土压平衡盾构在复合地层中渣土性质试验与改良技术研究
2018-05-10周庆国
周庆国
(中铁建昆仑投资集团有限公司， 四川 成都 610000)
0 引言
近年来，随着我国城市轨道交通建设的快速发展，土压平衡盾构技术因具有施工速度快、安全系数高及对地面影响小的优点，已经成为各大城市区间隧道的主要施工方法。土压平衡盾构推进时，其前端刀盘旋转切削地层，切削下的围岩进入土舱。为了维持掌子面稳定，并保证渣土的持续运出，土舱内泥土理想状态应为塑性流动状态[1]。施工过程中为有效改善渣土流动性、降低喷涌量并减少刀具磨损，有必要开展不同地层渣土物理性质及改良技术研究。国内外学者对不同地层的渣土改良技术进行了一些研究。张立泉[2]针对无水砂层确定了渣土改良的配合比和合理参量； 唐卓华等[3]针对富水砂层盾构掘进渣土改良得出了适合该地层的渣土改良剂的合理配比； 周用攀[4]针对卵石地层得出了盾构施工的合理泡沫和泥浆掺入比; 肖超等[5]针对泥质粉砂地层土压平衡盾构渣土的FIR理论计算值进行了修正； R.Zumsteg等[6]研究了渣土的类型和不同压力对泡沫改良渣土的影响。土压平衡盾构对复合地质的适应性是一个比较复杂的综合性技术，而渣土改良是保证掘进过程中的关键手段。目前，大多数土压平衡盾构主要采用添加膨润土泥浆、泡沫剂及聚合物等材料和方法对渣土进行改良[7]，但在应用中缺乏相应地层土体性质的试验依据和实践来统一指导施工。本文针对成都地铁10号线一期土压平衡盾构掘进工程中穿越的全风化、强风化复合地层和中等风化复合地层，在盾构现场掘进试验中针对不同掘进参数采取渣土试样，进行渣土取样物理性质室内试验，对渣土颗粒密度、颗粒级配和颗粒几何参数统计，定量分析地层条件对渣土物理性质的影响，通过研究不同配比的泡沫剂改良砂质、岩质渣土后塑流状混合物的含水率、坍落度等指标，确定了最优泡沫剂掺量，开展级配方程对颗粒级配和几何参数的适用性分析，结合掘进参数与地层条件，提出基于地层及掘进参数的渣土改良施工参数的量化方法，形成较为完整的基于复合地层的土压平衡盾构的渣土性质试验方法和改良技术。
1 工程概况
成都地铁10号线一期线路全长10.5 km，全为地下线，最大站间距为2.836 km，最小站间距为1.028 km，平均站间距为1.826 km。最小曲线半径为400 m。其中，沈家桥站—金航路南站区间，盾构区间右线起止点里程为YCK4+293.046～YCK7+154.413，区间全长为2 852.367 m；盾构区间左线起止点里程为ZCK4+363.446～ZCK7+197.228，短链长为2.556 m,区间全长为2 831.226 m。本段沿线下伏的白垩系灌口组(K2g)紫红色、褐红色泥岩，大多数地段为中等风化，风化呈短柱状，个别地段有全风化、强风化岩层揭露，风化呈土状、碎块状。岩层具有易软化、崩解、强度急剧降低的特点，盾构在掘进过程中多次遇到喷涌，对盾构掘进时开挖面的稳定性十分不利。岩土层的工程特征及水文特征统计如表1所示。
表1 岩土层的工程特征及水文特征统计表Table 1 Engineering characteristics of rock and soil layers and statistics of hydrological characteristics
2 全风化、强风化复合地层渣土物理性质
2.1 颗粒的级配特征
按筛孔大小排列顺序逐个将渣样过筛，筛孔孔径依次为37.5、26.5、19、16、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。计算分计筛余百分率、累计筛余百分率和各号筛的质量通过百分率，并绘制级配曲线。渣土的颗粒级配曲线如图1所示。
各编号渣样粗、细颗粒含量统计如表2所示，有效推力和刀盘转速与粗颗粒含量关系如图2所示。
由图2可以看出： 1)在相同的盾构推力下，刀盘转速越大，渣土粗颗粒含量越少； 2)盾构推力从10 000 kN增加到12 000 kN，粗颗粒含量在刀盘转速为1.4 r/min和1.5 r/min时，含量减少超过了10%； 3)在刀盘转速达到1.6 r/min时，粗颗粒含量趋于相同，都接近50%; 4)在相同的刀盘转速下，随着盾构推力的增加，渣土粗颗粒含量也随之增多; 5)盾构推力在9 500 kN和12 000 kN时，刀盘转速从1.5 r/min增加到1.6 r/min时，粗颗粒含量减少量小于5%； 6)推力在10 000 kN时，同样的等级刀盘转速提升，渣土粗颗粒含量降低将近20%; 7)在高刀盘转速下，随着盾构推力的增加，渣土粗颗粒含量逐渐趋于50%。
2.2 级配方程分析
目前为止，关于岩土颗粒物质几何参数分布累计曲线的数学表述具有相异的适用范围。W.B.Fuller等[8]根据试验提出的一种理想级配即最大密度曲线，认为参数级配曲线越接近抛物线时，其密度越大，如式(1)所示。
图1 渣土的颗粒级配曲线图Fig. 1 Grain gradation curves of residual soil
表2 渣样粗、细颗粒含量统计表Table 2 Statistics of coarse and fine particle content of slag sample
图2 有效推力和刀盘转速与粗颗粒含量关系图
Fig. 2 Relationships among effective thrust, cutter rolling speed and coarse particle content
(1)
式中：P为粒径为d的颗粒的通过质量百分率；dmax为最大粒径。
基于分形理论，A.N.Talbot等[9]提出一种级配方程，如式(2)所示。
(2)
式中D为分形维数。
根据式(2)，在研究最大密度时，A.N.Talbot等[9]则认为，实际矿料的级配应允许有一定的波动，如式(3)所示。
(3)
式中：n为级配指数，一般n取0.3～0.6 时，有较好的密实度； 当n=0.5 时即为W.B.Fuller等[8]提出的最大密度曲线。
P.K.Swamee等[10]提出了天然泥砂的级配曲线方程，如式(4)所示。
(4)
式中:m为双对数坐标系中泥砂级配曲线中间段变化斜率；n为渐变系数(或称为拟合系数)；d*为(双对数坐标系中)级配曲线的中间段直线的延长线与P=100%的横坐标交点对应的粒径。
以1号渣样为例，对渣样筛分数据运用上述公式进行拟合，拟合发现Swamee级配曲线方程拟合效果最好，拟合结果如图3所示。各编号渣样的拟合参数值及相关系数如表3所示。
图3 渣样颗粒级配实测值与拟合值对比
Fig. 3 Comparison between fitted values and measured values of particle size grading of slag
表3 各编号渣样的拟合参数值及相关系数Table 3 Fitting parameters and correlation coefficients of various numbered slag samples
3 全风化、强风化复合地层渣土改良技术试验研究
3.1 渣土改良方式比较
目前在国内土压平衡盾构施工中泡沫和膨润土是使用最为广泛的2种外加剂，但膨润土作为外加剂需要制泥设备，成本较高，且膨润土泥浆适用于细料含量少的中粗砂土、砂砾土、卵石漂石地层等，不适于本工程进行渣土改良。采用泡沫改良渣土适合任何土层[11-12]，故本工程采用YHP系列土壤改良泡沫润滑剂，该泡沫剂是由多种表面活性剂、稳定剂、强化剂及渗透剂等复配而成的，是专门针对盾构在隧道施工中的一种辅助材料，能有效改良土壤塑性。
3.2 渣土改良混合物流动性分析
3.2.1 渣土改良混合物最优流动性
国内外利用对渣土改良试验中坍落度值范围的选取来评价渣土状态没有统一的标准。V.Raffaele等[13]通过试验研究得出坍落度为120～225 mm的改良土体效果较好，而S.Jancsecz等[14]通过试验研究却得出坍落度为200～250 mm时较好。基于以上学者的研究并结合盾构施工现场，综合评价认为，坍落度控制在180～220 mm时更适合盾构施工。
3.2.2 试验结果
对每组进行试验拍照并量取坍落度值，并将每组试验所得照片汇总，如图4所示。
(a)W=12%, (b)W=12%, (c)W=12%, (d)W=12%, (e)W=12%,
FER=0%, FER=20%, FER=40%, FER=60%, FER=0%,
T=41 mmT=93 mmT=154 mmT=179 mmT=64 mm
(f)W=14%, (g)W=14%, (h)W=14%, (i)W=16%, (j)W=16%,
FER=20%, FER=40%, FER=60%, FER=0%, FER=20%,
T=101 mmT=158 mmT=176 mmT=185 mmT=201 mm
(k)W=16%, (l)W=16%, (m)W=18%, (n)W=18%, (o)W=18%,
FER=40%, FER=60%, FER=0%, FER=20%, FER=40%,
T=215 mmT=220 mmT=202 mmT=221 mmT=230 mm
(p)W=18%, (q)W=20%, (r)W=20%, (s)W=20%, (t)W=20%,
FER=60%, FER=0%, FER=20%, FER=40%, FER=60%,
T=239 mmT=216 mmT=229 mmT=238 mmT=239 mm
图4坍落度试验
Fig. 4 Slump test
对每次改良渣样的坍落度值进行量测，可以得到含水率与渣土流动性关系，如图5所示。泡沫掺量与渣土流动性关系如图6所示。
图5 含水率与渣土流动性关系
Fig. 5 Relationships between water content and residual soil fluidity
图6 泡沫掺量与渣土流动性关系
Fig. 6 Relationships between foam content and residual soil fluidity
由图5可以看出: 1)在泡沫掺量一定时，渣样含水率越高，渣样的坍落度值越大； 2)渣样含水率从12%增加到14%时，渣样坍落度值增加较为缓慢； 3)含水率从14%增加到16%时，渣样的坍落度值迅速增加； 4)随着含水率的增加，渣样坍落度值增加速率又放缓。同时由图6可以看出： 渣样泡沫掺量达到40%之后，泡沫掺量增加，渣样坍落度值差异逐渐变小。
由图6可以看出: 1)在渣样含水率较小的情况下(含水率为12%、14%)，泡沫掺量增加，渣土坍落度值迅速增加； 2)含水率为12%时，渣样坍落度值从41 mm增加到179 mm； 3)含水率为14%时，渣样坍落度值从64 mm增加到176 mm； 4)随着含水率的进一步增大，渣样坍落度值增幅非常缓慢，含水率为16%、18%、20%时，渣样坍落度值分别从185、202、216 mm增加到220、239、239 mm。同时由图5可以看出： 渣样含水率为16%时，随着泡沫掺量从0%增加到60%，渣样坍落度值出现明显差异，即含水率达到16%之后，渣样坍落度值增加幅度迅速减小。
由图4—6可知: 渣样含水率为16%～18%时，渣样通过掺入泡沫能达到较好的流塑状态，此时渣土坍落度值为180～230 mm，并且渣土中细颗粒能很好地将粗颗粒进行包裹，渣土的保水性较好，不析水，渣土接近饱和状态; 2)泡沫掺量为40%左右时改良效果最佳。
4 中等风化复合地层渣土物理性质
4.1 渣土颗粒级配
将盾构隧道不同掘进参数下，取得的盾构岩渣分别装样，称取每份试样不少于50 kg，共取得11份试样。参照破碎、较破碎地层中渣样进行筛分试验，取套筛包含粒径分别为37.5、26.5、19、16、9.5、4.75 mm。每个试样分别过筛，得到颗粒级配曲线，如图7所示。
图7 渣土颗粒级配曲线示意图Fig. 7 Sketch of curves of particle gradation of residual soil
由图7可以看出: 1)粒径在37.5 mm以上渣土颗粒含量为10%～20%； 2)粒径在4.75～36.5 mm的渣土颗粒含量基本为70%～80%； 3)粒径小于4.75 mm的渣土颗粒含量基本上低于5%。
渣土颗粒级配的有效推力分级如图8所示。可以看出: 1)在相应的有效推力下，刀盘转速分别从1.75 r/min增大到2.00 r/min、从1.79 r/min增大到1.98 r/min、从1.69 r/min增加到2.00 r/min，都表现出渣土颗粒逐渐偏细; 2)在有效推力为6 800 kN时，随着刀盘转速的增大，渣土颗粒在19 mm粒径以上的颗粒含量相对减少，渣土颗粒在19 mm粒径以下的颗粒含量相对增多; 3)当盾构有效推力为 8 050 kN时，随着刀盘转速的增加，渣土颗粒级配曲线之间的差异变小。即在大致相同的地层下，盾构掘进过程中，盾构有效推力维持稳定，随着刀盘转速的增加，掘出的渣土颗粒偏细。当有效推力足够大时，随着刀盘转速的变化，渣土各粒径含量差异将减小。
(a) 有效推力为6 000 kN
(b) 有效推力为6 800 kN
(c) 有效推力为7 000 kN
(d) 有效推力为8 050 kN图8 渣土颗粒级配的有效推力分级示意图
Fig. 8 Sketch of effective thrust classification of particle size gradation
渣土颗粒级配的刀盘转速分级如图9所示。
(a) 刀盘转速为1.68 r/min
(b) 刀盘转速为1.95 r/min
(c) 刀盘转速为2.0 r/min图9 渣土颗粒级配的刀盘转速分级示意图
Fig. 9 Sketch of cutter rolling speed grading of residue particle gradation
由图9可以看出: 1)刀盘转速分别为1.68、1.95、2.00 r/min时，随着盾构有效推力的变化，渣土颗粒级配发生变化; 2)在一定的刀盘转速下，盾构有效推力增加，渣土颗粒级配曲线偏上，即渣土颗粒相对偏细; 3)在一定的刀盘转速下，渣土颗粒级配与盾构有效推力的变化幅度相关; 4)盾构有效推力变化幅度越大，颗粒级配曲线差异越大; 5)有效推力增加幅度为1 150、600、2 050 kN，其中增幅为600 kN的渣土颗粒级配曲线中小于某孔径比率的最大差值低于5%，而其他2组最大差值分别为 14.6%和8%。从最大差值中也能看出： 刀盘转速相对较大时，随着盾构有效推力的变化，渣土颗粒之间的差异在缩小。
4.2 渣土颗粒几何特征
4.2.1 试样照片拍摄
试验中共取得11份试样。将每份试样均分成10小份后标记装袋，然后将每小份试样均匀摊铺于一张1 m×1 m的白纸上。摊铺后试样如图10所示。本试验采用颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)对拍摄所得的岩渣照片进行处理，进而对盾构岩渣参数进行定量化分析研究。
图10 试样摊铺效果图Fig. 10 Effect of sample paving
4.2.2 试样照片的图像处理
本试验采用南京大学开发的PCAS 系统，该系统已被运用于岩土体裂隙、孔隙、页岩气孔隙和矿物颗粒等定量识别和结构分析研究领域，也可应用于材料、生物等领域。最小和最大Feret直径如图11所示。PCAS系统的几何测量原理如图12所示。
图11 最小和最大Feret直径Fig. 11 Minimum and maximum Feret diameters
4.2.3 岩渣几何参数定量化分析
盾构掘进参数的选取直接影响掘进产生岩渣的几何性质[15]。通过进行盾构掘进参数对岩渣几何参数分布累计曲线影响的定量研究，来准确描述岩渣几何参数分布情况，实现了在全粒径范围内渣土颗粒主要几何参数分布的定量表示。通过对工程中岩渣试样的颗粒几何参数累积曲线形态的研究，从而提出适用性方程。对同一种土处于不同掘进参数下，盾构岩渣几何参数累积曲线分别采用式(1)—(4)进行拟合，研究结果表明，式(4)较其他方程更具有普遍适用性。PCAS系统对本试验照片图像处理原理如图12所示。
(a) 岩渣原照片
(b) 二值化后岩渣照片
(c) PCAS系统自动读出各岩渣颗粒参数图12 PCAS系统对本试验照片图像处理原理
Fig. 12 Principle of image processing for photos by PCAS system
根据对11组试样几何参数的拟合结果，岩渣长度、宽度、周长、面积4个参数进行拟合效果最佳，而面积/周长参数以指数函数模型拟合精度最高。岩渣试样长度参数累积曲线拟合方程及参数如表4所示。岩渣试样宽度参数累积曲线拟合方程及参数如表5所示。岩渣试样周长参数累积曲线拟合方程及参数如表6所示。岩渣试样面积参数累积曲线拟合方程及参数如表7所示。岩渣试样面积/周长参数累积曲线拟合方程及参数如表8所示。
表4 岩渣试样长度参数累积曲线拟合方程及参数表Table 4 Fitting equation and parameters of cumulative curve of length parameter of rock slag specimens
表5 岩渣试样宽度参数累积曲线拟合方程及参数表Table 5 Fitting equation and parameters for cumulative curve of width parameter of rock slag specimens
表6 岩渣试样周长参数累积曲线拟合方程及参数表Table 6 Fitting equation and parameters for accumulative curve of perimeter parameters of rock slag specimens
表7 岩渣试样面积参数累积曲线拟合方程及参数表Table 7 Fitting equation and parameters for cumulative curve of area parameter of rock slag specimens
表8 岩渣试样面积/周长参数累积曲线拟合方程及参数表Table 8 Fitting equation and parameters for cumulative curve of area/perimeter parameters of rock slag specimens
5 中等风化复合地层渣土改良技术试验研究
根据渣土粒径统计分析结果： 较完整地层中粒径为37.5 mm以上渣土颗粒含量为10%～20%；粒径为4.75～36.5 mm的渣土颗粒含量基本为70%～80%；粒径小于4.75 mm的渣土颗粒含量基本上低于5%。通过坍落度指标表征渣土流塑性不再适用。搅拌试验是利用盾构渣土改良混合物流塑性量测装置模拟刀盘和搅拌翼板对渣土的搅拌过程，评价改良土体的搅拌性能和粘附性，为研究刀盘转矩、螺旋排土器转矩的影响因素提供了一种直观有效的试验手段[16]。
掺水量对渣土混合物搅拌转矩的影响如图13所示。可以看出： 1)在较完整地层的渣样中加入一定量的水进行土体改良，在前期土体的搅拌转矩较高且变化很小； 2)当掺水量超过2%时搅拌转矩下降，下降速率加快，混合物流动性增强； 3)当掺水量达到8%，土体的搅拌转矩下降速率开始减小，并逐渐趋于稳定； 4)总体上渣样的搅拌转矩减少量较低，水对渣土混合物搅拌转矩的影响较小。
图13 掺水量对渣土混合物搅拌转矩的影响
Fig. 13 Effect of water content on mixing torque of residual soil mixture
掺泡沫对渣土转矩的影响如图14所示。可以看出： 1)在渣土中加入一定量的泡沫进行土体改良，在前期土体的搅拌转矩有一定的增大； 2)在泡沫剂加入比为3%左右的时候，土体的搅拌功率增加到最大值； 3)当泡沫掺量超过6%时，搅拌转矩开始迅速下降； 4)当泡沫掺量达到9%之后，搅拌转矩变化很小，说明此时泡沫掺量的增加对渣土改良的作用不大。所以，泡沫剂能够显著降低对渣土混合物的搅拌转矩。
图14 掺泡沫对渣土转矩的影响Fig. 14 Effect of foam on torque of residual soil
6 结论与讨论
渣土改良技术可有效地降低盾构的转矩和推力，减轻设备部件磨损，对提高效率、降低工程造价有着决定性作用。通过反复进行渣土性质试验和研究渣土改良技术，有效降低了螺旋输送机出土口地下水喷涌对上覆地层变形的影响并得到了如下结论。
1)Swamee级配曲线方程对渣土颗粒级配的拟合效果较好，能比不均匀系数、曲率系数等参数更好地对不同渣样颗粒级配进行区分。
2)富水渣样(重力含水率16%～18%)在泡沫剂发泡后的体积掺入量为40%时，土中细颗粒能很好地将粗颗粒进行包裹，渣土的保水性较好，不析水，改良后的渣土混合物坍落度值为180～230 mm，达到较好的流塑状态。
3)级配方程实现了在全粒径范围内渣土颗粒主要几何参数分布的定量表示，可用于颗粒流与离散元的建模及反分析，以及通过建立方程系数与掘进参数、地层参数间的经验方程指导渣土改良的精细化、定量化施工。
4)较完整地层岩渣的长度、宽度、周长、面积等参数利用Swamee级配曲线方程进行拟合效果最佳，而面积/周长参数以指数函数模型拟合精度最高。
在成都地铁10号线一期区间盾构隧道掘进中，采用以上成果方法指导施工无较大喷涌现象发生，保证了盾构安全、连续、快速掘进，可为今后类似工程提供参考和借鉴。将本文的试验结果与前人的经验公式进行对比，可以验证计算方法的可行性，但对于多层土体掘进过程，还需要进行大量的现场实测并进一步修正。
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