南昌复合地层盾构渣土改良技术

刘 卫（江西中昌工程咨询监理有限公司，江西南昌 330088）

南昌复合地层盾构渣土改良技术

刘 卫
（江西中昌工程咨询监理有限公司，江西南昌 330088）

摘要：为解决在南昌富水条件下砂层与泥质粉砂岩复合地层中喷涌、结“泥饼”、渣土“流塑性差、含水量高、渗透系数大”等施工难点，以南昌地铁1号线中子（中山西路站—子固路站）区间、八八（八一广场站—八一馆站）区间盾构施工为背景，通过数据统计及案例分析，得出液态高分子聚合物可作为抑制喷涌常态措施，泥质粉砂岩及富水砾砂层地质条件下，选取泡沫剂作为渣土改良添加剂，在砂砾石与泥质粉砂岩的复合地层，可考虑添加一定量的膨润土或高分子聚合物，解决砂砾石地层中渣土流动性差、防喷涌及粉质泥沙岩中结“泥饼”等问题。砂砾层体积与渣土总体积之比小于等于1／3时，渣土改良方式采用泡沫剂与分散剂溶液；大于1／3而小于2／3时，改良方式采用膨润土与泡沫剂溶液；大于等于2／3时，改良方式采用水土比8∶1膨润土与浓度为3%泡沫剂溶液，但膨润土用量应增加。

关键词：南昌地铁；土压平衡盾构；富水砾砂；泥质粉砂岩；复合地层；泡沫剂；高分子聚合物；渣土改良

0　引言

各国学者为获得渣土改良的最佳效果进行了不同地层下各种渣土改良剂的研究，明确了2种常规渣土改良剂为膨润土及泡沫剂。魏康林［1］从微观角度得出膨润土适用于细料含量少或透水性高的土体，泡沫改良适用于颗粒级配相对良好、平均粒径较大和含水

量高的土体；胡长明等［2］对单一砂层渣土改良进行实验研究，得出在细砂、中砂使用膨润土改良效果较好，能明显降低土体的内摩擦角，黏聚力增加，并且使和易性与流动性得到提高；邓彬等［3］对沙砾型、粉质砂土、粉质黏土、黏土与气泡及气泡添加剂之间土性的对应关系进行了研究，得出泡沫剂与膨润土分别适应各种级配的砂型地层与细粒含量少的砂型地层。对渣土改良的效果评价指标研究方面，魏康林［4］提出经过外加剂改良后的土体必须具有较小的抗剪强度、相对适中的可压缩性、较低的渗透性和一定的流动性。贺斯进［5］在黄土地层盾构渣土改良中也予以认同，认为在渣土改良中泡沫不但能显著降低砂土的渗透系数和剪切强度，而且能加大混合体的和易性；加入适量膨润土，则可获得进一步提高砂土保水性、流动性及降低砂土的渗透系数和剪切强度的效果，且对膨润土及泡沫剂在黄土底层盾构施工渣土改良效果进行了研究，得出室内实验结果最优膨润土及泡沫剂与黄土的配比，并在实际施工中进行渣土改良效果的验证。

文章以南昌复合地层盾构施工为研究对象，对渣土改良参数总结分析、突发性喷涌处理及泥饼预防进行了研究。在南昌泥质粉砂岩及富水砾砂层复合地质条件下采用砂砾层体积与渣土总体积之比细化渣土改良剂使用方法进行研究，并对固（液）态高分子聚合物在渣土改良中的优缺点及最优使用方法进行总结。本研究获得的南昌复合地层渣土改良配合比及参数总结，对减少刀盘刀具磨损、防止结泥饼及喷涌等异常施工状况具有重要意义。

1　工程地质及水文地质概况

1.1地质情况

1）中子区间地质情况。根据隧道地质纵断面图，中山西路站CK13＋030～＋262段，盾构上部处于砾砂和细砂层，下部处于中风化泥质粉砂岩层，中间夹杂薄层强风化泥质粉砂岩层；CK13＋262～＋432段，盾构处于中风化泥质粉砂岩层中，局部隧道顶部为薄层强风化泥质粉砂岩和淤泥质黏土层；CK13＋432～＋725段，隧道处于中风化泥质粉砂岩层，顶部为1.2～5 m的中风化泥质粉砂岩层。中子区间地质纵断面图见图1。

2）八八区间地质情况。从八一广场站CK15＋374到东湖小里程侧CK14＋885，盾构隧道地层底部为中风化泥质粉砂岩，盾构顶部到泥质粉砂岩顶部为4 m左右；东湖小里程侧CK14＋885～＋715，盾构顶部中风化泥质粉砂岩厚度从4 m渐变到0 m，自下往上主要为砾砂和圆砾层；C14＋715～＋525段，盾构隧道底部在中风化泥质粉砂岩，中部和顶部进入了砾砂层，盾构顶部以上为砾砂层和圆砾层；CK14＋525到八一馆站CK14＋434，盾构隧道底部在中风化泥质粉砂岩，中部和顶部在砾砂层中，盾构顶部以上为圆砾层。八八区间地质纵断面图见图2。

图1　中子区间地质纵断面Fig.1 Geological profile of ZhongZi running tunnel

图2　八八区间地质纵断面图Fig.2 Geological profile of BaBa running tunnel

1.2水文条件

中子及八八区间均包括4种地下水：上层滞水、松散岩类空孔隙水、碎屑岩类裂隙和溶隙水。

1）中山西路站—子固路站区间。上层滞水主要赋存于浅部杂填土层中；松散岩类空孔隙水为潜水，局部为承压水，主要赋存于冲积砂砾石层中，水位埋深6.5～8.14 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。

2）八一馆站—八一广场站区间。上层滞水主要赋存于浅部杂填土层中，水位埋深0.9～4.6 m；松散岩类空孔隙水主要赋存于冲积砂砾石层中，主要以承压水为主，最大水头高度4.4 m，埋深4.9～8.2 m；碎屑岩类裂隙、溶隙水主要赋存于钙质泥岩和破碎的粉砂质泥岩层中，水位埋深4.3～7 m。

2　泥质粉砂岩矿物成分分析

根据本项目穿越粉质泥砂岩的特点，以粉质泥砂岩为目标进行矿物成分分析，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。矿物成分见表1。

表1　矿物成分百分比Table 1 Proportions of minerals of silty sandstone　%

研究表明，产生泥饼的主要原因是黏土矿物的存在，尤其是高岭土、蒙脱土以及伊利石等矿物成分很有可能导致结“泥饼”现象［6］，即盾构刀盘切削下来的细小砂土颗粒、碎屑在土舱内重新聚集而成的半固结和固结状的块状体［7］。从表1中可以看出，产生“泥饼”的矿物成分占40%以上。

3　渣土改良的状态评价

“塑性流动状态”是一个比较模糊的概念，就具体的土体性质而言，盾构土仓内渣土改良的状态评价应包括抗剪切强度、压缩性、渗透性和流动性4方面。它们对盾构掘进和运行的影响如下。

1）抗剪强度。混合土体的抗剪强度对盾构内的开挖装置和排土机械的损耗有着直接影响。较小的内摩擦角可以有效防止土体成拱及闭塞的发生，还可以减少开挖刀盘和刀头所受土体的抗力并降低刀盘和刀具的磨损。降低开挖土体强度可以减小刀盘的扭矩，降低盾构施工的能耗，避免因扭矩上升引起的停机风险。

2）压缩性。增加土体的可压缩性及均质性有利于压力的控制及开挖面稳定，并具有避免盾构刀盘粘附泥饼的效用。

3）渗透性。土仓内砂土渗透性的降低可以大大降低由于地下水的入渗导致开挖面坍塌的可能性，而且，当将土仓内砂土的渗透性控制在一个较小范围内时，也可以防止开挖面上的地下水穿越土仓和螺旋排土器的出口形成喷涌。

4）流动性。土仓内土体的流动性直接决定了螺旋输送机的排土状态。日本的相关研究学者研究结果为：土体的坍落度在10～15 cm时，可以认为其满足塑性流动状态的要求。故渣土改良效果可通过改良后的渣土坍落度来评价。

4　各种渣土改良剂使用对比

渣土改良研究对象主要为粉质泥沙岩与砂砾石的混合渣土。不同材料的添加剂各有优缺点［8］，对比见表2。

表2　各种渣土改良添加剂对比表Table 2 Comparison and contrast among different ground conditioning agents

根据对比，针对南昌地质特点，渣土改良添加剂选用分析如下：

1）矿物类。由于泥质粉砂岩中的伊利石跟蒙脱石的含量都较高［9］，细颗粒含量较高，故盾构在泥质粉砂岩中掘进时尽量少用膨润土，避免泥饼生成。

2）高分子聚合物。针对复合地层局部联通上层水的特点，考虑适当掺加高分子聚合物以防止喷涌，在盾构施工过程中对固液态高分子聚合物的优缺点及使用方法进行对比分析，如表3所示。

4）水。考虑通过刀盘前泡沫剂发生管路注入到掌子面一定量的水，减少刀具的磨损，冷却刀具，降低刀盘扭矩。

表3　固（液）态高分子聚合物优缺点分类Table 3 Comparison and contrast between solid highmolecular polymer and liquid highmolecular polymer

对全断面砾砂层以膨润土为主要改良剂；在上软下硬地层以泡沫剂改良为主，膨润土、水改良为辅；在全断面泥质粉砂岩中以泡沫剂及水改良为主；对突发性喷涌，即从螺旋排土器的出口处发生喷水、喷砂、喷泥的现象［10］，以高分子聚合物进行抑制。

5　渣土改良方案实施

5.1中子区间下行线

代表地层为富水砾砂层、淤泥质黏土、上软下硬及全断面泥质粉砂岩。

5.1.1渣土改良参数

5.1.1.1全断面泥质粉砂岩地层

对泥质粉砂岩进行坍落度试验，试验结果为：当不添加泡沫时，渣土的坍落度很小，几乎为零，随着泡沫的添加量增大，坍落度也逐渐增加，泡沫添加比为30%～35%时达到较好的流动性，这时渣土的改良效果最好。

5.1.1.2砂砾石与泥质粉砂岩复合地层

应收账款证券化的确认一般有两种方法：其一，“风险与报酬”分析法；其二，“金融构成”分析法。第一个方法中，它使得资产证券化会计反应过于简单。但随着金融技术的飞速发展，高明的设计者利用金融工程技术设计出复杂的金融合约结构，从而实现改善资产负债比率的目标。因此，SFASNO.125《金融资产转让和服务及金融负债清偿的会计》突破传统，决定采用“金融构成”分析法。同时，SFASNO.77明确给出了三条标准来确认应收账款：第一，转让人无条件地将应收款未来经济利益的控制权转让给受让人；第二，转让人对受让人的责任必须在转让日期合理地估计出；第三，转让人只能根据追索权条款购回应收款。

1）泡沫剂改良。根据不同的砂砾石与泥质粉砂岩配比得到不同的泡沫添加比。砂砾层体积与总体积比值小于等于1／3时，泡沫添加比为15%～20%；砂砾层体积与总体积比值大于1／3而小于2／3时，泡沫添加比为25%～30%；砂砾层体积与总体积比值大于等于2／3时，泡沫添加比为30%～35%。砂砾石含量越少泡沫添加比越多。

2）泡沫和膨润土同时改良。对于2种添加剂同时改良的情况，试验中先确定膨润土的水土比为8∶1，对渣土的添加比为5%。再对此渣土进行泡沫的添加改良，改良结果为：砂砾层体积与总体积比值大于等于2／3时，泡沫添加比在5%左右；在砂砾层体积与总体积比值大于1／3而小于2／3时，泡沫添加比为5%～10%。从试验结果可以看出，对于复合地层，当膨润土添加量一定时，坍落度具有只添加泡沫剂渣土改良类似的效果，砂砾石越少，泡沫添加量也越多。

5.1.2渣土改良分析

中子区间下行线试掘进过程中，由于地质条件的复杂性，较难掌控单一地质条件下的渣土改良配合比，前220环泡沫剂参数变化较大，渣土改良效果不一，但均在50～150 L波动，刀盘喷水量为5～8 m3；220～470环主要地质为泥质粉砂岩，泡沫剂为25～75 L，刀盘注水量4～10 m3；470环～接收井泡沫剂平均用量100 L左右，刀盘注水量7.5 m3左右。

中子区间渣土改良主要采用泡沫剂与水进行渣土改良，渣土改良统计参数如图3和图4。

中子区间下行线渣土改良效果统计如图5所示。

图3　中子区间渣土改良泡沫剂用量示意图Fig.3 Consumption of foam in ground conditioning in ZhongZi running tunnel

图4　中子区间渣土改良刀盘注水量示意图Fig.4 Quantity of water injected through cutterhead for ground conditioning in ZhongZi running tunnel

图5　渣土改良效果图Fig.5 Effect of ground conditoning

5.2八八区间下行线

代表地层为富水砾砂层、上软下硬地层及全断面泥质粉砂岩。

5.2.1施工出现状况

八八区间下行线始发段上部有40～50 cm的砾砂层，向下依次为强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂

岩，且根据八一广场站主体施工情况分析，该区段岩层裂隙较发育，现场实测地下水水位较高（位于地面下6～8 m），水量补给充足，由于高地下水头压力的缘故，该段渣土改良难度极大。

始发初期出现降水水位无法达到岩面、14～15环突发性喷涌等情况，主要采取了以下措施：1）采取降水措施减少盾构隧道区域内水头压力；2）使用固态高分子聚合物作为常备渣土改良剂，并引进液态高分子聚合物及配套的注入设备，在掘进过程中利用配套设备直接注到螺旋输送机进土口位置，进一步促进螺机进土口处形成土塞效应［11］，形成第2道防线抑制喷涌；3）采用分散剂浸泡刀盘预防结泥饼。

通过以上措施恢复掘进效果明显，在第1环加入液态高分子聚合物后，未再出现喷涌现象，其高分子聚合物实际使用方法如下：

1）固态高分子聚合物作为常备渣土改良剂，在车站中板设置高分子聚合搅拌罐，采用管路运输接入盾构内。高分子聚合物的配合比按照8‰～10‰的掺量进行搅拌，每环暂定为4～6 m3，同时根据现场地下水喷涌的情况可对高分子聚合物的掺量及注入量进行适量调整。搅拌好的聚合物主要注入土仓内，与土仓内的地下水反应，降低水压，同时胶结土仓内粗颗粒形成土塞效应抑制喷涌。

2）采用进口液态高分子聚合物及配套的注入设备，在掘进过程中利用配套设备直接注到螺旋输送机进土口位置，进一步促进螺机进土口处形成土塞效应，形成第2道防线抑制喷涌。液态高分子聚合物直接注入原液，每环暂定6～8 L，可根据现场地下水喷涌的情况进行适量调整。

在第18环复推使用约15 L液态高分子聚合物后，现场恢复正常，效果明显。

八八区间下行线在559环发生喷涌、超挖等现象。后在刀盘所处地面位置562～565环下方发现空洞，造成异常情况的原因主要有：1）盾构在559环掘进时，地层刚好处于全断面岩层与上软下硬地层（上部砾砂下部泥岩）的地质突变界面，地下水量突变；2）隧道上方的中山路有一条直径600 mm的雨污水管，年久失修常年渗漏，另外中山路段常年排水不畅，造成地下形成各种水囊及走水通路，盾构下穿过程中的扰动造成大量地层滞留水涌入土仓。

正常施工过程中渣土改良措施有：

1）推进过程中采取泡沫＋膨润土溶液进行渣土改良。膨润土作为常规的渣土改良剂，推进过程中持续地注入高浓度的膨润土，其黏度控制在90～120 Pa·s。上软下硬段地层（未加固段）采用康纳特泡沫剂。为了增加泡沫剂的效果，将泡沫原液比例调整至4%，流量根据实际渣土改良情况进行调整，每环原液使用量控制在40～70 L。

2）高分子聚合物的使用。①液态高分子聚合物：开始推进或者推进过程中，若发现螺旋机背部压力达到0.05 MPa及以上，停机状态下，必须往螺机口注入液态高分子聚合物，每环原液注入量为10～15 L，注入后低速转动刀盘10 min可恢复掘进。该项措施在上软下硬未加固段一直作为常态措施，但实际施工中渣土偏干，出现过需注水改良或局部刀盘土体固结的情况。②固态高分子聚合物：若停机时间超过1.5 h，则应该使用浓度较高的固态高分子聚合物注入土仓，固态高分子聚合物溶液浓度为6‰～8‰，每环使用溶液量为4～6 m3，实际注入量根据土仓压力值来调整。

5.2.2渣土改良分析

始发初期由于地下水丰富，取消刀盘喷水以泡沫改良为主，经过前期试掘进，在进入税务局住宅楼及中山商住楼以后渣土改良参数逐步趋于平稳，泡沫剂用量在50 L左右，刀盘喷水在15 m3左右，后530～630环为上软下硬未加固富水区域，对出现的几次较大喷涌均及时注入高分子聚合物处理，除559环发生喷涌造成空洞外，其余情况均正常，保证了地面交通及周边建筑物的安全。渣土改变参数统计如图6和图7所示。

图6　八八区间下行线泡沫剂用量示意图Fig.6 Consumption of foam in ground conditioning in BaBa running tunnel

图7　八八区间下行线刀盘用水量示意图Fig.7 Quantity of water injected through cutterhead for ground conditioning in BaBa running tunnel

6　结论与建议

6.1结论

南昌地铁1号线土建五标采用泡沫剂及水，适当使用膨润土、高分子聚合物抑制喷涌施工，获得了较好的渣土改良效果，主要研究结论总结如下：

1）基于泥质粉砂岩及富水砾砂层地质条件下，选取泡沫剂作为渣土改良添加剂，在砂砾石与泥质粉砂岩的复合地层，可考虑添加一定量的膨润土或高分子聚合物。这样既能解决砂砾石地层中渣土流动性差、防喷涌等问题，又能解决在粉质泥沙岩中刀盘结“泥饼”的问题。

2）液态高分子聚合物作为常用抑制喷涌措施，在实际施工过程中应随时关注渣土变化，避免对液态高分子聚合物注入量偏大导致渣土偏干、出现需注水改良或局部刀盘土体固结的情况。

3）通过项目渣土改良研究及实施效果分析，对盾构掌子面为全断面泥质粉砂岩的区段，建议采用泡沫剂与分散剂溶液对渣土进行改良。对盾构掌子面为复合地层的区段，分3种情况考虑。①在砂砾层体积与渣土总体积之比小于等于1／3时，渣土改良方式采用泡沫剂与分散剂溶液；②在砂砾层体积与渣土总体积之比大于1／3而小于2／3时，改良方式采用膨润土与泡沫剂溶液；③在砂砾层体积与渣土总体积之比大于等于2／3时，改良方式采用膨润土与泡沫剂溶液，但膨润土用量应增加，其中泡沫剂的浓度为3%，膨润土的水土比为8∶1。

6.2建议

现场施工应严格控制液态高分子聚合物注入量，若注入量过大易导致渣土偏干，甚至局部刀盘土体固结，对渣土偏干可用加水缓解，对局部刀盘土体固结使用分散剂进行浸泡，但分散剂易引起地面坍塌，故在施工中必须注意高分子聚合物应适量增加，严禁超注。后续可对不同含水量及不同地质条件下的液态高分子聚合物注入后渣土改良的效果进行试验研究，为现场施工提供理论参数。

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Ground Conditioning Technology for Shield Tunneling in Composite Strata in Nangchang

LIU Wei
（Jiangxi Zhongchang Engineering Consultant Co.，Ltd.，Nanchang 330088，Jiangxi，China）

Abstract：During shield tunneling in the composite strata consisting waterrich sand and silty sandstone in Nanchang，difficulties such as water／muck gushing，muck blocking，poor muck plasticity，waterrich muck and highlypermeable muck may be faced.In the paper，the ground conditioning applied in the construction of ZhongZi running tunnel and BaBa running tunnel on Line 1 of Nanchang Metro is studied.Conclusions drawn are as follows：1）Liquid highmolecular polymer may be taken as the common measure to control the water／muck gushing；Foam may be taken as the ground conditioning agent in silty sandstone geology and waterrich gravel sand strata；2）In the composite ground consisting of sand gravel and silty sandstone，some bentonite or highmolecular polymer may be added so as to solve such problems as low fluidity of mucks，water／muck gushing and muck blocking；3）Where the volume of the sand gravel is not more than 1／3 of the total volume of the mucks，foam and dispersing solution may be used for grounding conditioning；Where the volume of the sand gravel ranges from 1／3 to 2／3 of the total volume of the mucks，bentonite and foam solution may be used for grounding conditioning；Where the volume of the sand gravel is equal to or larger than 2／3 of the total volume of the mucks，bentonite solution（with the waterbentonite ratio being 8∶1）and foam solution （with the foam concentration being 3%）may be used for grounding conditioning，and the consumption of bentonite shall be increased.

Key words：Nanchang Metro；earth pressure balanced（EPB）shield；waterrich gravel sand；silty sandstone；composite ground；foam；highmolecular polymer；ground conditioning

作者简介：刘卫（1971—），女，江西南昌人，2003年毕业于南昌大学，结构工程专业，硕士，高级工程师，现从事隧道工程技术工作。

收稿日期：2015－01－10；修回日期：2015－04－06

中图分类号：U 455.4

文献标志码：B

文章编号：1672－741X（2015）05－0455－08

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.011