富水圆砾地层盾构渣土改良技术研究

陈先智， 成 勇， 杨小龙， 刘 飞， 胡钦鑫， 刘朋飞

(1. 中铁开发投资集团有限公司， 云南 昆明 650118； 2. 中铁五局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，湖南 长沙 410205； 3. 中南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410075)

0 引言

土压平衡盾构作为一种在软土地层中施工速度快、安全性高的施工机械，在城市地铁的建设中得到广泛应用。当土压平衡盾构在富水圆砾地层中掘进时，会出现刀具磨损大、土舱温度高和喷涌等问题。特别是当地下水位高、土层中细粒含量低时，水极易从地层中携带着细小的泥砂由螺旋输送机出渣口喷出，从而造成喷涌。轻微的喷涌会导致渣土和水在盾构管片拼装作业区淤积，影响盾构正常施工； 严重的喷涌会造成水土流失，导致较大的地表沉降甚至掌子面失稳。因此，盾构在该类地层中掘进时，渣土不仅需具有一定塑流性以保证渣土顺利排出，还需具有较好的抗渗性以防止喷涌发生。在盾构掘进过程中，向盾构刀盘前方、土舱和螺旋输送机中注入改良剂提高渣土塑流性和降低渣土渗透性是保证盾构安全掘进的最有效手段[1-2]。

目前，许多国内外学者对渣土改良技术进行了研究。在改良渣土塑流性方面，Peila等[3]采用坍落度试验评价泡沫改良渣土塑流性，发现随着渣土中粗粒含量增多，合理改良参数范围缩小。叶新宇等[4]依托南昌泥质粉砂岩地层开展渣土改良试验工作，得出理想改良状态下渣土的坍落度为170～200 mm。Vinai等[5]通过螺旋输送机排土试验，得出泡沫改良砂土的理想坍落度为150～200 mm。在改良渣土渗透性方面，Huang等[6]研究了不同渣土粒径对改良渣土的渗透性影响规律。Budach等[7]考虑盾构拼装管片和其他因素，认为改良渣土渗透系数需保持在10-5m/s以下至少90 min，并对不同级配泡沫改良渣土进行常水头试验，结果表明泡沫能够降低渣土渗透系数至原状土的1/10～1/100。Quebaud等[8]通过常水头渗透试验测试改良砂土的渗透性，发现发泡率较小的泡沫对砂土渗透性的改良更加明显。王海波等[9]采用等效粒径的方法研究砂土级配和泡沫改良砂土的渗透性，发现随着等效粒径的增大，渗透系数随时间变化越快，即泡沫-砂土的敏感性更高。申兴柱等[10]依托深圳地铁进行膨润土泥浆改良砂土试验，发现相同注入比的情况下，渣土的渗透系数随着泥浆和羧甲基纤维素(CMC)体积分数的增大而降低。贺少辉等[11]和张淑朝等[12]设计了改良渣土防喷涌性能试验装置，研究兰州砂卵石地层高水压条件下盾构掘进改良渣土抗渗性的定量试验模拟与测试方法，发现砂卵石原状土样因为渗透系数过大，在试验中无法形成有效压力，采用泡沫和膨润土泥浆综合改良可显著改善渣土抗水击穿能力。

通过分析国内外研究发现，国外主要针对泡沫改良渣土的各项物理指标进行研究和机制探讨，而国内的研究虽包含泡沫、膨润土和高分子聚合物，但大多为针对某个具体工程进行改良试验研究，试验结果难以运用到其他工程中。因此，为解决土压平衡盾构在昆明地铁富水圆砾地层中掘进时的喷涌问题，采用膨润土泥浆、高分子聚合物和泡沫作为改良材料，开展室内渣土改良试验，分析改良后的圆砾渣土塑流性和渗透性，根据试验结果确定合适的改良剂添加比，以期为类似地层的盾构施工提供参考。

1 试验介绍

1.1 试验材料

试验采用在昆明地铁4号线某车站基坑开挖出的圆砾土作为试验材料，通过筛分和渗透试验分析，发现圆砾中主要含砾石(2 mm

盾构施工中常用的改良剂主要有水、表面活性剂、黏土矿物和聚合物。水的作用是增加渣土的塑流性，并减小刀具摩擦；泡沫能够降低渣土的渗透性，增强渣土的塑流性，减小对刀具的磨损；膨润土泥浆和聚合物溶液均为具有一定黏度的流体，可较好地填充渣土的孔隙，对渣土渗透性具有较为显著的改良效果。泡沫在粗粒含量大的地层中改良效果差，渣土含水率过高易导致孔隙中的泡沫破活性剂具有较强的减磨作用，且泡沫可防止聚合物过度使用导致的结泥饼问题。因此，拟采用泡沫、膨润土泥浆和聚合物3种改良剂相结合的方案改良渣土，其中羧甲基纤维素(CMC)的主要作用是增加泥浆黏度，而聚丙烯酰胺(PAM)主要是通过絮凝作用连接颗粒土，增加渣土塑流性。

采用钠基膨润土配置泥浆，当泥浆黏度较低时，添加CMC增稠。12 h熟化后合格泥浆的指标为： 马氏黏度80 s以上，密度为1.06～1.23 g/cm3，同时胶体率达到96%以上。泥浆黏度试验结果见表1(泥浆配比为质量比)，可见泥浆黏度随着时间的增长明显增大，当膨化时间为12 h时，泥浆黏度趋于稳定。当无CMC掺入，配比从1∶5增大至1∶4时，泥浆12 h黏度从34 s增大至62 s；当配比增大至1∶3时，泥浆黏度过大，使用马氏黏度计测量时泥浆无法下渗，无法测量。当配比为1∶5的泥浆掺入4%的CMC时，相比无CMC掺入的泥浆，12 h黏度从34 s提高至88 s；配比为1∶4的泥浆掺入1%的CMC时，相比无CMC掺入的泥浆，12 h黏度从62 s提高至104 s。泥浆胶体率都较高，不易离析。配比为1∶4(1%CMC)泥浆质量优于1∶5(4% CMC)泥浆，CMC造价远大于膨润土泥浆，因此改良试验采用泥浆配比为1∶3和1∶4(1%CMC)。

采用非分散型泡沫剂，溶液体积分数为3%，在300 kPa压力下的发泡倍率为20，半衰期为6 min 55 s，满足土压平衡盾构施工要求。PAM溶液体积分数为5‰，密度为1.01 g/cm3，马氏黏度为48 s。

1.2 试验方法

先采用坍落度试验(坍落筒见图2)研究改良渣土的塑流性，主要开展膨润土泥浆和PAM作为主要改良剂时对含水率(ω)为20%(饱和)渣土塑流性的影响试验；然后，在确定好泥浆和PAM改良参数的前提下，研究泡沫作为辅助改良剂时对改良渣土塑流性的影响。主要试验步骤如下： 将定量水和烘干土样在搅拌桶内混合200 s，待土样与水混合均匀后再倒入改良剂均匀搅拌120 s，将混合后渣土分3层装入坍落筒内，在5 s内沿竖直方向匀速将坍落筒缓慢提起，记录坍落度值和改良渣土表观特性。

图2 坍落筒

采用大型渗透仪(见图3)研究改良后渣土渗透系数时变特征。渗透仪直径为30 cm，高70 cm(制样高度为60 cm)，可测量d85≤6 cm的试样(d85为小于该粒径的试样含量占总质量85%的粒径)。根据现场施工地质水文勘测报告，隧道所在位置的水头高度为25 m左右，因此将渗透试验水头高度确定为25 m。根据工程经验和文献调研，本文所研究地层的改良渣土的渗透性合适的标准为渗透系数能够维持在1×10-5m/s以下至少90 min[7]。

图3 大型渗透仪

渗透试验步骤如下： 1)将水压力调至指定压力后关闭进水阀门，然后将改良渣土分3层填入渗透仪中，渣土的搅拌方法与坍落度试验相同，同时打开溢流堰供水开关蓄水； 2)第19 min时打开溢流堰给水管开关给渗透仪通水； 3)试样横截面积为A，试验过程中记录不同时刻的土样高度l、试样顶部水头高度P1、底部水头高度P2和Δt时间内的渗流量Q，且假设水在渣土中的渗透服从达西定律，通过式(1)计算得到渗透系数k。一般情况下，渗透系数测试频率为30～60 min/次，当渗流量出现明显变化时，测试频率为20 min/次。

(1)

2 渣土塑流性测试

2.1 泥浆注入比对改良渣土塑流性的影响

膨润土泥浆注入比(BIR)对改良渣土坍落度影响试验结果如图4和图5所示。由图4和图5可知： 在相同BIR下，配比为1∶3的泥浆改良效果优于配比为1∶4(1%CMC)的泥浆，但二者总体差别不大； 对于饱和渣土(ω=20%)，当BIR=10%时，由于泥浆被渣土中的水稀释后直接析出，坍落后渣土呈散粒状，不具有流动性；当BIR=25%时，虽然坍落度值和BIR=10%时相近，但从表观状态看，渣土具有很强的流动性；继续增大BIR，渣土均具有很强的流动性，坍落度均在25 cm范围波动。

图4 BIR对改良渣土坍落度影响曲线图

2.2 PAM对改良渣土塑流性的影响

PAM具有吸水絮凝的作用，可改善流动性过大的渣土，使其具有一定塑流性。在膨润土泥浆改良后的渣土中掺入PAM进行坍落度试验，试验结果如图6和图7所示。由图6和图7可知，坍落度随着PAM注入比(PIR)的增大而降低，渣土逐渐具有一定塑流性； 当泥浆配比为1∶3，PIR=12.5%(或泥浆配比为1∶4，PIR=7.5%)时，渣土出现析水现象；当泥浆配比为1∶3，PIR=15%(或泥浆配比1∶4，PIR=23.75%)时，渣土具有较强塑流性，但流动性差。过量的PAM和泥浆改良渣土混合后会导致渣土失去流动性，造成该现象的原因是： 适当的PAM使泥浆絮凝变得浓稠，渣土塑流性增强，但过量的PAM会导致泥浆中土颗粒絮凝成团甚至板结，渣土失去流动性。

(a) BIR=10%

(b) BIR=25%

(c) BIR=50%

Fig. 5 Effect of BIR on surface properties of conditioned soil (with slurry ratio of 1∶3)

图6 PAM对改良渣土坍落度影响曲线图

2.3 泡沫对改良渣土塑流性的影响

在富水地层中使用泡沫改良剂时，渣土中的水会加大泡沫液膜压力致使泡沫破灭，使其无法起到填充渣土孔隙的作用。但泡沫中的表面活性剂具有较好的润滑效果，能有效减少刀盘、刀具磨损。选用符合塑流性要求的渣土注入泡沫，研究泡沫对PAM和泥浆共同改良渣土塑流性的影响，泡沫注入比(FIR)为20%～40%，试验结果如图8和图9所示。由图8和图9可知： 渣土的坍落度值随FIR增大几乎无变化，渣土塑流性不受泡沫影响。

(a) PIR=3.75%

(b) PIR=8.75%

(c) PIR=15%

图7 PAM对改良渣土表观特性的影响(泥浆配比1∶3，BIR=25%)

Fig. 7 Effect of PAM on surface properties of conditioned soil (with slurry ratio of 1∶3 and BIR of 25%)

图8 泡沫对改良渣土坍落度影响曲线图

综上所述，单独采用泥浆或CMC泥浆混合液改良圆砾土时，渣土的塑流性变化不大；采用PAM与泥浆相结合的改良方法能够一定程度上降低圆砾土的坍落度，使渣土的塑流性增强，但当PAM注入量较大时，将使水土分离，造成渣土析水，塑流性变差；随着泡沫注入量的增加，泥浆改良圆砾土的坍落度值基本不发生变化，表明在塑流性方面泡沫对圆砾土的作用效果有限。

(a) FIR=0%

(b) FIR=20%

(c) FIR=40%

图9泡沫对改良渣土表观特性的影响(泥浆配比1∶3,BIR=25%,PIR=6.25%)

Fig. 9 Effect of foam on surface properties of conditioned soil (with slurry ratio of 1∶3, BIR of 25% and PIR of 6.25%)

3 渣土渗透试验

3.1 泥浆对渣土渗透性影响

1)配比1∶4(1%CMC)泥浆改良饱和圆砾渣土渗透系数时变曲线如图10所示。由图可知，当BIR=5%时，渣土渗透系数从2.6×10-4m/s开始下降，第120 min时下降至1.98×10-4m/s后趋于稳定；当BIR=10%时，渣土初始渗透系数为8.8×10-5m/s，第90 min渗透系数下降至4.4×10-5m/s后稳定；当BIR=25%时，渣土初始渗透系数降低至1.38×10-7m/s，在约135 min后出水管停止出水，渣土渗透系数为0 m/s。

2)配比1∶3泥浆改良饱和圆砾渣土渗透系数时变曲线如图11所示。由图可知，与配比1∶4(1%CMC)类似，当BIR=5%时，渣土初始渗透系数为1.59×10-4m/s，第120 min后渗透系数稳定在1.16×10-4m/s； 当BIR=10%时，渣土初始渗透系数为3.72×10-5m/s，试验开始后60 min，渗透系数稳定在2.19×10-5m/s；当BIR=15%、25%时，渣土初始渗透系数降低至0 m/s后，出水管停止出水。

综上所述，泥浆改良渣土渗透系数呈先下降后平稳的变化趋势，这是由于泥浆先以浆液形式填充在渣土孔隙中起到止水作用，当水压力加载后，压力使泥浆中的水滤失固结形成的致密堵水结构导致渗透系数随着时间降低，当泥浆固结完成后，渗透系数趋于稳定。泥浆配比与BIR对初期渗透系数和稳定渗透系数的影响曲线如图12所示。由图可知，渣土改良后初期和稳定时的渗透系数均随着BIR的增大而降低，相同BIR的情况下，配比1∶3的泥浆改良渣土初期渗透系数和稳定渗透系数均低于配比1∶4(1%CMC)的泥浆改良渣土，说明渣土渗透系数随着孔隙中填充膨润土分子量的增大而降低。

图10改良饱和圆砾渣土渗透系数时变曲线(泥浆配比1∶4,1%CMC)

Fig. 10 Time-history permeability coefficient curves of conditioned saturated gravel (with slurry ratio of 1∶4 and CMC of 1%)

图11改良饱和圆砾渣土渗透系数时变曲线(泥浆配比1∶3)

Fig. 11 Time-history permeability coefficient curves of conditioned saturated gravel muck (with slurry ratio of 1∶3)

3.2 PAM溶液对渣土渗透性影响

PIR对渣土渗透系数影响的时变曲线如图13所示。由图可知，渣土渗透系数随着PIR的增大而减小，PAM改良后渣土渗透系数随着时间基本无变化。PIR=10%时，渣土渗透系数为1×10-4m/s；PIR=20%时，渣土渗透系数降低至为3.8×10-5m/s；PIR=30%时，渣土渗透系数降低至1.04×10-5m/s；PIR增大至40%后，渣土渗透系数降低至7.07×10-6m/s。由此可见，PAM主要起到填充土颗粒的孔隙以堵塞渗流通道的作用，堵塞作用随着PIR的增大而增强。

图12泥浆配比与BIR对初期渗透系数和稳定渗透系数的影响曲线图

Fig. 12 Influence curves of slurry ratio and BIR on initial permeability coefficient and steady permeability coefficient

图13 PIR对渣土渗透系数影响的时变曲线图

Fig. 13 Time-history curves of influence of PIR on permeability coefficient

3.3 PAM溶液对泥浆改良渣土渗透性影响

PAM对不同BIR下改良渣土渗透系数影响的时变曲线如图14所示。由图14(a)可知，在BIR比较低的情况下，渣土的渗透系数随着PIR的增大而显著降低。当PIR=20%时，渗透系数降低至10-6m/s量级；无PAM注入时，渣土渗透系数先降低后趋于平缓；当PAM注入后，渣土渗透系数随时间变化较小，这是由于BIR较小，少量PAM就使泥浆中的土颗粒全部絮凝，加速在压力下的固结，因此渗透系数下降过程在PAM注入后不明显。由图14(b)可知，由于未注入PAM时的渣土初始渗透系数已经很低，PAM的注入对渗透性影响较小。

3.4 泡沫对泥浆和PAM共同改良渣土的渗透性影响

泡沫对不同泥浆和PAM共同改良渣土渗透系数影响的时变曲线如图15所示。由图可知，泡沫注入对渣土的渗透性系数几乎没有影响，改良后的渣土初期渗透系数均在1.2×10-7～1.6×10-7m/s波动； 渗透试验开始后，渣土渗透系数降低，经过约100 min后渣土不再渗水。说明泡沫的注入对泥浆和PAM共同改良渣土渗透性影响较小。

(a) 泥浆配比1∶3，BIR=5%

(b) 泥浆配比1∶3，BIR=25%

图14 PAM对不同BIR下改良渣土渗透系数影响的时变曲线图

Fig. 14 Time-history curves of influence of PAM on permeability coefficient of conditioned gravel under different BIR

图15泡沫对不同泥浆和PAM改良渣土渗透系数影响的时变曲线

Fig. 15 Effect of foam on permeability coefficient of soil conditioned by bentonite slurry and PAM

综上所述，盾构中的渣土渗透系数需要维持在1×10-5m/s以下至少90 min，综合考虑坍落度和渗透试验结果，建议土压平衡盾构在昆明富水圆砾地层中施工时，渣土改良参数采用膨润土泥浆配比为1∶4(1%CMC)、BIR=25%、PIR=12.5%、FIR=20%或膨润土泥浆配比为1∶3、BIR=25%、PIR=7.5%、FIR=20%。

4 结论与讨论

1)泥浆可使饱和圆砾土具有流动性，但因饱和渣土含水率较大，混合后泥浆被稀释，黏度降低，对塑流性的改良效果不明显； PAM可使泥浆絮凝，当圆砾土流动性较强时，一定量的PAM可减弱渣土的流动性，增强渣土的塑流性，但过量的PAM注入会使渣土中泥浆完全絮凝，导致渣土失去流动性；泡沫的注入对泥浆和PAM改良后的圆砾土塑流性影响较小。

2)仅用泥浆改良圆砾土时，土颗粒孔隙中的泥浆在压力的作用下逐渐固结，降低改良渣土渗透性；改良渣土渗透系数在渗流过程中先减小然后逐渐趋于稳定，随泥浆注入比的增大而降低；相同注入比的情况下，改良后渗透系数随着泥浆体积分数的增大而降低。

3)仅用PAM聚合物溶液作为改良剂时，PAM填充在孔隙中起止水作用，渣土的渗透系数随PAM注入比的增大而降低；当将PAM加入泥浆改良渣土中时，PAM一方面填充渣土的渗流通道，降低渣土的渗透系数，另一方面为使渣土中的泥浆絮凝，加速泥浆在压力作用下的固结；泡沫的注入对泥浆和PAM改良渣土渗透性影响较小。

4)根据试验结果，当地下水位与螺旋输送机排土口的水头差约为25 m，建议土压平衡盾构在昆明富水圆砾地层中施工时，渣土改良参数采用膨润土泥浆配比为1∶4(1%CMC)、BIR=25%、PIR=12.5%、FIR=20%或膨润土泥浆配比为1∶3、BIR=25%、PIR=7.5%、FIR=20%。

土压平衡盾构在强渗透性富水圆砾地层的高水头差条件下掘进时的喷涌控制是盾构隧道工程的重要研究课题，本文的研究方法及得出的结论对昆明地铁新线盾构隧道的设计、施工具有一定的参考价值。但在盾构施工中水的渗透路径也是困扰现场工程人员的一个重大难题，因此，接下来可以通过在水中加入示踪剂，以准确观察水的渗透过程，探究水的渗流路径，为现场的施工提供科学依据。