无隔水层越江隧道土压平衡盾构渣土改良试验研究

孙智勇



无隔水层越江隧道土压平衡盾构渣土改良试验研究

孙智勇

对于全断面砂层的盾构掘进隧道，当盾构所穿越的高透水性中砂地层渗透系数达1.10×10-2cm/s，且其上部水头较高时，发生喷涌的风险极大，一旦发生喷涌严重时可导致盾构隧道整体失稳，因此，必须对渣土改良进行深入研究。文章就福州市轨道交通 1 号线越江隧道土压平衡盾构渣土改良技术要求、渣土改良试验添加材料、试验内容和试验结果进行分析、阐述。

越江隧道；土压平衡盾构；渣土改良；试验研究

土压平衡式盾构越江隧道的关键技术之一是确保出仓渣土经搅拌、改良后形成一种“塑性流动状态”[1]。在国内外的试验研究中，主要使用膨润土、泡沫剂、高分子材料及相互组合使用等对砂土、黏性土等进行改良研究。文献[2]提出了土压平衡盾构施工“理想状态土体”的概念（即较低的渗透性，相对适中的压缩性，较小的抗剪强度，一定的流动性），并认为只要有效、有针对性地使用外加剂，就可将施工中可能出现的问题控制在最小。渣土改良试验研究中，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。虽然国内外对各种地质条件下的盾构渣土改良进行了研究，但目前国内很少对无隔水层情况下高透水砂层的越江隧道土压平衡盾构渣土改良进行研究，因此，针对这种工况条件下的渣土改良研究尤为重要。

1　工程概况

福州市轨道交通1号线越江隧道工程下穿宽度约500 m 的闽江。该隧道主要穿越 ⑦j中砂、⑤2细砂、⑤3淤泥质土夹粉砂、⑧2中砂、⑧3淤泥质土夹粉砂、112中砂等地层，区间上方上无隔水层，地下水与江水连通。场地内对工程影响较大的承压含水层主要为⑦j中砂、⑧2中砂含水层，根据抽水试验成果，⑦j、⑧2中砂承压水测压水位埋深为 4.54～5.50 m，属中等透水层。⑦j中砂、⑤2细砂、⑧2中砂、112中砂均为饱和砂土，松软，富含承压水，易产生喷涌，极易坍塌变形。

本段越江隧道采用土压平衡盾构机，大部分穿越全断面透水砂层且其上部无隔水层，盾构所穿越的高透水性中砂地层渗透系数可达 1.10×10-2cm/s，且其上部水头较高，出渣时发生喷涌的风险较大。而一旦发生喷涌，周围地层砂土将会流失，失去对衬砌结构的约束作用，严重时可导致盾构隧道整体失稳等危险，因此，如何进行渣土改良、防止喷涌的发生，成为本越江隧道工程至关重要的前提条件。

根据盾构掘进喷涌发生的机理，预防喷涌可采取2 种技术措施：①优化螺旋出土器结构，如减小直径或增加长度等，也可采用双螺旋出土器等特殊构造；②对土舱内渣土进行渣土改良，减小渣土的渗透系数等。对于措施①，即改造盾构机来说，需要设备改动的范围比较大而一般不予采用。本工程选择措施 ②，并对渣土改良方案进行深入研究。

2　渣土改良的技术要求

根据国内外工程实例，一般可认为出土器可以抵抗 10 kPa ( 水头高 1 m ) 的水压力和 3 cm3/s 的渗流量，当2 指标同时超出上述 2 个阀值，则视为喷涌发生。若排土口水流量 Q ＞ 4 cm3/ s 且水压力 Pw＞ 20 kPa ( 水头高度＞ 2 m ) 时，则会发生严重的喷涌。

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”。为使渣土达到此状态，要求改良后渣土应能满足下述物理参数：①渗透系数一般要＜1×10-5cm/s；②坍落度 10～15 cm。

3　渣土改良试验研究

3.1用于渣土改良的添加材料

目前，使用的添加材料主要分为矿物类（膨润土、黏土）、界面活性剂类（泡沫剂）、聚合物类（CMC聚合物、SPA-Ⅲ）等 3 类。

施工现场出于施工因素考虑，多使用纯膨润土浆液和泡沫，为了达到膨润土浆液粘度、稠度等方面的性质要求，多采用加大膨润土用量的方法，但这导致了造价提高，性能不完善等多方面的缺陷。

3.2试验内容

本试验依据S L237-1999《土工试验规程》、TB10102-2004《 铁路土工试验规程 》等有关规程执行。具体包括：

（1）准备砂土土样；

（2）膨润土浆液配置；

（3）对静置 24 h的膨润土浆液使用浆液粘度计进行浆液粘度测试；

（4）将不同浓度的膨润土浆液按相同体积比制备改良渣土，测定渣土在不同浓度浆液、相同浆液掺量下的坍落度；

（5）采用相同浓度的膨润土浆液按不同体积比分别制备改良渣土，测定渣土在相同浓度浆液、不同浆液掺量下的坍落度；

（6）对根据级配制作的渣土样进行常水头渗透试验，测定其渗透系数，对未改良砂土物理特性进行标定；

（7）将不同浓度的膨润土浆液按相同体积比制备改良渣土，测定渣土在不同浓度浆液、相同浆液掺量下的渗透系数；

（8）将不同浓度的CMC聚合物（羧甲基纤维素）浆液按相同体积比制备改良渣土，测定渣土在不同浓度、相同掺量下的渗透系数；

（9）将不同浓度的CMC聚合物与不同浓度膨润土浆液配合使用，使渣土与改良剂浆液按相同体积比制备改良渣土，测定渣土在不同浓度膨润土浆液及不同浓度 CMC 聚合物、相同掺量下的渗透系数；

（10）不同水灰比条件下水泥-水玻璃双液浆反应时间以及收水效果试验。

3.3试验结果分析

3.3.1膨润土浆液浓度对其粘度的影响

图 1 给出了不同膨润土浆液浓度与其粘度的关系曲线。由图 1 可见，以 9.09% 浆液浓度为拐点，当膨润土浆液浓度小于 9.09% 时，其粘度增加不明显；大于9.09% 时，其粘度急剧上升，当膨润土浆液浓度大于11.1% 时，其浆液过于粘稠。

图1　膨润土浆液浓度与其粘度关系图

3.3.2膨润土浆液浓度对渣土坍落度的影响

文献[4]研究表明，当膨润土浆液与砂土体积比大于等于 2 : 10 时，继续增大膨润土浆液的含量，改良后的渣土抗渗性的提高效果增加不明显。因此，选用膨润土浆液与砂土的体积比为 2 : 10 较为合适[4]，故本试验选用2 : 10 体积比情况下研究膨润土浆液浓度与渣土坍落度关系。

图 2 给出了膨润土浆液与砂土体积比为 2 : 10 情况下，膨润土浆液浓度与渣土坍落度关系曲线。由图 2 可见，随膨润土浆液浓度的变化，渣土的坍落度没有明显变化，膨润土浆液浓度并非影响渣土坍落度的主要因素。

3.3.3膨润土浆液浓度对渣土渗透系数的影响

图 3 给出了膨润土浆液与砂土体积比为 2 : 10 时，膨润土浆液浓度与渣土渗透系数关系曲线。由图 3 可见，随膨润土浆液浓度的增加，渣土渗透系数相应减小。

图2　膨润土浆液浓度与渣土坍落度关系图

图3　膨润土浆液浓度与渣土渗透系数关系图

根据本过江隧道工程地质报告，无隔水层将地下水与江水隔断，这导致江水与地下水连通，全断面砂层含水量过大，盾构机掘进过程中土仓中的进水量预计可达到10%以上。为防止膨润土浆液微粒的损失，需采用较大浓度的膨润土浆液，本工程考虑采用膨润土浓度在9.09%～11.1% 区间内。

3.3.4膨润土浆液与砂土的体积比对渣土坍落度的影响

根据相关研究[4]所得指标，膨润土浆液与砂土的体积比应处于 2 : 10～2.5 : 10 之间，即 1 m3砂土中掺入 200 ～250 L 浓度为 9.09% 的膨润土浆液。图 4 给出了膨润土浆液浓度为 9.09% 时，其与砂土不同的体积比对渣土的改良作用曲线。由图 4可见，改良后的渣土坍落度随膨润土浆液掺量的增加而增加。

图4　膨润土浆液与砂土体积比与渣土坍落度关系图

图5　CMC聚合物浓度与渣土渗透系数关系图

3.3.5CMC聚合物浓度对渣土渗透系数的影响

图 5 给出了 CMC 聚合物与砂土的体积比为2 : 10时，不同浓度 CMC 聚合物对渣土渗透系数的改良作用曲线。由图 5 可见，随 CMC 聚合物浓度的增加渣土渗透系数降低，CMC 聚合物对改善渣土的渗透性效果显著。在实际工程中由于其成本较高，作为主要改良材料的可能性较小，可作为应急措施使用，也可使用低浓度CMC 聚合物配合膨润土浆液共同使用。

3.3.6膨润土浆液与 CMC 聚合物配合使用对渣土渗透系数的影响

根据试验研究，在砂土中掺入与其体积比为 2 : 10 的改良剂情况下（膨润土浆液与 CMC 聚合物按照 1 : 1 体积比配合使用），改良效果将显著提高。图6给出了膨润土浆液、CMC 聚合物配合使用时，渣土渗透系数变化曲线。由图 6 可见，当 CMC 聚合物浓度大于 3% 后，渣土渗透系数下降的斜率逐渐降低，这说明当 CMC 聚合物浓度大于 3% 后，其对渣土渗透系数的改良作用趋缓。鉴于越江段水量较大，结合适用性与经济性两方面，可采用 3%～5% 浓度的 CMC 聚合物配合 9.09% 浓度的膨润土浆液共同使用。

3.3.7水泥-水玻璃双液浆中水灰比对其凝结时间影响

图 7 给出了水泥-水玻璃双液浆中水灰比与其凝结时间关系曲线。由图 7 可见，随着水灰比的减小，双液浆的凝结时间逐渐减小。这是由于水灰比减小后水泥液浆中水泥所占比例增加，其自身水化以及与水玻璃的反应速度都会加快。

图6　膨润土浆液、CMC 聚合物配合使用与渣土渗透系数关系图

图7　双液浆中水灰比与其凝结时间关系图

3.3.8水泥-水玻璃双液浆中水玻璃用量对其凝结时间的影响

图 8 给出了水泥-水玻璃双液浆中水玻璃用量与其凝结时间关系曲线。由图 8 可见，随着水玻璃用量的增加，双液浆的凝结时间增大，当单位体积（L）双液浆中水玻璃用量增加到 100 mL 时，双液浆的凝结时间会急剧增加，说明单位体积双液浆中水玻璃的用量不易超过 100 mL。

图8　双液浆中水玻璃用量与其凝结时间关系图

3.3.9水泥-水玻璃双液浆中水玻璃用量对其抗压强度的影响

图 9 给出了水泥-水玻璃双液浆中水玻璃用量与其抗压强度的关系曲线。由图 9 可见，随着水泥-水玻璃双液浆中水玻璃用量的增加，双液浆试件的 1 h、1 天、7 天、28 天的抗压强度都表现出先增大后减小的规律。其中，1 h 的抗压强度变化幅度较小，而 1 天、7 天和28 天的抗压强度变化较为明显。

图9　双液浆水玻璃用量与其抗压强度关系图

3.3.10 水泥-水玻璃双液浆中水灰比与水玻璃用量的协调关系

图 10 给出了水泥-水玻璃双液浆中水灰比与水玻璃用量的协调关系曲线。由图 10 可见，水灰比和水玻璃用量的增加均会使得双液浆凝结时间增加，当水灰比与水玻璃用量分别为 4 : 1～5 : 1 和 130 mL 时，双液浆的凝结时间最为接近（约为100 s），此时即为水泥-水玻璃双液浆中水灰比与水玻璃用量的最佳协调关系。

图10　不同水灰比、水玻璃用量与双液浆凝结时间的关系图

实际工程中，水玻璃的用量应根据土舱内水量进行调节。将水灰比为 1 : 1 的水泥浆泵送进土舱时，水泥浆的用量根据土舱内水量进行调节，最后在土舱内形成水灰比为 5 : 1 左右的水泥浆，然后注入与水泥浆体积比为 1.5 : 10～2 : 10 的水玻璃与其发生反应，可获得良好的收水效果。

4　结束语

根据本次试验研究，在无隔水层条件下，全断面砂层越江隧道工程中将浓度为 9.09% 的膨润土浆液与浓度为 5% 的 CMC 聚合物配合使用，使得隧道掘进时改良后渣土的 24 h 粘度达到 97 s，有效地改良了渣土的性状，大部分渣土均达到了“塑性流动状态”，说明根据试验研究结果采用的渣土改良措施效果良好，期望为后续类似工程起到良好的参考作用。

[1] 朱伟，陈仁俊. 盾构隧道技术问题和施工管理[J]. 岩土工程界，2001（12）：l8-20.

[2] 魏康林. 土压平衡式盾构施工中“理想状态土体”的探讨[J]. 城市轨道交通研究，2007（1）.

[3] 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，2004，24（3）.

[4] 胡长明，崔耀，王雪艳，等. 土压平衡盾构施工穿越砂层渣土改良试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报（自然科学版），2013，43（6）.

[5] 刘卫. 南昌复合地层盾构渣土改良技术[J]. 隧道建设，2015（5）.

Experimental Study on Soil Improvement of Earth Pressure Balance Shield for Cross-River Tunnel

Sun Zhiyong

For the whole profi le section of sand layer of shield tunneling, when the shield is boring through high permeable formation sand with permeability coeffi cient up to 1.10 × 10-2cm/s, and the water level at the upper part of the section is high, water gushing and inflow risk increases greatly. In the event of a serious gushing, it can lead to instability of the shield tunnel. Therefore, it is necessary to carry out in-depth study on muck improvement. The paper analyzes and discusses the technical requirements on the improved muck of tunnel earth pressure balance (EPB) shield for the under crossing river Fuzhou transit line 1, ingredient materials for muck improvement conditioning test, content in the test and the test results.

cross-river tunnel, EPB shield, muck improvement, experimental study

U455.43

孙智勇：福州市城市地铁有限责任公司，总工程师，高级工程师，福建福州 350001

2015-09-28责任编辑 朱开明