粉质黏土层土压平衡盾构施工中的渣土改良技术*

易鹏程 陈志敏 张常书

(1.兰州交通大学土木工程学院,730070,兰州；2.中铁十八局集团有限公司,300222,天津∥第一作者,硕士研究生)

盾构机在不同地层中掘进时会遇到诸多问题，其中渣土改良是一个重要难题。文献[1-8]对此进行了针对性研究，做出了诸多贡献。然而这些研究针对粗颗粒砂类土与施工技术的改良研究较多，对细颗粒软黏性土的改良研究较少，而且渣土改良效果的评价指标较为单一。本文以广州地铁盾构粉质黏土地层为背景，基于地层物理力学参数分析，采用泡沫剂渣土改良方案，结合坍落度、渗透系数、黏聚力及内摩擦角等多个指标来评价渣土的改良成果，并通过现场试验段的施工参数验证，得到了较准确、合理的改良参数，为相似地质条件下的工程施工提供参考。

1 盾构穿越地层的土样物理力学特性

广州地铁21号线盾构施工段的主要穿越层为粉质黏土层。该地层受季节性降雨影响较大，故在施工中的失水地面沉降、盾构刀盘“结饼”及螺旋输送机闭塞等问题尤为突出。

地层物理力学特性参数(液塑限、颗粒级配及渗透系数等)的有效分析是控制施工参数的依据，也是渣土改良的关键。试验得到的粉质黏土层土样物理力学参数如图1、表1及表2所示。

表2 土样物理力学特性参数

图1 颗粒级配曲线图

表1 土样颗粒分析试验记录

通过分析地层土体参数得出：①土体细颗粒占总质量的70%以上，塑性指数为15.02，是级配良好的粉质黏土；②土样中粉质黏土的平均液性指数为0.33，在0.25～0.75范围内，呈可塑状态，但可塑性差;③渗透系数值为4.26×10-5cm/s，高于盾构施工要求的10-5量级以下。因此，对开挖土舱内渣土进行改良，保证其良好流塑性，是施工中的重点。

2 粉质黏土渣土改良试验及效果评价

根据试样土体物理力学参数，结合改良剂的适用范围，选择泡沫剂作为渣土改良剂，根据改良剂自身评价来确定最优改良剂质量浓度，并进行不同掺入比的渣土改良试验。

2.1 改良剂的性能评价

泡沫改良剂的性能主要由发泡倍率和半衰期两个评价指标来衡量[7]。评价指标与泡沫剂质量浓度的关系如图2及图3所示。

图2 泡沫剂溶液的最大发泡倍率与质量浓度的关系曲线

图3 泡沫剂的半衰期试验曲线

分析图2可知：随着泡沫剂质量分数的增加，发泡倍率先迅速增加后慢慢稳定；当质量分数低于4%时，发泡率增大效果明显。由图3可知：随着泡沫剂质量分数的增加，半衰期先增加、后降低，最后趋于稳定；当质量分数为3%时，半衰期达临界点，最大半衰期为10.5 min；当质量分数低于3%时，半衰期增长迅速；当质量分数高于3%时，半衰期逐渐降低；当质量分数高于5%时，半衰期稳定在9.5 min左右。由上述性能评价可知，当泡沫剂质量分数为3%时，其泡沫剂整体性能较佳。故本次改良试验的泡沫剂采用质量分数为3%的配比。

2.2 渣土改良试验结果分析

将泡沫剂与渣土按不同掺入比混合，可分析渣土的抗渗性能、抗剪强度特性及塌落度的变化，进而得到较佳渣土改良参数。

2.2.1 坍落度试验

文献[9]的研究结果表明，当渣土的坍落度为150 mm左右时，改良渣土具有良好的流塑性。泡沫剂掺入比λ不同时的坍落度试验结果如表3所示。

通过表3分析可知：当λ=20%时，坍落度为145，渣土改良效果最佳。考虑到实际盾构施工情况，粉质黏土的最优坍落度范围为140～160 mm，泡沫剂最佳掺入比为20%～25%。

表3 λ不同时的渣土坍落度试验结果

2.2.2 抗剪试验

开挖掌子面及土仓土体的抗剪强度是盾构顺利掘进的重要影响因素。本文通过室内直剪试验测定粉质黏土在不同λ下的渣土抗剪强度力学参数，如图4～6所示。

图4 不同λ下的S值曲线

由图4可知：当λ为15%～20%时，渣土抗剪强度S变化明显，改良作用效果显著；当λ>25%时，S变较稳定，变化较缓。由此可见λ为20%～25%比较合适。

由图5可知，c变化趋势同抗剪强度曲线类似，最优为20%～25%，改良后c可降低30%左右。

图5 不同λ下的c变化曲线

由图6可得，当λ<20%时，φ随λ的增加降低明显；λ>20%时，φ虽降低却趋于稳定。λ=20%为转折点，此时φ值较改良前φ低了近40%。

图6 不同λ下的φ变化曲线

通过抗剪强度相关参数对比分析发现，合理掺入泡沫剂能大幅降低渣土的抗剪力学性能，对防止刀盘结泥饼、改善渣土的流塑性具有很好的效果。

2.3.3 渗透试验

土仓渣土的渗透系数k是维持开挖面稳定的重要因素之一。当k低于1×10-5cm/s量级时，开挖面能很好满足盾构施工要求。λ不同时的改良渣土渗透试验k变化曲线如图7所示。

图7 不同λ下的k变化曲线

结合图7得：λ=20%为改良效果的转折点；λ<20%时，k增长明显，改良效果显著；λ>20%时，k略有降低，改良状态已达到理想状态要求。

经分析，粉质黏土λ最优值为20%左右。结合工程实际情况及试验改良效果对比结果，确定适合于粉质黏土的λ最优范围为20%～25%。

3 渣土改良现场效果评价

3.1 施工现场泡沫剂应用参数

由于施工过程中的泡沫剂改良效果受到发泡系统及土体松散性等因素的影响，故单一的室内试验结果不能直接应用到施工现场，需计算在施工现场每推进1环消耗的泡沫剂体积Vg：

(1)

式中：

Pa——大气压；

N——施工时的泡沫剂溶液发泡率；

Pt——土仓压力；

K——泡沫剂溶液质量分数；

D——盾构开挖直径；

L——每环管片宽度；

ξ——土体的松散系数。

根据现场数据，取Pt=0.14 MPa，D=6 m，N=15 ，L=1.5 m，K=3%，ξ=1.25，将相关参数代入式(1)，得到施工现场的Vg，如表4所示。

表4 施工现场的Vg

3.2 改良参数的现场合理性评价

为评价渣土改良参数的合理性，在相关地层盾构试验段，对比分析粉质黏土(含砂率<10%)地层改良前后施工参数(掘进速度、刀盘扭矩、出渣量等)的变化规律，如表5及图8～12所示。

表5 现场泡沫改良剂用量

图8 Pt随掘进环数的变化曲线

结合表5分析可知：由于粉质黏土的含水率存在不均匀分布，故渣土改良λ最优值的现场值与理论计算值存在差异，但差异不大；如含水量高，则λ相对减小，反之则相反。

由图8可知：在未改良段Pt不稳定，其变化幅度达±0.08 MPa；在改良段，Pt基本稳定在0.16 MPa左右，变化范围缩小到±0.03 MPa。

由图9可知：在未改良段，刀盘扭矩基本在2.1 MNm左右，最大值达2.3 MNm，且刀盘磨损变形严重；在改良段，泡沫剂作用明显，刀盘扭矩逐渐减小后稳定为1.5 MNm左右，较未改良前减小约0.6 MNm。

图9 刀盘扭矩随掘进环数的变化曲线

由图10及11可知，在未改良段，掘进速度为30 mm/min，出渣量为3 m3/环；在改良段，掘进速度提升为40 mm/min，出渣量稳定保持在4 m3/环以上。可见，改良效果明显。

图10 掘进速度随掘进环数的变化曲线

图11 出渣量随掘进环数的变化曲线

由图12可以看出，总推力在未改良段和改良段变化明显：在未改良段，总推力基本在1.7×104kN左右；在改良段，土仓压力能够合理地平稳掌子面应力，总推力基本稳定在1.2×104～1.4×104kN，达到盾构施工要求的1.4×104kN以下。

图12 总推力随掘进环数的变化曲线

4 结语

本文依托广州地铁盾构下穿粉质黏土层项目，对粉质黏土进行渣土改良试验，得到泡沫剂最优质量浓度、最优掺入比范围及相关渣土性能参数，推导了施工现场泡沫剂应用参数，并通过现场试验验证了现场应用参数的合理性。主要结论如下：

1) 发泡剂的发泡倍率和半衰期性能指标随质量分数变化而变化，较佳质量分数为3%～4%。

2) 粉质黏土改良的λ最优值约为20%，最优坍落度为145 mm。结合实际施工情况，渣土改良的坍落度最优范围为140～160 mm，λ最优范围为20%～25%。

3) 渣土物理力学性能受泡沫剂影响明显。改良渣土的S、c、φ及K随λ的增大呈降低趋势。λ超过最优值时，性能参数变化趋于稳定。

4) 现场试验段试验结果表明，采用泡沫剂改良后的渣土能较好地达到理想流塑状态。刀盘总推力有效降低，并稳定在1.2×104～1.4×104kN；刀盘扭矩稳定保持在1.5 MNm左右；掘进速度稳定保持在40 mm/min左右，出渣量达4 m3/环以上；渣土改良后，Pt稳定在0.16 MPa左右，变化范围缩小到±0.03 MPa。

土压平衡盾构施工参数控制是一个动态平衡的过程。盾构在不同地层、埋深的地质条件下施工可能遇到的问题不尽相同，及时做好记录监测及渣土分析是渣土改良的有效途径。