南昌上軟下硬地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良技術(shù)研究

翟圣智，胡蒙達(dá)，葉明勇，葉新宇，王樹(shù)英，詹 濤

(1．南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330038;2．中鐵五局(集團(tuán))有限公司，貴州貴陽(yáng) 550003;3．中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

眾所周知，土壓平衡盾構(gòu)在地鐵施工中起著無(wú)法取代的地位，但盾構(gòu)在不同地層中掘進(jìn)會(huì)遇到諸多問(wèn)題，其中為了防止渣土結(jié)“泥餅”、噴涌等，保證盾構(gòu)的正常掘進(jìn)，渣土改良顯得尤為重要。魏康林［1-2］提出了土壓平衡式盾構(gòu)施工“理想狀態(tài)土體”的概念，還對(duì)非理想狀態(tài)土體引起的常見(jiàn)盾構(gòu)施工問(wèn)題進(jìn)行了概述。同時(shí)通過(guò)幾年的室內(nèi)土體改良試驗(yàn)研究，分析了國(guó)內(nèi)常用的兩種外加劑(泡沫和膨潤(rùn)土)和土體相互作用的內(nèi)在機(jī)理。朱偉、郭濤、魏康林［3］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)氣泡的基本性能進(jìn)行了研究，并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中研究了氣泡性能對(duì)開(kāi)挖土體的改良效果。付艷斌［4］結(jié)合具體工程提出在上軟下硬地層中盾構(gòu)掘進(jìn)的渣土改良主要為防止結(jié)泥餅以及噴涌并對(duì)改良參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)范圍進(jìn)行了概括。姜原停、閆鑫、龔秋明［5］］對(duì)土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫改良砂土以及圓礫進(jìn)行了試驗(yàn)研究。針對(duì)盾構(gòu)在砂土、圓礫地層的掘進(jìn)過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題，提出最有效的解決方法是使用泡沫等添加劑對(duì)土體進(jìn)行改良。馬連叢［6］對(duì)界面活性材料(即泡沫)在富水砂卵石土層盾構(gòu)施工渣土改良的效果進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果選擇施工中的最佳配比，最后用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

南昌地鐵一號(hào)線5標(biāo)中山西路站～子固路站盾構(gòu)區(qū)間前200 m為上軟下硬地層，上層為可能造成噴涌的富水砂礫石地層，下層為極易結(jié)泥餅的泥質(zhì)粉砂巖地層，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的渣土改良提出了很高的要求。為此，在施工前先對(duì)渣土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)以得到較準(zhǔn)確的渣土改良參數(shù)指導(dǎo)施工。本文以此為背景，采用合理的渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工，對(duì)上軟下硬地層的土壓平衡盾構(gòu)渣土改良技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

南昌地鐵一號(hào)線5標(biāo)從中山西路站開(kāi)始沿中山西路自西向東前行，穿越撫河后進(jìn)入中山路，最后到達(dá)子固路站。沿途旁穿工商銀行江西省分行、江西省保險(xiǎn)服務(wù)中心、中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行江西省支行、南昌市財(cái)政局等高層建筑。

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

中子區(qū)間前200 m為上軟下硬地層，覆土厚度為14.7～17.4 m。上層為富水細(xì)砂、礫砂地層，下層為全～中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層(圖1)。地下水分為上層滯水、松散巖類(lèi)孔隙水、碎屑巖類(lèi)裂隙、溶隙水。上層滯水主要賦存于淺部雜填土層中;松散巖類(lèi)孔隙水為潛水，局部為承壓水，主要賦存于沖積砂礫石層中，水位埋深6.50～8.14 m;碎屑巖類(lèi)裂隙、溶隙水主要賦存于破碎的粉砂質(zhì)泥巖層中，滲透系數(shù)較小。

圖1 上軟下硬地層的縱斷面(單位:m)

1.2 刀盤(pán)配置及附屬系統(tǒng)

根據(jù)本標(biāo)段的地質(zhì)狀況，本項(xiàng)目采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)?？紤]將中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的有效破巖切削以及砂礫石的摩擦損耗，同時(shí)防止結(jié)泥餅和防噴涌等問(wèn)題，對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)和其他附屬系統(tǒng)進(jìn)行了以下幾方面的設(shè)計(jì)。

1)刀盤(pán)配置:刀盤(pán)直徑6.28 m，開(kāi)口率為34%，泡沫口數(shù)量和膨潤(rùn)土口數(shù)量分別為3個(gè)和2個(gè)，主動(dòng)攪拌臂數(shù)量為4個(gè)。

2)刀具布置:刀盤(pán)上有滾刀6把，切刀40把，邊刮刀12把。

3)螺旋輸送機(jī):軸式螺旋輸送機(jī)直徑為0.8 m，最大通過(guò)粒徑φ290×560 mm，出渣能力335 m3/h。

4)渣土改良系統(tǒng):盾構(gòu)機(jī)上配置擠壓泵式膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)，注入能力8 m/h，注入口數(shù)量12個(gè)，膨潤(rùn)土罐容量8 m3。泡沫系統(tǒng)的泡沫注入量范圍為5～300 L/h，泡沫發(fā)生器數(shù)量為3個(gè)。

1.3 工程難點(diǎn)分析

在南昌軌道交通1號(hào)線一期工程土建二標(biāo)中，遇有相似上軟下硬地層發(fā)生結(jié)泥餅現(xiàn)象(圖2)，故對(duì)渣土改良應(yīng)引起重視。

圖2 土倉(cāng)內(nèi)結(jié)泥餅情況

采用Rigaku D/max 2500全自動(dòng)X射線衍射儀對(duì)泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行物相分析，得到泥質(zhì)粉砂巖的礦物成分及其含量(表1)。從表1可以看出泥質(zhì)粉砂巖中的黏土礦物成分含量很高(達(dá)40.5%)，容易造成刀盤(pán)結(jié)泥餅。而富水砂礫石地層中，盾構(gòu)掘進(jìn)刀盤(pán)的擾動(dòng)使原本密實(shí)的礫砂變得松散而形成超挖。且在這種地下水豐富的地層中推進(jìn)極有可能造成噴涌。故對(duì)上軟下硬地層在掘進(jìn)時(shí)進(jìn)行渣土改良顯得尤為重要，為了確定渣土改良參數(shù)，應(yīng)先對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的改良渣土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，以確定合理參數(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行指導(dǎo)。

表1 礦物成分分析結(jié)果

2 渣土改良試驗(yàn)及結(jié)果分析

本工程主要改良劑選用泡沫劑。渣土改良效果評(píng)價(jià)方法有多種，而普遍采用的評(píng)價(jià)方法為坍落度試驗(yàn)。根據(jù)我國(guó)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用坍落度來(lái)測(cè)定改良后渣土的流動(dòng)性，進(jìn)而確定渣土的改良效果。

2.1 渣土改良試驗(yàn)

選取幾個(gè)典型盾構(gòu)掘進(jìn)斷面(刀盤(pán)在砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖地層中的面積比分別為2∶1，1∶1，1∶2)，再對(duì)此幾個(gè)典型斷面的渣土按照體積比例進(jìn)行配合得到試驗(yàn)用的目標(biāo)渣土，其他斷面的參數(shù)可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行插值。試驗(yàn)所用渣土的含水率也應(yīng)根據(jù)原狀土的含水率進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)得出飽和砂礫石的含水率為13.3%，結(jié)合泥質(zhì)粉砂巖的原狀土的含水率為11.4%，所以上軟下硬地層的渣土含水率應(yīng)根據(jù)砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖的面積比例來(lái)定，從而得到砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖面積比分別為 2∶1，1∶1，1∶2，在此 3 種情況下進(jìn)行坍落度試驗(yàn)時(shí)含水率分別為12.67%，12.35%，12.03%。除此之外，試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)泡沫劑的性能進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)用泡沫劑的發(fā)泡率在15倍以上，且所發(fā)出泡沫的半衰期在5 min以上方能達(dá)到要求。本次試驗(yàn)選用的某泡沫劑的發(fā)泡率為20倍，半衰期為13.5 min。隨后，用此泡沫劑發(fā)出泡沫對(duì)混合渣土進(jìn)行渣土改良(坍落度)試驗(yàn)。

坍落度試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于每組的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的記錄并對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行大致的描述，篩選出坍落度在17～20 cm的試樣，并通過(guò)觀察其流動(dòng)性確定其改良效果(確定渣土改良的添加劑配比)，從而推算出實(shí)際施工時(shí)的渣土改良參數(shù)。本文選取砂土比為2∶1的混合渣土在泡沫添加比分別為25%和40%時(shí)的坍落度試驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明。試驗(yàn)結(jié)果為泡沫添加比為25%的渣土的坍落度為8 cm，而當(dāng)泡沫添加比增加至40%后，坍落度急劇增大到17 cm。從試驗(yàn)顯示的渣土狀態(tài)也可以看出，當(dāng)泡沫添加比為25%時(shí)渣土的流塑性不好(圖3)，而泡沫添加比為40%的渣土改良狀態(tài)較好(圖4)，可見(jiàn)泡沫的增加顯著改善了渣土的流塑性，從而起到良好的渣土改良效果。

圖3 坍落度8 cm混合渣土

圖4 坍落度17 cm混合渣土

2.2 渣土改良結(jié)果及建議現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)

通過(guò)對(duì)渣土添加泡沫進(jìn)行改良試驗(yàn)，確定渣土在哪種泡沫添加比時(shí)的改良效果最好。3種渣土的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 3種渣土在不同泡沫比下的坍落度試驗(yàn)結(jié)果 cm

由表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖的面積比在2∶1，1∶1及1∶2時(shí)的最佳泡沫添加比分別為25% ～30%，37.5% ～45%和40% ～50%。將渣土的體積換算成盾構(gòu)每掘進(jìn)一環(huán)的土體體積，并考慮以下3個(gè)影響因素推算出盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的渣土改良參數(shù)。

1)盾構(gòu)機(jī)所能設(shè)定的最大發(fā)泡率(膨脹率)為15倍，而室內(nèi)試驗(yàn)所用的發(fā)泡劑溶液是充分發(fā)泡的，發(fā)泡率達(dá)到了20倍，故應(yīng)對(duì)其進(jìn)行換算。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的土倉(cāng)壓力與大氣壓不同，而室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)的渣土改良是在大氣壓下進(jìn)行的，故泡沫體積在不同壓力下的變化應(yīng)予以考慮，對(duì)土倉(cāng)內(nèi)的泡沫體積相比大氣壓條件下進(jìn)行折減。

3)土體被盾構(gòu)切削后會(huì)有一定的松散性，這是由于原狀土或者巖石被破碎切削后水以及空氣會(huì)進(jìn)入土體而使土體的體積有所增大。在這種情況下，泡沫的添加比也應(yīng)根據(jù)土體的松散性進(jìn)行調(diào)整。

綜合參考上述3個(gè)因素推算出盾構(gòu)每掘進(jìn)一環(huán)渣土泡沫劑用量如表3所示。

表3 建議渣土改良參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了了解現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的渣土改良參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果的差異，對(duì)主要的渣土改良參數(shù)(泡沫劑使用量、注水量)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)對(duì)渣土改良效果與改良參數(shù)進(jìn)行對(duì)比以獲得最佳改良參數(shù)。

3.1 改良參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5為泡沫劑隨盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)的用量。從曲線趨勢(shì)可以看出泡沫劑用量的變化幅度比較大，這與地層情況復(fù)雜有關(guān)，且由于盾構(gòu)在富水砂礫石地層中掘進(jìn)，地下水的影響導(dǎo)致渣土中的含水率也變化較大，從而泡沫注入量無(wú)法較準(zhǔn)確地確定，只能根據(jù)渣土情況做實(shí)時(shí)調(diào)整。從整體上看盾構(gòu)每進(jìn)入下一個(gè)地層，泡沫劑的使用量都有一個(gè)較大的浮動(dòng)，原因?yàn)槎軜?gòu)在不同地層中掘進(jìn)時(shí)，參數(shù)有一個(gè)調(diào)整過(guò)程，到調(diào)整的后期參數(shù)會(huì)逐步穩(wěn)定。根據(jù)地勘報(bào)告，前40環(huán)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)有＞2/3的部分在砂礫石中推進(jìn)，所以受地下水的影響較大，具體為富水砂礫石所占面積越大則泡沫隨地下水進(jìn)入地層的泡沫越多導(dǎo)致泡沫用量隨之增加，反之亦然。前40環(huán)的泡沫劑平均使用量為80.5 L。同樣，盾構(gòu)刀盤(pán)在兩種地層的面積比為1∶2～2∶1時(shí)，泡沫劑的用量逐漸從開(kāi)始起伏較大到慢慢穩(wěn)定下來(lái)，平均每環(huán)的泡沫劑用量大致為76.7 L。當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入砂礫石面積較小的地層后，泡沫劑用量較之前有所減小且趨于較穩(wěn)定，平均每環(huán)泡沫劑用量為72.1 L。

圖5 每環(huán)泡沫劑用量曲線

除了泡沫注入影響渣土狀態(tài)外，注水量也對(duì)渣土狀態(tài)影響顯著。這是由于盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的原狀土被切削下來(lái)，或者磨碎等致使渣土的比表面積急劇增大，此時(shí)，需要注入水以保持渣土較好的流塑性。

圖6所示為每環(huán)的注水量曲線。從圖中可以看出水的每環(huán)注入量變化也較明顯，前40環(huán)的注水量記錄錯(cuò)誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)從幾方到一百多方不等，故忽略前40環(huán)的數(shù)據(jù)。到盾構(gòu)進(jìn)入下一個(gè)地層(1∶2≤砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖的面積比＜2∶1)，即40～120環(huán)的掘進(jìn)，水的注入量從大幅變化到基本趨于穩(wěn)定。這主要得益于富水砂礫石地層斷面的減小以及改良參數(shù)已調(diào)整較好，平均每環(huán)注水量4.6 m3。但當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖在刀盤(pán)上的面積比＜1∶2的地層后，水的注入量顯著增加(平均每環(huán)注水量達(dá)到7.07 m3)，主要原因?yàn)槟噘|(zhì)粉砂巖的含量逐漸增加，地下水含水量減小，另外泥質(zhì)粉砂巖含量增加會(huì)致使吸水量增加，所以達(dá)到渣土改良所需注入的水量相應(yīng)增加。

圖6 每環(huán)注水量曲線

由此可見(jiàn)，在上軟下硬地層，尤其上層為富水砂礫石地層時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)的渣土改良是一個(gè)難題。主要由于泡沫作為改良劑受地下水影響較大，它會(huì)隨著地下水進(jìn)入地層中，即泡沫劑的用量難以得到準(zhǔn)確控制。同時(shí)，注水量也受地下水的影響較大，每環(huán)的注水量需根據(jù)渣土狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整。從統(tǒng)計(jì)中也得到證實(shí)，隨著刀盤(pán)在富水砂礫石中的掘進(jìn)面積的減小，泡沫劑用量也在逐步減少，泡沫的損失百分比從最初超過(guò)67%減小到與試驗(yàn)結(jié)果相符。同時(shí)，隨著掘進(jìn)斷面中泥質(zhì)粉砂巖面積的增大注水量也相應(yīng)增大。

3.2 改良效果分析

為了解盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的渣土改良效果，對(duì)土倉(cāng)中出來(lái)的渣土進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，從而確定渣土的改良狀態(tài)。沿隧道縱向取各典型斷面渣土進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，同時(shí)分析坍落度與泡沫劑用量的關(guān)系(圖7)。

圖7 坍落度與泡沫劑用量的關(guān)系曲線

從圖7中坍落度與泡沫劑用量的對(duì)比中可以看出兩者成正比關(guān)系。在一定的條件下，泡沫劑用量越大，坍落度越大，而從所取渣土樣本中可以推測(cè)出坍落度在17～20 cm時(shí)泡沫劑用量為63～82 L。根據(jù)已掘進(jìn)的160環(huán)的各類(lèi)地層中泡沫劑用量的統(tǒng)計(jì)值及其在各地層中的泡沫劑用量的平均值變化，進(jìn)一步確定刀盤(pán)在上述3種地層中的每環(huán)泡沫劑用量分別為63～70，70～76以及76～82 L。

圖8為除去注水量統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤后的樣本渣土的坍落度與每環(huán)注水量的對(duì)比曲線。

圖8 坍落度與注水量的關(guān)系曲線

由圖8曲線可知，坍落度值與每環(huán)注水量也成正比，當(dāng)注水量增大時(shí)坍落度也相應(yīng)變大。坍落度在17～20 m時(shí)，每環(huán)注水量為6～8 m3，此時(shí)的渣土狀態(tài)比較適合掘進(jìn)。再結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)的注水量統(tǒng)計(jì)值變化進(jìn)一步確定盾構(gòu)在3種地層(砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖的面積比＞2∶1，1∶2＜砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖的面積比＜2∶1，砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖的面積比＜1∶2)中掘進(jìn)時(shí)的每環(huán)注水量分別為6，7和8 m3。

綜上所述，各改良參數(shù)能夠與渣土改良狀態(tài)建立一個(gè)良好的變化關(guān)系，這對(duì)于渣土改良參數(shù)的調(diào)整較有益。

4 建議與結(jié)論

根據(jù)渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)，得到施工時(shí)渣土改良參數(shù)。并與現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)調(diào)整的改良參數(shù)以及渣土改良狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，得到盾構(gòu)在上軟下硬地層中推進(jìn)時(shí)的一些改良建議和結(jié)論。

1)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在考慮盾構(gòu)機(jī)所能設(shè)定的最大發(fā)泡率(膨脹率)、土倉(cāng)壓力、土體被盾構(gòu)切削后的松散性等諸多因素的基礎(chǔ)上，得到每環(huán)泡沫劑用量隨地層中砂礫石與泥質(zhì)粉砂巖在掘進(jìn)斷面所占面積的不同分別為39～48 L，65～78 L以及72～90 L。富水砂礫石在盾構(gòu)掘進(jìn)斷面所占面積越小，試驗(yàn)確定的參數(shù)越準(zhǔn)確。

2)由于泡沫會(huì)隨地下水進(jìn)入地層中導(dǎo)致實(shí)際對(duì)渣土起改良效果的量受地下水的影響較大，故當(dāng)富水砂礫石在盾構(gòu)掘進(jìn)斷面所占面積減小時(shí)(損失率減小)，泡沫劑的用量越接近試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，在掘進(jìn)過(guò)程中每環(huán)的注水量則大幅增加，從中可以看出，掘進(jìn)斷面中泥質(zhì)粉砂巖面積的增大導(dǎo)致注水量上升。

3)從盾構(gòu)在上軟下硬地層中推進(jìn)時(shí)的渣土改良狀態(tài)及參數(shù)對(duì)比中可以看出，每環(huán)泡沫劑用量應(yīng)保持在63～82 L之間且隨著掘進(jìn)斷面中富水砂礫石所占面積的減小，泡沫劑的用量可稍微減少，在3種地層中的每環(huán)泡沫劑用量分別為63～70，70～76以及76～82 L。除此之外，每環(huán)注水量應(yīng)保持在6～8 m3之間，3種地層每環(huán)注水量分別為6，7，8 m3。

［1］魏康林．土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫和膨潤(rùn)土改良土體的微觀機(jī)理分析［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(1):73-77．

［2］魏康林．土壓平衡式盾構(gòu)施工中“理想狀態(tài)土體”的探討［J］．城市軌道交通研究，2007(1):67-70．

［3］朱偉，郭濤，魏康林．盾構(gòu)用氣泡的性能及對(duì)開(kāi)挖土體改良效果影響［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(4):571-577．

［4］付艷斌．上軟下硬地層中盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)［J］．交通科技與經(jīng)濟(jì)，2009(4):80-81，84．

［5］姜厚停，閆鑫，龔秋明．土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫改良圓礫地層的試驗(yàn)研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008(增):187-190．

［6］馬連叢．富水砂卵石地層盾構(gòu)施工渣土改良研究［J］．隧道建設(shè)，2010，30(4):411-415．