长春风化泥岩黏性地层渣土改良与应用研究

2020-10-12李树良

山西建筑 2020年20期

李树良

(中铁十四局集团隧道工程有限公司,山东济南 250000)

1 概述

随着经济的增长、人民生活水平的提高，城市交通建设需求逐步增大，因此交通拥堵成为制约城市发展的重要难题。目前城市地铁隧道主要以盾构法[1]开挖为主，而其中土压平衡盾构法以其地层适应性广、作业方式安全、掘进速度快及对环境影响小等特点在地铁区间隧道施工中得到了广泛的应用。

在全风化泥岩地层中，土体粘粒含量高，土压平衡盾构机在掘进过程中易出现一系列问题，糊刀盘的现象；刀盘结泥饼[2]；开挖面易失稳[3]，从而引起地面过量沉降[4]；盾构机开挖的土体黏性太高导致渣土结块无法顺利排出，从而影响盾构机正常掘进。盾构渣土改良[5]是解决上述问题的关键。

随着盾构技术的不断发展，人们对渣土改良的研究也日益成熟，需要根据施工时的地层条件对渣土改良剂进行对比优选。R.P.A.Ball等[6]针对砂性土和黏性土地层分析了土压盾构穿越该地层时易发生的工程技术难题，并开展了渣土改良试验对比了不同改良方式对应的改良效果；Lars Langmaack[8]着重研究了渣土改良剂的改良机理，并进行了现场试验得到最优改良方案；周风山[10]从基础理论出发对泡沫改良剂的基本概念进行了阐述；王闯[12]针对于泡沫剂改良砂卵石土的试验研究，主要通过对比不同浓度的泡沫剂溶液的半衰期和发泡倍率，对泡沫剂的性能做了简要的评价，最后选取最优的泡沫剂以及最优的泡沫剂浓度；乔国刚[13]研发了新型泡沫剂，以自制泡沫剂与国内外泡沫剂的相关物理力学性能进行了比较，并对复杂地层中的泡沫改良机理进行了研究。

本文在前人的基础上，依托长春地铁2号线西沿线盾构隧道，分别开展粉质黏土和风化泥岩地层的渣土改良技术研究，通过室内试验优选渣土改良剂并得到最优配比，保证盾构机在不同地层条件下的顺利掘进，进而提高盾构机的施工效率、施工质量，对今后此类地层盾构施工具有指导意义和借鉴价值。

2 工程概况

本文所依托的是长春地铁工程，该工程起始点为汽车公园站南端，沿凯达北街途经富奥大路、长虹大路、捷达大路，与在建2号线西湖站南端相接，总体呈南北走向。线路全长2 564.5 m，包含两站两区间，其中盾构区间为：汽车公园站—捷达大路站区间和捷达大路站—西湖站(不含)区间，本文以西捷区间的情况为例，图1为西捷区间地质纵断面图。

盾构从西湖站始发，向西南掘进至捷达大路站北端接收。在右K2+432.597 m下穿220 kV高压线塔，高压线塔基础为钻孔灌注桩基础，为四柱承台。其中最近一根桩桩中心距盾构管片外侧水平净距离为0.5 m，竖向净距离为5.08 m；下穿区间盾构埋深为14.78 m。盾构区间在右K2+431.877～K2+467.561盾构正穿下穿石油管线，石油线分别为DN711，DN813，其埋深3.33 m，2.31 m；下穿范围距盾构顶部埋深为14.40 m～14.88 m。

本标段盾构工程所使用的盾构机开挖直径6.28 m，所使用的管片外径为6.0 m，内径为5.4 m，管片为6分块，厚度为300 mm，其宽度为1.2 m。而且该区间由西湖站始发，下穿富民大街、凯达北街、西新大街等街路及石油管线、高压线塔等风险源，其中包括石油管线两条，高压线塔三个如图2所示。

根据钻探资料及室内土工试验结果，按照地层沉积年代、成因类型，将本工程场地勘探范围内的土层分为人工填土层、第四纪中更新统冲积层、白垩纪泥岩三大类。具体的土体物理力学参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数

由于黏土地层黏性较大，在施工过程中易出现一些问题：

1)排土不畅：由于黏性较大，渣土改良过程水很难渗透进去，造成泥水分离，游离水较多黏土块易在皮带机上打滑，导致无法及时的将黏土运输至渣土斗，严重制约了施工效率。

2)结泥饼：在黏性地层中随着黏土矿物含量的增加，刀具结泥饼的几率逐渐增大，且受盾构选型和刀盘刀具设计的影响，一旦泥饼形成，盾构机推进速度缓慢。

目前的解决措施主要是采取渣土改良技术手段，选取泡沫剂+抗粘剂配合使用作为主要的渣土改良方式，对于这种黏性较大的地层效果显著。分散剂能够吸附于固体颗粒的表面，降低液—液或固—液之间的界面张力。使用时与泡沫剂混合共同通过泡沫注入系统注入至掌子面、土仓和螺旋输送机中，使土体达到盾构开挖要求。

3 渣土改良剂及其适用性

土压平衡盾构作为城市软土地层隧道修建的首选方法，当盾构机掘进时，其前端刀盘旋转切削土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与开挖面上的土压、水压基本平衡，使得开挖面处于稳定状态。如果支护力不足易导致地表沉降，支护力过大易导致地表隆起。而且土压平衡盾构机的压力舱内土体的理想状态应调整为“塑性流动状态”[14]。然而，原状土体很少可以同时满足这些条件，通常需要对土体进行改良以改变土体特性来满足土压平衡盾构机开挖的条件。有效的渣土改良可以显著提高盾构机的掘进性能，控制通过螺旋输送机[15]的土体流量，达到顺利连续出渣的要求。实际工程中常用的渣土改良剂有：泡沫剂、抗粘剂、聚合物、膨润土等。

泡沫剂本质上是由表面活性剂、稳泡剂与其他成分组成。膨润土是土压平衡盾构机最早使用的渣土改良剂之一。对于粗粒土的开挖，可以在掘进过程中，从掘进开挖面掘进的刀盘前方注入膨润土，相当于在粗粒土中增加了细粒含量。抗粘剂是一种液态聚合物黏土分散剂，专门用于有堵塞和粘附刀盘风险的黏土地层条件下的盾构开挖。聚合物是由大量重复的小分子组成的大分子高聚物，性质因其化学成分和结构而异。不同的改良剂对应在不同的地层中使用，具体情况如表2所示。

表2 渣土改良剂的地层适应性

4 室内试验

4.1 泡沫剂性能试验

本工程盾构施工主要采用的是泡沫剂及泡沫剂+分散剂两种改良方式。泡沫剂评价指标主要是半衰期和发泡倍率。根据已有研究表明，一般要求泡沫的半衰期大于5 min，发泡倍率在10～20之间。而本实验选取自制的泡沫剂进行优化试验，研究不同泡沫浓度下对应发泡后半衰期和发泡倍率的变化规律。其中不同浓度泡沫随时间衰变规律如图3所示，半衰期的关系如表3所示。

由图3所示，根据起始时间与相对剩余质量达到50%时对应的时间，可以得到不同泡沫浓度所对应的半衰期如表3所示。

表3 不同浓度发泡液对应的泡沫半衰期

不同发泡液浓度对应的发泡倍率如表4所示。可以发现整体上发泡倍率随着发泡液浓度的增大呈现出先增大后减小的趋势。

表4 不同浓度发泡液对应的发泡倍率

由以上结果可得到以下结论：

1)发泡倍率随着发泡液浓度的增大呈现出先增大后减小的趋势；

2)泡沫的半衰期随发泡液浓度的增加而增加。

4.2 坍落度试验

盾构法施工过程中，土压平衡盾构机的压力舱内土体的理想状态应调整为“塑性流动状态”，需要保持一定的流动性，才能保证渣土顺利的排出及盾构机的正常掘进。土体的流动性可以通过坍落度体现，因为它可以体现土体的粘聚性、保水性以及流动性，再加上坍落度试验简单方便易行，因此这一指标在渣土改良中普遍使用。

开展坍落度试验时，一般需要做三组试验，通过取平均值的方式来提高结果的准确性。根据已有研究工作可知，坍落度值维持在110 mm～160 mm范围内流塑性较好。

本次试验通过对粉质黏土、风化泥岩的渣土进行不同泡沫添加比、不同泡沫剂发泡液浓度的试验试样进行坍落度试验，根据其改良后的状态及坍落度值的大小来比较分析研究，其坍落度结果如图4所示。

由以上试验可以得到，通过改变泡沫剂溶液浓度及掺入比，可显著改变渣土的流塑性状态。由图4可知：1)相同浓度条件下，坍落度值随着泡沫掺入比的增大呈现增大的趋势；2)在掺入比一定时，低掺入比(10%～20%)时，随着浓度增加坍落度增大，当掺入比达到25%时，坍落度减小；3)该工程使用泡沫剂发泡液浓度为2%时应选取泡沫注入比为23%～30%；若使用泡沫剂发泡液浓度为3%～4%时应选取泡沫注入比为17%～23%。这样的改良方案可以使待改良渣土的流动性得到显著提高，进而满足盾构机开挖土体的要求。

5 现场渣土改良效果分析

长春地铁2号线西延线西捷区间盾构下穿地层主要为粉质黏土和全风化泥岩，土体中黏土颗粒含量较大，盾构机在掘进过程中极易形成泥饼，土仓堵塞，影响排渣。

为了施工方便，并考虑成本区间左线全程使用“泡沫剂+抗粘剂”的渣土改良方式，主要的改良方案为，通过地层粘性的高低决定泡沫剂和抗粘剂的用量，低粘性地层时泡沫剂用量为每延米消耗量80 kg；高粘性地层时泡沫剂用量为每延米100 kg，并按照实际情况混入抗粘剂，抗粘剂每延米消耗量为20 kg～60 kg。实际使用过程中，泡沫剂与抗粘剂原液按照2∶1～10∶1的比例(混合比例与地层黏性有关)混合，加水稀释到2%的浓度通过刀盘前方发泡系统发泡后注入，调节开挖土体粘聚性，提高盾构机排渣能力。泡沫剂每环(1.2 m)用量约为100 kg～120 kg，抗粘剂每环用量约为20 kg～60 kg(黏性地层抗粘剂用量会明显增加)。图5显示了盾构区间左线盾构掘进参数的变化情况。

在右线前60环采用普通市场的泡沫剂，在60环附近发生了结泥饼的现象，后续全程使用本文提到自主研发的高效泡沫剂，很好的解决了粘性地层结泥饼问题，图6显示了盾构区间右线盾构掘进参数的变化情况。

通过盾构右线掘进参数对比可以看出，前60环使用国产其他品牌泡沫剂刀盘扭矩在3 200 kN·m～3 600 kN·m之间，推力在10 500 kN～13 000 kN之间，而采用自主研发的“高效泡沫剂+抗粘剂”组合时，刀盘扭矩降低至2 400 kN·m左右，推力降低至8 000 kN～9 000 kN，说明该渣土改良效果很好，解决了黏性地层结泥饼难题。