土压盾构穿越砂土互层压力舱渣土改良研究

陈令强 朱晓洁 钟小春 朱 超 谭 峰 槐荣国 王 敏

(1.广州地铁集团有限公司， 广东 广州 510180；2.河海大学土木与交通学院， 江苏 南京 210098；3.中铁五局集团有限公司， 贵州 贵阳 550003）

0 引言

土压平衡盾构掘进的基本原理为开挖面支护压力与开挖面前的土层的水土压力平衡时才能保持稳定。为了达到以上目的，盾构刀盘的挖土量应该与螺旋排土器的排土量一致，这对渣土的流塑性具有较高的要求。工程中通常对渣土进行改良使之具有较好的流塑性以及较低的渗透性。

乐贵平等[1]对土压平衡盾构法施工工程进行了技术研究，通过现场实践及理论研究后发现，采用泥浆对砾石土层进行土体改良有较好的效果，并提出了泥浆的最优添加量。魏康林[2]认为盾构机压力舱内渣土的状态评价应该包括抗剪强度、压缩性、渗透性和流动性四个方面。肖超等[1]采用泡沫剂和膨润土泥浆作为泥质粉细砂岩和砾砂的改良剂，能显著降低渣土的抗剪强度。Stephane Quebaud[4]通过搅拌试验、坍落度、渗透试验等研究改良土的性质，改良土体的渗透性与泡沫的添加量有直接关系，对刀盘的剪切抵抗则受孔隙率的影响。Rory P.A.Ball 等[5]针对缺少细小颗粒和易引起堵塞的两类土体进行系统分析，通过试验对比研究了不同添加剂的改良效果。

目前研究的土层对象大多是单一土层，对于盾构穿越砂土互层的渣土改良研究还比较少见。本文通过对不同的土层进行颗粒分析，考虑多种地层混合之后的级配曲线以及试验性质参数，提出砂土互层的改良方法。

1 渣土塑性流动状态分析

土压平衡盾构在施工过程中，刀盘切削下来的土体首先充满在压力舱中，通过对开挖土体施加压力来平衡开挖面上的水土压力，开挖土体通过螺旋排土器排出，这两个作用的实现需要压力舱中的渣土具备“塑性流动状态”。渣土的理想状态如图1 和图2 所示。

图1 实验室渣土状态

图2 现场渣土状态

渣土的物理力学指标应符合较低的渗透系数（＜1×10-4cm/s）[6]，合理的塌落度（150-200mm）[7]、较低的强度（不排水抗剪强度小于25kPa）[8]和较大的压缩系数（＞0.1MPa-1）[9]。

2 砂土互层渣土改良分析

2.1 土压盾构土层适应性关系

根据国内外的土压平衡盾构渣土改良室内外试验成果总结[2]，如图3 所示。图中两条颗分曲线范围内地层是与土压平衡盾构适应性较好的土层。该区域的左侧为粘粒含量较多的区域，容易粘附刀盘，导致盾构机结泥饼故障。该区域的右侧为粗颗粒含量较多的粗砂、砾砂或砂卵石地层区域，都需要进行渣土改良，且位于区域⑤的地层则不适合采用土压平衡盾构施工。

图3 盾构与土层适应性的粒径分布曲线

2.2 砂土互层混合后土粒含量计算

通过筛分试验可以得出盾构掘进开挖面范围内的各土层的颗分曲线。根据地质勘查报告可以得出各土层在盾构掘进断面所占的面积比例。各土层在压力舱内经过搅拌后混合均匀，各土层按照比例混合后渣土各粒组土粒含量的计算公式为：

式中：

A1，A2，A3——A 土层粒组1、粒组2、粒组3 的土粒含量（%）；

B1，B2，B3——B 土层粒组1、粒组2、粒组3 的土粒含量（%）；

C1，C2，C3——C 土层粒组1、粒组2、粒组3 的土粒含量（%）；

Z1、Z2、Z3——砂土互层混合后粒组1、粒组2、粒组3 的土粒含量（%）；

x1，x2，x3——A 土层、B 土层、C 土层在掘进断面所占的面积比例（%）。

以粉质黏土和砾砂为例进行混合后粒径分析，如表1 和图4 所示。

表1 各组土样的性质参数

图4 各组土样的的粒径分布曲线

从图4 中可以看出，粉质黏土和砾砂各自处在土压平衡盾构适用范围的两个边缘。粉质黏土的黏聚力过大，易在刀盘上形成泥饼。砾砂的渗透系数高达2.8×10-2cm/s，抗渗能力和流动性达不到要求，极易发生螺旋排土器喷涌的现象。当粉质黏土与砾砂按照不同比例混合之后，渣土表现出良好的流塑状态。当粉质黏土的含量达到30%的时候，砂土互层混合后的渗透系数为8.4×10-4cm/s，位于两者之间。

3 工程应用与分析

3.1 工程概况

广州地铁21 号线朱村至象岭区间主要位于广州增城市广汕公路上，起始于庄水村东侧朱村站，之后路继续沿广汕公路向东行进，途中经多个规划路口及暗渠，途径广州大学松田学院于盈园东侧设象岭站，广汕路两边一般为民居及商铺等民用建筑，房屋较密集，多为二至六层高建筑物。盾构穿越地段主要含水层为粉细砂层＜3-1＞、中粗砂层＜3-1＞、砾砂层＜3-3＞、圆砾层＜3-4＞及粉质黏土层＜4N-2＞。地下水以孔隙潜水形式赋存，受大气降水及地表水补给，富水性中等。

对各土层取的土样烘干后进行筛分试验，得出各粒组的颗粒含量，绘制各地层的粒径分布曲线，如图5 所示。从粒组频率曲线可以发现，各砂土层都缺少0.075mm 以下的细颗粒，地层级配不良；除粉细砂土层以外，其它三种土层都缺少0.2～0.3mm 这个粒组的颗粒。从粒径分布曲线中可以发现，砾砂和圆砾的曲线已经超出了土压平衡盾构适宜的地层范围，在该类地层中必须要对渣土进行改良。

图5 各土层的粒径分布曲线

3.2 盾构掘进断面砂土互层混合后颗粒级配分析

右线第25 环掘进遇到的土层为粉质黏土层＜4N-2＞、粉细砂层＜3-1＞和砾砂层＜3-3＞的土层，如图6 所示。

图6 右线第25 环盾构掘进断面土层分布

右线第301 环掘进遇到的土层为粉质黏土层＜4N-2＞、中粗砂层＜3-1＞和圆砾层＜3-3＞的土层。如图7 所示。

图7 右线第301 环盾构掘进断面土层分布

在现场分别测量这两环的渣土的粒径分布曲线（如图8 所示）、渗透系数和坍落度：第25 环渣土的渗透系数为6.8×10-5cm/s，坍落度为183mm，从现场出渣的情况来看，螺旋排土器出渣顺畅，渣土流塑性较好，达到渣土的理想状态；第301环渣土的渗透系数为1.5×10-4cm/s，坍落度为210mm。渣土含水率偏高，状态偏稀，出渣不易控制。

图8 右线第25、301 环渣土粒径分布曲线

4 结论

在土压平衡盾构的掘进过程中遇到单一的土层比如砾砂层或圆砾层，由于颗粒较粗其流动性差且渗透性偏大，必须进行渣土改良。但是实际盾构掘进工程中遇到含高渗透砂层和低渗透的粉质黏土互层也较为普遍，可以考虑两者混合后地层颗分曲线出发进行渣土改良，不仅降低了渣土改良的难度，而且降低了改良的成本。

多种土层组成的砂土互层可以考虑细地层颗粒填充到粗地层颗粒之间的孔隙，从而使得盾构掘进断面进入压力舱内的渣土颗粒级配良好，具有较低的渗透性。因此，在盾构掘进前，可根据多地层断面粗细地层颗粒级配曲线和各自所占据的面积，初步确定渣土改良的方向和外加剂掺入的种类和掺入量，并经过少量渣土改良试验进行证实，达到指导盾构施工渣土改良指导的目的。