 工程概况

西安地铁2号线试验段行政中心站—凤城五路站区间位于西安市北郊未央大道下方，线路全长1 046 m，线间距13～19 m，最大坡度23‰。区间地面标高383.84～387.70 m，隧道埋深8.0～11.2 m。区间位于渭河二级阶地，地层主要为第四系上更新统风积、残积及冲积层。主要为Qeol3，黄土的物质成分包括粒度成分、矿物成分和化学成分3个方面。表2为西安市二级、三级阶地上湿陷性黄土的粒度成分。

表2 西安市湿陷性黄土的粒度成分Table 2 Particle ingredients of collapsible loess in Xi’an

从表2可以看出，黄土主要成分为粉质颗粒(粒径0.5～0.1)，约占52%，而黏粒含量不足25%。黄土的矿物成分中以石英、长石为主，约占90%以上。化学成分以SiO2和Al2O3为主，其主要化学成分如表3所示。

表3 西安市区湿陷性黄土的化学成分Table 3 Chemical composition of collapsible loess in urban area of Xi’an

2 试验工况

土压平衡盾构在黄土地层掘进时，必须采取土体改良措施，目前采用膨润土及泡沫剂改良土体已被广泛应用于盾构施工中。我国地铁施工中开展对渣土改良的试验研究表明，泡沫不但能显著降低砂土的渗透系数和剪切强度，而且能加大混合体的和易性;若加入适量膨润土，则可获得进一步提高砂土保水性、流动性及降低砂土的渗透系数和剪切强度的效果，这对盾构施工中改良土体工程性质的研究具有重要意义。

试验的主要目的是通过以下试验，给出合适的膨润土及泡沫剂添加量。根据试验的目的及要求，按改良土的组分结构，设计试验工况如下。

1)按照膨润土与水的质量比为 1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶14分别配制膨润土泥浆，测试泥浆的黏度及相对体积质量，绘制泥浆体积分数—黏度、泥浆体积分数—相对体积质量关系曲线，给出膨润土膨化效果最优时的泥浆体积分数及泥浆膨化时间。

2)通过对体积分数为1% ～6%发泡剂溶液所产生的泡沫的半衰期和发泡倍率进行测量，从而得到泡沫的性能与发泡剂溶液体积分数的关系。

3 试验结果分析

对膨润土及泡沫剂在黄土地层盾构施工中渣土改良的效果进行了室内试验，通过室内试验结果选择最优膨润土及泡沫剂与黄土的配比，并进行现场试掘进来验证其渣土改良效果。

3.1 膨润土泥浆优化试验

3.1.1 试验情况

为了找出膨润土泥浆的最优体积分数及最佳膨化效果，按工况选取了西安地区不同矿质的膨润土，包括钙基膨润土、钠基膨润土(洋县宏泰)和钠基膨润土(洋县人和)，配制了其在多种体积分数下的膨润土泥浆，并分别对其膨化24 h后，找出膨润土最优泥浆下的最佳膨化时间，试验室温度为5～10℃。实验数据如表4—6，图1和图2所示。

表4 不同质量比的钙基膨润土泥浆黏度随时间变化关系Table 4 Relationship between viscosityof calcium-bentonite slurry with different weight ratio and time s

表5 不同质量比的钠基膨润土(洋县宏泰)泥浆黏度随时间变化关系Table 5 Relationship between viscosityof calcium-bentonite slurry(Hongtai)with different weight ratio and time s

表6 不同质量比的钠基膨润土(洋县人和)泥浆黏度随时间变化关系Table 6 Relationship between viscosity of calcium-bentonite slurry(Renhe)with different weight ratio and time s

3.1.2 试验结果分析

由表4—6和图1—2可以看出:

1)处于相同质量比时的钠基膨润土与钙基膨润土，在相对体积质量与黏度上钠基膨润土优于钙基膨润土。因此，钠基膨润土相比于钙基膨润土更有利于渣土改良，在施工过程中宜选择钠基膨润土作为渣土的改良剂。在相同的膨化时间下，产自洋县宏泰的钠基膨润土比洋县人和的具有更好的黏度，选择膨润土时宜选择洋县宏泰钠基膨润土。

2)当钠基膨润土添加比例大于或等于1∶10时，其泥浆黏度随搅拌时间增长而加大，其增长幅度随膨润土添加比例的增大而增大，泥浆黏度峰值分布于18～24 h。当膨润土添加比例小于1∶10时，黏度随搅拌时间增长不明显，故添加比例小于1∶10的情况不做详细研究，而将研究重点放在膨润土添加比例大于或等于1∶10 的工况。

3)在膨润土膨化18～24 h后达到泥浆黏度峰值，后面配制的膨润土泥浆膨化时间可选定为18 h。

3.2 泡沫优化试验

3.2.1 试验情况

泡沫的性能主要由半衰期和发泡倍率2个指标衡量。半衰期为气泡衰变破灭到一半质量时所需的时间。发泡倍率是指一定体积的发泡剂溶液所发出的气泡体积与发泡剂溶液体积的比值。本试验参照欧洲的测量标准，对这2个泡沫性能参数指标进行测量。根据施工经验，泡沫的半衰期大于5 min，发泡倍率为10～20就能满足土压平衡盾构施工的要求。通过对体积分数为1%～6%发泡剂溶液所产生的泡沫的半衰期和发泡倍率进行测量，从而得到泡沫的性能与发泡剂溶液体积分数的关系。试验使用的发泡剂为国产发泡剂。溶液体积分数从1%增大到3%，发泡倍率从10.0增加到19.3，发泡倍率增大明显;溶液体积分数从3%增大到6%时，发泡倍率从19.3增加到21.8，发泡倍率增大并不显著，如图3所示。溶液体积分数从1%增大到3%时，半衰期从9 min增加到10.2 min;而当体积分数继续增大到4%时，半衰期反而下降，最后维持在9.5 min左右，主要是因为随着发泡液体积分数增大，泡沫的直径变大，容易破灭，如图4所示。

3.2.2 试验结果分析

通过试验发现，当其他条件一定时，泡沫的发泡倍率随着发泡液体积分数的增加而明显的增大，发泡液体积分数较低时，发泡倍率变化最明显，但存在一个临界体积分数，当发泡液体积分数达到这个体积分数(5%)时，发泡倍率仅有轻微的变化，几乎不再受溶液体积分数影响。当发泡液超过一定的体积分数时，泡沫的半衰期有所降低，从这个角度看，体积分数过大在降低性能的同时会造成泡液的浪费。

4 实际施工参数

经过对试验室数据采集、对比分析及对现场实践结果，渣土改良参数和注入参数如下。

4.1 渣土改良参数

1)膨润土。纳基膨润土。

2)泡沫剂。砂性土专用泡沫剂。

4.2 注入参数

1)膨润土泥浆。膨润土∶水=1∶10(质量比)，注入率20%(与渣土体积比)。

2)泡沫剂。发泡液体积分数为2%，发泡倍率为15，注入率为20% ～40%(与渣土体积比)。

5 实际改良效果

1)降低刀盘内外周温度。盾构刀盘密封正常的工作温度为30～40℃，当温度超过60℃就需要进行停机，使刀盘温度降低至50℃以内，在70℃以上刀盘密封会发生物理变形，当温度超过规定值时就会报警甚至停机。

区间需穿越西安市北三环辅道，该道路下方在运输车辆动荷载的作用下相对密实。在掘进该道路下方时，基本上在30 min(即400 mm行程)内，盾构刀盘内周温度上升至60℃，土温可达到42℃。在向刀盘前方加大注入泡沫和膨润土后，刀盘温度降低至40～50℃，没有达到理想的工作温度。为了进一步降低刀盘密封温度，对土压平衡盾构的加泥管路进行了适当的改造，将通往土仓的管路也接到了刀盘面板，效果十分明显，刀盘密封温度从原来的46～48℃下降到32～35℃。渣土改良对刀盘温度的影响详见图5。

图5 渣土改良对刀盘温度的影响Fig.5 Influence of groud conditioning on temperature of cutter head

在40～90环这个区间盾构刀盘密封平均温度在50℃;90～140环后，增加了膨润土和泡沫的使用量并且将加泥管路改至刀盘前方后，温度降低至40～50℃;在140环后，即穿越绕城高速后，刀盘密封温度降低至30～40℃，后期基本稳定在30℃上下。

2)增加土的塑性、流动性。渣土过干会使螺旋机油压增加，渣土不能顺利排出，严重时会造成螺旋被卡死的情况，需要人工打开螺旋机的盖板，将过干的砂土用铁锹掏出后，方可恢复工作;渣土过稀时，会造成渣土从皮带与皮带架之间的间隙处流出，污染双轨梁下的管片和成型隧道，造成人工不必要的浪费。在试验室内，对砂土的流塑性一般用坍落度的方法来对渣土改良效果进行侧面反映，室内渣土改良效果详见图6。渣土改良效果比较好时，改良后的渣土有一定流动性且能够聚集在一起。在盾构施工现场，由于使用的是密闭式土压平衡盾构，不能取到掌子面的原状土。但可通过了解土压力变化情况、观察出土口的出渣情况或直接在皮带上取土观察等对渣土改良效果进行判断。

图6 室内渣土改良效果图Fig.6 Indoor ground conditioning effect

渣土改良对螺旋机回转压力的影响详见图7。由图7可见，在渣土改良初期的40～120环，螺旋机回转压力处于6 MPa左右，波动大不稳定。随着渣土改良的成熟，在160环以后，螺旋机的回转压力基本处于3 MPa左右。图7中在360环、440～480环附近出现的较高值属于特殊情况，其中360环出现的高值是由于盾构掘进加固区渣土中含有较多的旋喷桩加固体造成的;440～480环出现的较高值是由于加泥泵出现故障，不能正常加泥造成的。总体来讲，通过膨润土+泡沫的渣土改良方案，可以改良土的塑性和流动性，具体表现在降低螺旋机回转压力及出渣顺利程度上。

图7 渣土改良对螺旋机回转压力的影响Fig.7 Influence of ground conditioning on rotation pressure of screw conveyor

6 结论及建议

1)处于相同质量比时的钠基膨润土与钙基膨润土，在相对体积质量与黏度上钠基膨润土优于钙基膨润土，因此，钠基膨润土相比于钙基膨润土更有利于渣土改良，在施工过程中宜选择钠基膨润土作为渣土的改良剂。

2)当钠基膨润土添加比例等于1∶10时，能够满足施工要求，建议在今后的泥浆配合时优先选用该配比。最优的膨化时间出现在18～24 h，若小于18 h，膨润土黏度达不到峰值，膨化时间过长，不能满足施工进度要求。

3)在用膨润土泥浆对渣土进行改良时，能起到很好的效果，通过试验发现，改良后土体的和易性得到了很大的提高，流动性得到了增强，抗渗性也满足要求。

4)通过土试样在不同泡沫掺入比下的坍落度试验表明，即使泡沫的掺入比很大也难以达到良好的改良效果。泡沫的掺入比越大，改良后土的坍落度增长越快。通过对试验数据的整理，最终得到了试验砂土泡沫改良的优化掺入比范围。

5)目前西安地铁二号线区间已顺利贯通并成功投入运营。实践证明，通过实验研制出的膨润土的种类及最优配比在实际工程中得到了成功应用。

［1］ 朱伟，陈仁俊.盾构隧道基本原理及在我国的使用情况［J］. 岩土工程界，2001(11):19－21.(ZHU Wei，CHEN Renjun.The basic principle of shield tunnel and the use in our country［J］.Geological Exploration for Non-ferrous Metals，2001(11):19－21.(in Chinese))

［2］ 乐贵平，江玉生.土压平衡盾构法施工掘进面平衡压力初探［C］//中国土木工程学会第十一届、隧道及地下工程分会第十三届年会论文集.北京:中国土木工程学会，2004.

［3］ 魏康林.土压平衡式盾构施工中喷涌问题的发生机理及其防治措施研究［D］.河海大学土木与交通学院，2003:1－21.(WEI Kanglin.Earth pressure balance type shield tunnel beneath the happening of the problems in the mechanism and its prevention and control measures［D］.School of Civil Engineering and Communication，Hohai University，2003:1－21.(in Chinese))

［4］ 魏康林.土压平衡盾构施工中“理想状态土体”的探讨［J］.城市轨道交通研究，2007(1):67－70.(WEI Kanglin.On the “Ideal Soil”in the earth pressure balanced shield tunnelling［J］.Urban Mass Transit，2007(1):67 －70.(in Chinese))

［5］ 秦建设，朱伟，林进也.盾构施工中气泡应用效果评价研究［J］. 地下空间，2004(3):285－289.(QIN Jianshe，ZHU Wei，LIN Jinye.Assessment of the foam application in EPB shield tunneling［J］.Underground Space，2004(3):285－289.(in Chinese))

［6］ 张明晶.土压平衡式盾构施工中闭塞问题的发生机理及其防治措施研究［D］.河海大学土木与交通学院，2004:3－26.(ZHANG Mingjing.Study on the mechanism and curing method of blocking in EPBs［D］.School of Civil Engineering and Communication，Hohai University，2004:3 －26.(in Chinese))

［7］ 林健.土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭距的机理研究［D］.河海大学土木与交通学院，2006:9－32.(LIN Jian.The soil improvement reduce soil pressure balance type shield the knife dish of torque is its mechanism［D］.School of Civil Engineering and Communication，Hohai University，2006:9 －32.(in Chinese))

［8］ 闫鑫，龚秋明，姜厚停.土压平衡盾构施工中泡沫改良砂土的试验研究［J］.地下空间与工程学报，2010(3):449－453.(YAN Xin，GONG Qiuming，JIANG Houting.Soil conditioning for earth-pressure balanced shields excavation in sand layers［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010(3):449－453.(in Chinese))

［9］ 汪国锋.北京地铁十号线土压平衡盾构土体改良技术应用研究［J］.现代隧道技术，2009(4):77－81.(WANG Guofeng.Siol improvement technologies and implementation for EPB shield in Beijing subway Line 10［J］.Modern Tunnelling Technology，2009(4):77－81.(in Chinese))