复合地层土压平衡盾构压力舱渣土改良研究

2020-06-22钟小春张露露槐荣国

河北工程大学学报(自然科学版) 2020年2期

钟小春，张洋*，张露露，槐荣国

(1.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210000；2.中铁五局，广东广州 518000)

近年来，由于施工速度快、对周围环境影响小、自动化程度高等优点，土压平衡盾构越来越广泛地应用于城市地铁区间隧道施工[1]。渣土的流动状态、渗透性等性质对盾构机能否顺利掘进具有重大的影响。当渣土黏聚力过大时，容易在刀盘上结成泥饼；当渣土渗透系数过大时，会导致螺旋排土器喷涌。因此有必要对压力舱内的渣土进行改良，使渣土具有较好的流塑性以及较低的渗透性。

目前，国内外学者主要通过添加泡沫、膨润土泥浆等改良剂对渣土进行改良。魏康林等[2]基于微观试验分析了外加剂和土体相互作用的内在机理，并给出了不同地质情况下外加剂选择的依据。胡长明等[3]为确保土压平衡盾构顺利穿越砂层，研究了不同配比的膨润土泥浆对渣土的改良效果，发现采用浓度为1:10膨润土泥浆改良能有效提高渣土的塑性及流动性。张润来等[4]以成都砂卵石地层盾构施工为背景，分别采用泡沫、膨润土以及聚合物对渣土进行改良，并开展室内试验确定了各种改良剂的最佳掺入量。张宏伟等[5]通过试验发现在风化花岗岩地层条件下采用分散性泡沫剂和水进行渣土改良可有效提高渣土的流动性，同时指出在卵石土和风化花岗岩复合地层中需采用膨润土、分散性泡沫剂和水相结合的渣土改良方案。Stephane Quebaud[6]研究了泡沫剂的稳定性、可压缩性、发泡率等指标，并通过搅拌试验、坍落度、渗透试验等研究改良土的性质，得出改良土体的渗透性与泡沫的添加量有直接关系，而对刀盘的剪切抵抗则受孔隙率的影响的结论。Rory P.A.Ball等[7]针对缺少细小颗粒、易引起堵塞的两类土体进行系统分析，研究在该类地层中土压平衡盾构施工可能产生渣土改良问题，并通过试验对比研究了不同添加剂的改良效果。郭付军等[8]采用聚合物为改良剂，研究了聚合物种类和浓度对纯砂地层的渗透性和流动性的改良效果。刘辉等[9]针对土压平衡盾构在高黏性与上软下硬地层中掘进施工容易出现的问题，依托长株潭城际铁路湘江隧道工程，对土压平衡盾构在浅埋高黏性上软下硬地层掘进施工技术进行了研究探讨。宋上明等[10]结合现场测试和室内试验，发现水和泡沫改良剂对昆明地区砾砂复合地层改良效果显著。

上述研究对土压平衡盾构渣土的状态进行了描述和规定，从渣土改良的对象到改良剂的选择和改良剂的用量都有细致的研究，但是上述研究的地层对象大多是单一地层，对于盾构穿越复合地层的渣土改良研究还比较少见。目前针对复合地层的渣土改良方案一般根据复合地层中最不利的地层进行设计，往往会导致经济成本过高。因此，为减少改良剂掺入量、降低工程经济成本，本文通过对不同的地层进行颗粒分析，考虑多种地层混合之后的级配曲线以及试验性质参数，提出了一种较为经济的复合地层渣土改良方法。

1 渣土塑性流动状态分析

土压平衡盾构在施工过程中，刀盘切削下来的渣土首先充满在压力舱中，通过对渣土施加压力来平衡开挖面上的水土压力，同时开挖下来的渣土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Fig.1 Laboratory residue state

图2 现场渣土状态Fig.2 Site residue state

渣土的物理力学指标应符合以下几点要求：

(1)渗透系数k：渗透系数是衡量渣土抗渗能力的重要指标，若渣土的渗透系数过大，在较高的水压作用下，水体穿越压力舱和螺旋排土器形成集中渗流，渗流水在输送至出口的一瞬间，由于前方是临空的隧道内部，处于无压状态，渗流水便在忽然增大的压力下带动正常输送的渣土喷涌而出[11]。一般认为要避免喷涌的发生，压力舱内渣土的渗透系数至少要小于1×10-4m/s。

(2)坍落度T：螺旋排土器的排土顺畅情况决定于压力舱内渣土的流动性。压力舱内渣土的流动性可以用坍落度来衡量，当渣土的坍落度在150～200 mm的范围内，坍落后土体形状规则，无明显的倾斜，轻拍不崩塌，认为渣土状态满足塑性流动状态的要求[12]。

(3)内摩擦角φ和内聚力c：当压力舱内渣土具有较大的内摩擦角，渣土在压力舱的侧壁容易发生粘附现象。随着粘附渣土的增加容易形成闭塞，影响正常排土[13]。同时内摩擦角也是影响刀盘扭矩的重要参数。根据国内外的施工经验，渣土的不排水强度小于25 kPa时，强度性质能够达到塑性流动状态的要求。

(4)压缩系数a：根据盾构机“结饼”受力模型和发生机理分析，可以得知压缩系数是盾构机“结饼”问题防治的关键参数，一般来说压力舱内渣土的压缩系数越大则盾构施工时越有利于避免“结饼”发生。对于砂性土，压力在100～200 kPa时，土体的压缩系数大于0.1 MPa-1可以达到要求[14]。

2 复合地层渣土改良分析

2.1 土压盾构地层适应性关系

根据S.Jancsecz等[15]人对土压平衡盾构渣土改良室内外试验成果的总结，盾构与地层适应性的粒径分布曲线如图3所示。区域③为土压平衡盾构较为适合掘进的地层，区域②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。区域④为粗颗粒含量较多的区域，需要进行渣土改良，当土颗粒进一步增大到了粗砾砂层时，则不适合采用土压平衡盾构施工。以上的土压平衡盾构与地层相适应的分类主要是根据土颗粒的颗分试验曲线来确定。

图3 盾构与地层适应性的粒径分布曲线Fig.3 Particle-size distributions curve of applicable strata for shield tunnel

对于某些地层，比如级配良好的粉砂层，渣土不需要经过改良就能够满足塑性流动的要求。但是在另外一些含有较大颗粒的地层中，则必须要对渣土进行改良才能保证施工的顺利。当盾构的掘进遇到多种地层复合的情况，其中某种地层原本需要渣土改良，但是在与其它地层的混合作用下，该地层的性能得到改善，压力舱的渣土仅靠自身的流塑性和渗透性就能满足要求。

在砂性地层和黏性地层的复合地层中，两种地层切削下来的渣土于压力舱内经过搅拌作用后混合均匀，黏性地层的细颗粒能够填充砂性地层大颗粒间的孔隙，渣土的级配得以改善，混合后的渣土能达到比较合适的状态，既能克服黏性地层结泥饼的问题，又能防止因渣土渗透系数过高而发生喷涌现象发生[16]。

2.2 复合地层各粒组土粒含量计算分析

通过筛分试验可以得出复合地层中各粒组的土粒含量。根据地质勘查报告可以得出各地层在掘进断面所占的面积比例。假设复合地层中分别含有A地层、B地层、…、M地层，根据实际工程地质情况及工程经验将各地层在压力舱内经过搅拌后混合均匀，各地层按照比例混合后渣土各粒组土粒含量的计算公式为：

Z1=xAA1+xBB1+…+xMM1

(1)

Z2=xAA2+xBB2+…+xMM2

(2)

Zn=xAAn+xBBn+…+xMMn

(3)

式中：A1，A2，…，An—A地层中粒组1、粒组2、…，粒组n的土粒含量(%)；B1，B2，…，Bn—B地层中粒组1、粒组2、…，粒组n的土粒含量(%)；M1，M2，…，Mn—M地层中粒组1、粒组2、…，粒组n的土粒含量(%)；Z1、Z2、…，Zn—复合地层中粒组1、粒组2…，粒组n的土粒含量(%)；xA，xB，…，xM—A地层、B地层、…、M地层在掘进断面所占的面积比例(%)。

以下讨论粉质黏土与砾砂的复合地层渣土改良情况。取粉质黏土和砾砂土样，通过筛分试验得出各粒组的土粒含量，通过工程实际地质情况及工程经验，按照不同比例将这两种土样混合均匀，选取有代表性的7种土样，通过计算可以得出混合之后土样的粒组成分，分别测定各组土样的渗透系数，土样的性质参数见表2，分别绘制各组土样的粒径分布曲线，如图4所示。

表1 复合地层粒组土粒含量计算Tab.1 The calculation of group particle content in the composite stratum

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。当盾构掘进遇到全断面的粉质黏地层或砾砂层时均为不利情况。粉质黏土的黏聚力过大，容易固结在刀盘上形成泥饼。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。从砾砂地层的粒径分布曲线可以看出，砾砂地层缺少0.075～0.1 mm粒组的颗粒，在曲线相应的位置表现出不连续的特性。对砾砂地层的改良应该针对缺少的这部分粒组，需要在砾砂渣土补充0.075～0.1 mm粒组的颗粒，使改良后的砾砂粒径分布曲线进入适合土压平衡盾构施工的范围。

表2 各组土样的性质参数Tab.2 Property parameters of each group of soil samples

图4 各组土样的的粒径分布曲线Fig.4 Particle-size distributions curve of each soil sample

当粉质黏土与砾砂按照比例混合之后，能够提高砾砂的渗透系数，同时降低粉质黏土的黏性，使渣土表现出两个极端之间的中和性质。在粉质黏土与砾砂的复合地层中，当粉质黏土的含量达到30%的时候，复合地层的渗透系数为8.4×10-4cm/s，抗渗能力达到要求，此时的渣土处于一种比较合适的状态。粉质黏土的含量继续上升到70%时，渣土的抗渗能力进一步提高，但是此时的粒径分布曲线已经处于针对黏性土改良的边缘，刀盘结泥饼的风险相应加大。

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，道路两旁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。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。盾构穿越地段各主要含水层基本性质如下：

(1)粉细砂层<3-1>：主要为细砂、粉砂，含黏粒，级配差。其厚度不均匀，且砂层中黏粒含量较高时，渗透系数选取5.79×10-3cm/s，为中等透水层。

(2)中粗砂层<3-2>：主要由中砂、粗砂组成，次为细砂，含黏粒，局部夹卵石，级配一般。渗透系数选取1.15×10-2cm/s，为强透水层。

(3)砾砂层<3-3>：主要由砾砂组成，次为中、粗砂，含黏粒，局部夹碎石，级配较好。渗透系数选取2.31×10-2cm/s，为强透水层。

(4)圆砾层<3-4>：主要由圆砾组成，次为角砾，呈亚圆状、次棱角状、少量棱角状，间隙充填黏粒及砂，局部夹卵石，其粒径一般为5～20 mm，最大粒径达40 mm。渗透系数选取5.61×10-2cm/s，为强透水层。

图5 盾构隧道地面情况Fig.5 The ground situation on shield tunnel

(5)粉质黏土层：主要由黏粒、粉粒组成，局部含有细砂、中砂、有机质，土质较不均一。渗透系数选取1.15×10-5cm/s，为弱透水层。

3.2 复合地层级配分析

对各地层取的土样烘干后进行筛分试验，得出各粒组的颗粒含量，分别绘制各地层的粒组频率曲线和粒径分布曲线。从粒组频率曲线可以发现，各地层都缺少0.075 mm以下的颗粒；除粉细砂地层以外，其它四种地层都缺少0.2～0.3 mm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无需或只需少量土体改良的范围，在该类地层中必须要对渣土进行改良。由于各地层的粒径分布曲线在横坐标为0.075 mm处发生突变，小于0.075 mm的颗粒明显减少，改良应该针对这部分缺少的颗粒。

图6 各地层的粒径分布曲线Fig.6 The particle-size distribution curve of each soil

右线第25环掘进遇到的地层为粉质黏土层<4 N-2>、粉细砂层<3-1>和砾砂层<3-3>的复合地层。根据地质勘察报告，在盾构掘进断面粉质黏土层厚度为2.67 m，占整环渣土总体积的40.6%；粉细砂厚度2.49 m，占整环渣土总体积的47.4%；砾砂层厚度1.02 m，占整环渣土总体积的12.0%。右线第25环地层分布情况如图7所示。

图7 右线第25环盾构掘进断面地层分布情况(单位：m)Fig.7 Soil distributions of right line ring 25th shield tunneling section

右线第301环掘进遇到的地层为粉质黏土层<4 N-2>、中粗砂层<3-1>和圆砾层<3-3>的复合地层。根据地质勘察报告，在盾构掘进断面粉质黏土层厚度为1.23 m，占整环渣土总体积的12.2%；中粗砂厚度3.89 m，占整环渣土总体积的76.6%；圆砾层厚度1.16 m，占整环渣土总体积的11.2%。右线第301环地层分布情况如图8所示。

图8 右线第301环盾构掘进断面地层分布情况(单位：m)Fig.8 Soil distributions of right line ring 301th shield tunneling section

分别计算右线第25环和301环的各粒组土粒含量，绘制粒径分布曲线。如果单独考虑复合地层中最不利的地层的话，第25环为砾砂地层，第301环为圆砾地层，砾砂地层和圆砾地层已经处在必须进行土体改良的范围。分别测量这两环的渣土渗透系数和坍落度，第301环渣土的渗透系数为1.5×10-4cm/s，坍落度为210 mm。渣土含水率偏高，状态偏稀，出渣不易控制。从图9可以发现，第301环渣土缺少0.075～0.1 mm粒组的颗粒，由于级配不良导致渣土渗透系数过高，经过掺入少量的气泡，改善了渣土的性能，从而达到流塑状态，出渣顺畅，达到渣土改良的效果。而第25环渣土中含有40.6%的粉质黏土，在与粉质黏土的混合作用下，整体渣土的性能得到明显改善，曲线基本处于无需或只需少量土体改良的区域，测得第25环渣土的渗透系数为6.8×10-5cm/s，坍落度为183 mm。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。