强风化混合花岗岩地层中盾构泥饼堵塞情况下渣土改良剂效果分析

周凯歌，方 勇, *，廖 杭，王 凯，宋天田

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

随着我国隧道行业的蓬勃发展，盾构工法以其安全、高效、高度机械化等特点得到越来越广泛的应用。然而，随着盾构工法应用领域的不断拓宽和延伸，衍生出硬岩地层刀具磨损严重、黏性地层盾构结泥饼严重、软硬复合地层刀具偏磨、砂性地层液化及喷涌等一系列问题。为保证盾构开挖的顺利进行，实际施工中需要采用向地层中加入改良剂的方法，使渣土保持塑性流动状态，即具有良好的流塑性、低渗透性、较好的压缩性和较小的内摩擦角[1]。

关于渣土改良技术，国内外学者已经进行了很多研究。Martinotto等[2]研究了泡沫、聚合物等改良剂对渣土改良的作用机制，明确了渣土改良对黏土地层盾构掘进效率的重要性;并依托实际工程采用了2种改良方法，通过对室内试验结果和现场数据进行综合分析，多角度评价了2种改良方法的改良效果。Budach等[3]认为改良砂土的坍落度合理范围为10～20 cm，并结合坍落度、压缩、渗流和直剪等试验，得出了仅用泡沫就能得到合适的砂土级配的结论。Peila等[4]根据坍落度试验结果将改良砂土分为不合适、边界体和合适3种，并经研究发现渣土中的粗粒含量直接影响改良剂的参数选取。Zumsteg等[5]进行了室内搅拌试验和金属圆盘剪切试验，研究了不同矿物成分黏土的盾构堵塞风险，并通过试验分析了渣土改良剂的减黏效果。研究发现，改良剂能有效降低渣土与金属的界面黏附力，当土壤含水率接近渣土塑限时，改良剂的作用会被其他作用抵消，减黏效果不佳。叶新宇等[6]依托南昌某地铁项目，进行了坍落度试验，并结合实际施工参数，对现场的渣土改良技术进行了评估，得出了坍落度与含水率等参数之间的函数关系，实现了渣土改良精细化控制。

综上可知，目前评价渣土改良效果的方法以坍落度试验为主，但对于渣土的合理坍落度值并没有定论[7]，并且不同地层的合理坍落度值也不相同，难以形成一套适用性广的评估方法。而实质上结泥饼是盾构切削渣土在刀盘和土舱内重新聚集形成固结或半固结的块状体的过程，由于土壤-金属界面的黏附作用(包括法向、切向黏附力)，刀具周围渣土颗粒逐渐吸附形成团聚体，受到面板挤压研磨作用固结成泥饼并黏附在刀盘上[8-9]，因此可将界面黏附力的大小作为评价指标来评估渣土改良效果。

本文采用自主研发设计的试验设备，以取自深圳地铁留仙洞站—白芒站盾构区间内盾构堵塞风险为Ⅵ级、稠度指数为0.9的强风化混合花岗岩为试验土样，探究不同渣土改良方式(含水率优化、注入分散剂、注入泡沫剂)对强风化混合花岗岩地层改良效果的影响；然后对3种改良方法进行综合评估，得出一套适用于强风化混合花岗岩地层的渣土改良方案，以期为类似工程提供一定参考。

1 工程概况

深圳地铁13号线留仙洞站—白芒站盾构区间项目隧道全长4 606.182 m,地下线拟采用2条平行的单洞单线结构形式，线间距最小约为12 m，最大约为26 m，隧道洞径约为6.7 m。盾构区间地质纵断面如图1所示。渣土改良研究段主要穿越强风化混合花岗岩(土状)，其矿物成分质量分数如表1所示。地层呈褐灰、灰白色，原岩结构大部分被破坏，除石英、长石外其余矿物大部分风化为黏性土，残余较多岩碎屑，手捏易碎，岩芯呈土柱状、砂土状、碎屑状，遇水易软化崩解。

图1 盾构区间地质纵断面

表1 强风化混合花岗岩矿物成分质量分数

由于上述地层具有稠度高、流塑性差、法向及切向黏附力大、遇水易软化崩解等特点，在盾构掘进时，刀盘上的刀具会逐渐被固结渣土糊住，导致切削地层时刀具贯入度降低，引起刀盘开口堵塞。刀盘上大体积的泥饼还会使得掘进参数波动异常，对施工和设备安全造成极大威胁[10]。现场“泥饼”矿物成分质量分数如表2所示。若刀盘堵塞没有得到及时处理，刀盘切削动能会因摩擦生热而大部分转化为热能，在刀盘和开挖面上产生高温，刀盘上的泥饼受热会发生脱水固结等物理化学作用，进一步硬化，很难被去除。土舱中心泥饼还使土舱调节容积变小，导致土舱压力波动，严重时引起盾构堵塞，因此应合理配置添加剂进行渣土改良。

表2 现场“泥饼”矿物成分质量分数

2 试验介绍

2.1 试验设备

2.1.1 法向黏附力拉拔试验设备

为了研究土壤与金属表面的黏附力大小以及黏附力的影响因素，自主研发了法向黏附力拉拔试验装置，如图2所示。装置主要包括电机、平台、支架、固定部件、压力传感器、传感器放大器、压锤、土盒、底座等部件。试验的主要原理是通过压力传感器测量金属从土壤表面拉起时产生的黏附力，同时对黏附的状态进行观察。

图2 法向黏附力拉拔试验装置

旋转电机下方与旋转螺栓连接，通过旋转驱动固定部件以一定速度向下运动。压力传感器连接在压锤上方，并外接到放大器，可以连接到电脑记录压力变化。土盒由下方螺栓固定在平台上，土盒内装有试验土样。土盒的内径为6 cm，高度为2 cm，压锤的直径为3 cm，钢压锤与土壤接触面的表面粗糙度为10 μm。压力传感器最大量程为5 kg，精度为3‰，配套的数据处理软件数据记录频率为30 Hz。上方电机转速最大为50 r/min，在标定后可以确定压锤沿垂直方向运动的速度。

2.1.2 切向黏附力试验设备

传统的直剪试验装置用于测定土与土之间的抗剪强度。为了研究土壤与金属表面的切向黏附力大小以及黏附力的影响因素，对传统直剪装置进行了改进，即将剪切面下部试验土样替换为试验金属块，切向黏附力试验装置如图3所示[8]。

(a)改进前

2.2 渣土改良方案

针对深圳强风化混合花岗岩地层，为了提出最优的渣土改良方案，本试验对比了3种比较常用的改良方法，即含水率优化、注入分散剂和注入泡沫剂。

2.2.1 含水率优化

通过调节含水率来改变渣土流动性是一种比较常见的方法。以往施工经验表明，最适宜盾构掘进的渣土稠度系数为0.40～0.75。渣土稠度系数大于0.75时，渣土较硬，难以传递支护力；小于0.40时，出土机难以保压。区间原状土的含水率为23.33%，通过加水获得含水率为26.64%、29.96%、33.28%的试验土样，并分别进行黏附力试验。

2.2.2 注入分散剂

分散剂的作用是分散地层颗粒，在地层中注入分散剂后，可以降低渣土和水之间的界面张力，使高黏性土的黏附性降低，释放土体内部结合水，增加流动性。本组试验采用的分散剂为六偏磷酸钠，为白色颗粒，与纯水混合，配制成质量分数为10%的分散剂溶液，注入到原状土中，获得分散剂注入率为1%、2%、3%、4%、5%的土样，并进行黏附力试验。

2.2.3 注入泡沫剂

泡沫剂是最常使用的渣土改良剂之一，其优势是体积小，发泡后能对土体颗粒起到良好的润滑分离作用。泡沫剂中绝大部分是空气，少部分是水，只有极少数有效成分是发泡剂。在发泡后一段时间内，泡沫剂中的气体会挥发逃逸，此时土体流塑性迅速降低，因此应根据地层特点严格控制泡沫剂的发泡率。一般来说，泡沫剂适用于渗透系数小于10-5m/s的细颗粒土层中。当泡沫剂与土体作用时，其在土体单元表面形成薄膜，从而阻止了土体之间的黏结，避免刀盘结泥饼、螺旋机出土不畅情况的发生。本组试验中使用的泡沫剂是质量分数为3%的泡沫液在发泡压力0.3 MPa、气液比为13的条件下制备的，将其注入到原状土中，获得泡沫剂注入率为20%、40%、60%、80%、100%的土样，并进行黏附力试验。

3 试验结果分析

3.1 含水率试验

不同含水率下强风化混合花岗岩试样的法向、切向黏附力如图4所示。由图可知：随着含水率的增加，强风化混合花岗岩试样的法向黏附力先增后减，最大值为5.38 kPa，对应含水率为26.64%；切向黏附力则迅速减小，在含水率大于29.96%后基本稳定在1.4 kPa。

图4 不同含水率下强风化混合花岗岩试样的法向、切向黏附力

3.2 分散剂试验

不同分散剂注入率下强风化混合花岗岩试样的法向、切向黏附力如图5所示。由图可知，分散剂对法向黏附力和切向黏附力的作用效果是相反的。法向黏附力随着分散剂注入率的增大而增大，且在注入率大于3%后基本稳定；而切向黏附力随着分散剂注入率的增大迅速减小，在注入率大于3%后变化较小。

图5 不同分散剂注入率下强风化混合花岗岩试样的法向、切向黏附力

出现上述现象的原因是分散剂会降低渣土与金属间的界面张力，释放土体内部结合水。根据Fountaine[9]提出的水膜理论可知，土壤与金属界面的黏附力是由土壤与金属间的水膜提供的，水膜面积越大，黏附力就越大，被释放的结合水加速了水膜的形成，增大了水膜的面积，因此法向黏附力增大；而水膜是不能传递剪力的，且能起到一定的润滑作用，因此切向黏附力减小。

3.3 泡沫剂试验

不同泡沫剂注入率下强风化混合花岗岩试样的法向、切向黏附力如图6所示。从图中可以看出：1)泡沫剂注入率的变化对切向黏附力的影响更为显著，注入率小于60%时，切向黏附力随注入率的增加迅速减小；而当注入率大于60%后，切向黏附力基本稳定在1 kPa左右。2)法向黏附力随着泡沫剂注入率的增加先增大后减小，在注入率为80%时达到峰值，总体变化幅度不大。

图6 不同泡沫剂注入率下强风化混合花岗岩试样的法向、切向黏附力

注入泡沫剂后切向黏附力显著减小的原因主要有2个：1)泡沫剂填充了土颗粒间的孔隙，相当于减少了与金属界面接触的土颗粒数量；2)泡沫液本身具有润滑作用，土颗粒与金属界面之间的摩擦力均被减弱了。法向黏附力增大的部分同样可以用Fountaine提出的水膜理论解释；减小的部分是由于泡沫剂注入率过大，土体内部孔隙较多，界面处无法形成负压。

3.4 改良方案对比

仅从切向黏附力角度来看，当含水率、分散剂注入率、泡沫剂注入率达到一定程度时，切向黏附力均能趋于一较小值，此时渣土具备一定的流动性和较小的内摩擦角，能够降低渣土在刀盘上形成团聚体的概率。

虽然3种方法都能取得较好的改良效果，但也都存在一定的问题。1)含水率优化虽然成本低廉，对环境影响小，但在实际施工中，当土舱内渣土含水率过高时，掌子面的支护压力很难保证，螺旋输送机的喷涌风险也会大大增加[11]；另外，受限于黏土地层低渗透性的特点，注入的水很难与渣土充分混合形成均匀的渣土介质。2)分散剂改良方法的不足在于,分散剂发挥作用所需的时间较长，所需的能量较大，当土体含水率较小且渗透性较小时，分散剂难以快速与土体充分混合，结合水释放缓慢，具有一定的局限性。3)泡沫剂改良方法的不足在于，气泡的寿命较短，泡沫剂注入地层一段时间后，泡沫会破裂[12]，土体流塑性会迅速降低。

从喷涌风险、渣土改良成本和环境保护角度考虑，实际施工中应选择合理的切向黏附力，不可一味追求减小切向黏附力。

对比上述渣土改良试验结果并结合现场施工经验可知，泡沫剂改良方法具有响应速度快和各地层适应性强的特点，更适用于深圳地铁留仙洞站—白芒站盾构区间强风化混合花岗岩地层的渣土改良，并且泡沫剂寿命较短的缺陷可以通过适当降低发泡气液比的方法来克服。因此，最终采取注入泡沫剂的渣土改良方案，泡沫剂质量分数为3%，泡沫气液比为10，注入率为60%。

4 盾构泥饼堵塞防治研究

4.1 刀盘配置

4.1.1 刀盘防泥饼设计

刀盘配置如图7所示。刀盘采用“6主梁+6副梁”配置，中心区域具有较大开口，开口位置在盘面上均匀布置，整体开口率为30%。刀盘面板布置了8路喷口，其中，中心区域布置了4路喷口，每路喷口采用单管单泵设计，且均可在刀盘背部维修更换。土压模式时刀盘背部焊接4根被动搅拌棒，对土舱渣土进行扰动,增加其流动性。

图7 刀盘配置示意图

4.1.2 刀具针对性设计

刀盘刮刀采用大合金设计，宽200 mm，侧面堆焊耐磨合金条，刀座焊接保护块，及时收集渣土的同时又可有效防止切刀表面形成泥饼。

4.1.3 渣土改良系统针对性设计

泡沫混合方式设计为预混合，配置的泡沫发生器为孔隙式泡沫发生器。泡沫发生器有2个注入口，一个注入气体，另一个注入配制好的基液和发泡剂的混合液体。泡沫剂注入系统采用8路单管单泵设计，泡沫剂注入量大，为5～300 L/h，渣土改良均匀。泡沫剂注入系统技术参数见表3。

表3 泡沫剂注入系统技术参数表

4.2 现场数据分析

在盾构区间右线穿越强风化混合花岗岩地层时(280—350环)，出现了盾构参数异常的现象，并且在317环和334环进行了带压开舱清除泥饼和换刀作业，并从317环开始注入泡沫改良剂。泡沫剂注入速度随掘进速度而变化，处于200～250 L/h。通过分析280—350环间掘进参数，包含盾构掘进速度、推力、转矩、掘进比能，对泡沫剂渣土改良方案的适用性做出评估。

4.2.1 掘进速度

试验研究段280—350环盾构掘进速度波动情况如图8所示。由图可知，在280—290环，盾构掘进速度在30 mm/min左右，比较稳定；在290—317环，由于盾构穿越强风化混合花岗岩地层，土体黏性强，易结泥饼，盾构推进困难，掘进速度在317环降低至20 mm/min。由此判断，在317环时刀盘已结泥饼。在317环带压开舱处理泥饼、更换刀具后，采用泡沫剂渣土改良方案(泡沫剂质量分数3%，泡沫剂注入率60%，发泡气液比10)进行渣土改良；然后继续掘进，掘进速度显著提升，但继续向前掘进至334环时，掘进速度骤降至19 mm/min；在334环进行第2次带压开舱处理泥饼和换刀作业；第2次开舱后，掘进速度大幅提升，且稳定在较高水平。

图8 盾构掘进速度

以2次开舱处理作为节点，将整个掘进过程划分为3个部分，3个部分的平均掘进速度分别为24.62、27.26、31.00 mm/min，334环之后的掘进速度较前2个阶段分别提升了13%和26%，泡沫剂渣土改良方案效果明显。

4.2.2 推力

试验研究段280—350环盾构推力波动曲线如图9所示。由图可知：1)在第1次开舱前，盾构推力波动频繁，且维持在较高水平，平均推力为29 950 kN；2)进行第1次带压开舱且采用泡沫剂渣土改良方案后，盾构推力显著下降，这部分盾构的平均推力为25 140 kN，较前阶段减小了16%；3)在334环，盾构推力骤升至35 010 kN，再次带压开舱，发现刀盘大面积被泥饼包裹，对于刀盘周边位置情况较轻微的泥饼可以用高压水枪进行清除，对于刀盘中心处以及某些刀具位置泥饼较为严重的区域，需要操作人员用铁棍、铲等工具进行泥饼挖除；4)开舱处理后恢复掘进，盾构推力明显降低且稳定在低位，该阶段推力平均值为20 340 kN，较前阶段减小了19%，较317环开舱前降低了9 610 kN，减小了32%。

图9 盾构推力

4.2.3 刀盘转矩

试验研究段280—350环盾构刀盘转矩变化情况如图10所示。由图可知：1)第1次开舱前，盾构刀盘转矩波动范围较大，且整体处于较高水平，转矩平均值为2 714 kN·m，开舱处理泥饼并采用泡沫剂渣土改良方案后，刀盘转矩迅速降低至1 101 kN·m。2)继续掘进后，转矩回升，但总体小于317环前的平均转矩，这部分刀盘转矩平均值为2 362 kN·m，较前阶段的平均转矩减小了13%。3)334环第2次开舱后，转矩值迅速降低至2 010 kN·m，略有回升后又再次下降，334—350环盾构的平均转矩为2 083 kN·m，较前阶段减小了12%，较317环开舱前降低了631 kN·m，减小了23%。

图10 盾构刀盘转矩

4.2.4 掘进比能

Teale[13]针对盾构参数提出了盾构掘进比能(tunneling specific energy，SE)的概念，用来表示盾构掘进单位体积土层所需的能量。它可以由盾构开挖所消耗的机械功除以被开挖地层的体积求得。由定义可知：

SE=(Tω+Fν)/(πR2ν)。

式中：T为刀盘转矩，kN·m；F为盾构推力，kN；ω为刀盘转速，r/s；ν为掘进速度，m/s；R为刀盘开挖半径，m，此工程中为3.49 m。

由于掘进参数的波动变化，必然会使得开挖过程中盾构能量的利用效率不同。使用掘进比能的概念可使掘进分析简单化，具有较好的客观性和连续性[14-15]。

试验研究段280—350环盾构掘进比能如图11所示。由图可知：1)盾构穿越强风化混合花岗岩地层时，掘进比能波动明显。2)317环第1次开舱前，盾构掘进比能处于高位，平均掘进比能为4.50 MPa，掘进效率低。3)开舱处理后，掘进比能显著下降，掘进效率得到了提升，此阶段的掘进比能平均值为3.90 MPa，较前阶段的掘进比能平均值降低0.6 MPa，减小幅度为13.3%。4)继续向前掘进至334环再次开舱后，盾构掘进比能再次减小，此阶段盾构掘进比能平均值为3.39 MPa，较前阶段平均掘进比能降低0.51 MPa，减小幅度为13%，较第1阶段减小了24.7%。

图11 盾构掘进比能

综上所述，盾构在强风化混合花岗岩地层中开挖时，刀盘结泥饼风险极大，结泥饼后盾构掘进参数波动明显，具体表现为转矩、推力显著上升,掘进速度显著下降。从掘进参数曲线可以看出，开舱换刀对掘进参数的影响主要体现在开舱后2～3环内，而注入泡沫剂使得开舱后较长一段距离内的掘进参数明显优于开舱前。另外，通过比较盾构掘进参数在317环和334环开舱后2环内的变化率可以发现，推力分别下降了32.4%和14.1%，转矩分别下降了57.6%和27.6%，掘进比能分别下降了55.5%和27.5%。

由上述对比可知，2次开舱后掘进参数的变化率相差较大。这是因为第1次开舱经历了泡沫剂从无到有的过程，改良效果显著，而第2次开舱是在已有泡沫剂改良的基础上进行的，可改良提升空间较小，所以第2次开舱改良效果稍弱，这也充分反映了注入泡沫剂对掘进参数的改良效果。

综上所述，泡沫剂渣土改良方案对盾构掘进参数有较为明显的改善，能够显著提升盾构掘进效率。但是，泡沫剂渣土改良方案并不能完全杜绝结泥饼现象，在317环采取改良措施之后，334环还是出现了结泥饼现象，这可能与泡沫剂对渣土法向黏附力的改良效果不佳有关。根据第3节室内试验结果可知，含水率优化对渣土法向黏附力的改良效果是最优的。因此，在强风化混合花岗岩这种结泥饼风险极高的地层中掘进时，除采取泡沫剂改良外，还应适当改善地层含水率，以达到防止结泥饼的目的。

5 结论与讨论

本文依托深圳地铁13号线留仙洞站—白芒站盾构区间项目，结合法向、切向黏附力试验，研究了含水率优化、注入分散剂、注入泡沫剂3种渣土改良方法对强风化混合花岗岩地层的改良效果，通过综合对比分析得出了适用于强风化混合花岗岩地层的渣土改良方案。得出的结论如下：

1)本文采用的3种改良方案中，含水率优化能有效降低渣土的法向、切向黏附力，而分散剂和泡沫剂只对渣土的切向黏附力有改良作用，对渣土的法向黏附力反而有增大作用，且分散剂的增大幅度较泡沫剂大。

2)盾构在强风化混合花岗岩地层中掘进时，刀盘结泥饼的风险极大，结泥饼后盾构掘进参数波动明显，采取泡沫剂渣土改良方案后，盾构的掘进速度、推力、转矩以及掘进比能都有了较为显著的改善。

3)盾构在强风化混合花岗岩地层中掘进时，泡沫剂渣土改良方案并不能完全防止刀盘结泥饼，建议在采取泡沫剂改良方案的同时适当进行含水率优化，以最大限度降低刀盘结泥饼风险。

目前尚存在难以解决的问题为法向、切向黏附力试验条件与盾构施工高压、高温的现场条件仍有差别。

此外，建议在以下3方面进行进一步研究：1)本文缺乏对土壤内部及接触界面微观层面的观测，后续可在试样装置中增设微型孔压计，以测试试验过程中的水力梯度变化，并通过扫描电镜观察试验前后土壤内部结构的变化，从更加全面的视角分析泥饼形成机制；2)实际工程中，对设备的密封性要求极高，对于法向、切向黏附力试验设备还需在保压、保温方面进行设计和改造；3)本文仅针对法向、切向黏附力试验结果进行了研究，为提升实验室阶段研究的准确性，后续可再增加塌落度试验、盾构掘进模拟试验等进行更加深入且严谨的分析。