富水砂卵石地层大直径盾构渣土改良试验研究——以成都地铁17号线明九区间2#风井—九江北站盾构工程为例

葸振东， 胡林浩， 张书香， 张 波

(中交一公局第三工程有限公司， 北京 101102)

0 引言

随着经济社会的快速发展，城市轨道交通日益成为人们出行不可缺少的交通方式。盾构法在地铁和隧道工程施工中的应用越来越广泛[1-2]。成都地区以砂卵石地层为主，具有含水量高、卵石含量高以及渗透性高的特点，如果渣土改良效果不佳，将导致土压平衡盾构施工过程中出现掌子面坍塌、喷涌[3]、卵石沉舱以及螺旋出土器卡死等现象，极易造成工程事故，同时大幅增加施工成本。因此，富水砂卵石地层渣土改良的质量直接决定了盾构能否顺利施工。

目前，国内在渣土改良方面已有大量的研究成果。张淑朝等[4]针对兰州富水砂卵石地层采用膨润土泥浆以及泡沫剂进行了大量改良试验，研究表明，泥浆和泡沫混合掺入体积比分别为7%和8%时改良效果最佳。胡长明等[5]以成都地铁3号线施工为背景，采用盾构主要参数作为间接评价渣土改良效果的指标，验证了采用泡沫剂+水在稍密卵石和中密卵石为主的富水砂卵石地层中进行渣土改良的可行性。钟小春等[6]针对砾砂地层中容易出现螺旋排土器喷涌等问题进行了研究，认为喷涌的主要原因是该地层某粒径区间细颗粒缺失，通过在膨润土泥浆中掺入粉土对渣土进行改良，渣土的渗透系数大幅下降，改良效果良好。文献[7-11]针对砂性地层的盾构渣土改良进行了深入研究，通过大量的室内试验，研究了砂性地层渣土改良剂的选择及配比，并提供了改良剂的掺入比例。然而，以上研究工作主要局限于直径为6 m的盾构，而对于8.6 m大直径盾构在富水砂卵石地层掘进的渣土改良尚无研究。大直径盾构掘进推力、转矩较大，在施工过程中土舱渣温较高，加之土舱压力较大，极大增加了渣土改良的难度。如果改良渣土黏聚性过高、流动性差，则容易造成结泥饼、刀盘糊死；反之，容易造成机械设备磨损较大、卵石沉舱、螺旋出土器卡死以及喷涌。渣土改良效果的优劣，将直接影响到盾构的掘进速度、掘进模式、掘进成本，甚至可能影响到工程的成败。因此，探寻适合大直径盾构穿越富水砂卵石地层的渣土改良配比成为亟待解决的问题。

鉴于此，本文以成都地铁17号线1期工程盾构隧道为依托，通过大量的室内试验对膨润土及泡沫剂最佳配比进行了研究，并提供了渣土改良的掺入体积分数及评价指标，最后通过现场渣土取样和掘进参数结果验证了渣土改良的效果。

1 工程概况

成都地铁17号线明九区间2#风井—九江北站盾构工程，区间单线长2.2 km，埋深为18～30 m，最大坡度为12‰。采用土压平衡式盾构施工，开挖直径8.6 m，管片外径8.3 m、内径7.5 m。该区间地层竖向方向自上而下分为人工填土、黏土、粉质黏土、粉细砂、中砂、卵石土，地层工程地质与水文地质特征如表1所示。场地内主要为孔隙潜水，含水层主要为卵石土层，通过水文试验可知，卵石土层的渗透系数为27.000～30.000 m/d，为强透水层。该工程是国内首次采用8.6 m大直径盾构穿越富水砂卵石地层，工程挑战与工程意义重大。

表1 地层工程地质及水文地质特征

2 改良剂配比试验研究

渣土改良常用的材料主要分为矿物类、高吸水性树脂和界面活性材料，常用材料及其特征具体见表2[12]。

表2 渣土改良常用材料及其特征[12]

2.1 膨润土浆液配比

试验配置了不同膨水质量比的膨润土，设定膨润土膨化时间约为6 h时，测得不同配比膨润土的漏斗黏度，以探求最佳配比。试验包括钠基膨润土、钙基膨润土以及钠基、钙基质量比为1∶1的混合型膨润土。由于钙基膨润土在膨水质量比小于1∶4的情况下基本无漏斗黏度，因此，本文主要以钠基膨润土以及钠基、钙基1∶1混合型膨润土进行漏斗黏度、相对密度对比。膨润土浆液漏斗黏度和相对密度随膨水质量比的变化曲线分别如图1和图2所示。

图1 膨润土浆液漏斗黏度随膨水质量比的变化曲线

图2 膨润土浆液相对密度随膨水质量比的变化曲线

由图1和图2可知： 1)膨润土浆液漏斗黏度以及相对密度随着膨水质量比的增加而减小，且钠基膨润土漏斗黏度略高于混合型膨润土； 2)当膨水质量比低于1∶7时，膨润土浆液漏斗黏度基本保持为20 s左右的较低值。根据现场实际使用需求以及成本因素，建议采用膨水质量比为1∶6的配比，此时膨化6 h后漏斗黏度为35 s，相对密度为1.09；钙基膨润土在膨水质量比较低的情况下基本无黏性，但是可以作为细颗粒补充物与钠基膨润土混合，相对密度得到明显提高。

2.2 聚丙烯酰胺配比

考虑到施工成本问题，为了保证在膨润土浆液漏斗黏度不变的情况下，降低膨润土用量，试验中引入了高分子材料——聚丙烯酰胺。该材料易溶于水，且溶解后呈现胶凝状(如图3所示)，由于该物质掺入过多，会使得膨润土浆液呈胶状且有分层现象，因此，经过多次试验，建议加入膨润土浆液质量的0.5‰。通过配置不同配比的膨润土浆液，并加入其质量0.5‰的聚丙烯酰胺，效果如图4所示。得到加入与未加入聚丙烯酰胺的钠基膨润土浆液漏斗黏度随膨水质量比的变化曲线，如图5所示。

图3 水中加入高分子材料后的效果图

图4 膨润土浆液中加入高分子材料后的效果图

图5 加入与未加入聚丙烯酰胺的钠基膨润土浆液漏斗黏度随膨水质量比的变化曲线对比

由上述试验可得，高分子材料(聚丙烯酰胺)可以明显增加膨润土浆液的漏斗黏度。但由于膨润土用量减少，渣土改良的细颗粒掺入量也会减少，对改良后渣土的渗透性有一定影响，因此，需结合现场实际出渣情况以及是否有喷涌现象进行膨润土配比调整。

2.3 泡沫剂配比

富水砂卵石地层应用泡沫剂的主要目的是降低砂卵石地层的摩擦力，改善渣土的流动性，防止刀盘及土舱糊死。根据前期参考资料以及成都地区盾构工程实际应用情况可知，一般泡沫溶液体积分数为1.5%～3.5%，发泡倍数控制在8～15倍。目前市场上泡沫剂品种较多，质量不一。本次试验采用进口巴斯夫泡沫剂，测试不同体积分数泡沫溶液的发泡倍数及半衰期，具体试验数据如表3所示。由表3可见，泡沫溶液发泡倍数和半衰期均随着泡沫剂体积分数的增加而增加。综合考虑施工质量以及成本，确定采用体积分数为3%的泡沫剂。

表3 不同体积分数泡沫溶液的发泡倍数及半衰期

3 改良渣土性质研究

根据现场实际掘进渣样情况，通过筛分试验，筛分不同粒径颗粒，按照质量百分数进行组合，不同粒径颗粒质量分布见表4，绘制的颗粒级配曲线如图6所示。

表4 试验用土不同粒径组成

图6 试验用土颗粒级配曲线

3.1 黏聚性

针对砂卵石地层，为了降低对刀盘刀具的磨损以及防止卵石离析沉舱、卡死螺旋出土器，改良渣土必须具有一定的黏聚性，并可形成包裹状，整体携带出舱。通过在砂卵石中掺入膨水质量比为1∶6的膨润土、体积分数为3%的泡沫剂进行改良，渣土性状如图7所示。其黏聚性可通过表面观察。

图7 改良后渣土效果图

3.2 流动性

改良渣土不仅要求具有黏聚性，还必须保证一定的流动性，多数研究将坍落度作为检测流动性的指标。但坍落度受卵石粒径以及含水率的影响很大，具有一定的局限性。因此，为了更好地判定改良渣土流动性的好坏，通过对砂浆搅拌桶与功率表进行改造，模拟盾构土舱搅拌，自制了试验装置，如图8所示。不同流动性的渣土在搅拌过程中，转速保持不变，通过功率大小计算转矩值，将转矩值作为渣土流动性的检测指标。机器空转的转速为58 r/min，空转功率为185 W，则空转转矩为30.46 N·m(由式(1)计算得出)。

T=9.55P/n。

(1)

式中：T为额外转矩，N·m；P为额外功率，W；n为转速， r/min。

图8 改良渣土转矩试验装置图

在砂卵石中掺入不同比例的膨润土浆液(钠基膨润土膨水质量比为1∶6)以及泡沫剂(质量分数为3%)，通过坍落度以及搅拌转矩双重指标对流动性进行把控，得到改良渣土坍落度和转矩变化曲线分别如图9和图10所示。由图9和图10可知，随着膨润土浆液和泡沫剂掺入体积分数的增加，改良渣土坍落度不断增加，搅拌转矩不断减小。说明采用坍落度和搅拌转矩值2种方法得出的结论一致，其结果与文献[4]类似，证明了本文提出的将转矩值作为渣土流动性检测指标的合理性。通过多组试验测试及观察，流塑性渣土改良坍落度评价指标建议为15～18 cm，搅拌转矩评价指标建议为13～18 N·m。

图9 改良渣土坍落度变化曲线

图10 改良渣土转矩变化曲线

由图9和图10可知，虽然提高泡沫掺入体积分数后，改良渣土的流动性得到提高，但是卵石出现离析现象，黏聚性无法保证。因此，本次试验将膨润土泥浆以及泡沫剂结合使用，经多次试验，建议加入的膨润土泥浆(膨水质量比为1∶6)为渣土体积的10%～12%，泡沫剂为渣土体积的20%左右(可根据地下水的含量微调)。

3.3 渗透性

在保证漏斗黏度以及流动性的基础上，渗透性也是一项不容忽视的重要指标。改良渣土渗透性的强弱直接关系到掌子面是否能够保持稳定以及是否会出现喷涌现象。试验采用自制的测试渗透系数以及击穿压力的设备。装置的主体是一个内径为8.4 cm、高度为80.0 cm的有机玻璃柱，试验柱上部连接空压机和调压装置，如图11所示。装置密封后，施加一定的气压可模拟施工中的土舱压力。该装置最大可承受的压力为1.0 MPa，通过与玻璃柱连接的调压装置监测柱内气压，保持压力的稳定。

图11 改良渣土渗透性试验装置

改良渣土渗透性试验装置示意如图12所示。试验前在仪器底部铺1层碎石作为滤层，将改良后的渣土放于滤层上，在上部加入适量的水，密封仪器，加气压到200 kPa(根据盾构施工过程中土舱压力确定)并维持稳定，打开排水阀，记录一定时间内排出水的质量平均值。根据式(2)得到被测土体的渗透系数。

k=VL/A(h1-h2)t。

(2)

式中：k为渗透系数， cm/s；V为一定时间t内的水流量， m3；A为渗流横截面面积， m2；L为渣样的高度， m；h1为气压换算的水头高度， m；h2为静水头高度， m。

图12 改良渣土渗透性试验装置示意图

为了探究膨润土、泡沫剂对改良渣土渗透性的影响，分别在渣土中掺入不同体积分数的改良剂进行渗透试验。改良后渣土渗透系数变化曲线如图13所示。由图可知： 1)随着钠基膨润土掺入体积分数的增加，渗透系数呈现先减小后增加的趋势，钠基膨润土掺入体积分数为8%～16%时，渗透系数主要分布在10-5cm/s量级；当钠基膨润土掺入体积分数达到20%时，渗透系数突增，改良效果降低，这可能是由于钠基膨润土掺入体积分数过大导致渣土级配不良。2)随着泡沫剂的掺入，渗透系数急剧上升，说明泡沫剂显著提高了改良渣土的渗透性能。3)在钠基膨润土中加入同比例的钙基膨润土，渗透系数明显降低，维持在10-6cm/s量级，说明钙基膨润土可以加大渣土中的细颗粒含量，降低渣土的渗透性能。

图13 改良后渣土渗透系数变化曲线

4 工程实际应用

通过对改良剂的合理调配，可使得改良渣土满足黏聚性、流动性及渗透性的要求。通过上述试验研究，建议加入的膨润土泥浆(膨水质量比为1∶6)为渣土体积的10%～12%，泡沫剂为渣土体积的20%左右。为了确保室内试验的可实施性，现场按照试验结果进行了配比施工，具体结果如下。

4.1 渣土坍落度

为验证上述试验结果的可行性，在实际盾构掘进过程中，每环取渣土对其坍落度进行测试，结果显示大部分渣土坍落度分布在15 cm附近(如图14所示)，流动性较好，能够确保现场的连续施工。

图14 实际工程中渣土坍落度曲线

4.2 盾构掘进参数

统计盾构掘进100 m时的平均推力、刀盘转矩、平均推进速度，结果分别如图15和图16所示。由图可知： 掘进参数较为稳定，平均推力为30 000～35 000 kN，刀盘转矩为8 000～10 000 kN·m，平均推进速度为45 mm/min。现场实际掘进过程中渣土改良效果较好(如图17所示)，无卵石离析、糊刀盘等异常现象，充分说明了膨润土、泡沫剂在试验配比下，对富水砂卵石地层大直径盾构渣土改良的可行性。

图15 盾构掘进平均推力及刀盘转矩曲线

图16 盾构平均推进速度曲线

图17 实际掘进过程中渣土改良效果

5 结论与建议

本文以成都地铁17号线明九区间2#风井—九江北站盾构区间8.6 m盾构工程为背景，通过大量的室内试验以及现场工程实践验证，得出如下结论：

1)富水砂卵石地层渣土改良应注重低黏聚性、高流动性以及低渗透性，流塑性渣土改良坍落度指标评价建议为15～18 cm，搅拌转矩指标评价建议为13～18 N·m，渗透系数不大于10-5cm/s。

2)针对富水砂卵石地层渣土改良，建议采用膨润土、泡沫剂混合液。其中，膨润土漏斗黏度不低于35 s，相对密度为1.1～1.2，按照渣土体积的10%～12%掺入，在考虑施工成本的情况下，在膨水质量比为1∶8的膨润土中掺入0.5‰的高分子材料，可快速提高泥浆漏斗黏度，有效节约膨润土使用量；单独使用泡沫时，渣土黏聚性无法保证，因此，建议与膨润土一同使用。泡沫剂发泡倍数控制在15倍，按照渣土体积的20%左右掺入。

3)根据渣土颗粒筛分试验，在细颗粒(小于0.075 mm)质量百分数低于25%的情况下，可加入适量钙基膨润土，提高改良剂的相对密度，以补充地层缺失的细颗粒含量，有效降低渣土改良渗透系数，防止掌子面坍塌以及喷涌现象发生。

4)如果掺入足量改良剂后出现卵石颗粒无法被细颗粒完全包裹、累积、离析等现象，建议从颗粒补充、提高泥浆漏斗黏度和携渣能力等方面进行改善，并进一步深入研究。