基于盾构掘进效果的富水砾砂地层渣土改良试验研究

刘 飞，杨小龙，冉江陵，吴田涛，杨 鹏，王树英

(1.中铁五局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，湖南 长沙 410205；2.中铁开发投资集团有限公司，云南 昆明 650100；3.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

0 引言

随着土压平衡盾构的广泛应用，盾构常需穿越富水粗颗粒地层，其中典型的有南宁和昆明地区的砾砂、圆砾地层及成都和北京等地区的砂卵石地层。此类地层粒径较大，大于2 mm的颗粒含量较高，黏聚力低，孔隙率高且透水性强，地层自身具有一定的强度，但受到扰动易突然坍塌[1]。土压平衡盾构在此类地层中掘进时，由于渣土塑流性较差，不利于螺旋输送机排土，土舱压力不易控制，难以有效平衡开挖面的水土压力[2]，易诱发过大的地层沉降乃至地表塌陷；在富含地下水的粗颗粒土中掘进，螺旋输送机中渣土在高水压的作用下易发生喷涌，导致土舱压力难以维持；渣土易对刀具、螺旋输送机产生磨损，甚至导致螺杆断裂，延误盾构掘进进度[3]。

盾构掘进中许多问题都与渣土状态相关[4-7]。为保证盾构的顺利施工，国内外一些学者开展了关于渣土改良的研究。如：肖超等[4]指出渣土改良参数优化后盾构总推力、转矩和土舱压力相对平稳；R.Vinai等[8]测得泡沫改良渣土后螺旋输送机转矩大幅度减小，土舱压力波动性减小；程池浩等[9]针对砂砾地层，证实了渣土经合理改良后，有利于土舱压力与螺旋输送机压力的平稳，可以减小盾构掘进载荷，明显提升施工效率；许恺等[10]根据现场试验的结果指出，合理的泡沫掺量有利于盾构快速掘进，缓解刀盘磨损，降低转矩；邱龑等[11]依托富水砂层中某盾构工程，通过室内试验确定了以泡沫、膨润土为主的改良方案，研究表明渣土改良有助于稳定刀盘转矩及推进速度；胡长明等[12]确定了改良富水砂卵石所用泡沫溶液的浓度与掺入比，基于盾构推力、土舱压力、刀盘转矩、掘进速度及出土量等参数间接评价改良效果。

已有研究表明，渣土改良会显著影响盾构掘进参数，进而对地层变形产生影响。但目前砾砂地层盾构渣土改良相关的研究还较少，其与掘进参数的关系尚不明确，需要开展深入研究。本文依托昆明地铁4号线小菜园站-火车北站盾构区间(简称小-火盾构区间)盾构隧道工程，研究富水砾砂地层渣土改良对盾构掘进的影响规律，在此基础上提出合理改良建议与渣土状态评价指标。

1 工程概况

昆明地铁4号线小-火盾构区间起讫里程为K8+435.252～K9+966.915，全长约1 531.663 m。隧道洞径为6.2 m，覆土厚度为11～33 m，自小菜园站至火车北站段隧道底板埋深逐渐加大。隧道位于富水地层，地下水位为1.8～4.5 m。盾构主要穿越圆砾层与砾砂层。各地层的主要力学参数如表1所示。小-火盾构区间沿线的地质纵断面如图1所示。

表1 地层力学参数表Table 1 Mechanical parameters of various soils

图1 小-火盾构区间地质纵断面图Fig.1 Geological profile of Xiaocaiyuan Station-Railway North Station section

选取盾构右线里程K8+528.3～+542.7作为试验段，盾构主要穿越砾砂地层，该区段内的渣土级配曲线如图2所示。大于2 mm的颗粒占渣土总质量的34%～47%，根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》[13]中提供的土的工程分类方法，该类渣土属于典型的砾砂土。盾构采用辐板式刀盘，开口率为40%，开挖直径为6.44 m，盾体长度为8.36 m，额定转矩为6 700 kN·m，最大推力为42 550 kN。

图2 试验区段的渣土级配曲线Fig.2 Soil gradation curves of test section

2 渣土改良效果评价

土压平衡盾构在富水砾砂地层中掘进时，盾构渣土需满足塑流性与渗透性的要求。为此对盾构掘进过程中排出的渣土进行取样试验，测试其坍落度与渗透系数，以确定合理的改良方案。

2.1 渗透试验

渣土改良另一个重要目的是减小渣土的渗透性，增强其止水性，从而降低螺旋输送机发生喷涌的风险。渗透系数是评价渣土改良效果的一个重要参数，对渣土进行渗透试验，测试其经过渣土改良后的渗透系数。渗透试验采用自主设计的可调压常水头大型渗透仪，对第79环和81环取得的渣土分别进行了渗透性测试(见图3)。试样高度为53 cm和56 cm，上部水头为12 m，试验土样为盾构螺旋输送机排出的渣土。

图3 渣土渗透试验Fig.3 Permeability test of soil

改良渣土渗透试验结果如图4所示。图中试样1为第79环渣土，试样2为第81环渣土。随着试验的进行，渣土中的细颗粒逐渐被渗流水携带至土样的底部，渗透系数随测试时间的增加而降低。2组试样的渗透系数变化基本一致，在2 h后的渗流量为0，说明在试验水头作用下，渣土已经完全不透水。此外，土样的初始渗透系数仅为1.2×10-7m/s，其渗透性完全可以满足本区段中盾构掘进的抗渗性要求。

图4 改良渣土渗透试验结果Fig.4 Permeability test results of conditioned soil

2.2 坍落度试验

对第74-82环盾构排出的渣土进行了坍落度试验(见图5)。为防止泡沫消散对试验结果产生影响，每组试验应在3 min内完成。测试结果及对应的改良参数如表2所示。该区段内仅使用了少量泡沫配合注水来改良渣土，其中泡沫体积分数为3%，发泡倍率约为8，单环泡沫原液用量为15～20 L。根据试掘进经验，当渣土坍落度大于12 cm时，渣土易从螺旋输送机口喷出。盾构在试验段内掘进时，渣土坍落度相对较小，第78、79、81、82环的坍落度为5～10 cm，其余坍落度为0～5 cm。

(a) 第74环 (b) 第75环 (c) 第76环

表2 现场坍落度试验结果表Table 2 Results of slump tests on site

渣土坍落度与含水率的关系如图6所示。可以看出:渣土坍落度与含水率呈明显的正相关关系，含水率越大，坍落度也较大。对于小-火盾构区间的砾砂类地层，当泡沫用量较少时，可通过增加水的用量改善渣土的塑流状态。

图6 渣土坍落度与含水率的关系Fig.6 Relationship between slump value and water content

2.3 试验段改良渣土状态评价

目前国内外学者认为理想渣土的坍落度为10～20 cm[4,8,11,14-17]，在本试验段中渣土的坍落度都小于10 cm，依据此前学者提出的标准，试验段中的渣土塑流性较差。理想渣土坍落度本身是一个定性概念，受掘进模式、土舱压力和地层条件等影响，不同文献所针对的渣土与工程背景不同，导致确定取值时具有很强的主观性。本文采用坍落度来评价渣土改良效果时，未采用预设合理值，而是通过分析盾构掘进的实际效果，来确定适用于本工程的坍落度范围，进而给出相应的改良方案。国内外学者基本都认为改良渣土渗透系数的数量级为10-7m/s[12,14,18-22]。依据此标准，试验段内的改良渣土渗透系数满足要求。事实上，上述文献中所谓的"建议值"往往没有明确来源，而是依靠工程经验确定。改良渣土的合理渗透系数控制为10-7m/s量级时，认为基本满足抗渗性要求，但具体效果仍需通过实际掘进效果来评价。

综上所述，就已有文献的标准而言，试验区段中的盾构渣土的抗渗性基本满足要求，塑流性偏低，但由于坍落度与渗透系数的取值比较依赖经验，主观性较强。渣土改良作为保证盾构顺利掘进的一种手段，仍需通过盾构实际掘进的效果来检验改良方案的合理性。本文在试验段内监测盾构在各环掘进时的出渣状态，通过分析渣土状态与掘进参数的关系，验证渣土改良的可行性。

3 施工期间的掘进参数分析

渣土改良的最终目的是保证盾构掘进过程中不发生喷涌现象，渣土能够顺利排出，且掘进参数波动不大，保证盾构平稳施工。试验段内每环的地质条件基本相同，且在试验段要求盾构操作要连贯一致，可认为在此试验段内的盾构掘进参数变化主要是由渣土状态变化引起。通过分析渣土状态对总推力、刀盘转矩、比推力、比转矩和推进速度的影响，以此验证渣土改良效果，最终提出渣土改良的评价指标--坍落度。由于盾构记录系统出现问题，导致其中部分数据缺失，选取试验段第74、76、79、80、81、82环的数据分析掘进参数与渣土状态的关系。

3.1 渣土状态对总推力和转矩的影响

每环掘进时总推力的平均值与标准差分别反映推力大小与波动程度，二者与渣土坍落度的关系如图7所示。可以看出：1)盾构渣土的坍落度与总推力具有负相关关系，原因是坍落度越大，渣土的塑流性越好，说明随着渣土改良不仅有利于渣土输送，还可以降低盾构的推力；2)盾构推力的标准差与渣土状态的关系不明显，原因是各环的总推力基本都比较平稳，以波动较大的一环为例，标准差也仅为均值的1.9%。

图7 渣土坍落度与盾构总推力、标准差的关系Fig.7 Variation of total thrust force and standard deviation with slump value

与分析总推力类似，取每环掘进期间刀盘转矩的平均值与标准差，将其与该环渣土坍落度联系起来，得到如图8所示的关系。可以看出：1)第79、81、82环的转矩相对较小且平稳，而第74、76、80环的转矩在推进时都有频繁的波动；2)随着坍落度逐渐增加，刀盘的转矩在逐渐减小，标准差也在减小，转矩的波动性在减弱，即合适塑流性的渣土能够控制盾构转矩的波动性。

图8 渣土坍落度与刀盘转矩、标准差的关系Fig.8 Variation of cutterhead torque and standard deviation with slump value

3.2 渣土状态对比推力和比转矩的影响

盾构掘进时的比推力是指盾构总推力与贯入度的比值，是衡量盾构掘进过程中对推力的需求；比转矩是指盾构总转矩与贯入度的比值，是衡量盾构掘进时对转矩的需求。二者的计算公式[23-24]如下：

Fn=F/P。

(1)

Tn=T/P。

(2)

式中：Fn为比推力，kN/mm；F为盾构总推力，kN；P为贯入度，mm；Tn为比转矩，kN·m/mm；T为盾构总转矩，kN·m。

盾构在试验段中掘进时的比推力和比转矩与渣土坍落度的关系如图9所示。可以看出：1)随着渣土坍落度的增加，比推力和比转矩均呈现一定程度的减小，这表明随着渣土塑流性的增强，盾构切削地层所需的推力和转矩都将减小，能够降低盾构掘进时的能量消耗；2)比推力和比转矩的变化趋势基本相同，这表明比推力和比转矩呈现出一定的线性关系，即在此地层中掘进时，盾构所需的推力和转矩呈正比。

图9 渣土坍落度与比推力、比转矩的关系Fig.9 Variation of specific thrust and specific torque with slump

value

3.3 渣土状态对推进速度的影响

渣土的塑流状态会直接影响盾构掘进的效率。为分析这一影响的大小，将掘进速度与对应的坍落度绘入图10中。可以看出：渣土的坍落度与盾构掘进速度的关系不明显，相关系数较低，说明渣土状态有助于促进盾构的高效掘进，但并非决定性因素。

图10 渣土坍落度与掘进速度的关系Fig.10 Variation of tunneling speed with slump value

坍落度反映出渣土的塑流状态，对富水砾砂地层盾构掘进有明显影响，塑流性更好的渣土对应着较低的推力和刀盘转矩，且有助于提高盾构掘进速度。在分析了盾构掘进效果后可知：1)随着渣土坍落度的增加，盾构掘进时的推力和转矩逐渐减小；2)在满足渣土塑流性与渗透性要求的条件下，第81、82环的更有利于掘进参数的控制，且试验段内实际掘进效果较好。

对于本区段内的富水砾砂地层，可将合理的渣土坍落度取为5～10 cm，并在实际施工的基础上确定合理改良参数如下：泡沫剂体积分数为3%、发泡率为8，每环泡沫原液消耗量为20 L，并额外注水3～6 m3。在盾构采用此改良参数后，掘进较为顺利，且施工中未发生结泥饼和喷涌现象，并保证了隧道的按时贯通，表明了渣土改良参数适用于此类富水砾砂地层。

4 结论与讨论

1)昆明地区砾砂土的坍落度与含水率呈明显的正相关关系，含水率越大，坍落度也较大。在渗透试验过程中，渣土中的细颗粒逐渐被渗流水携带至土样的底部，渗透系数随测试时间的增加而降低，在2 h后减小为0。

2)通过分析渣土的塑流状态与掘进参数间的关系可知，塑流性较好的渣土对应着较低的刀盘转矩、推力、比推力和比转矩，能够提高盾构推进速度，说明塑流性较好的渣土能够有效降低盾构能耗，提高掘进效率。

3)本区间渣土具有一定的黏性，过小的坍落度(0～5 cm)不利于螺旋输送机出土，建议酌情增加改良剂或增加注水量，提高渣土的流动性。对掘进参数与地层扰动的分析可知，坍落度达到5～10 cm即可满足施工要求。

本文依托工程现场开展研究，获得了诸多有益结论，但仍存在一定的局限性。盾构掘进过程中的理想渣土状态受多种因素影响，如盾构掘进模式、土舱压力、地质条件等，本文从工程应用角度出发，依托昆明地铁4号线小-火盾构区间，提出了适用于当前条件下的渣土改良参数，但更深层次的规律还有待于在本工程的其他区段或其他类似工程进一步采集数据分析。