南昌上软下硬地层土压平衡盾构渣土改良技术研究

翟圣智，胡蒙达，叶明勇，叶新宇，王树英，詹 涛

(1．南昌轨道交通集团有限公司，江西 南昌 330038;2．中铁五局(集团)有限公司，贵州贵阳 550003;3．中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

众所周知，土压平衡盾构在地铁施工中起着无法取代的地位，但盾构在不同地层中掘进会遇到诸多问题，其中为了防止渣土结“泥饼”、喷涌等，保证盾构的正常掘进，渣土改良显得尤为重要。魏康林［1-2］提出了土压平衡式盾构施工“理想状态土体”的概念，还对非理想状态土体引起的常见盾构施工问题进行了概述。同时通过几年的室内土体改良试验研究，分析了国内常用的两种外加剂(泡沫和膨润土)和土体相互作用的内在机理。朱伟、郭涛、魏康林［3］通过室内试验对气泡的基本性能进行了研究，并在现场试验中研究了气泡性能对开挖土体的改良效果。付艳斌［4］结合具体工程提出在上软下硬地层中盾构掘进的渣土改良主要为防止结泥饼以及喷涌并对改良参数的经验范围进行了概括。姜原停、闫鑫、龚秋明［5］］对土压平衡盾构施工中泡沫改良砂土以及圆砾进行了试验研究。针对盾构在砂土、圆砾地层的掘进过程中遇到的一些问题，提出最有效的解决方法是使用泡沫等添加剂对土体进行改良。马连丛［6］对界面活性材料(即泡沫)在富水砂卵石土层盾构施工渣土改良的效果进行了室内和现场试验，通过室内试验结果选择施工中的最佳配比，最后用现场试验进行了验证。

南昌地铁一号线5标中山西路站～子固路站盾构区间前200 m为上软下硬地层，上层为可能造成喷涌的富水砂砾石地层，下层为极易结泥饼的泥质粉砂岩地层，对盾构掘进时的渣土改良提出了很高的要求。为此，在施工前先对渣土进行室内试验以得到较准确的渣土改良参数指导施工。本文以此为背景，采用合理的渣土改良室内试验并结合现场施工，对上软下硬地层的土压平衡盾构渣土改良技术进行研究。

1 工程概况

南昌地铁一号线5标从中山西路站开始沿中山西路自西向东前行，穿越抚河后进入中山路，最后到达子固路站。沿途旁穿工商银行江西省分行、江西省保险服务中心、中国农业银行江西省支行、南昌市财政局等高层建筑。

1.1 工程地质及水文地质情况

中子区间前200 m为上软下硬地层，覆土厚度为14.7～17.4 m。上层为富水细砂、砾砂地层，下层为全～中风化泥质粉砂岩地层(图1)。地下水分为上层滞水、松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙、溶隙水。上层滞水主要赋存于浅部杂填土层中;松散岩类孔隙水为潜水，局部为承压水，主要赋存于冲积砂砾石层中，水位埋深6.50～8.14 m;碎屑岩类裂隙、溶隙水主要赋存于破碎的粉砂质泥岩层中，渗透系数较小。

图1 上软下硬地层的纵断面(单位:m)

1.2 刀盘配置及附属系统

根据本标段的地质状况，本项目采用土压平衡盾构机进行掘进。考虑将中风化泥质粉砂岩的有效破岩切削以及砂砾石的摩擦损耗，同时防止结泥饼和防喷涌等问题，对盾构刀盘和其他附属系统进行了以下几方面的设计。

1)刀盘配置:刀盘直径6.28 m，开口率为34%，泡沫口数量和膨润土口数量分别为3个和2个，主动搅拌臂数量为4个。

2)刀具布置:刀盘上有滚刀6把，切刀40把，边刮刀12把。

3)螺旋输送机:轴式螺旋输送机直径为0.8 m，最大通过粒径φ290×560 mm，出渣能力335 m3/h。

4)渣土改良系统:盾构机上配置挤压泵式膨润土注入系统，注入能力8 m/h，注入口数量12个，膨润土罐容量8 m3。泡沫系统的泡沫注入量范围为5～300 L/h，泡沫发生器数量为3个。

1.3 工程难点分析

在南昌轨道交通1号线一期工程土建二标中，遇有相似上软下硬地层发生结泥饼现象(图2)，故对渣土改良应引起重视。

图2 土仓内结泥饼情况

采用Rigaku D/max 2500全自动X射线衍射仪对泥质粉砂岩进行物相分析，得到泥质粉砂岩的矿物成分及其含量(表1)。从表1可以看出泥质粉砂岩中的黏土矿物成分含量很高(达40.5%)，容易造成刀盘结泥饼。而富水砂砾石地层中，盾构掘进刀盘的扰动使原本密实的砾砂变得松散而形成超挖。且在这种地下水丰富的地层中推进极有可能造成喷涌。故对上软下硬地层在掘进时进行渣土改良显得尤为重要，为了确定渣土改良参数，应先对盾构掘进时的改良渣土进行室内试验，以确定合理参数对现场施工进行指导。

表1 矿物成分分析结果

2 渣土改良试验及结果分析

本工程主要改良剂选用泡沫剂。渣土改良效果评价方法有多种，而普遍采用的评价方法为坍落度试验。根据我国的现行标准规定，采用坍落度来测定改良后渣土的流动性，进而确定渣土的改良效果。

2.1 渣土改良试验

选取几个典型盾构掘进断面(刀盘在砂砾石与泥质粉砂岩地层中的面积比分别为2∶1，1∶1，1∶2)，再对此几个典型断面的渣土按照体积比例进行配合得到试验用的目标渣土，其他断面的参数可根据试验结果进行插值。试验所用渣土的含水率也应根据原状土的含水率进行试验。通过试验得出饱和砂砾石的含水率为13.3%，结合泥质粉砂岩的原状土的含水率为11.4%，所以上软下硬地层的渣土含水率应根据砂砾石与泥质粉砂岩的面积比例来定，从而得到砂砾石与泥质粉砂岩面积比分别为 2∶1，1∶1，1∶2，在此 3 种情况下进行坍落度试验时含水率分别为12.67%，12.35%，12.03%。除此之外，试验前应对泡沫剂的性能进行检测。根据施工经验，盾构用泡沫剂的发泡率在15倍以上，且所发出泡沫的半衰期在5 min以上方能达到要求。本次试验选用的某泡沫剂的发泡率为20倍，半衰期为13.5 min。随后，用此泡沫剂发出泡沫对混合渣土进行渣土改良(坍落度)试验。

坍落度试验时，对于每组的试验结果应进行详细的记录并对其状态进行大致的描述，筛选出坍落度在17～20 cm的试样，并通过观察其流动性确定其改良效果(确定渣土改良的添加剂配比)，从而推算出实际施工时的渣土改良参数。本文选取砂土比为2∶1的混合渣土在泡沫添加比分别为25%和40%时的坍落度试验进行说明。试验结果为泡沫添加比为25%的渣土的坍落度为8 cm，而当泡沫添加比增加至40%后，坍落度急剧增大到17 cm。从试验显示的渣土状态也可以看出，当泡沫添加比为25%时渣土的流塑性不好(图3)，而泡沫添加比为40%的渣土改良状态较好(图4)，可见泡沫的增加显著改善了渣土的流塑性，从而起到良好的渣土改良效果。

图3 坍落度8 cm混合渣土

图4 坍落度17 cm混合渣土

2.2 渣土改良结果及建议现场参数

通过对渣土添加泡沫进行改良试验，确定渣土在哪种泡沫添加比时的改良效果最好。3种渣土的试验结果如表2所示。

表2 3种渣土在不同泡沫比下的坍落度试验结果 cm

由表2的试验数据得到砂砾石与泥质粉砂岩的面积比在2∶1，1∶1及1∶2时的最佳泡沫添加比分别为25% ～30%，37.5% ～45%和40% ～50%。将渣土的体积换算成盾构每掘进一环的土体体积，并考虑以下3个影响因素推算出盾构掘进时的渣土改良参数。

1)盾构机所能设定的最大发泡率(膨胀率)为15倍，而室内试验所用的发泡剂溶液是充分发泡的，发泡率达到了20倍，故应对其进行换算。

2)盾构掘进时的土仓压力与大气压不同，而室内试验时的渣土改良是在大气压下进行的，故泡沫体积在不同压力下的变化应予以考虑，对土仓内的泡沫体积相比大气压条件下进行折减。

3)土体被盾构切削后会有一定的松散性，这是由于原状土或者岩石被破碎切削后水以及空气会进入土体而使土体的体积有所增大。在这种情况下，泡沫的添加比也应根据土体的松散性进行调整。

综合参考上述3个因素推算出盾构每掘进一环渣土泡沫剂用量如表3所示。

表3 建议渣土改良参数

3 现场应用

为了了解现场施工时的渣土改良参数与试验结果的差异，对主要的渣土改良参数(泡沫剂使用量、注水量)进行统计分析。同时对渣土改良效果与改良参数进行对比以获得最佳改良参数。

3.1 改良参数统计

图5为泡沫剂随盾构每环掘进的用量。从曲线趋势可以看出泡沫剂用量的变化幅度比较大，这与地层情况复杂有关，且由于盾构在富水砂砾石地层中掘进，地下水的影响导致渣土中的含水率也变化较大，从而泡沫注入量无法较准确地确定，只能根据渣土情况做实时调整。从整体上看盾构每进入下一个地层，泡沫剂的使用量都有一个较大的浮动，原因为盾构在不同地层中掘进时，参数有一个调整过程，到调整的后期参数会逐步稳定。根据地勘报告，前40环盾构机刀盘有＞2/3的部分在砂砾石中推进，所以受地下水的影响较大，具体为富水砂砾石所占面积越大则泡沫随地下水进入地层的泡沫越多导致泡沫用量随之增加，反之亦然。前40环的泡沫剂平均使用量为80.5 L。同样，盾构刀盘在两种地层的面积比为1∶2～2∶1时，泡沫剂的用量逐渐从开始起伏较大到慢慢稳定下来，平均每环的泡沫剂用量大致为76.7 L。当盾构进入砂砾石面积较小的地层后，泡沫剂用量较之前有所减小且趋于较稳定，平均每环泡沫剂用量为72.1 L。

图5 每环泡沫剂用量曲线

除了泡沫注入影响渣土状态外，注水量也对渣土状态影响显著。这是由于盾构掘进时的原状土被切削下来，或者磨碎等致使渣土的比表面积急剧增大，此时，需要注入水以保持渣土较好的流塑性。

图6所示为每环的注水量曲线。从图中可以看出水的每环注入量变化也较明显，前40环的注水量记录错误导致数据从几方到一百多方不等，故忽略前40环的数据。到盾构进入下一个地层(1∶2≤砂砾石与泥质粉砂岩的面积比＜2∶1)，即40～120环的掘进，水的注入量从大幅变化到基本趋于稳定。这主要得益于富水砂砾石地层断面的减小以及改良参数已调整较好，平均每环注水量4.6 m3。但当盾构进入砂砾石与泥质粉砂岩在刀盘上的面积比＜1∶2的地层后，水的注入量显著增加(平均每环注水量达到7.07 m3)，主要原因为泥质粉砂岩的含量逐渐增加，地下水含水量减小，另外泥质粉砂岩含量增加会致使吸水量增加，所以达到渣土改良所需注入的水量相应增加。

图6 每环注水量曲线

由此可见，在上软下硬地层，尤其上层为富水砂砾石地层时盾构掘进的渣土改良是一个难题。主要由于泡沫作为改良剂受地下水影响较大，它会随着地下水进入地层中，即泡沫剂的用量难以得到准确控制。同时，注水量也受地下水的影响较大，每环的注水量需根据渣土状态实时调整。从统计中也得到证实，随着刀盘在富水砂砾石中的掘进面积的减小，泡沫剂用量也在逐步减少，泡沫的损失百分比从最初超过67%减小到与试验结果相符。同时，随着掘进断面中泥质粉砂岩面积的增大注水量也相应增大。

3.2 改良效果分析

为了解盾构掘进时的渣土改良效果，对土仓中出来的渣土进行坍落度试验，从而确定渣土的改良状态。沿隧道纵向取各典型断面渣土进行坍落度试验，同时分析坍落度与泡沫剂用量的关系(图7)。

图7 坍落度与泡沫剂用量的关系曲线

从图7中坍落度与泡沫剂用量的对比中可以看出两者成正比关系。在一定的条件下，泡沫剂用量越大，坍落度越大，而从所取渣土样本中可以推测出坍落度在17～20 cm时泡沫剂用量为63～82 L。根据已掘进的160环的各类地层中泡沫剂用量的统计值及其在各地层中的泡沫剂用量的平均值变化，进一步确定刀盘在上述3种地层中的每环泡沫剂用量分别为63～70，70～76以及76～82 L。

图8为除去注水量统计错误后的样本渣土的坍落度与每环注水量的对比曲线。

图8 坍落度与注水量的关系曲线

由图8曲线可知，坍落度值与每环注水量也成正比，当注水量增大时坍落度也相应变大。坍落度在17～20 m时，每环注水量为6～8 m3，此时的渣土状态比较适合掘进。再结合盾构掘进的注水量统计值变化进一步确定盾构在3种地层(砂砾石与泥质粉砂岩的面积比＞2∶1，1∶2＜砂砾石与泥质粉砂岩的面积比＜2∶1，砂砾石与泥质粉砂岩的面积比＜1∶2)中掘进时的每环注水量分别为6，7和8 m3。

综上所述，各改良参数能够与渣土改良状态建立一个良好的变化关系，这对于渣土改良参数的调整较有益。

4 建议与结论

根据渣土改良室内试验，得到施工时渣土改良参数。并与现场盾构推进时调整的改良参数以及渣土改良状态进行对比分析，得到盾构在上软下硬地层中推进时的一些改良建议和结论。

1)结合试验数据，在考虑盾构机所能设定的最大发泡率(膨胀率)、土仓压力、土体被盾构切削后的松散性等诸多因素的基础上，得到每环泡沫剂用量随地层中砂砾石与泥质粉砂岩在掘进断面所占面积的不同分别为39～48 L，65～78 L以及72～90 L。富水砂砾石在盾构掘进断面所占面积越小，试验确定的参数越准确。

2)由于泡沫会随地下水进入地层中导致实际对渣土起改良效果的量受地下水的影响较大，故当富水砂砾石在盾构掘进断面所占面积减小时(损失率减小)，泡沫剂的用量越接近试验结果。同时，在掘进过程中每环的注水量则大幅增加，从中可以看出，掘进断面中泥质粉砂岩面积的增大导致注水量上升。

3)从盾构在上软下硬地层中推进时的渣土改良状态及参数对比中可以看出，每环泡沫剂用量应保持在63～82 L之间且随着掘进断面中富水砂砾石所占面积的减小，泡沫剂的用量可稍微减少，在3种地层中的每环泡沫剂用量分别为63～70，70～76以及76～82 L。除此之外，每环注水量应保持在6～8 m3之间，3种地层每环注水量分别为6，7，8 m3。

［1］魏康林．土压平衡盾构施工中泡沫和膨润土改良土体的微观机理分析［J］．现代隧道技术，2007，44(1):73-77．

［2］魏康林．土压平衡式盾构施工中“理想状态土体”的探讨［J］．城市轨道交通研究，2007(1):67-70．

［3］朱伟，郭涛，魏康林．盾构用气泡的性能及对开挖土体改良效果影响［J］．地下空间与工程学报，2006，2(4):571-577．

［4］付艳斌．上软下硬地层中盾构法隧道施工技术［J］．交通科技与经济，2009(4):80-81，84．

［5］姜厚停，闫鑫，龚秋明．土压平衡盾构施工中泡沫改良圆砾地层的试验研究［J］．现代隧道技术，2008(增):187-190．

［6］马连丛．富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究［J］．隧道建设，2010，30(4):411-415．