砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良難易分類機制研究

鐘小春，劉健美，鄭 翔，朱能文，陳 冉

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

土壓盾構(gòu)工法已經(jīng)成為了城市地鐵建設(shè)的主流施工方法[1]。經(jīng)過國內(nèi)近30年的推廣應(yīng)用，盾構(gòu)技術(shù)對各種復(fù)雜地層的適應(yīng)性、盾構(gòu)的掘進效率已大幅提高，施工成本已大幅降低。然而，在砂卵石地層中，土壓盾構(gòu)掘進技術(shù)難題還遠未克服。盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進，首先遇到的難題就是刀具和刀盤磨損[2]，需要不斷更換刀具才能維持盾構(gòu)的良好工作狀態(tài)；其次，盾構(gòu)開挖面易失穩(wěn)，導(dǎo)致地表不斷出現(xiàn)塌坑，對周邊環(huán)境造成極大影響[3-4]，特別是穿越建(構(gòu))筑物或城市道路時，盾構(gòu)掘進的安全控制成為了土壓盾構(gòu)技術(shù)的重要挑戰(zhàn)。

砂卵石地層盾構(gòu)掘進中的噴涌問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。王星鈞等[5]以在建的南寧地鐵1號線某標段工程為背景，分析了該工程在強滲透性富水圓礫地層采用土壓平衡盾構(gòu)施工遇到的噴涌問題，并對該工程的防噴涌措施進行了總結(jié)分析。朱偉等[6]建立了盾構(gòu)內(nèi)水壓力遞減模型，并基于此模型推導(dǎo)了水壓力和流量的變化關(guān)系，闡述了噴涌的發(fā)生機制。茅華[7]以土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機發(fā)生的噴涌現(xiàn)象為例，闡述了噴涌的危害性以及噴涌的發(fā)生機制和施工應(yīng)對措施。

國外學(xué)者對于泡沫改良效果進行了深入的研究并得出結(jié)論，泡沫劑對高滲透性或高水壓地層改良效果有限。Peila[8]采用4組土體樣本進行土工試驗得出，泡沫可改善開挖過程中土體的性能。在一定范圍內(nèi)，泡沫對淤泥和黏性土的流塑性有較為明顯的改良效果，但當淤泥或黏性土達到一定百分比時，添加劑的效果降低。Vinai等[9]通過塌落度試驗和壓力艙模型試驗，對螺旋輸送機內(nèi)改良渣土的壓力分布進行研究，得出：螺旋輸送機內(nèi)的改良渣土流塑性較好時，土壓力逐漸減小；但當土艙內(nèi)渣土是飽和或含水量過大的渣土?xí)r，螺旋輸送機內(nèi)土壓力變化不明顯。Psomas[10]開展了攪拌試驗、直剪試驗、壓縮試驗和滲透性試驗等一系列土工試驗，研究泡沫在土壓平衡式盾構(gòu)土體改良中的應(yīng)用。

由于砂卵石渣土改良涉及到摻入劑種類、摻入量以及成本問題，引起較多學(xué)者的關(guān)注。賀少輝等[11]針對蘭州地鐵砂卵石開展了改良砂卵石的滲透性試驗，建議同時摻加鈉基膨潤土漿液和泡沫改良渣土，泡沫的摻入體積比應(yīng)小于1∶5。汪國鋒[12]針對北京的砂卵石開展了新型泡沫劑和泥漿渣土改良系統(tǒng)性試驗，認為砂卵石地層應(yīng)該摻入復(fù)合外加劑才能達到有效的流塑性。郭彩霞等[13]以北京地鐵9號線砂卵石地層中的盾構(gòu)隧道工程為背景，采用膨潤土和泡沫作為混合改良添加劑對渣土進行改良，對盾構(gòu)的推力和轉(zhuǎn)矩、渣土的溫度以及掌子面泥膜的保壓性等進行研究。

綜合上述，國內(nèi)外學(xué)者對于土壓盾構(gòu)噴涌問題研究較多，且有較多的研究成果；但對砂卵石地層渣土改良研究主要以針對具體工程開展的試驗研究為主，缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致有的工程摻入泡沫劑改良效果理想，但是另外的工程卻改良效果不理想，頻繁出現(xiàn)各種施工事故。實際上，蘭州和成都的砂卵石粒徑分布相差明顯，且即使同一城市不同區(qū)域，砂卵石粒徑分布和大小都有明顯差異。這就是為什么同樣是砂卵石地層，有時僅摻入泡沫改良就能成功，但更多的時候需要摻入膨潤土泥漿加泡沫復(fù)合改良才能防止噴涌。因此，本文首先建立砂卵石、渣土的二相圖，并以此為基礎(chǔ)對砂卵石渣土改良難易程度進行分類，最后用于指導(dǎo)成都地鐵17號線某盾構(gòu)區(qū)間的隧道掘進。

1 砂卵石渣土和易性形成機制

砂卵石渣土與混凝土拌合物的和易性存在一定的相似性，砂卵石渣土中的中粗砂、細砂、粉粒和黏粒等細粒(粒徑<2 mm)和卵礫石粗粒(粒徑>2 mm)亦應(yīng)存在某一特定比例，使得砂卵石渣土的細骨料充填滿粗骨料形成的孔隙，從而分離粗骨料之間的直接接觸，更好地將其改良，達到良好的和易性，不發(fā)生離析。故參考混凝土計算砂率時所利用的“填充包裹原理”，將砂卵石渣土中的卵礫石顆粒類比混凝土拌合物中的石子，其他細顆粒(粒徑<2 mm，包括砂、粉土和黏土等)類比混凝土拌合物中的砂子，構(gòu)建砂卵石渣土填充包裹模型，探究砂卵石渣土中臨界細骨料的質(zhì)量分數(shù)。細顆粒對粗顆?？紫短畛浒潭热鐖D1所示。為了求得細顆粒的臨界質(zhì)量分數(shù)，建立如圖2所示砂卵石堆積二相體，從而可以得到式(1)和式(2)。

(a)細粒含量較大

(a)卵礫石堆積體

(1)

(2)

對于土壓平衡盾構(gòu)砂卵石渣土改良，細粒部分包括粗砂、細砂、粉土、黏土、水和膨潤土、泡沫等添加劑的總和；粗粒部分包括礫石和卵石總和。

由式(2)確定的砂卵石細粒部分與粗粒部分比例，可以基于砂卵石地層粒徑分布情況將其按改良難易程度分為3類：1)細粒含量較多，不僅能夠有效填充粗粒形成的孔隙，而且能夠有更多的細粒將粗粒完成隔離；2)細粒含量剛好充填滿粗顆粒形成的孔隙，此時細粒質(zhì)量分數(shù)處于臨界狀態(tài)，以βsb表示；3)細粒含量無法填滿粗顆粒形成的孔隙。在后續(xù)的渣土改良試驗研究中，進一步證實本文根據(jù)細粒部分含量將砂卵石地層分為3類的合理性。由此可以獲得與3類砂卵石對應(yīng)的初步改良方案：1)改良容易型，當砂卵石渣土的細粒質(zhì)量分數(shù)βs超過βsb10%以上時，通過摻入穩(wěn)定泡沫劑可以將砂卵石渣土改良成流塑狀態(tài)；2)改良較困難型，當砂卵石渣土的細粒質(zhì)量分數(shù)略微超過βsb，但不超過βsb的1.1倍時，通過摻入泡沫+膨潤土復(fù)合方式進行渣土改良；3)改良困難型，當砂卵石渣土細粒質(zhì)量分數(shù)低于βsb，改良將變得極為困難，需要考慮泡沫+膨潤土+聚合物復(fù)合改良方式進行砂卵石渣土改良。

2 砂卵石臨界細粒質(zhì)量分數(shù)的確定

2.1 試驗材料

為證實以上基于砂卵石二相體模型推導(dǎo)的細粒質(zhì)量分數(shù)計算公式的合理性，開展了試驗驗證。

試驗中使用的工具包括振動篩、天平、容器、鏟子、振搗棒，將砂卵石分為卵礫石粗粒、砂粒及以下組成的細粒2部分，如圖3所示。

(a)

2.2 試驗步驟

1)以2 mm篩對烘干的砂卵石進行篩分，分為粗粒組和細粒組。

2)取測得的卵礫石堆積密度，隨機挑選砂粒、黏粒顆粒，測得其細顆粒堆積密度。

3)將卵礫石放入在容器中，邊加入邊振搗，直至卵礫石顆粒緊密結(jié)合在一起。

4)倒入細顆粒，不斷振搗，直到細顆粒填滿了整個容器。試驗中加入的卵石顆粒質(zhì)量記為G1，細顆粒質(zhì)量記為G2。卵石堆積體積即為整個砂卵石的體積。

5)計算細粒質(zhì)量分數(shù)G2/(G1+G2)，并與試驗測試的結(jié)果進行對比。

2.3 試驗過程及結(jié)果

2.3.1 試驗過程

試驗過程中，卵石與細砂等細顆?；旌先鐖D4所示。

(a)測試卵礫石堆積密度

2.3.2 試驗結(jié)果

按照理論公式計算的臨界細粒質(zhì)量分數(shù)如表1所示，根據(jù)試驗計算的臨界細粒質(zhì)量分數(shù)如表2所示。

表1 臨界細粒質(zhì)量分數(shù)計算

表2 臨界細粒質(zhì)量分數(shù)試驗結(jié)果

3組試驗結(jié)果與公式計算結(jié)果的誤差分別為1.5%、1.7%、2.2%，可以認為建立的細顆粒填充卵石堆積形成的孔隙模型是正確的。由于以上試驗中砂卵石取自成都地鐵施工現(xiàn)場砂卵石渣土，因此可以認為成都砂卵石臨界細粒質(zhì)量分數(shù)為30%左右。

3 工程應(yīng)用

成都地鐵17號線1期某盾構(gòu)隧道區(qū)間，盾構(gòu)穿越了全斷面砂卵石地層，其地質(zhì)縱斷面如圖5所示，地層參數(shù)如表3所示。該區(qū)間的盾構(gòu)線路走向如圖6所示。盾構(gòu)穿越的地層卵石質(zhì)量分數(shù)為55%～70%，粒徑一般為2～15 cm，最大可達250 mm，礫石質(zhì)量分數(shù)為15%～20%，余下的為細、中砂和黏粉粒充填。根據(jù)地勘報告，細粒質(zhì)量分數(shù)為30%～45%，超過該工程臨界細粒質(zhì)量分數(shù)30%的條件。本區(qū)段使用的盾構(gòu)為土壓平衡盾構(gòu)，外徑8 634 mm，類型為面板式，開口率約36%，刀盤面板焊HARDOX600，外圍焊合金耐磨環(huán)。主刮刀66把，邊緣刮刀24把，刀座保護刀31把，注入口保護刀10把，同時配備有超挖滾刀，盾構(gòu)刀盤如圖7所示。

圖5 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面(單位：m)

表3 地層參數(shù)

圖6 盾構(gòu)區(qū)間線路

圖7 盾構(gòu)刀盤

3.1 盾構(gòu)施工難題

由于該區(qū)間隧道穿越的砂卵石地層中卵石含量大，粒徑多為4～17 cm，以亞圓形為主，分選性差；卵石成分主要為中等風(fēng)化—強風(fēng)化花崗巖、石英砂巖、石灰?guī)r，抗壓強度高，自穩(wěn)性較差，滲透系數(shù)大，透水性強，富水性良好；前期由于砂卵石渣土改良不到位給盾構(gòu)法施工帶來較多不便和難度，如螺旋排土器噴涌導(dǎo)致開挖面壓力失控、卵石堆積于底部、盾構(gòu)掘進轉(zhuǎn)矩推力過大、刀具磨損過快，如圖8—9所示。

圖8 排土口噴涌

圖9 刀具磨損

3.2 現(xiàn)場渣土改良

3.2.1 改良劑選擇及用量

根據(jù)前面的研究成果，掘進時本區(qū)間盾構(gòu)采用鈉基膨潤土泥漿和泡沫復(fù)合摻入進行砂卵石改良，以期獲得較好的流塑性。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，膨潤土泥漿膨水比為1∶6，鈉基膨潤土泥漿注入量每環(huán)平均為10 m3；泡沫劑質(zhì)量分數(shù)為2.5%，發(fā)泡倍率為20，半衰期為13.5 min，每環(huán)掘進泡沫劑原液使用量為100～150 L。

3.2.2 現(xiàn)場改良效果

項目前期施工中，主要采用了膨水比1∶10的較稀膨潤土泥漿，盾構(gòu)在初始掘進時出現(xiàn)了多次螺旋排土器噴涌，特別是盾構(gòu)停機拼裝管片后再次啟動時，噴涌現(xiàn)象較為普遍(見圖8)。砂卵石改良前出渣狀態(tài)如圖10所示。從圖10可以看出，砂卵石渣土和易性差，出現(xiàn)了明顯的卵石與細顆粒分離，大量卵石無法帶出壓力艙，細顆粒部分更容易快速排出，其渣土狀態(tài)偏稀。螺旋排土器出口的持續(xù)噴涌，已經(jīng)嚴重影響土壓盾構(gòu)掘進安全和掘進速度(僅為20～30 mm/min)，工期嚴重滯后。由于渣土改良效果不佳，部分滾刀出現(xiàn)了結(jié)泥餅現(xiàn)象，如圖11所示。

(a)皮帶運輸機上的渣土、卵石出現(xiàn)分離

圖11 泥餅粘附刀具

為此，項目部決定進行砂卵石地層渣土改良試驗及機制研究工作。

改良后的渣土狀態(tài)如圖12所示，外觀上渣土的整體性與和易性良好。經(jīng)坍落度試驗測得坍落度為16.2 cm，通過滲透試驗測得滲透系數(shù)為5.2×10-5cm/s，且盾構(gòu)掘進途中幾乎不發(fā)生噴涌現(xiàn)象。隨機取出掘出的幾環(huán)渣土，烘干后通過篩分試驗(取平均值)得到顆分曲線如圖13所示，可以看出渣土中細顆粒質(zhì)量分數(shù)相對于改良之前有所增加，2 mm以下的顆粒占比超過40%。

(a)改良后輸送皮帶上的渣土

圖13 排放渣土顆分曲線

采取室內(nèi)試驗所得的改良方案進行渣土改良之后，盾構(gòu)平均推進速度提高到43 mm/min，平均推力由初始的3.65×104kN減少到2.70×104kN，掘進速率顯著提高，如圖14所示。

(a)推進速度

結(jié)合以上可以看出，添加膨潤土泥漿和泡沫的混合改良劑之后，渣土中細顆粒質(zhì)量分數(shù)增大，渣土的流塑性、抗?jié)B性有了顯著提高。盾構(gòu)推力有所減小，掘進速率顯著提高。與成都地鐵1號線相比(1號線全線最初半年內(nèi)盾構(gòu)掘進累計完成的1 000 m隧道，大約每150 m左右就需進行刀具的檢查與更換，甚至出現(xiàn)更換刀盤的嚴重故障)，本盾構(gòu)區(qū)間的刀具磨損程度大大減少，換刀距離接近400 m。

4 結(jié)論與建議

1)參考混凝土流動性來源，將砂卵石分為粗粒(>2 mm)和細粒(≤2 mm)2部分，建立細粒和粗粒二相體模型，并基于該二相體模型推導(dǎo)了細顆粒包裹粗顆粒形成的孔隙時細顆粒的質(zhì)量分數(shù)計算公式，通過試驗驗證了該計算公式的合理性。

2)針對本文提出的二相體模型將砂卵石劃分為3種不同的類型，提出相應(yīng)的改良措施建議。針對改良困難型砂卵石地層，應(yīng)摻入泡沫+膨潤土泥漿+聚合物；針對改良較困難型砂卵石地層，則可以采用中等稠度的膨潤土泥漿+泡沫劑方式進行改良；針對改良容易型砂卵石地層，采用穩(wěn)定性泡沫劑改良即可達到較好的流塑性，必要時摻入少量的膨潤土泥漿。

3)根據(jù)推導(dǎo)公式(2)計算得到成都砂卵石臨界細粒質(zhì)量分數(shù)在30%左右，依據(jù)該臨界細粒質(zhì)量分數(shù)，砂卵石改良難易程度分為3類：改良容易型、改良較困難型、改良困難型。

4)將以上成果指導(dǎo)成都地鐵17號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道掘進，依據(jù)其細粒質(zhì)量分數(shù)推薦采用泡沫+膨潤土泥漿復(fù)合改良方式。相對于項目部之前的改良方式，該方法確保砂卵石改良狀態(tài)達到了較好的流塑性，螺旋輸送機排土出渣順利，盾構(gòu)安全高效掘進。

本文主要探討了砂卵石渣土改良的難易性，對于砂卵石渣土的流動性機制及微觀機制研究還不夠深入，下一步將在這方面開展深入的研究工作。