全断面砂层土压平衡盾构掘进渣土改良技术试验研究

苏小江，邓国华

（西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安710018）

全断面砂层土压平衡盾构掘进渣土改良技术试验研究

苏小江，邓国华

（西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安710018）

针对西安地区全断面砂层特点，以膨润土与黄土等土体改良材料，对各类砂土进行了土体改良试验，研究土压平衡盾构砂层施工渣土改良材料配比参数，并结合西安地铁二号线一期工程运动公园站～北客站盾构隧道下穿全断面砂层工程实例对试验结果进行了验证。试验结果及工程实践表明：膨润土与黄土混合泥浆对各类砂层渣土具有较好的改良效果，提高了砂层渣土流塑性，解决了土压平衡盾构在西安地区全断面砂层中出土不畅、土压难以建立等施工难题，为同类工程积累了经验。

砂层；土压平衡盾构；渣土改良

当前，随着城市建设水平的不断提高和建设范围的不断扩展，地铁工程面临越来越多的挑战，尤其是城市建成区，高楼密集，管线错综复杂，对地面沉降和地层稳定要求极高。盾构法成了缓解这一问题最好的方法［1］。西安城区位于渭河南岸，分布有深度大、范围广的砂层，在地铁建设初期，土压平衡盾构施工遇到了掘进困难、土压平衡难以建立、地面沉降量大、盾构机姿态不易控制、设备磨损过大等技术难题，究其原因，与渣土改良技术密不可分，本文以此为出发点，结合工程实际，通过一系列试验，系统探讨全断面砂层土压平衡盾构机掘进渣土改良技术，旨在为此类地层的后续施工提供必要的参考和帮助。

1 砂层渣土改良技术简介

渣土改良是向开挖面、土仓或螺旋输送机内添加塑流化改性材料，通过搅拌，使被开挖土体形成一定的流塑性，以满足开挖设备的要求［2－3］。现代隧道施工中，土压平衡盾构机通过渣土改良技术已能适应多种环境和地层的要求，可在砂砾、砂、粉砂、粘土等地层中使用［4－8］。目前，土体改良材料主要为泡沫、膨润土泥浆和聚合物［9－11］，其中泡沫可增强开挖面稳定性和渣土流塑性，减少泥饼的形成；膨润土泥浆可改善土体的密实性和流塑性，提高土体的可开挖性和防水性，稳定地层；聚合物一般用于水量较大的地层施工，可有效治理喷涌，稳定开挖面。膨润土与其他土体改良材料相比，其取材方便，使用成本相对较低，结合西安的地质特征，膨润土具有广阔的应用前景。

2 试验分析

为使土压平衡盾构机适应西安地区砂层施工，在二号线运动公园站～北客站区间施工期间就砂层渣土改良进行了试验研究，并结合工程施工实际效果进行参数的优化调整。

2.1 研究思路

本文主要以膨润土和黄土等添加材料对砂土进行改良，按水与膨润土的不同质量比、膨润土泥浆与砂土不同体积比、膨润土和黄土混合泥浆与砂土不同体积比3种工况进行试验砂土配置、常规土工试验、稠度及比重试验、塌落度试验、直剪试验、渗透试验［12－14］，研究膨润土膨化效果最优时的膨润土泥浆浓度，使改良后的砂土具有优良的物理力学指标和塑性流动状态［15］。

2.2 膨润土膨化试验

试验按照工况1分别选取钙基膨润土和钠基膨润土进行不同浓度的膨化试验，在试验温度5℃～10℃条件下，不同浓度的膨润土泥浆粘度和膨化时间关系曲线如图1～图3所示。膨润土泥浆比重、粘度与浓度关系曲线见图4、图5。

图1 不同浓度钙基膨润土泥浆粘度变化曲线

由图1～图5可看出，相同浓度的钠基膨润土与钙基膨润土，钠基膨润土在比重和粘度方面优于钙基膨润土，而洋县宏泰钠基膨润土比洋县人和钠基膨润土更能获得较好粘度和比重；钠基膨润土泥浆浓度大于等于1∶10时，粘度随膨润土的添加比例和膨化时间增加而增大，粘度峰值介于18 h～24 h，而当泥浆浓度小于1∶10时，粘度变化并不显著。为此，后续试验取钠基膨润土泥浆浓度为1∶10，膨润土泥浆膨化时间选定为18 h。

图2 不同浓度钠基膨润土（洋县宏泰）泥浆粘度变化曲线

图3 不同浓度钠基膨润土（洋县人和）泥浆粘度变化曲线

图4 膨润土泥浆比重与浓度关系曲线

图5 钠基膨润土泥浆粘度（膨化18 h）与浓度关系曲线

2.3 膨润土泥浆改良砂土效果试验

为测试膨润土泥浆的改良效果，根据施工区域岩土勘察报告，按工况2选取不同类砂土的颗粒级配曲线配制中细砂、中粗砂及砾砂并使其饱和，选浓度为1∶10的钠基膨润土泥浆（膨润土选用产自洋县人和的钠基膨润土），以膨润土泥浆与砂土不同体积比例改良各类砂土，测定渗透系数、抗剪强度、塌落度等指标数据，选出最优膨润土泥浆与砂土的体积比。

2.3.1 砂土的渗透试验

本试验测定土体改良前后的渗透系数变化情况，选择满足盾构施工要求的渣土。针对西安地区砂石土层，试验采用变水头法对中细沙、中粗砂和砾砂三种重塑砂土经膨润土泥浆改良效果进行渗透试验，渗透系数见表1。

表1 渗透试验渗透系数 单位：cm／s

从表1可知，三类重塑砂土渗透系数均达到了10－2cm／s数量级，具有较强的渗透性，经膨润土泥浆改良后的各类砂土的渗透系数有了显著的改变，但砾砂渗透系数并未达到盾构土仓渣土渗透系数应小于1×10－5cm／s的条件［4］，其改良后渗透系数仍较大，需继续寻找更加合适的改良材料和方法。当膨润土泥浆与砂土体积比达到2∶10以后，渣土抗渗效果随泥浆增加变化并不显著，从抗渗效果和经济方面考虑，膨润土泥浆与砂土的体积比应选定为2∶10。

2.3.2 砂土的抗剪试验

采用应变控制式直剪仪测定盾构掘进地层中的重塑土以及加入膨润土泥浆改良土体的抗剪强度参数，如图6、图7所示。

图6 改良后砂土黏聚力随膨润土泥浆加入量的变化曲线

图7 改良后砂土内摩擦角随膨润土泥浆加入量的变化曲线

西安地区砂层内摩擦角大、抗剪强度高，200 kPa垂直压力直剪强度中细砂层为143.44 kPa、中粗砂层为197.23 kPa、砾砂层为200.49 kPa，较大的刀盘扭矩使得盾构机难以掘进。当不同比例膨润土泥浆改良三类重塑砂土后，内摩擦角均较改良前有了不同程度降低，提高了黏聚力，改良效果较为明显，如图6所示；膨润土泥浆与砂土的体积比例为2∶10时能使重塑土体的内摩擦角降低最大约为5°，并与比例为2.5∶10时的重塑砂土抗剪强度相当，如图7所示。为此，从流动性方面考虑，应选取膨润土泥浆与砂土的体积比例为2∶10，对渣土改良效果最佳。

2.3.3 砂土的塌落度试验

本试验为对膨润土泥浆改良的三类重塑砂土进行塌落度试验，结果见表2。

表2 塌落度试验结果

从表2可知，改良前三类重塑砂土塌落度很小、流塑性差，随膨润土泥浆的增加三类砂土塌落度均增大，但砾砂改良效果不及中细、中粗砂层。当膨润土泥浆和砾砂体积比为2∶10时，中细砂和中粗砂的塌落度分别为14.0 cm和12.0 cm，而砾砂塌落度为6.5 cm，未达到盾构渣土塌落度应为10 cm～15 cm的要求［5］；当膨润土泥浆和砾砂体积比达到3∶10时，砾砂塌落度也仅为11.0 cm，但泥浆用量过大，不符合工程经济要求，需继续研究适合砾砂的渣土改良材料和方法。

2.4 膨润土与黄土混合泥浆改良砾砂效果试验

根据上述两种试验结果，膨润土泥浆对砾砂渣土改良不理想，本试验按工况3进行膨润土与黄土混合泥浆改良砾砂效果试验。选取钠基膨润土泥浆浓度为1∶10，膨润土泥浆与砂土体积为2∶10，黄土加入量与加入砾砂的膨润土的质量比为1∶3、2∶3、3∶3，测定改良后砾砂的渗透系数、抗剪强度指标、塌落度等数据，选出较适合砾砂的混合泥浆配比。

2.4.1 砾砂的渗透试验

渗透试验结果如表3所示。从表3可看出，随黄土量的增加改良砾砂的抗渗性得到不断提高，当黄土与膨润土的加入量为3∶3时，改良后的砾砂渗透系数达到了3.47×10－5cm／s，达到了改良土体理想抗渗性的要求，比单独使用膨润土时的抗渗效果也有大幅提升。

表3 渗透系数试验结果 单位：cm／s

2.4.2 砾砂的抗剪试验

直剪试验结果如图8、图9所示。

图8 改良后砂土粘聚力随黄土加入量的变化曲线

图9 改良后砂土内摩擦角随黄土加入量的变化曲线

从图8、图9可看出，黄土使改良砾砂的黏聚力得到较大提高，改善了土体和易性，黏聚力从19.3 kPa增加到22.9 kPa，且内摩擦角从初始33.1°降至29.4°。为此，膨润土加入黄土组成混合泥浆的改良效果比单独使用膨润土泥浆要好。

2.4.3 砾砂的塌落度试验

塌落度试验结果如表4所示。

表4 塌落度试验结果表

从表4可看出，加入黄土以后，土体的塌落度分别达到了110mm、120mm、160mm，其和易性得到了明显的改善，可满足工程需要。

3 渣土改良方案现场实施

3.1 渣土改良参数

通过试验研究，并结合西安地铁二号线运动公园站－北苑站区间盾构推进实践，渣土改良材料及参数确定为：

A材料：洋县宏泰钠基膨润土、砂性土专用气泡剂（现场添加，未做试验对比）、黄土（就近采取干净黄土）；B参数：膨润土泥浆（膨润土与水质量比为1∶10）、注入率为20%（与渣土体积比）。

3.2 现场实施及改进

按每台盾构日掘进10环（每环1.5m）和膨润土用量为60 m3考虑，北苑站－北客站区间左右线盾构施工时，盾构施工场地修建了膨润土泥浆拌合基地，包括膨化池、钢制拌浆池、黄土浆池和放浆池。选用反循环泥浆泵并及时调整泥浆泵，膨化24 h后将膨化好的泥浆抽入泥浆泵，通过特殊改造的运浆车运至盾构机加泥箱中使用。

本区间随着盾构掘进方向，地层的砾石含量及砾石直径均逐渐增加。当掘进256环时，地层中砾石含量由10%增加到15%，刀盘扭矩达到70%；掘进407环时，砾石含量增加至30%，刀盘扭矩明显增加，故将刀盘前泥浆流量增大至100 L／min左右，但因地下水丰富，渣土改良效果不佳，螺旋口出渣较稀；掘进至584环时，砾石含量保持在30%以上，但其粒径明显增加，由原来的1 cm～2 cm增加至2 cm以上，刀盘启动时扭矩在40%～50%，正常掘进时刀盘扭矩基本保持在88%以上，且极易超过额定扭矩，经常采用停止推进而空转刀盘降低扭矩的办法（扭矩降至75%左右后再次推进），当增加膨润土泥浆的注入量时螺旋出土很稀，采用提高螺旋转速减小螺旋后闸门开度，使土仓内膨润土泥浆与含砾砂渣土得到充分搅拌，进而减小刀盘扭矩。掘进至612环时，砾石粒径由原来的2 cm～3 cm增加至5 cm～10 cm，但普通膨润土比重较低（仅能达到1.07），较大直径砾石在盾构机土仓下部堆积，刀盘扭矩很大。为此在膨润土泥浆中加入了黄土，加入黄土后的膨润土泥浆不仅提高了渣土改良效果，可将较大砾石带出螺旋。

3.3 改良效果评价

3.3.1 降低刀盘内外周温度

北苑站－北客站区间盾构穿越北三环辅道时，因辅道下方地层长期受车辆动荷载影响，地层密度较高，盾构连续推进1／2环时刀盘内周温度上升到60℃。在增加泡沫和膨润土泥浆注入量后，其温度降至40℃～50℃，同时现场对盾构加泥管路进行了改造，将加泥管路也接至刀盘面板，效果比较显著，见图10所示。

图10 渣土改良对刀盘温度的影响

3.3.2 增加砂性土的塑性、流动性

通过观察螺旋机回转压力和出土口的渣土改良情况，膨润土及黄土泥浆对砂层改良效果较好，如图11～图13所示。

图11 渣土改良对螺旋机回转压力的影响

4 结 论

通过对三类重塑砂土在三种工况下的渣土改良试验及现场实践，得出以下结论：

图12 渣土改良较差

图13 渣土改良较理想

（1）相同浓度的钙基膨润土在比重与粘度方面均不如钠基膨润土效果显著，盾构砂层施工宜选用钠基膨润土作为渣土改良剂。

（2）钠基膨润土添加比例应为1∶10，膨化时间在18 h～24 h之间。

（3）膨润土泥浆对中细砂、中粗砂改良效果较好，通过改良提高了渣土的和易性、流动性及抗渗性等性能。当膨润土泥浆与砂土的体积比为2∶10时，能从经济和改良效果上达到最佳。

（4）膨润土泥浆对砾砂改良效果一般，但在膨润土泥浆中加入黄土，组成混合泥浆对砾砂改良的效果较好，当膨润土泥浆与砂土的体积比为2∶10、黄土与膨润土质量比为2∶3时，能从经济和改良效果上达到最佳。

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Experimental Study on Improvement Techniques of Muck in the Tunnelling of Whole－section Sand Strata Soil Pressure Balance Shield

SU Xiao－jiang，DENGGuo－hua
（Xi’an Metro Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi710018，China）

According to the characteristics ofwhole－section sand strata in Xi’an area，the experiments of soilmass improvementwere conducted by using bentonite，loess and other soilmass improvementmaterials to study the ratio parameters ofmuck improvementmaterials in soil pressure balance shield tunnels.The experimental resultswere verified by the case study of shield tunnelof the first－stage construction of Xi’anMetro Line2which runs through thewhole－section sand strata，from Sports Park Station to Beike Station.The experimental results and engineering practice indicate thatmixed slurry of bentonite and loess has a great improving effect onmuck of all kinds of sand strata，flow plasticity is also improved in the sand strata.Thussolve construction problemssuch as difficultunearthing in the shield tunneland establishment of soilpressure inwhole－section sand strata of Xi’an area.Thiswill provide referentialguidance to similar projects.

sand stratum；soil pressure balance shield；muck improvement

U455.43

A

1672—1144（2014）04—0166—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.033

2014－03－03

2014－04－23

苏小江（1979—），男 ，甘肃陇西人 ，硕士 ，主要从事岩土工程、地下工程等领域的研究工作。