土岩复合地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

金 成，吴 帆，李福军，赵军峰，龚秋明，殷丽君

(1.北京工业大学城市防灾与减灾教育部重点试验室，北京 100124；2.中国水利水电第一工程局有限公司，吉林 长春 130033)

0 引言

地铁作为缓解我国城市交通拥堵的一种高效交通出行方式在很多一、二线城市得到大力推广和应用，土压平衡盾构由于占地面积小、适用地层较广、经济效益高等优点在城市地铁隧道建设中被广泛使用[1]。

土压平衡盾构在施工时，依靠刀盘旋转切削前方土体，切削产生的渣土通过刀盘开口到达土压舱，并利用土压舱内渣土产生的土压力平衡掌子面前方的水土压力。为了产生连续均匀稳定的土压力，这就要求渣土具有良好的流塑性、保水性、较低的摩擦系数和渗透系数等[2]。而未改良的渣土一般不具备以上特点，因此有必要针对不同地层进行渣土改良的试验研究。目前，国内外一些学者针对不同地层和泡沫添加剂进行了一系列室内和现场试验研究。对泡沫添加剂，Psomas等[3]设计了一套发泡装置，通过试验研究发现影响泡沫质量的主要因素为发泡液性能和气泡中的气液比例。汪辉武[4]通过自制的发泡设备和搅拌设备，研究了气液比、浓度等对泡沫半衰期、发泡倍率、泡沫尺寸的影响。对于单一地层渣土改良试验，杨洪希等[5]针对粉质黏土地层易出现“结泥饼”问题，采用泡沫进行改良，通过室内试验和对现场掘进数据进行分析发现，粉质黏土地层采用泡沫改良可达到改良效果。刘飞等[6]针对富水砂砾地层进行渣土改良试验研究。通过对试验段内每环渣土进行坍落度试验和对掘进参数进行分析发现，坍落度达到50～100mm便可满足施工要求。姜厚停等[7]针对卵石地层进行了室内试验，得到最佳的添加剂配合比，随后对取样点的卵石地层进行了掘进试验，取得良好试验结果，并得到卵石地层渣土的最佳坍落度范围在150～200mm。Sebastiani等[8]进行了室内摩擦试验，得出土体的矿物组成、粒径分布、颗粒形状、表面粗糙度等对摩擦试验结果影响较大，但加入泡沫后渣土的摩擦性可明显降低。对于复合地层的渣土改良，龚秋明等[9]形成了一整套针对复合地层的添加剂改良方案。加武荣[10]采用室内试验结合现场检测统计的方案，发现在土岩复合地层中每环泡沫剂用量最多。

上述针对不同地层渣土改良的试验中，多数集中于单一地层，针对土岩复合地层的室内渣土改良试验较少。本文以深圳市地铁12号线某区间隧道土岩复合段为例，进行了室内渣土改良试验，从而获得泡沫注入比与掌子面土体占比变化规律，为盾构施工穿越土岩复合段的渣土改良提供一定参考。

1 工程概况与地质条件

深圳市地铁12号线是支撑深圳市西部发展轴带建设，前海(蛇口)自贸区、空港新城地区城市发展，缓解南山中心区、宝安中心区交通拥堵的普速线路。隧道区间成洞内径5.5m、外径6.2m。

此区间地质条件呈现出地下水位高、岩体风化程度差异大等特点，覆土在10～110m。隧道区间施工过程中需穿越软土地层、软土硬岩复合地层、硬岩及断裂构造带。当右线掘进至183环时，进入长度约为22.5m(15环)的土岩复合地层，此时隧道平均埋深约22m，地下水位于地表下约3.4m处。右线0～205环地质剖面如图1所示。

图1 区间右线地质剖面

2 试验方案与岩渣配制

2.1 试验方案

在土岩复合地层中掘进时，随着掌子面土体占比降低，渣土中岩渣体积增大，为了保证稳定开挖，泡沫注入比必将发生变化。从该区间隧道取得全风化混合花岗岩，先进行全风化混合花岗岩的室内渣土改良试验，在此基础上再进行土岩复合地层的渣土改良试验研究，具体试验方案如下(试验流程如图2所示)。

图2 土体改良试验流程

1)确定全风化混合花岗岩地层的最优含水率ω和泡沫注入比FIR。

2)试验共配制渣样8L。根据掌子面土体占比不同，计算出所需岩渣体积V2和质量m2。

3)根据现场所测的岩石渣样的级配曲线，使用由北京工业大学机械破岩试验平台[11]所破岩渣配制相同级配曲线的岩渣。

4)将所配岩渣掺入土样进行土岩复合地层的渣土改良室内试验研究。

2.2 土样参数和岩渣配制

深圳全风化混合花岗岩的级配曲线如图3所示。测得土样d10=0.63mm，d30=1.25mm，d60=5mm，计算得到不均匀系数Cu=7.94>5，曲率系数Cc=0.50<1.0，为级配不良的均匀土。采用GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》测得全风化混合花岗岩的塑限ωP和液限ωL分别为24.1%，28.9%。

图3 土样级配曲线

选取岩渣约20kg进行筛分，得到筛分曲线如图4所示。

图4 岩渣筛分曲线

为了方便计算不同土体占比下岩渣的体积和质量，参考文献[12]的方法，引入土岩复合角θ(0≤θ≤2π)的概念，如图5所示，其中H1为掌子面土体高度，H2为掌子面岩石高度，D为隧道开挖直径。掌子面土体占比λ可表示为H1/D。

图5 土岩复合地层掌子面示意

掌子面土体占比λ与土岩复合角θ间的关系如下式所示：

θ=2arccos(1-2λ)

(1)

掌子面岩石体积V2与土体体积V1之比为：

(2)

试验时控制试样体积为8L，土样和岩渣的体积V1和V2分别为：

(3)

(4)

岩石密度约为2.6g/cm3，根据图4可得每个筛孔筛余的岩石质量。

3 渣土改良室内试验

渣土改良室内试验包括泡沫性能试验、坍落度试验和搅拌试验。

3.1 泡沫性能试验

半衰期和发泡倍率是评价泡沫性能的重要指标，且已有的试验研究表明，发泡液浓度对半衰期和发泡倍率的影响最大[13]。

本试验通过龚秋明等[14]研制的室内发泡装置进行泡沫制备。对不同浓度的泡沫发泡剂溶液进行了试验，试验结果如图6，7所示。

图6 发泡液浓度与半衰期关系曲线

图7 发泡液浓度与发泡倍率关系曲线

从图6中可看出，随着发泡液浓度的增大，半衰期呈现出先快速增大后逐渐平稳的变化趋势。当发泡液的浓度从1%增长至3%时，半衰期从4.09min增长至8.14min，增长4.05min，增幅接近100%；而当发泡液浓度从3%增长至6%时，半衰期增长3min左右，增幅明显下降。

发泡液浓度与发泡倍率也呈现出相同的变化规律。当发泡液浓度为3%时，发泡倍率为34.25。根据施工经验，泡沫在大气压下的半衰期要>6min，发泡倍率不能<20倍[13]，而当发泡液浓度为3%时均能满足以上要求，同时考虑到经济因素，选用3%浓度的发泡液进行室内渣土改良试验。

3.2 坍落度试验

坍落度试验由于设备简单、操作方便、试验过程短等优点被广泛应用于室内和现场进行。含水率与坍落度关系曲线如图8所示，发现全风化混合花岗岩坍落度与含水率的关系存在4个阶段：①当含水率在4%～12%时，土体较松散，未形成整体的黏聚，坍落度随含水率的变化不太明显；②当含水率在14%～18%时，土体逐渐黏结在一起，但此时的黏聚性依然较差，当含水率达到18%时，坍落度降至0；③含水率在20%～24%时，土体的黏聚性随着含水率的增加而增大，此时的坍落度依然为0；④当含水率在25%～35%时，坍落度随着含水率的增加而增大。当含水率达到28%时，坍落度迅速增大，流动性得到明显提高，但随着含水率的增大也同时伴随着析水、土样坍落过快等问题。

图8 含水率与坍落度关系曲线

从试验现象看，不同含水率下的全风化混合花岗岩流塑性差异大。随着含水率增大，土样的流动性和黏聚性都能得到一定提升。当含水率较低时，土样的流动性对含水率的变化不是很敏感。随着含水率增加，土样也会出现析水、坍落不成型等问题，因此只加入水不能使土样达到理想的改良效果。

在含水率为18%，22%，26%，28%，30%条件下注入不同体积的泡沫，得到坍落度与泡沫注入比的关系曲线，如图9所示。

图9 泡沫注入比与坍落度关系曲线

从图9中可看出，当全风化混合花岗岩含水率较低(如为18%，22%)时，由于全风化混合花岗岩吸水性较好，注入的泡沫基本破灭，泡沫对其改良效果较差。当含水率为26%，28%时，随着泡沫注入比增大，坍落度逐渐增加。而当含水率为30%时，泡沫注入比对土样坍落度影响较小，但土样的流动性会得到明显提升，同时也存在由于含水率过大使得泡沫混合土样的流动性过大等问题。

总体来说，对于深圳的全风化混合花岗岩，当坍落度值为100～220mm时，土样流动性较好，坍落度试验后的土体形状规则，较稳定，无明显析水现象，满足盾构施工对土体流动性的要求。

3.3 室内搅拌试验

室内搅拌试验采用由龚秋明等[15]研制的搅拌设备进行。通过记录的空转电流I0和试验电流I可换算得到搅拌扭矩T，具体计算过程如下。

1)首先求得搅拌过程中土样所消耗的搅拌功率P，计算公式如下：

P=U(I-I0)

(5)

式中：I0为搅拌机空转电流；I为搅拌土样时电流；U为电动机电压，本试验取220V。

2)由于搅拌时搅拌叶片的转速w一定，则土样的搅拌扭矩如下：

T=9.5P/w

(6)

选取合理坍落度下的试样进行室内搅拌试验。根据搅拌扭矩的大小和搅拌过程中的扭矩波动情况对不同的改良方案进行评价。选取的试样：①含水率26%和泡沫注入比90%～140%；②含水率28%和泡沫注入比0～150%；③含水率30%和泡沫注入比0～150%。

图10反映出不同含水率下搅拌扭矩与泡沫注入比的关系。从图10中可发现，不同改良方案下的搅拌扭矩差异较大。含水率为26%时，泡沫注入比达到140%左右时，搅拌扭矩才较低。而当含水率较高时，较低的泡沫注入比便可获得较低的扭矩。考虑到经济因素，含水率为28%时，泡沫注入比在80%～100%和含水率为30%时，泡沫注入比在 50%～60% 较合理。

图10 不同含水率下搅拌扭矩与泡沫注入比关系曲线

图11反映搅拌扭矩随时间的变化规律。从图11中可看出，5种改良方案的扭矩在13.5～18.0N·m 波动。其中，当含水率为28%、泡沫注入比为80%时，扭矩较低的同时，波动也较小；而当含水率为30%时，虽然扭矩较低但波动较大。

图11 搅拌扭矩随时间变化曲线

综上所述，全风化混合花岗岩的最佳改良方案为含水率28%、泡沫注入比80%，此时的坍落度为190mm，渣土流动性好，扭矩低且平稳，改良后渣土的理想状态如图12所示。

图12 改良全风化混合花岗岩的理想状态

4 土岩复合地层中不同土体占比条件下的渣土改良试验

掌子面土体占比λ分别取0.9，0.8，0.7，0.6，0.5。在含水率为28%和泡沫注入比为80%的基础上进行土岩复合地层的渣土改良试验研究。进行试验时发现当λ为0.9，0.8时，在此基础上改良可获得较理想的效果；而当λ为0.7，0.6，0.5时，由于岩粉较多，在渣土中起到黏结作用，增加了土和岩渣间的黏聚力，降低了其流动性，因此初始含水率为28%不能获得较好的改良效果。通过试验发现，当含水率为32%时，可获得较好改良效果。

4.1 坍落度试验

不同含水率、掌子面土体占比下，坍落度随泡沫注入比关系曲线如图13所示。从图13中可发现，随着掌子面土体占比增加，相同泡沫注入比下坍落度会减小，这是因为岩渣在渣土中起到骨架和填充作用，增加了渣土整体的稳定性。当λ=0.9时，坍落度随泡沫注入比的增加几乎呈线性增长趋势；而当λ<0.9时，坍落度随泡沫注入比的增加呈现先缓慢增长，随后迅速增长，最后逐渐稳定的变化趋势。从试验渣土的形状看，渣土改良后的理想坍落度在100～200mm。

图13 不同土体占比下坍落度与泡沫注入比关系曲线

4.2 搅拌试验

在不同土体占比下搅拌扭矩随泡沫注入比变化的关系曲线如图14所示。从图14中可看出，随着泡沫注入比增大，搅拌扭矩随之降低。当λ=0.9，泡沫注入比为120%时，搅拌扭矩较低。其他情况下，随着泡沫注入比增加，扭矩初始变化较小，后迅速降低，临界泡沫注入比分别为180%，220%，280%，300%。

图14 不同土体占比下搅拌扭矩与泡沫注入比关系曲线

在λ=0.8，0.7，0.6，0.5时的临界泡沫注入比下，搅拌扭矩随时间的变化规律如图15所示。从图15中可看出，随着掌子面土体占比下降，渣土中岩渣比重上升，搅拌扭矩的波动幅度明显增加，但扭矩总体上来说还是维持在较低水平。因此，此时的临界泡沫注入比便可认为是最优泡沫注入比。改良后的理想状态如图16所示。

图15 不同土体占比下搅拌扭矩随时间变化规律

图16 改良后的理想状态(λ=0.5)

4.3 改良结果分析

泡沫注入比与掌子面土体占比关系曲线如图17所示。从图17中可见，随着掌子面土体占比的降低，泡沫注入比呈现出线性增长趋势。掌子面土体占比每降低10%，泡沫注入比增加50%。

图17 泡沫注入比与土体占比关系曲线

5 工程实例

本文以该区间的土岩复合段(183～198环)进行分析。随着环号增加，掌子面土体占比均匀下降。

5.1 泡沫注入比对比分析

通过采集到的数据可计算出施工时使用的发泡液浓度约为3%。计算渣土体积时考虑一定的松散系数ξ，复合地层的松散系数取值可参考文献[10]。实际工程中泡沫剂的发泡倍率是在盾构压力舱的有压状态下测出，与大气压下测得的发泡倍率不同。根据热力学定律，大气压下的发泡倍率与特定气压下的发泡倍率有如下转换关系：

(EFRa-1)Pa=(FER-1)P

(7)

式中：FERa为大气压下的发泡倍率；Pa为大气压；FER为特定大气压下的发泡倍率；P为特定大气压。

计算得到现场施工泡沫注入比与室内试验的泡沫注入比对比曲线，如图18所示。

图18 现场施工与室内试验掌子面土体占比与泡沫注入比对比曲线

从图18中可看出，随着掌子面土体占比减小，现场施工的泡沫注入比和试验所得的泡沫注入比都呈线性增长趋势。但试验所得结果的斜率大于施工现场。室内试验中，掌子面土体占比每降低10%，泡沫注入比平均增加50%，而现场施工中增加的泡沫注入比较低，这有可能会造成施工时的扭矩及其波动均较大。

5.2 盾构施工扭矩与土压力分析

盾构扭矩随掌子面土体占比变化曲线如图19所示。从图19中可发现，当掌子面土体占比为1.0时，此时泡沫注入比为98%，大于室内试验的80%，扭矩较低，仅为1 024.61kN·m。当λ=0.93时，对应的环号为184环，泡沫注入比达到135%，扭矩降低至804.25kN·m。但当掘进至185，186环时，对应的λ分别为0.87，0.80，泡沫注入比仅为71%，94%，相较于184环不升反降，这造成扭矩快速上升，且最后达到2 296.66kN·m，相较于183环时的扭矩增加了近125%。但在187环后随着泡沫注入比较稳定增长，扭矩的变化幅度明显降低。

图19 扭矩随掌子面土体占比变化曲线

186环和191环扭矩随时间变化曲线如图20所示。从图20中可看出，虽然191环掌子面土体占比较低，但由于泡沫注入比为169%，其值较高，而186环时仅为94%，因此191环的扭矩整体均低于186环的扭矩。但186环和191环的扭矩随时间的波动均较大，这不仅会降低掘进效率，也会增加刀具磨损。

图20 扭矩随时间变化曲线

土压舱能否建立稳定的土压力也是评价渣土改良性能的一个重要指标。选取土岩复合地层的上部土压力测量值，如图21所示。从图21中可看出，随着掌子面土体占比降低，土压力值较稳定，波动幅度也较低。虽然施工中每环增加的泡沫注入比低于室内试验结果，但这也有利于土压舱内建立稳定的土压力。

图21 土岩复合地层的上部土压力测量值

6 结语

1)室内试验确定发泡液的最佳浓度为3%。不同含水率和泡沫注入比下全风化混合花岗岩地层理想改良状态下的坍落度为100～220mm。

2)试验中全风化混合花岗岩最佳改良方案为含水率28%、泡沫注入比80%。

3)试验得到土岩复合地层理想状态下的坍落度为100～200mm；土体占比每降低10%，泡沫注入比增加50%。

4)在土岩复合地层中，随着掌子面土体占比降低，增加泡沫注入比也有利于土压舱内建立稳定的土压力。