基于坍落度的砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良配方研究

竺维彬，刘健美，郑 翔，钟小春，朱能文

(1.广州地铁集团有限公司, 广东 广州 510330；2.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；3.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

0 引言

近些年来，土压平衡盾构广泛应用于各大城市地铁隧道建设，取得了极大的成功。但盾构在富水砂卵石地层掘进时容易出现刀盘转矩过大、刀盘卡死、螺旋输送机卡死、刀盘及刀具和螺旋输送机磨损严重、螺旋输送机喷涌等故障[1-2]，其原因在于砂卵石地层开挖后土体流动性差，卵石强度较高，不利于渣土排出，产生严重滞排。土压平衡盾构施工成功的关键是要将开挖面开挖下来的土体在压力舱内调整成一种“塑性流动状态”[3]。因此，需要对盾构掘进前方的砂卵石地层进行改良，使其具有较好的流动性和较低的渗透性；在盾构螺旋输送机顺利排渣的同时，在盾构开挖面上建立起稳定的支护压力确保开挖面的稳定。

为此，国内盾构技术领域的科研与工程技术人员，从土压盾构渣土改良机制和改良剂优选等方面开展大量研究。通过渣土改良的室内试验，魏康林[4]提出了国内常用的2种外加剂及土体的作用机制。江华等[5]以北京地铁9号线盾构隧道工程为背景进行砂卵石改良研究，提出了改良方法应兼顾盾构的工作状态。胡长明等[6]针对成都地铁3号线遇到的富水砂卵石地层，通过室内试验和数值模拟得出盾构隧道渣土改良剂优化配比及主要掘进参数。Huang等[7]认为对于质量分数分别为20%、40%和60%的卵石采用合适的泡沫剂和掺入比是能够进行有效改良的，而对于质量分数为80%的砂卵石应采用泡沫+膨润土泥浆方式进行改良。钟小春等[8]采用粉土补充高渗透地层粒组的方法，同样达到了渣土改良的效果。

对于砂卵石地层，由于各地卵石质量分数不同甚至粒径大小也不同，导致改良剂的选择和掺入量上有很大的差异。对于兰州地铁建设中遇到的富水砂卵石地层，张淑朝等[9]通过对比不同改良方案，最终确定了既能满足盾构和易性要求又能保证土压平衡的改良剂配比，即泥浆和泡沫混合掺入比分别为7%和 8%的配比方案改良效果最佳。宋克志等[10]对于无水砂卵石地层进行了只用泡沫和水作为改良剂的试验研究，并分析了其作用机制。刘彤等[11]针对南昌地铁盾构区间的富水砂砾地层，通过现场掘进试验发现，当膨润土泥浆质量分数为10%时，改良效果不理想；当膨润土质量分数增加到20%时，效果明显改善。张润来等[12]针对成都地铁某盾构区间砂卵石地层采用泡沫、膨润土和聚合物改良剂，膨润土单独改良的合理配比为泥浆质量分数14.3%，注入量体积比20%；泡沫+膨润土共同改良比两者单独改良效果要好；当地下水丰富时，还需要添加聚合物。王士民等[13]针对成都地铁某盾构区间砂卵石地层开展渣土渗透、坍落度等试验后，提出了膨润土和羧甲基纤维素混合泥浆配合比。

从以上研究可以看出，开展了较多的泡沫或膨润土泥浆或两者复合掺加的方式进行砂卵石渣土改良，且大多是针对某一工程案例开展的，对于其改良机制方面的探讨较少；相对于砂土地层，砂卵石渣土改良更为困难，对膨润土泥浆质量分数有要求，且掺入量较大，达到渣土的10%～20%。

因此，如何高效快速确定既经济又安全的外掺剂及掺入量，是砂卵石渣土改良迫切需要解决的工程难题。本文以成都地铁某标段遇到的富水砂卵石地层为研究对象，通过室内渣土改良试验，以渣土的坍落度15～20 cm为目标，以最小膨润土干土使用量为搜索方向，找出经济较优的渣土改良配方。最后将成果应用于工程实践，得到了很好的验证。

1 砂卵石渣土改良的坍落度试验

1.1 砂卵石地层颗粒分析

现场砂卵石渣土见图1，从皮带上取样后或晒干或风干或烘干后筛分，按粒径分组存放。

图1 现场砂卵石渣土

根据地勘报告，砂卵石地层粒径分布如图2所示，其颗粒组成指标如表1所示。显然，该砂卵石地层砂质量分数较低，粉粒和黏粒质量分数极低，而卵石质量分数高达68%，且属于极度不良的粒径级配。地层含水率约为4%。

图2 砂卵石地层粒径分布曲线

1.2 膨润土泥浆对砂卵石渣土流动性改良

1.2.1 泥浆性能试验

结合研究资料及现场情况，采用现场使用的钠基膨润土分别配制膨水比(钠基膨润土质量∶水质量)为1∶4、1∶6、1∶8的膨润土泥浆，经12 h膨化后使用马氏漏斗和比重秤进行黏度和相对体积质量试验，泥浆的相对体积质量与黏度指标如表2所示。

表2 泥浆相对体积质量与黏度

由以上数据可以看出，泥浆黏度随着膨润土质量分数减小而减小，膨水比1∶4的泥浆黏度太大，无法满足工地现场搅拌条件要求，难以搅拌均匀。

1.2.2 坍落度试验

将上述3种泥浆砂卵石渣土分别按一定质量比(泥浆质量/砂卵石质量)拌合均匀，质量掺入比分别取5%、7.5%、10%、12.5%，然后进行坍落度试验，见图3。

图3 坍落度试验

图4示出了不同配比下泥浆掺入质量比对坍落度的影响。从图4可以看出，随着泥浆掺入量的增加，砂卵石坍落度几乎是线性增加，但膨水比越大的膨润土泥浆，砂卵石渣土的坍落度增加幅度更大一些。

图4 不同配比下泥浆掺入质量比对坍落度的影响

改良后的砂卵石渣土坍落度如图5所示。从砂卵石渣土状态可以看出，膨润土泥浆质量分数较高(膨水比为1∶4)时，改良后渣土黏性过大导致流动性较低；当膨润土质量分数较低(膨水比为1∶8)时，流动性改善明显。但泥浆黏度较小，掺入后易出现离析现象，渣土不具有良好的裹挟性和整体性，改良后渣土的和易性较差。综合上述情况，以坍落度150～200 mm为标准，兼顾改良后渣土的和易性，选择膨水比1∶6的泥浆、掺入质量比9%～12.5%较为适宜。

(a)膨水比1∶4、掺入比12.5%

1.3 泡沫对砂卵石渣土流动性改良

采用施工现场使用的泡沫剂，发泡倍率为20，配制质量分数为2%、2.5%、3%的泡沫，按体积掺入比为35%、40%、45%、50%、55%掺入砂卵石中进行拌合，试验改良后的砂卵石渣土坍落度如图6所示。

图6 泡沫掺入量对坍落度的影响

从图6中可以看出，质量分数为3%的泡沫在掺入比达到35%～45%即可满足坍落度要求；采用质量分数为2%与2.5%的泡沫掺入比需要达到45%～50%可满足坍落度要求，且两者改良效果相差不大。为节约改良成本，选择质量分数为2%泡沫剂较为适宜，但是只以泡沫作为改良剂会使渣土黏聚性不足(见图7)，其渣土渗透性较大、无法满足该地层防喷涌的要求[9, 12]，因此考虑混合膨润土泥浆与泡沫2种改良剂进行改良。

图7 泡沫改良后的效果

1.4 膨润土泥浆+泡沫对砂卵石渣土流动性改良

1.4.1 坍落度试验

配制膨水比为1∶6的膨润土泥浆和质量分数为2%的泡沫，膨润土掺入质量比分别为5%、7%、9%，泡沫掺入体积比分别为5%、7.5%、10%、12.5%、15%，以上一一对应的组合与砂卵石拌合后，开展坍落度试验，如图8所示。由图8可以看出，将膨润土和泡沫控制在上述配比中均较容易达到要求的坍落度目标，例如：要达到15 cm坍落度的目标，只掺入膨水比1∶6的泥浆，需要掺入膨润土质量比为8%左右；而混合掺入膨润土和泡沫改良时，在膨润土质量比为5%和泡沫体积比为11%～12%即可达到。这是由于膨润土泥浆和泡沫的滚珠效应，在二者的共同作用下增大了砂卵石渣土的流动性，从而可以减少膨润土泥浆的使用量。在实际工程中除了坍落度方面的要求，还需要考虑改良后渣土的渗透性，以防止螺旋输送机出口喷涌现象的发生，对最终膨润土和泡沫混合改良效果还需要开展渗透试验。

图8 泡沫对砂卵石坍落度的影响

1.4.2 渗透试验

将混合膨润土和泡沫改良后的渣土装入渗透仪中，振捣密实；在其上部缓慢注入流水，然后盖紧上盖并逐级加气压，自动测量渗水量；最后计算改良渣土的渗透系数。渗透试验示意见图9(a)。渗透试验装置见图9(b)。考虑试验尺寸，试验中的卵石尺寸不得超过10 cm，将极少数超过10 cm的卵石剔除，根据其粒径分布图(见图2)可知，因其质量分数小所以影响较小。

(a)渗透试验示意图

图10示出了泡沫掺入对渗透系数的影响，可以看出，泥浆掺入质量比一定的情况下，随着泡沫掺入体积比增加，渣土的渗透系数呈减小趋势。对比后可发现，相同的泡沫掺入量下泥浆掺入质量比为5%、7%的抗渗性略微优于质量比9%膨润土泥浆。

图10 泡沫掺入对渗透系数的影响(膨水比1∶6)

这是因为砂卵石地层粒径大、颗粒级配极度不良，泡沫对其改良主要是泡沫的滚珠效果增加其流动性，但是对于其堵塞卵石粗颗粒形成的大孔隙效果不大。结合之前的单掺改良试验结果，可确定改良剂的优化配比范围为膨水比1∶6的膨润土泥浆掺入质量比为5.0%，泡沫掺入体积比为10%～30%(考虑到泡沫在施工中消泡特点，适当增加泡沫的掺入量)，即可使砂卵石渣土具有良好的坍落度、和易性和较低的渗透性，达到土压盾构渣土改良的要求。

2 砂卵石地层盾构渣土改良经济配方确定

砂卵石渣土由于细砂级粒径以下颗粒质量分数极低，需要补充膨润土泥浆，与砂卵石中的细砂、粉土和黏土等细颗粒形成组团，填充到卵砾石大颗粒形成的空隙，这是砂卵石地层渣土改良的内在机制。显然，需要掺入的泥浆量较多，甚至要求较高的泥浆稠度。如何选择合适的泥浆稠度，最大程度地节省泥浆使用量，同时尽量减少渣土排放和资源的浪费，节约施工成本，这是砂卵石地质盾构掘进的重大课题。

当膨润土泥浆膨水比过小时，比如膨水比1∶8，掺入该较稀的泥浆无法与砂卵石形成黏性、流塑性良好的渣土，泥浆与卵石易分离。这主要由于泥浆中过多的水导致细颗粒组团流动性过大，无法在卵石块形成空隙中形成一个流塑性的整体，自然无法包裹更大的卵石，也无法将压力舱内大直径卵石携带排出，渣土的渗透性也偏高。

鉴于以上分析，从施工经济成本考虑，在满足渣土性能的基础上，应该采用膨水比最小的膨润土泥浆，并与泡沫进行联合改良，可以达到最优的经济性。为此，将上述膨润土改良后的砂卵石渣土分为水、膨润土干土、砂卵石3部分，在满足渣土流塑性的条件下，以渣土坍落度15～20 cm为目标，以最小膨润土干土使用量为搜索方向，找出最具经济性的渣土改良措施。以水与砂卵石质量比(水砂比)为x轴，膨润土与砂卵石质量比(膨砂比)为y轴，改良后的渣土坍落度为z轴，作出三维曲面图，如图11所示。

图11 砂卵石坍落度与外掺剂的关系

由图11可以看出，右上部分虽然坍落度大，但是出现了明显的离析现象，这是因为该区域中泥浆膨水比过小，泥浆黏度太低，掺入量过大时易发生卵石与细颗粒分离的现象，无法达到所要求的流塑状态。突变边界呈一条直线，此直线斜率(膨润土干土∶水)为1∶6[14]，即为可满足渣土流塑性的最小膨水比组合，可以满足砂卵石渣土的坍落度、和易性、抗渗透性的改良要求，而且最具经济性。

3 工程应用

成都轨道交通17号线一期工程TJ07标明光站(原凤翔站)—九江北站区间，右线长2 274.048 m，左线长2 157.2 m，最小曲线半径为600 m，本区间设置4座联络通道，隧道埋深为9.1～29.0 m。隧道最大坡度28‰，盾构开挖直径8.634 m，管片内径7.5 m，管片外径8.3 m。区间主要穿越〈3-8-2〉中密砂卵石土以及〈3-8-3〉密实砂卵石土。

3.1 地质条件与难点分析

主要穿越上更新统冰水沉积与冲积层(Q3fgl+al)卵石土。该卵石土中卵石质量分数占70～80%，粒径多为4～17 cm，以亚圆形为主，分选性差；卵石成分主要为中等风化-强风化花岗岩、石英砂岩、石灰岩，抗压强度高，自稳性较差，渗透系数大，透水性强，富水性良好。此类砂卵石地层可能给盾构隧道掘进带来难题，如螺旋输送机喷涌导致开挖面压力失控、超挖导致地表沉降难以控制，甚至坍方、卵石堆积于压力舱底部难以排出，还有超挖导致盾构姿态和管片姿态稳定性差等问题。

3.2 水文情况

区间沿线分别下穿凤溪河支渠、丁桥村支渠以及白河，地下水位埋深4.1～7.2 m，主要分为上层滞水及砂土、卵石土中赋存的孔隙潜水，水量较大。其中，孔隙水主要补给源为大气降水和区域地表水，对工程影响大。

3.3 现场渣土改良情况及效果

3.3.1 现场改良剂掺入量

盾构始发时采用钠基膨润土泥浆和泡沫进行砂卵石改良，以期获得较好的流塑性。据统计，每环掘进平均钠基膨润土泥浆注入量为10 m3，膨水比1∶6；泡沫剂发泡倍率为20，半衰期大于15 min，每环掘进泡沫剂原液使用量为100～150 L。计算可得出膨润土泥浆的质量掺入比为5%左右。

3.3.2 渣土状态及推速的对比

现场渣土数据统计和状态分别见表3和图12。现场砂卵石渣土改良效果见图13。从表3和图12—13中可以看出，现场改良渣土坍落度超过15 cm，达到流塑状态，盾构推进速度明显加快。改良后盾构刀盘换刀间隔从100 m提高到400～500 m，减小了刀盘的磨损，提高了推进速度，从平均推速20 mm/min提高到40 mm/min以上，平均推力由初始的3.65×104kN减少到2.70×104kN。这验证了砂卵石渣土改良室内试验结果的合理性。

表3 现场渣土数据统计表

(a)现场皮带上的砂卵石渣土

(a)推进速度

4 结论与讨论

1)将钠基膨润土改良砂卵石坍落度细分为水和膨润干土2部分，得到坍落度与膨砂比和水砂比的三维曲面图，以是否发生离析作为分界线，从而获得了砂卵石渣土膨润土泥浆改良最经济的膨水比。

2)针对成都地铁17号线某盾构区间隧道穿越的砂卵石地层，为使其达到较好的坍落度、和易性和抗渗性，提出渣土改良的优化方案：按膨水比1∶6配制钠基膨润土泥浆，其掺入干土质量比为5%，泡沫掺入体积比为10%～30%。在土压平衡盾构保证安全的前提下，该改良方案的经济性最佳。

3)成都地铁17号线砂卵石地层经过膨润土泥浆和泡沫复合改良后，盾构掘进的速度明显提高，总推力显著降低；同时，减小了刀具磨损和开舱换刀次数以及地面塌方等不良现象的出现，取得了较好的经济效益和社会效益。

对于砂卵石地层渣土改良，一般情况下都需要采用膨润土泥浆进行改良，以填充卵石等粗颗粒形成的孔隙并隔离粗颗粒之间的直接接触，确保改良后渣土有较好的流塑性，因此对膨润土泥浆的稠度和调配要求较高。当膨水比较大时，泥浆黏度很大，改良后渣土由于黏度过大导致流动性较低，且不经济；当膨水比较小时，泥浆掺入砂卵石渣土后易出现粗细颗粒之间的离析，无法形成良好的整体性(和易性)，这是砂卵石渣土改良区别于以往砂土渣土改良的显著特征。

上述试验成果和应用效果来源于土压盾构掘进中良好的土压平衡状态和特定的砂卵石地层。不同城市的砂卵石地层会有差异，建议参考本文提出的配方试验方法可较快确定既经济又能保障土压盾构掘进的配方。