含砾粗砂岩地层双模盾构土压模式渣土改良技术

张 斌，朱汉标，佟 彬，王树英,4

(1.中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054；2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075；3.中南大学隧地工程研究中心，湖南 长沙 410075；4.轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410075)

为了提高盾构穿越复杂地层时的适应性，通常需要采用渣土改良的辅助措施，以使渣土处于合适的状态，利于盾构安全高效掘进。在黏土地层中，地层的黏附性通常会导致盾构结泥饼，因此需要采用分散剂或分散型泡沫剂等改良剂来降低盾构渣土的黏附性，提高渣土的塑流性，以减小盾构结泥饼风险；而砂土地层中，由于砂卵石等地层具有较高的地层强度，容易导致刀盘刀具磨损等问题，同时，由于砂土地层具有较高的渗透性，当盾构遭遇高水压环境时，需要预防喷涌等现象的发生；因此，砂土地层中，通常采用泡沫剂、膨润土等改良剂进行渣土改良，以增大渣土的塑流性、减小刀具磨损以及减小地层的渗透性以防止喷涌等灾害的发生。可见，渣土改良在细颗粒或粗颗粒地层中得到了较多研究，然而在强度较高的含砾粗砂岩地层中渣土改良研究尚未得到重视，如何在含砾粗砂岩地层中发挥渣土改良的最佳效果，仍然需要进一步研究。

渣土塑流性通常是改良效果的重要指标之一，而坍落度试验是评价渣土塑流性的常用方法。关于渣土改良的合理坍落度范围，不同学者具有不同的见解，如Ye 等研究了高黏粒含量泥质粉砂岩的渣土改良，指出泥质粉砂岩渣土最佳坍落度范围为17～20cm；Peña 建议砂性渣土最佳改良坍落度范围取14～20cm，而乔国刚认为盾构开挖渣土统一最佳坍落度值介于10～16cm。可见，由于地层性质不同，渣土合适改良状态是不同的。然而目前对于含砾粗砂岩地层的渣土改良研究较少，相应的渣土改良参数以及渣土合适状态尚未明确，因此针对含砾粗砂岩地层开展盾构渣土改良研究将具有一定的技术价值和工程意义。

本文依托广州地铁7 号线洪圣沙站-裕丰围站区间项目，通过工程地质分析、改良剂性能试验、坍落度试验等研究最佳渣土改良方案，并通过盾构掘进参数分析选定盾构掘进状态评价指标，以评价含砾粗砂岩地层渣土改良技术的合理性。

1 工程概况与水文地质

1.1 工程概况

广州地铁7 号线二期工程洪圣沙站-裕丰围站区间（简称洪裕区间）位于广州市东部，连接珠江南北两岸，期间穿越了860m 珠江水域及约120m 宽的狮子洋断裂带。洪裕区间采用气垫直排式泥水土压双模盾构进行施工，能实现土压和泥水模式的一键切换。盾构刀盘采用复合式刀盘（图1），开挖直径6.3m，开口率为40%，刀盘面板设置5 个背装式渣土改良喷口。渣土改良系统包括4 路泡沫管路，均为单泵单路控制管路，并采用半自动控制模式进行改良剂的施加。

图1 刀盘结构型式图

1.2 水文地质

盾构段隧道埋深约18.68～27.1m，穿越地层包括＜6＞全风化泥质粉砂岩、＜7-1＞强风化含砾粗砂岩、＜8-1＞中风化含砾粗砂岩和＜9-1＞微风化含砾粗砂岩，其中＜8-1＞中风化含砾粗砂岩地层为盾构穿越主要地层，因此选取该地层进行渣土改良研究。盾构在右线YDK29+240～YDK29+315（左 线ZDK29+290～ZDK29+350）里程中穿越狮子洋断裂带，断裂带宽度约120m，与隧道近乎垂直，相应地质纵断面如图2 所示。

图2 地质纵断面示意图

盾构段主要地表水体为珠江水，盾构下穿珠江宽度约为860m。地下水以松散岩类孔隙水和基岩裂隙水为主，地下水位埋深在0.20～3.26m 之间，地下水主要补给为大气降水和地表水径流。

2 渣土改良试验方案

2.1 改良剂选型试验

盾构在不同地层中掘进时会有不同的施工风险，如刀盘刀具结泥饼、土仓堵塞、螺旋机喷涌等，对不同的施工风险应采用不同的渣土改良剂。洪裕区间穿越地层以中风化含砾粗砂岩为主，为了更有针对性地制定适用于中风化含砾粗砂岩的渣土改良方案，进行了筛分试验和液塑限试验。通过筛分试验测定渣土级配并确定其分类，同时通过液塑限试验测定渣土液塑限，判断渣土可塑性，最后优选适宜的渣土改良剂，并测定改良剂性能。试验结果在第三节中给出。

2.2 渣土二次改良试验

坍落度试验是研究渣土改良状态的常用手段，坍落度试验用土取自944 环盾构新鲜渣土，为中风化含砾粗砂岩，渣土在开挖仓和土仓中已被均匀改良，对应盾构泡沫注入比为20.1%，初始含水率为14.29%。渣土取样后立马开展试验，为盾构渣土改良基础上的二次改良，渣土改良参数建议值为原始盾构改良参数和二次改良参数之和。试验用泡沫取自盾构发泡系统，为对比纯水和泡沫的改良效果，以体现泡沫的有效改良，采用质量控制泡沫或纯水注入量，相应泡沫注入比可结合发泡倍率获得。同时由于地层含水率具有多变性，因此探究了不同含水率下的泡沫改良效果以获得适宜的改良参数，相应的试验工况如表1 所示。拟订改良渣土合理坍落度值区间为7～15 cm。

表1 坍落度试验工况

3 试验结果分析

3.1 改良剂选型试验结果

渣土级配曲线如图3，根据GB/T 50145-2007《土的工程分类标准》，该渣土分类为级配不良砂（SP）。粒径小于0.5mm 的渣土占比34.75%，根据GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》对该粒径范围渣土进行液塑限试验。试验结果如表2 所示，因此渣土细颗粒具有低液限黏土的基本物性。综上可知含砾粗砂岩地层盾构渣土为砂类土，渣土黏粒含量相对较少，因此盾构结泥饼风险较小。且虽然含砾粗砂岩地层渗透性较小，但是地层经切削形成的破碎渣土渗透性较大，在地下水作用下易产生喷涌现象，影响管片拼装质量及洞内工作环境。因此渣土改良剂主要采用泡沫剂，泡沫剂发泡倍率为5.45、半衰期为6.31min，起到改善渣土塑流性、减小渣土渗透系数的作用。

表2 渣土液塑限

图3 盾构渣土级配曲线

3.2 渣土二次改良试验结果

图4 为渣土坍落度随泡沫或纯水注入质量的变化规律，F为泡沫改良，W为纯水改良。可见，随着纯水或泡沫的注入，渣土坍落度逐渐增加。初始改良渣土塑流性明显较差（坍落度2.5cm），当改良工况为w=14.29%、FIR=19.8%～39.6%（对应注入质量为200～400g），w=16.16%、FIR=19.8%（对应注入质量为200g）和w=17.89%、FIR=0 时，坍落度值位于合理改良区间，渣土具有适宜的塑流性。鉴于地层含水率并非定值，因此改良参数的选择应适宜大部分情况，此时二次改良注入质量可选择为200g（注入比为19.8%），以满足含水率为14.29%～16.16%的情况，结合渣土初始改良状态（20.1%的初始泡沫注入比），则可采用40%泡沫注入比进行渣土改良，但当地层含水率进一步变化时，宜适当调整泡沫注入比。

图4 不同含水率下渣土坍落度值变化规律

当渣土含水率为14.29%，泡沫注入量较小时，采用泡沫和采用纯水改良的渣土坍落度差别不大，但随着泡沫注入量的进一步增大，采用泡沫和采用纯水改良的渣土坍落度差异增大，采用泡沫改良的渣土具有更大的坍落度，表明加入泡沫后可明显提高渣土的流动性，但在含水率较低时泡沫的作用效果相对较小。究其原因，破碎后的含砾粗砂岩渣土含水率较小，在基质吸力的作用下，渣土吸水导致泡沫快速排液和破灭，使得泡沫对较干渣土的有效改良效果较小，此时可首先增大渣土的含水率再进行泡沫改良，以减少泡沫的破裂，相应的处治措施包括采用纯水和泡沫进行组合改良、采用发泡倍率小的泡沫（即“湿泡沫”）进行改良以及增大“干泡沫”注入比的措施。选用增大“干泡沫”注入比时，通常要注入较大体积的泡沫才能充分增大渣土含水率，相比“湿泡沫”，改良时间较长，而盾构掘进时应考虑对渣土进行快速改良，因此不予考虑；当采用纯水和泡沫组合改良时，泡沫容易悬浮于水面，与纯水难以混合均匀，导致改良效果不均，且纯水容易导致泡沫液膜中表面活性剂分布不均，泡沫质量变差容易破裂；因此宜选用发泡倍率较小的“湿泡沫”进行渣土改良，在快速改良的同时，增大渣土含水率，减少泡沫破裂，改善渣土塑流性以满足盾构掘进需求。本文采用泡沫剂发泡倍率为5.45，相比常规发泡倍率属于湿泡沫，如前文所述采用40%泡沫注入比可较好地改良渣土。

4 渣土改良应用效果分析

采用发泡倍率为5.45、半衰期为6.31min的泡沫进行渣土改良应用研究，泡沫注入比为40%，如表3 所示。盾构注入比从原本的20%～32%逐渐调整到40%。将掘进扭矩除以对应掘进推力，得到盾构单位掘进推力作用下的盾构平均掘进扭矩值，定义为刀盘扭矩系数。将盾构掘进推力除以速度获得产生单位掘进速度（贯入度）所需要的平均推力值，定义为地层贯入指数。将螺机扭矩除以螺机转速获得产生单位螺机转速所需要的平均螺机扭矩增量，定义为螺机扭矩系数。如图5，当盾构泡沫注入比逐渐增大时，螺机扭矩系数和刀盘扭矩系数均有所减小，说明调整后的改良参数能较好地改善盾构掘进状态，在一定程度上降低刀盘扭矩，减小盾构负荷和刀盘磨损。然而对岩体而言，地层贯入指数更多在于刀具的构造和布置，渣土改良对地层贯入指数的影响较小，因此随着泡沫注入比的增加，地层贯入指数无明显变化。

表3 盾构渣土改良参数建议值

图5 盾构掘进状态随泡沫注入比的变化

5 结论与讨论

针对广州地铁7 号线二期工程洪圣沙站～裕丰围站区间项目含砾粗砂岩地层，通过渣样物性分析、改良剂性能测试、二次改良试验、盾构掘进状态评价等方法，开展渣土改良研究，探究了合适的渣土剂及其改良参数，并通过实际应用效果验证其合理性。主要结论如下。

1）含砾粗砂岩地层稳定性较好，黏粒含量较少，结泥饼风险较小，渣土改良剂主要采用泡沫剂，以改善渣土塑流性，利于盾构出渣。

2）对泡沫改良土进行二次改良坍落度试验，当渣土含水率较小时泡沫容易破灭导致泡沫的改良效果有限，此时可选用发泡倍率较小的“湿泡沫”进行渣土改良。根据坍落度试验结果可选择采用40%注入比的泡沫改良渣土，但当地层含水率变化时，宜适当调整泡沫注入比。

3）采用建议的改良参数进行盾构掘进时，螺机扭矩系数和刀盘扭矩系数均有所减小，说明调整后的改良参数能在一定程度上降低刀盘扭矩，减小盾构负荷和磨损，较好地改善盾构掘进状态，有利于盾构出渣，而刀具破岩效率受渣土改良影响较小，地层贯入指数变化较小。