砂性地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

刘 彤， 陈立生， 姚 青

(1. 上海大学-上海城建建筑产业化研究中心， 上海 200072;2. 上海大学土木工程系， 上海 200072; 3. 上海城建市政工程(集团)有限公司， 上海 200072)

砂性地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

刘 彤1， 2， 3， 陈立生1， 3， 姚 青3

(1. 上海大学-上海城建建筑产业化研究中心， 上海 200072;2. 上海大学土木工程系， 上海 200072; 3. 上海城建市政工程(集团)有限公司， 上海 200072)

土压平衡盾构在砂性地层中施工时，土舱内的土体很难形成塑性流动状态，土舱压力平衡难以建立，易导致开挖面失稳崩塌、排土不顺畅、地表变形过大等影响盾构推进的问题。为确保盾构顺利推进，找出适应于该地层的改良剂及改良参数，对砂性地层土体改良进行研究。针对砂性地层采用添加泡沫剂和膨润土等方法进行改良，分析泡沫半衰期及发泡倍率随泡沫浓度变化的规律，膨润土泥浆黏度及相对密度随泥浆浓度变化规律，找出泡沫剂最优发泡浓度及膨润土最佳浓度，通过坍落度试验确定改良剂注入比，通过现场掘进试验分析改良效果，研究出适用于砂性地层的渣土改良方案。

南昌地铁； 砂性地层； 渣土改良； 土压平衡盾构

0 引言

目前，我国最常用的盾构类型为土压平衡盾构，通过技术改进及应用辅助工法(添加改良剂)后，土压平衡盾构可适用于绝大部分地层，因而发展很快。土压平衡盾构法施工时能正常开挖的一个重要因素是将刀盘开挖下来的土体在土舱中形成一种“塑性流动状态”[1]； 而对于透水性强的砂性地层来说，渗透系数大，流动性差，很难形成“塑性流动状态”，土舱压力平衡难以建立，易导致开挖面失稳崩塌、排土不顺畅、出土口发生喷涌、地表变形过大等问题[2]，影响盾构推进，给施工带来困难。以上问题可通过土体改良得到改善。

目前，常用的添加剂材料分为4类： 矿物类、界面活性材料、水溶性高分子及高吸水性树脂[3]。

在砂性地层中进行土体改良可起到如下作用[4]:

1)使渣土具有良好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；

2)提高渣土的不透水性，使渣土具有较好的止水性，从而控制地下水流失；

3)提高渣土的流动性，利于螺旋输送机排土；

4)防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象；

5)降低刀盘转矩和螺旋输送机的转矩，同时减少对刀具和螺旋输送机的磨损，提高盾构的掘进效率。

一些学者对渣土改良进行了研究。马连丛[5]以成都地铁为依托，对渣土改良技术进行了研究，总结出适用于富水砂卵石地层改良添加剂的种类及添加比例；唐益群等[6]研究了适用于砂性土层的渣土改良施工工艺，指出肥皂水在渣土改良中能起到一定作用，并对肥皂水和泡沫剂分别进行了室内试验，对比分析了肥皂水和泡沫剂的渣土改良效果；许恺等[7]针对土压平衡盾构在砂性地层中掘进常出现的问题，使用肥皂水和泡沫剂进行改良，分析了2种改良剂的影响因素并进行了现场掘进试验，通过现场施工参数分析改良效果，找出了最佳方案；乔国刚等[8]研制出新型泡沫剂，利用该泡沫剂对富水砂层的土体进行土体改良试验，总结该泡沫剂对土体性质的影响，在此基础上加入适量其他类型改良剂详细分析改良效果，对土体改良工程性质的研究具有重要意义；姜厚停等[9]研制出可改变泡沫性能参数的新型发泡装置，通过泡沫试验及坍落度试验，研究出适用于圆砾地层的泡沫浓度及注入比；邱龑等[10]通过室内试验确定配比过程中，采用电镜扫描分析加入改良剂前后土样细观结构的改变，从而得出适用于富水砂层的改良剂合理配比。以上研究大多只选取一种泡沫剂进行改良，在选取改良剂参数时只研究改良剂注入比或只进行室内试验，而对于改良剂自身的性质及现场掘进试验研究较少，分析不够全面。

通过比较各改良剂的优缺点[11]及改良剂的改良机制[12]，结合施工经验，本文选择泡沫剂及膨润土对砂性地层进行改良。以南昌地铁为依托，针对砂性地层土压平衡盾构施工，从改良剂自身性能参数及适应砂性地层时参数2方面进行研究，并结合现场掘进试验，找出适用于砂性地层的最佳改良方案。

1 工程概况

南昌地铁某盾构区间左线隧道起讫里程ZDK36+191.690～+986.664(长链12.947 m)，全长807.921 m；区间右线隧道起讫里程YDK36+191.690～+

986.664，全长794.974 m；区间隧道埋深9.818～16.786 m，区间线间距13.5 m。根据本标段沿线地下水赋存条件、含水介质及水力特征分析，地下水主要有人工填土层上层滞水、第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，水位埋深0.5～6.2 m。盾构主要穿越土层为细砂层、粗砂层、砾砂层、圆砾层，各地层所占比例如图1所示，其中主要为圆砾层，占82%，圆砾层无黏聚力，内摩擦角为36°，相对密度为2.65，渗透系数为60 m/d。砂土流塑性较差，地层损失难以控制，砂砾石孔隙率较大，易造成螺旋输送机喷涌，施工风险控制难度大，且盾构穿越地层管线较多，地面建筑物密集，对渣土改良要求较高。

图1 隧道穿越地层统计图

2 改良剂参数选取

在选取改良剂参数时，有以下2种类型参数。

1)影响改良剂自身性能的参数。对于泡沫剂，发泡液浓度对泡沫剂本身性能影响最大，故主要选取最优发泡液浓度；膨润土以泥浆形式注入，影响自身质量主要是膨润土泥浆浓度。

变异系数是对样本数据特征值变异程度的度量，其确定权重的基本思想是：在一个多指标评价系统中，如果所有评价对象基于某个指标的特征值变化程度都很大，则说明该指标对待不同的评价对象具有较强差异性，可以从该指标角度突出评价对象的特点，在赋权重时应考虑赋予较重比例。具体计算步骤如下：

2)适应某种地层时的参数。对于泡沫剂和膨润土而言，主要确定改良剂注入比。坍落度试验需要使用的试验工具较少、成本较低、操作简单、试验结果得出较快，且可测出渣土的保水性、黏聚性及流动性，故可通过坍落度试验检测渣土流塑性来确定改良剂注入比。

2.1 改良剂浓度选取

2.1.1 泡沫剂

目前，评价泡沫剂自身质量的指标在国际上还没有完全统一，常用的为发泡倍率和半衰期。

泡沫剂浓度不宜太高，且所用发泡装置可设定的泡沫剂浓度在1%～5%，故本组试验泡沫剂浓度为1%～5%，其他参数保持在特定值不变。试验方案如表1所示。

试验过程按要求调整气体流量和压强及液体流量和压强到设定值；使发泡液容器中搅拌均匀的水和发泡原液产生均匀稳定泡沫并收集生产的泡沫；将泡沫注满衰落桶进行称重后测试液体流出量，记录液体每流出 5 g 时所用的时间，至液体接近泡沫质量为止，求得泡沫的半衰期t1/2。做3次平行试验取平均值为最终试验值。

表1 泡沫试验方案

经测试，发泡剂浓度与泡沫半衰期关系曲线如图2所示。可以看出： 发泡剂浓度在1%～3%，半衰期基本呈线性增长；当浓度在3%～4%，增长变缓；超过4%后有减小的趋势。由此可得，发泡剂浓度对泡沫稳定性有明显影响； 但超过一定范围后，增幅不明显，不仅造成浪费，而且还会降低气泡稳定性。

图2 发泡剂浓度与半衰期关系曲线

Fig. 2 Relationship between foaming agent concentration and half-life period of foam

发泡剂浓度与发泡倍率关系曲线如图3所示。可以看出： 发泡剂浓度在1%～3%，随着浓度的增加，发泡倍率迅速增长；当浓度超过3%后，发泡倍率基本不变。由此可得，在一定范围内发泡剂浓度对泡沫稳定性有明显影响，超过一定范围后，影响较小； 故发泡剂浓度不是越大越好，综合考虑发泡剂浓度选为3%。

图3 发泡剂浓度与发泡倍率关系曲线

Fig. 3 Relationship between foaming agent concentration and foaming rate

2.1.2 膨润土

膨润土以泥浆形式注入到盾构中，故膨润土注入参数选取即为泥浆参数选取，而根据土压平衡盾构对泥浆性能的要求，将泥浆的黏度及相对密度作为泥浆质量的评价标准。泥浆黏度可用泥浆黏度计进行测量，而相对密度用比重计。试验方案： 首先配置不同浓度的膨润土泥浆，按照膨润土与水的质量比配置浓度分别为1%～12%的膨润土泥浆，用泥浆黏度计分别测出不同浓度膨润土泥浆的黏度，用比重计测出泥浆相对密度，绘制膨润土浓度-漏斗黏度、膨润土浓度-泥浆相对密度关系曲线，根据试验结果得出最优泥浆浓度。

泥浆黏度试验方法： 先测试清水的漏斗黏度，在漏斗中加满清水700 mL，将漏斗口对准量杯使清水从漏斗口流入量杯中，此时开始用秒表记录时间，当流入500 mL清水至量杯中时停止时间记录，读取秒表。清水流满500 mL所需时间应为15 s，若偏差超过±1 s，应对计算结果进行修正。然后测泥浆漏斗黏度，按照设定的泥浆浓度称取膨润土和水，搅拌均匀，用同样的方法测泥浆的漏斗黏度。

泥浆相对密度试验方法： 将配置好的泥浆搅拌均匀，然后装入泥浆比重计的泥浆杯中(注意装满)，盖子盖上泥浆杯后洗净溢出的泥浆并擦干泥浆杯，将秤杆放置于支架上(注意位置对准)，移动砝码，观察水准气泡位置，当气泡位于正中时秤杆水平，此时读取砝码所处位置的刻度值，此值为泥浆的相对密度。试验用泥浆比重计如图4所示。

图4 泥浆比重计

对不同泥浆浓度做了14组试验，每组试验至少进行3次，取平均值作为最后结果。试验结果如表2所示。

观察14组试验结果，每增加1%的膨润土浓度，泥浆相对密度仅增加0.003～0.006。由此可知，本次试验中泥浆浓度的变化对泥浆相对密度影响较小，可忽略，主要以泥浆黏度作为评价泥浆性能的标准。

根据表2结果绘出不同膨润土含量泥浆漏斗黏度规律图，如图5所示。可以看出： 膨润土浓度在1%～3%时，膨润土浓度-漏斗黏度曲线基本水平，泥浆黏度与清水的漏斗黏度相近；膨润土浓度在4%～11%时，随着膨润土浓度的增加，泥浆黏度小幅度增长；膨润土浓度超过11%时，泥浆黏度急剧增长。实践经验表明，当膨润土浓度超过一定范围后有部分膨润土不溶于水，不适合现场泵送，故膨润土浓度不是越大越好。综合考虑，本工程中选用浓度为10%～20%的膨润土泥浆。

表2 泥浆试验测得的黏度

图5 不同膨润土含量泥浆漏斗黏度规律

Fig. 5 Funnel viscosity law of slurry with different contents of bentonite

2.2 改良剂注入比选取

根据以往试验研究及现场盾构施工实践经验，渣土的坍落度在18～22 cm时满足施工要求[13]。根据地质勘察报告，本工程所处地层含水率为15%。本试验测试的土体为青山路口站内未被基坑坑内加固的土体，如图6所示，颗粒级配曲线如图7所示。

图6 青山路口站内未被基坑坑内加固的土体

图7 颗粒级配曲线

按照上述得出的最优发泡浓度配置泡沫剂，加入试验土中进行坍落度试验。将现场的砂土用烘箱烘干至质量不变，此时含水率为0，加入质量为砂土总质量15%的水，加入搅拌机搅拌均匀，配置含水率为15%的试验用土。不同泡沫注入比对应的坍落度值如表3所示，试验效果如图8所示。

不加泡沫剂时，渣土处于松散状态，流塑性差，不符合施工要求；当加入10%泡沫剂时，坍落度增加幅度较大，渣土情况如图8(b)所示，流塑性较好，满足工程要求；当泡沫剂注入比为30%及以上时，坍落度过大，皆超过22 cm，不符合施工要求。因此，选择泡沫剂的注入比为10%左右。

表3 不同泡沫注入比的坍落度试验结果

(a) 0% (b) 10% (c) 30%

(d) 50% (e) 70% (f) 90%

图8 不同泡沫剂注入比的坍落度试验

Fig. 8 Slump test under different foam injection ratios

分别配置浓度为1∶10(膨润土与水的质量比，下同)和1∶5(膨润土与水的质量比，下同)的膨润土泥浆，加入配置好的试验土中进行坍落度试验。

其中浓度为1∶10的膨润土泥浆坍落度试验结果如表4所示。浓度为1∶5的膨润土泥浆坍落度试验结果如表5所示。注入浓度为1∶10的膨润土泥浆坍落度试验效果如图9所示。当泥浆注入比为5%时，渣土结构较松散，流动性及黏聚性差，对盾构施工不利，不符合要求；当注入10%的泥浆时，渣土具有一定黏聚性但保水性差；注入15%和20%的膨润土泥浆时，保水性差，有析水现象；当注入25%泥浆时，流塑性较好，符合施工要求；注入30%泥浆时，流塑性较好，坍落度为22 cm，渣土较稀。综合考虑以上因素，膨润土泥浆浓度为1∶10时，注入比宜选用25%。

表4 浓度为1∶10的膨润土泥浆坍落度试验结果

Table 4 Slump test results of bentonite slurry with concentration of 1∶10

膨润土泥浆注入比/%坍落度/cm516.01015.51517.02016.72520.53022.0

表5 浓度为1∶5的膨润土泥浆坍落度试验结果

Table 5 Slump test results of bentonite slurry with concentration of 1∶5

膨润土泥浆注入比/%坍落度/cm011.5516.01013.01519.02023.02525.0

(a) 5% (b) 10% (c) 15%

(d) 20% (e) 25% (f) 30%

图9 注入膨润土泥浆的坍落度试验效果(泥浆浓度1∶10)

Fig. 9 Slump test under different injection ratios of bentonite slurry (with slurry concentration of 1∶10)

注入浓度为1∶5的膨润土泥浆坍落度试验效果如图10所示。不加膨润土泥浆时，渣土结构松散，不具有流塑性，不符合施工要求；当加入5%膨润土泥浆(浓度为1∶5)时，坍落度显著增大，渣土具有一定黏聚性，但流动性差；当注入10%膨润土泥浆时，流动性及保水性较差，流塑性没有达到理想状态；注入15%泥浆时，坍落度为19 cm，流塑性好，满足施工要求；当泥浆注入比分别为20%和25%时，坍落度大于22 cm，不符合要求。因此，膨润土注入比不宜过大，膨润土泥浆浓度为1∶10时宜选用20%的泥浆注入比。

(a) 0% (b) 5% (c) 10%

(d) 15% (e) 20% (f) 25%

图10 注入膨润土泥浆的坍落度试验效果(泥浆浓度1∶5)

Fig. 10 Slump test under different injection ratios of bentonite slurry (with slurry concentration of 1∶5)

3 渣土改良效果分析

为了确定膨润土泥浆注入浓度，进行了现场掘进试验，试验中的泡沫剂发泡浓度选取上述最优发泡浓度3%，泡沫剂注入比选10%。在第7环和第45环分别注入浓度为1∶10和1∶5的膨润土泥浆，通过刀盘转矩及推进速度来评价改良效果，由于盾构参数之间相互影响，为了重点分析以上影响因素，其他参数控制在一定范围内基本不变。

对不同膨润土注入浓度下刀盘转矩及推进速度的变化规律进行对比分析，如图11和图12所示。膨润土浓度为1∶10时，刀盘转矩平均值为 3 707.1 kN·m，推进速度平均值为15.9 mm/min；膨润土浓度为1∶5时，刀盘转矩平均值为3 312.6 kN·m，推进速度平均值为31.7 mm/min。注入膨润土浓度为1∶5时，相较膨润土浓度为1∶10，刀盘转矩降低了10.6%，推进速度提高了48.3%。从现场所取的渣样分析，膨润土注入浓度为1∶10时，渣样中细微颗粒含量太低，无法提高渣土的流动性能，和易性差，改良效果不理想； 因此，膨润土注入浓度比选为1∶5。

图11 不同膨润土注入浓度下刀盘转矩变化曲线

图12 不同膨润土注入浓度下推进速度变化曲线

4 结论与建议

1)对于南昌砂性地层，应选取泡沫剂和膨润土进行渣土改良。

2)通过试验找出泡沫剂最优发泡剂浓度为3%，膨润土泥浆的浓度应为10%～20%。改良剂浓度不是越大越好，浓度过大不仅浪费，还会降低改良剂性能。

3)对于南昌富水砂砾层，膨润土泥浆浓度为10%时，建议注入比为25%； 当膨润土泥浆浓度为20%时，建议注入比为15%。选用泡沫的建议配比为浓度3%，建议注入比为10%左右。

4)通过现场掘进试验，发现膨润土泥浆浓度为10%时，改良效果不理想，当膨润土浓度增加到20%时，效果明显改善。

5)对于类似南昌地铁地质条件复杂，地层扰动控制要求高，要做到零扰动是不可能的，应注意采取措施，控制地表沉降及地层扰动。

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Experimental Study of Ground Conditioning of Earth Pressure Balance (EPB) Shield in Sandy Strata

LIU Tong1, 2， 3， CHEN Lisheng1, 3， YAO Qing3

(1.SHU-SUCGResearchCenterforBuildingIndustrialization,Shanghai200072,China;2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;3.ShanghaiUrbanConstructionMunicipalEngineering(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200072,China)

The plastic flowability of soil in chamber during earth pressure balance (EPB) shield tunneling in sandy strata is bad, which would lead to collapse of excavation face, unsmooth mucking and large ground surface settlement. As a result, the soil should be improved so as to guarantee smooth advancing of the shield. The ground conditioning is carried out for sandy strata so as to find the applicable ground conditioning agent and conditioning parameters. The foaming agent and bentonite are used to improve the sandy strata. And then, the relationship between foam half-life period and foam concentration, that between foaming multiplying power and foam concentration, that between viscosity of bentonite slurry and slurry concentration, and that between specific gravity of bentonite slurry and slurry concentration are analyzed, so as to determine the best foam concentration and bentonite concentration. Meanwhile, the injection ratio of conditioning agent is determined by slump test. Finally, the soil conditioning effect is testified by field shield advancing, and a rational ground conditioning scheme for sandy strata is proposed.

Nanchang Metro; sandy strata; ground conditioning; earth pressure balance (EPB) shield

2016-12-27;

2017-05-28

刘彤(1991—)，女，湖北黄冈人，上海大学建筑与土木工程专业在读硕士，主要研究方向为城市公共设施全生命周期协同管理。

E-mail： 2232628247@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.016

U 45

A

1672-741X(2017)08-1018-08