破碎地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

任国臣 包砚文

(1.同济大学,上海 200092； 2.中交隧道工程局有限公司,北京 100102)

0 引言

近年来，随着国内城镇化水平的快速提高，地下空间开发工程正以前所未有的速度和规模蓬勃发展。我国一二线城市大量上马地铁工程建设项目，其中多数采用盾构施工方法。由于我国各地区土层性质差异巨大，常用的土压平衡盾构施工方法经常因不适应地层特性而遇到姿态难以控制、刀盘扭矩过大、掘进速度过慢、出渣困难、地表塌陷或隆起等问题[1]。土压平衡盾构掘进时，其前端刀盘旋转切削土体进入土仓，刀盘后隔板与掌子面之间形成泥土室，当土体充满土仓后，其压力与切削面上的水、土压力基本相同，从而实现稳定掌子面的作用，这就要求土仓中的土体具有良好的塑流性[2]。为了使得土体达到适当的塑性流动状态，施工过程中需要有效改良渣土流动性，从而降低喷涌量、降低刀具磨损速度。

为了保证土压平衡盾构施工顺利进行，国内外学者在渣土改良方面进行了大量研究。A.Bezuijen等[3]研究制作了模型压力仓，向压力舱模型注入气泡，通过对砂土与气泡的混合土的渗透性、压缩性、黏滞性和孔隙水压力进行了相关研究。张明晶等[4]采用朱伟教授研制的发泡剂和发泡装置进行发泡，用于土体改良试验中发现，在一定范围内土体强度随气泡掺量增加而降低。

1 工程背景

1.1 工程概况

宁高城际轨道交通二期禄口新城南站—铜山站盾构区间，线路自盾构井始发后，向东南前进。线路线间距13.5 m～13.6 m。盾构区间起止里程为DK4+350～DK6+740，长2 390 m(双延米)，盾构区间最小曲线半径1 000 m，线路纵断面大体呈“V”形，以3.015‰,14.45‰,9.9‰下坡至最低点后以16.228‰,28‰上坡，隧道埋深5.8 m～21.4 m。盾构区间主要穿越粉质粘土、残积土、全风化凝灰质安山岩、强风化凝灰质安山岩、中等风化凝灰质安山岩等地质层。

1.2 工程难点

由于隧道埋深较浅、地层较为破碎，开挖土缺乏流动性，在盾构机推进压力的作用和较高的温度环境下，在土仓内发生压密、固结排水，形成“泥饼”，造成螺旋输送机管道堵塞以及刀具工作效率降低；隧道穿越地层破碎，承压水与裂隙水分布范围及水量变化较大，在含水量大的地层中工作时，螺旋机排土器出口处出现喷涌，导致渣土在土仓中堆积以及隧道内积水，影响掘进效率。

2 渣土改良试验方案

渣土的改良效果的评级体系较为综合，含水率和改良剂掺量是两个重要的影响因素。以试验结果为基础，对比分析含水率和改良剂掺量对渣土状态的影响。其中渣土改良效果的评价主要根据渣土的坍落度判断改良后渣土的流动性[5]。

目前，国内外对渣土改良后适宜的坍落度值范围没有统一标准，一些专家认为坍落度100 mm～150 mm较为合适，也有一些专家认为120 mm～200 mm较为合适[6]。

通常情况下含水率对渣土坍落度试验的影响很大，渣土粘聚力随含水率增大而减小，流塑性随含水率增大而增大。因此文中对该地层从不同含水率和不同改良剂掺量角度对渣土的流动性进行了试验分析。

3 渣土取样及物理性质

3.1 渣土取样

为了分析在相对均质的地层中不同掘进参数下渣土颗粒的物理性质，在盾构机掘进过程中，通过调整推力、刀盘转速等参数，待施工参数稳定后，在输送皮带末端随机取样并做好密封措施。为了保证盾构掘进正常，盾构机各掘进参数需要控制在一定范围之内。由于掘进参数动态变化特性，因此改变的掘进参数会在拟定的掘进参数附近浮动，取样参数见表1。

表1 取样参数表

3.2 渣土物理性质

通过取固定容量的容器，将每编号渣样依次并称取重量，去掉容器重量后算得渣样密度。通过称量每编号渣样湿质量，然后平置于防水板上自然风干1 d后放入烘箱10 h，烘干后称取干质量，算得渣土含水率，各编号密度及含水率如表2所示。

经计算，各渣样平均密度为1.79 g/cm3，由于盾构掘进过程中会流向土仓内，因此测得含水率高于实际含水率，实际含水率应接近地层含水率。

表2 各渣样密度与含水率表

4 渣土改良试验

4.1 改良剂选择

土压平衡盾构施工主要的渣土改良方法有加水、膨润土、高分子聚合物和泡沫剂等，其中泡沫剂是较为合适的改良添加剂，本次试验选择使用南昌某公司YHP系列土壤改良泡沫剂，其成分主要为表面活性剂、稳定剂、渗透剂等，是专门针对盾构机在隧道施工中的一种辅助材料，能有效改良土壤塑性，具体技术指标如表3所示。

表3 泡沫剂技术指标

4.2 试验过程及结果

按含水率16%配置平均级配的渣土，通过控制泡沫剂溶液流量(混合溶液浓度为3%)和控制气压的方法得到泡沫(发泡倍率为10倍以上)，其掺量分别为渣土体积的0%,20%,40%,60%。在不同掺量的泡沫下，用搅拌机将渣土充分搅拌，搅拌结束后分层灌入坍落度桶内，每层用捣棒由外向内插捣15次，灌满后用刮刀将桶口渣土刮平。拔出坍落度桶，测其坍落度，记录数据。在含水率16%下加减2%，分别为12%,14%,18%,20%。再按上述两步进行操作。

对每组进行实验拍照并量取坍落度值，试验过程如图1～图3所示，所得结果建立含水率与流动性关系及泡沫剂掺量与流动性关系如图4，图5所示。

从图1中可知，在泡沫剂掺量一定时，渣样含水率越高，渣样的坍落度值越大。其中渣样含水率从12%增加到14%时，渣样坍落度值增加较为缓慢；含水率从14%增加到16%时，渣样的坍落度值迅速增加；之后随着含水率的增加，渣样坍落度值增加速率再次放缓。同时渣样泡沫剂掺量达到40%之后，泡沫剂掺量增加，渣样坍落度值差异逐渐变小。

从图2中可知，在渣样含水率较小的情况下(含水率为12%,14%)，泡沫剂掺量的增加，渣土坍落度值迅速增加。含水率为12%时，渣样坍落度值从41 mm增加到179 mm；含水率为14%时，渣样坍落度值从64 mm增加到176 mm。随着含水率的进一步增大，渣样坍落度值增幅非常缓慢，含水率为16%,18%,20%时，渣样坍落度值分别从185 mm,202 mm,216 mm增加到220 mm,239 mm,239 mm。同时也能看出，渣样含水率在16%时，随着泡沫剂掺量的增加，渣样坍落度值出现明显差异，即含水率到达16%之后，渣样坍落度值增加幅度迅速减小。

5 结语

渣样含水率在16%～18%时，渣样通过掺入泡沫剂能达到较好的流塑状态，此时渣土坍落度值范围在180 mm～230 mm，并且渣土中细颗粒能很好的将粗颗粒进行包裹，渣土的保水性较好，不析水，渣土接近饱和状态。而泡沫剂掺量掺入40%左右时改良效果最佳，能获得较好的经济效益。