砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良难易分类机制研究

钟小春，刘健美，郑 翔，朱能文，陈 冉

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

0 引言

土压盾构工法已经成为了城市地铁建设的主流施工方法[1]。经过国内近30年的推广应用，盾构技术对各种复杂地层的适应性、盾构的掘进效率已大幅提高，施工成本已大幅降低。然而，在砂卵石地层中，土压盾构掘进技术难题还远未克服。盾构在砂卵石地层中掘进，首先遇到的难题就是刀具和刀盘磨损[2]，需要不断更换刀具才能维持盾构的良好工作状态；其次，盾构开挖面易失稳，导致地表不断出现塌坑，对周边环境造成极大影响[3-4]，特别是穿越建(构)筑物或城市道路时，盾构掘进的安全控制成为了土压盾构技术的重要挑战。

砂卵石地层盾构掘进中的喷涌问题引起了国内外学者的广泛关注。王星钧等[5]以在建的南宁地铁1号线某标段工程为背景，分析了该工程在强渗透性富水圆砾地层采用土压平衡盾构施工遇到的喷涌问题，并对该工程的防喷涌措施进行了总结分析。朱伟等[6]建立了盾构内水压力递减模型，并基于此模型推导了水压力和流量的变化关系，阐述了喷涌的发生机制。茅华[7]以土压平衡盾构螺旋输送机发生的喷涌现象为例，阐述了喷涌的危害性以及喷涌的发生机制和施工应对措施。

国外学者对于泡沫改良效果进行了深入的研究并得出结论，泡沫剂对高渗透性或高水压地层改良效果有限。Peila[8]采用4组土体样本进行土工试验得出，泡沫可改善开挖过程中土体的性能。在一定范围内，泡沫对淤泥和黏性土的流塑性有较为明显的改良效果，但当淤泥或黏性土达到一定百分比时，添加剂的效果降低。Vinai等[9]通过塌落度试验和压力舱模型试验，对螺旋输送机内改良渣土的压力分布进行研究，得出：螺旋输送机内的改良渣土流塑性较好时，土压力逐渐减小；但当土舱内渣土是饱和或含水量过大的渣土时，螺旋输送机内土压力变化不明显。Psomas[10]开展了搅拌试验、直剪试验、压缩试验和渗透性试验等一系列土工试验，研究泡沫在土压平衡式盾构土体改良中的应用。

由于砂卵石渣土改良涉及到掺入剂种类、掺入量以及成本问题，引起较多学者的关注。贺少辉等[11]针对兰州地铁砂卵石开展了改良砂卵石的渗透性试验，建议同时掺加钠基膨润土浆液和泡沫改良渣土，泡沫的掺入体积比应小于1∶5。汪国锋[12]针对北京的砂卵石开展了新型泡沫剂和泥浆渣土改良系统性试验，认为砂卵石地层应该掺入复合外加剂才能达到有效的流塑性。郭彩霞等[13]以北京地铁9号线砂卵石地层中的盾构隧道工程为背景，采用膨润土和泡沫作为混合改良添加剂对渣土进行改良，对盾构的推力和转矩、渣土的温度以及掌子面泥膜的保压性等进行研究。

综合上述，国内外学者对于土压盾构喷涌问题研究较多，且有较多的研究成果；但对砂卵石地层渣土改良研究主要以针对具体工程开展的试验研究为主，缺乏相应的理论指导，导致有的工程掺入泡沫剂改良效果理想，但是另外的工程却改良效果不理想，频繁出现各种施工事故。实际上，兰州和成都的砂卵石粒径分布相差明显，且即使同一城市不同区域，砂卵石粒径分布和大小都有明显差异。这就是为什么同样是砂卵石地层，有时仅掺入泡沫改良就能成功，但更多的时候需要掺入膨润土泥浆加泡沫复合改良才能防止喷涌。因此，本文首先建立砂卵石、渣土的二相图，并以此为基础对砂卵石渣土改良难易程度进行分类，最后用于指导成都地铁17号线某盾构区间的隧道掘进。

1 砂卵石渣土和易性形成机制

砂卵石渣土与混凝土拌合物的和易性存在一定的相似性，砂卵石渣土中的中粗砂、细砂、粉粒和黏粒等细粒(粒径<2 mm)和卵砾石粗粒(粒径>2 mm)亦应存在某一特定比例，使得砂卵石渣土的细骨料充填满粗骨料形成的孔隙，从而分离粗骨料之间的直接接触，更好地将其改良，达到良好的和易性，不发生离析。故参考混凝土计算砂率时所利用的“填充包裹原理”，将砂卵石渣土中的卵砾石颗粒类比混凝土拌合物中的石子，其他细颗粒(粒径<2 mm，包括砂、粉土和黏土等)类比混凝土拌合物中的砂子，构建砂卵石渣土填充包裹模型，探究砂卵石渣土中临界细骨料的质量分数。细颗粒对粗颗粒孔隙填充包裹程度如图1所示。为了求得细颗粒的临界质量分数，建立如图2所示砂卵石堆积二相体，从而可以得到式(1)和式(2)。

(a)细粒含量较大

(a)卵砾石堆积体

(1)

(2)

对于土压平衡盾构砂卵石渣土改良，细粒部分包括粗砂、细砂、粉土、黏土、水和膨润土、泡沫等添加剂的总和；粗粒部分包括砾石和卵石总和。

由式(2)确定的砂卵石细粒部分与粗粒部分比例，可以基于砂卵石地层粒径分布情况将其按改良难易程度分为3类：1)细粒含量较多，不仅能够有效填充粗粒形成的孔隙，而且能够有更多的细粒将粗粒完成隔离；2)细粒含量刚好充填满粗颗粒形成的孔隙，此时细粒质量分数处于临界状态，以βsb表示；3)细粒含量无法填满粗颗粒形成的孔隙。在后续的渣土改良试验研究中，进一步证实本文根据细粒部分含量将砂卵石地层分为3类的合理性。由此可以获得与3类砂卵石对应的初步改良方案：1)改良容易型，当砂卵石渣土的细粒质量分数βs超过βsb10%以上时，通过掺入稳定泡沫剂可以将砂卵石渣土改良成流塑状态；2)改良较困难型，当砂卵石渣土的细粒质量分数略微超过βsb，但不超过βsb的1.1倍时，通过掺入泡沫+膨润土复合方式进行渣土改良；3)改良困难型，当砂卵石渣土细粒质量分数低于βsb，改良将变得极为困难，需要考虑泡沫+膨润土+聚合物复合改良方式进行砂卵石渣土改良。

2 砂卵石临界细粒质量分数的确定

2.1 试验材料

为证实以上基于砂卵石二相体模型推导的细粒质量分数计算公式的合理性，开展了试验验证。

试验中使用的工具包括振动筛、天平、容器、铲子、振捣棒，将砂卵石分为卵砾石粗粒、砂粒及以下组成的细粒2部分，如图3所示。

(a)

2.2 试验步骤

1)以2 mm筛对烘干的砂卵石进行筛分，分为粗粒组和细粒组。

2)取测得的卵砾石堆积密度，随机挑选砂粒、黏粒颗粒，测得其细颗粒堆积密度。

3)将卵砾石放入在容器中，边加入边振捣，直至卵砾石颗粒紧密结合在一起。

4)倒入细颗粒，不断振捣，直到细颗粒填满了整个容器。试验中加入的卵石颗粒质量记为G1，细颗粒质量记为G2。卵石堆积体积即为整个砂卵石的体积。

5)计算细粒质量分数G2/(G1+G2)，并与试验测试的结果进行对比。

2.3 试验过程及结果

2.3.1 试验过程

试验过程中，卵石与细砂等细颗粒混合如图4所示。

(a)测试卵砾石堆积密度

2.3.2 试验结果

按照理论公式计算的临界细粒质量分数如表1所示，根据试验计算的临界细粒质量分数如表2所示。

表1 临界细粒质量分数计算

表2 临界细粒质量分数试验结果

3组试验结果与公式计算结果的误差分别为1.5%、1.7%、2.2%，可以认为建立的细颗粒填充卵石堆积形成的孔隙模型是正确的。由于以上试验中砂卵石取自成都地铁施工现场砂卵石渣土，因此可以认为成都砂卵石临界细粒质量分数为30%左右。

3 工程应用

成都地铁17号线1期某盾构隧道区间，盾构穿越了全断面砂卵石地层，其地质纵断面如图5所示，地层参数如表3所示。该区间的盾构线路走向如图6所示。盾构穿越的地层卵石质量分数为55%～70%，粒径一般为2～15 cm，最大可达250 mm，砾石质量分数为15%～20%，余下的为细、中砂和黏粉粒充填。根据地勘报告，细粒质量分数为30%～45%，超过该工程临界细粒质量分数30%的条件。本区段使用的盾构为土压平衡盾构，外径8 634 mm，类型为面板式，开口率约36%，刀盘面板焊HARDOX600，外围焊合金耐磨环。主刮刀66把，边缘刮刀24把，刀座保护刀31把，注入口保护刀10把，同时配备有超挖滚刀，盾构刀盘如图7所示。

图5 盾构区间地质纵断面(单位：m)

表3 地层参数

图6 盾构区间线路

图7 盾构刀盘

3.1 盾构施工难题

由于该区间隧道穿越的砂卵石地层中卵石含量大，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；前期由于砂卵石渣土改良不到位给盾构法施工带来较多不便和难度，如螺旋排土器喷涌导致开挖面压力失控、卵石堆积于底部、盾构掘进转矩推力过大、刀具磨损过快，如图8—9所示。

图8 排土口喷涌

图9 刀具磨损

3.2 现场渣土改良

3.2.1 改良剂选择及用量

根据前面的研究成果，掘进时本区间盾构采用钠基膨润土泥浆和泡沫复合掺入进行砂卵石改良，以期获得较好的流塑性。据现场统计，膨润土泥浆膨水比为1∶6，钠基膨润土泥浆注入量每环平均为10 m3；泡沫剂质量分数为2.5%，发泡倍率为20，半衰期为13.5 min，每环掘进泡沫剂原液使用量为100～150 L。

3.2.2 现场改良效果

项目前期施工中，主要采用了膨水比1∶10的较稀膨润土泥浆，盾构在初始掘进时出现了多次螺旋排土器喷涌，特别是盾构停机拼装管片后再次启动时，喷涌现象较为普遍(见图8)。砂卵石改良前出渣状态如图10所示。从图10可以看出，砂卵石渣土和易性差，出现了明显的卵石与细颗粒分离，大量卵石无法带出压力舱，细颗粒部分更容易快速排出，其渣土状态偏稀。螺旋排土器出口的持续喷涌，已经严重影响土压盾构掘进安全和掘进速度(仅为20～30 mm/min)，工期严重滞后。由于渣土改良效果不佳，部分滚刀出现了结泥饼现象，如图11所示。

(a)皮带运输机上的渣土、卵石出现分离

图11 泥饼粘附刀具

为此，项目部决定进行砂卵石地层渣土改良试验及机制研究工作。

改良后的渣土状态如图12所示，外观上渣土的整体性与和易性良好。经坍落度试验测得坍落度为16.2 cm，通过渗透试验测得渗透系数为5.2×10-5cm/s，且盾构掘进途中几乎不发生喷涌现象。随机取出掘出的几环渣土，烘干后通过筛分试验(取平均值)得到颗分曲线如图13所示，可以看出渣土中细颗粒质量分数相对于改良之前有所增加，2 mm以下的颗粒占比超过40%。

(a)改良后输送皮带上的渣土

图13 排放渣土颗分曲线

采取室内试验所得的改良方案进行渣土改良之后，盾构平均推进速度提高到43 mm/min，平均推力由初始的3.65×104kN减少到2.70×104kN，掘进速率显著提高，如图14所示。

(a)推进速度

结合以上可以看出，添加膨润土泥浆和泡沫的混合改良剂之后，渣土中细颗粒质量分数增大，渣土的流塑性、抗渗性有了显著提高。盾构推力有所减小，掘进速率显著提高。与成都地铁1号线相比(1号线全线最初半年内盾构掘进累计完成的1 000 m隧道，大约每150 m左右就需进行刀具的检查与更换，甚至出现更换刀盘的严重故障)，本盾构区间的刀具磨损程度大大减少，换刀距离接近400 m。

4 结论与建议

1)参考混凝土流动性来源，将砂卵石分为粗粒(>2 mm)和细粒(≤2 mm)2部分，建立细粒和粗粒二相体模型，并基于该二相体模型推导了细颗粒包裹粗颗粒形成的孔隙时细颗粒的质量分数计算公式，通过试验验证了该计算公式的合理性。

2)针对本文提出的二相体模型将砂卵石划分为3种不同的类型，提出相应的改良措施建议。针对改良困难型砂卵石地层，应掺入泡沫+膨润土泥浆+聚合物；针对改良较困难型砂卵石地层，则可以采用中等稠度的膨润土泥浆+泡沫剂方式进行改良；针对改良容易型砂卵石地层，采用稳定性泡沫剂改良即可达到较好的流塑性，必要时掺入少量的膨润土泥浆。

3)根据推导公式(2)计算得到成都砂卵石临界细粒质量分数在30%左右，依据该临界细粒质量分数，砂卵石改良难易程度分为3类：改良容易型、改良较困难型、改良困难型。

4)将以上成果指导成都地铁17号线某区间盾构隧道掘进，依据其细粒质量分数推荐采用泡沫+膨润土泥浆复合改良方式。相对于项目部之前的改良方式，该方法确保砂卵石改良状态达到了较好的流塑性，螺旋输送机排土出渣顺利，盾构安全高效掘进。

本文主要探讨了砂卵石渣土改良的难易性，对于砂卵石渣土的流动性机制及微观机制研究还不够深入，下一步将在这方面开展深入的研究工作。