长沙板岩地层地铁盾构施工渣土改良试验研究

胡焕校，杨万松，孙端阳(中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410006)

土压平衡盾构因施工效率高、环境影响小、工程造价较低等优势已被广泛应用于地铁建设中[1～3]。盾构施工为实现渣土支撑掌子面以建立良好的土压平衡，降低发生掌突水或坍塌的风险，要求渣土具备良好的保水性和塑流性，而刀具切削岩土体天然形成的渣土一般达不到要求，往往需要根据工程实际进行改良[4～6]。

膨润土泥浆和泡沫溶液是常用的渣土改良添加剂，国内外学者进行了一系列探究。汪国锋[7]总结了土压平衡盾构施工的主要问题，指出了土体改良的重要性。王明胜[8]针对广州复杂多变的地质条件进行渣土改良研究，使盾构法能够适应广州地区复杂地层施工。Borio等[9]开展泡沫改良渣土的渗透性试验，其研究成果对实际施工具有指导意义。Quebaud等[10]认为泡沫掺量会显著影响土体渗透性。Raffaele等[11]通过室内试验研究影响渣土坍落度的因素，提出坍落度可反映渣土性质。针对富水砂层盾构施工易导致开挖面失稳崩塌问题[12]，唐益群等[13]通过试验，探究添加剂对减小盾构推进阻力及其对改善砂性土层特性的影响。钟毅等学者[14-18]着眼于富水卵石地层摩擦性高、渣土塑流性差等情况，设计试验探究适合于各自工程的改良方案。

坍落度值是评价渣土改良效果的重要指标。Jancsecz等[19]建议泡沫剂改良砂性土的最佳坍落度为20～25cm，姜厚停等[17]认为膨润土泥浆和泡沫溶液改良卵石层合理坍落度在15～20cm之间，叶新宇等[20]提出泥质粉砂岩渣土改良最优坍落度是17～20cm，邱龑等[21]总结富水砂层膨润土泥浆和泡沫溶液改良最优坍落度分别为19.5～20.5cm和20～21cm。

目前渣土改良相关研究较少，再加上工程地质条件复杂各异，改良剂种类、配比、注入量等因素对改良效果的影响仍有待深入研究。本文以长沙地铁4号线某区间盾构掘进微风化板岩地层为背景，首先通过XRD、SEM与室内力学试验，探究板岩地层盾构刀具磨损严重和排渣不畅的原因，试验发现板岩中石英、长石、锰尖晶石较多，矿物分布均匀，板岩岩性致密，研磨性高，渣土磨圆度、黏性差导致出渣不畅，然后针对渣土特征设计坍落度试验进行改良。由于渣土颗粒多呈棱角状，平均粒径较大，细粒土极少，级配不良，故分别采用膨润土泥浆和泡沫溶液进行改良试验，探究各改良参数条件下渣土改良效果，结合渣土塑流性、和易性、保水性指标，研究坍落度、含水率、添加剂配比与注入量的最优值问题。最后将改良方案运用到实际施工中，探究其实用性，确定适合于长沙地区典型微风化板岩渣土改良的合理参数。

1 微风化板岩矿物成分与结构分析

长沙地铁4号线某区间盾构连续、全断面穿越约1.3 km微风化板岩，隧道线间距13～15 m，隧道埋深16～21 m，设有联络通道。该板岩属于典型的元古界板溪群板岩，为浅变质岩系，节理裂隙稍发育，岩芯呈块状、短柱状及柱状，岩块难折断，RQD值60%～80%，属较硬—硬岩，岩体较完整[22]。为研究微风化板岩研磨性，在联络通道取大块原状岩石，将具有代表性的样品分别研磨成粉末和制成薄片，岩粉采用D/max 2500X射线衍射仪进行XRD粉晶衍射试验，分析板岩矿物成分(图1)，薄片进行SEM扫描电镜试验，观察岩石微观结构(图2)。

图1 微风化板岩矿物成分图Fig.1 Mineral composition of the slightly weathered slate

图2 微风化板岩结构图Fig.2 Structure of the slightly weathered slate

由图1可知，板岩中主要矿物为石英、长石、方解石、高岭石，次要矿物为锰尖晶石和云母。石英含量最高为35%，方解石含量为26%，在电镜下都呈浅灰色，结构均为细粒变晶结构；长石含量为14.4%，在放大倍数较大时可以清晰看到穿插变晶结构发育；高岭石含量为15.4%，锰尖晶石含量为6.1%，云母含量为3.1%。石英、方解石、高岭石等主要矿物分布均匀，板岩岩性致密，增加放大倍数后可明显看出岩石内部存在微裂隙。

微风化板岩中长石和石英含量约占一半，且含有部分锰尖晶石，长石、石英、锰尖晶石摩氏硬度高，加上矿物分布均匀，板岩岩性致密，决定板岩具有较高的研磨性，对刀具有较大的磨损。盾构刀具切削板岩是物理过程，形成的渣土颗粒研磨性高，板岩渣土黏性差，出渣不顺畅易产生二次磨损。

2 微风化板岩室内力学试验

微风化板岩结构中存在的微小孔裂隙使其强度可能受水和泡沫溶液影响。为探究水和泡沫溶液对板岩自身力学性质的影响，通过联络通道取代表性、一致性较强的大块原状板岩，按规范[23]要求取样并加工成直径65 mm、高130 mm的标准圆柱体试样，进行室内单轴抗压与直剪试验。单轴抗压试验岩样分5组，每组4个样，分别进行干燥、天然、饱和、泡沫配比饱和处理，其中，泡沫配比依工程经验取泡沫剂与水体积比5%，充分混合发泡后放入岩样饱和。直剪试验岩样设置干燥、天然、饱和、泡沫配比饱和4种状态，每种状态设置5个岩样，对应5级垂直压力。烘干、饱和、加载等操作均严格按规范执行，试验结果见表1、表2。

表2 微风化板岩直剪试验结果Table 2 Shear test results of the slightly weathered slate

由表1知，饱和状态板岩单轴抗压强度比天然状态低约18%，天然状态比干燥状态低13%，软化系数为0.73，表明水对微风化板岩抗压强度有明显影响。泡沫配比饱和板岩单轴抗压强度比饱和低约3%，可见泡沫配比饱和与清水饱和对板岩单轴抗压强度影响差异性不明显。研究抗剪强度参数发现，微风化板岩天然状态黏聚力约2.2 MPa，内摩擦角在42°左右，黏聚力与内摩擦角均随含水率增加而降低。与干燥状态相比：饱和状态板岩黏聚力约降6%，内摩擦角约降14%，泡沫配比饱和状态板岩黏聚力约降10%，内摩擦角约降18%，可见泡沫配比饱和与清水饱和对板岩抗剪强度参数影响有一定差异，泡沫配比饱和状态板岩黏聚力和内摩擦角更小。综上，微风化板岩单轴抗压强度和抗剪强度参数受水的影响均很明显。

3 微风化板岩渣土改良试验

为保证与工程实际的一致性，取现场掘进微风化板岩形成的渣土进行筛分与坍落度试验。膨润土泥浆适合改良细粒含量少的土体，泡沫溶液适合平均粒径较大的土体[24]。分析渣土级配发现其细粒土含量少，平均粒径大，满足膨润土泥浆和泡沫溶液对改良对象的要求。诚然，渣土含水率对坍落度影响很大，本试验采用经验公式，结合盾构实际施工参数确定渣土含水率，并将现场不同注水量与含水率对应，研究其对坍落度的影响。然后分别将膨润土泥浆与泡沫溶液作为改良添加剂，通过测量不同含水率、添加剂配比与注入比条件下渣土坍落度值，研究其与各改良参数之间的关系。再结合渣土塑流性、和易性、黏稠度与保水性指标，评价渣土改良效果，探究膨润土泥浆与泡沫溶液改良微风化板岩渣土的实用性与最佳坍落度值，并确定含水率、添加剂配比与注入比等改良参数的最优值。

3.1 渣土级配分析与含水率确定

渣土级配对改良方法和效果影响较大[25]，取板岩渣土进行0.075 mm及以上粒径筛分试验，试验发现渣土中几乎没有20 mm及以上的颗粒，得到级配图(图3)。根据筛分试验计算出中砾约占17%，细砾含量约18.2%，粗砂约31.7%，中砂约占10.1%，渣土粗颗粒含量超过80%；细砂约16.6%，细粒土仅约6.4%。渣土颗粒多为棱角状，磨圆度较差，细颗粒土极少，级配不良，导致黏性、塑流性差，出渣过程不易发生结饼等现象，但出渣不顺畅。

图3 板岩渣土级配图Fig.3 Grain size distribution of soil

盾构渣土含水率与岩土体自身含水率及注水量等因素有关。为保证试验渣土含水率与现场基本一致，根据经验公式(1)[17]确定渣土含水率ω：

(1)

式中：ωn，ρd——板岩含水率、干密度。室内试验测得ωn=12.1%，ρd=2.34 g/cm3；

l，D——管片宽度和盾构开挖直径，依实际情况取1.5，6.28 m；

ρw——水的密度，取1 g/cm3；

vi——掘进每环注水量，硬岩盾构施工经验值为4～10 m3。

3.2 膨润土泥浆渣土改良试验

微风化板岩渣土中细颗粒含量少，黏性差，采用膨润土泥浆作为改良添加剂进行坍落度试验。泥浆浓度(土水质量比)经验值为1/8～1/6，据此设置泥浆浓度10%，12%，14%，16%，18%，按不同浓度配制泥浆(加3%CMC促进土粒分散)，静置水化12 h，通过ZNN-SD6黏度计测定不同浓度的泥浆黏度(图4)，研究泥浆浓度对黏度的影响规律。

图4 膨润土泥浆黏度-浓度图Fig.4 Viscosity-concentration diagram of the bentonite mud

从图4中可以看出，泥浆浓度对表观黏度和塑性黏度的影响规律大致可分为3个阶段：浓度低于12%时，黏度随浓度增长较快；浓度在12%～14%时，黏度随浓度的增加迅速增大，黏度受浓度影响程度最大；浓度超过14%后其对黏度的影响程度较小。

每次坍落度试验取10 L渣土称重，依经验vi取3，4，…，8 m3，由式(1)确定渣土含水率为14.9%，15.8%，16.8%，17.7%，18.6%，19.6%；注入比(泥浆与渣土体积比)为10%～18%，取8%，11%，14%，17%，20%，据此确定掺入泥浆的体积。采用不同含水率重配渣土，再根据不同注入比分别掺入不同浓度的泥浆，充分混合搅拌进行2次坍落度试验，取坍落度平均值作为测定值，并观察各条件下渣土塑流性、和易性及保水性，结果见图5。

图5 膨润土泥浆渣土改良坍落度值Fig.5 Slump constant values of soil conditioning experiment by the bentonite mud

由图5知，在泥浆浓度和注入比相同的条件下，渣土坍落度随含水率增加而增大，且泥浆浓度和注入比较小时含水率对坍落度的影响更大。当泥浆浓度和含水率相同时，坍落度随注入比增加而增大，且注入比低于约17%时其对坍落度的影响程度更大。在含水率和注入比相同的条件下，泥浆浓度对坍落度的影响大致可分为2个阶段，浓度低于14%时其对坍落度的影响不明显，总体上浓度增加坍落度略有下降；浓度高于14%时其对坍落度影响较大，坍落度随浓度增加而明显下降，泥浆浓度过小则黏度过小，对渣土黏性和保水性影响较小，达不到改良效果，过大会增加成本，甚至可能产生结泥饼等新问题。试验过程中发现坍落度在19～22 cm时渣土塑流性、保水性良好，综合确定膨润土泥浆改良微风化板岩渣土的合理泥浆浓度为14%～15%，注入比为14%～17%，含水率为16.8%～18.6%，由此确定注水量宜为每环5～7 m3。

3.3 泡沫剂渣土改良试验

由于微风化板岩渣土平均粒径较大，适合采用泡沫溶液改良。坍落度试验vi依经验取6，7，…，11 m3，确定渣土含水率为17.7%，18.6%，19.6%，20.5%，21.5%，22.4%。泡沫剂为罗氏泡沫，发泡率为15倍，经验配比(泡沫剂与水体积比)为3%～6%，试验取3%，4%，…，7%制成溶液充分发泡，注入比(泡沫溶液与渣土体积比)取经验值10%。每次坍落度试验取渣土10 L称重，按不同含水率配制渣土后根据注入比分别掺入配比不同的泡沫溶液，充分搅拌均匀进行2次坍落度平行试验，并观察各条件下渣土状态，试验结果见图6。

图6 泡沫溶液渣土改良坍落度值Fig.6 Slump constant values of soil conditioning experiment by the foaming agent

图6显示，注入比为10%时渣土坍落度随泡沫配比和含水率增加而增大，且当含水率低于18.6%时坍落度受其影响更大，含水率增加1%，坍落度增大7～8 cm；含水率低于18.6%渣土坍落度小，塑流性差。注入比和含水率相同的条件下，坍落度随泡沫配比增加而增大。试验中发现最优坍落度为19～21 cm，此时渣土塑流性、和易性较好，不出现析水现象。综合考虑，泡沫溶液改良微风化板岩渣土合理配比为4%～5%，含水率为19.6%～21.5%，对应注水量为每环8～10 m3。试验过程渣土3种典型状态见图7。

图7 渣土三种典型状态Fig.7 Three typical states of soil(less slump, reasonable slump and much slump)

4 现场渣土改良效果验证与评价

为验证和评价渣土改良方案实用性，当盾构左、右线在微风化板岩地层掘进901环时分别开始注入泡沫溶液与膨润土泥浆。根据室内试验，泡沫溶液配比取4%～5%，注入比10%，计算掘进每环泡沫剂用量为40～50 L、注水量为8～9 m3；同样，膨润土泥浆渣土改良泥浆浓度取14%～15%，注入比15%～16%，计算掘进每环膨润土用量0.5～0.9 m3、注水量5～6 m3。渣土改良每环实际参数见表3，改良前后盾构部分施工参数见图8。

表3 盾构掘进每环实际改良参数Table 3 Actual improvement parameters for each segment of the shield tunneling

图8 渣土改良前后盾构部分施工参数Fig.8 Partial construction parameters of EPB shield before and after soil conditioning

从图8可以看出，左、右线901环以前盾构推力和扭矩平均值分别为18 500 kN、3 000 kN·m，均超过其理论计算值16 000 kN和2 800 kN·m。分别采用泡沫溶液和膨润土泥浆改良渣土后，推力和扭矩均下降约30%，低于理论计算值；改良后盾构平均掘进速度由23 mm/min提高到34 mm/min，效率提高40%。现场渣土塑流性、保水性、和易性较好，出渣顺畅，刀具磨损大幅度降低，完成1.3 km微风化板岩掘进仅换刀2次，换刀次数比预计大幅减少，表明泡沫溶液和膨润土泥浆均实用于微风化板岩地层渣土改良，且改良参数合理有效。

5 结论

(1)微风化板岩含大量长石、石英和部分锰尖晶石，矿物分布均匀，板岩岩性致密，对刀磨损较大；板岩渣土黏性、磨圆度、颗粒级配差，出渣不顺畅，易产生二次磨损。天然状态微风化板岩单轴抗压强度约65 MPa，黏聚力约2.2 MPa，内摩擦角42°左右，板岩内部存在微小孔裂隙，具有软化性，水对板岩单轴抗压强度和抗剪强度参数影响较大。

(2)通过室内坍落度试验，得到膨润土泥浆改良板岩渣土的合理含水率为16.8%～18.6%，对应掘进每环注水量5～7 m3，泥浆浓度为14%～15%，注入比为14%～17%；结合渣土塑流性、和易性与保水性指标，确定膨润土泥浆改良最佳坍落度为19～22 cm。

(3)根据泡沫溶液改良板岩渣土的坍落度试验结果，确定其改良合理配比为4%～5%，含水率为19.6% ～21.5%，对应掘进每环注水量8～10 m3，注入比约10%，坍落度为19～21 cm时渣土塑流性良好。

(4)将室内试验确定的改良方案与参数运用到实际施工中，分别进行膨润土泥浆和泡沫溶液渣土改良。经验证发现，渣土改良后盾构推力、扭矩明显降低，掘进效率明显提高，刀具磨损大幅度下降，膨润土泥浆和泡沫溶液改良微风化板岩渣土实用性强，效果显著，同时，该渣土改良方法对盾构掘进类似地层仍有借鉴意义。