富水砾砂-泥质粉砂岩复合地层渣土改良试验研究

2022-06-21朱碧堂余金王凌张跃明蒋亚龙杜林泉黄展军

土木与环境工程学报 2022年5期

朱碧堂，余金，王凌，张跃明，蒋亚龙，杜林泉，黄展军

(1. 华东交通大学 a. 土木建筑学院；b. 江西省地下空间技术开发工程研究中心，南昌 330013；2.广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010；3. 南昌轨道交通集团有限公司，南昌 330013)

土压平衡盾构相对泥水盾构具有泥浆污染小、施工速度快等优点，根据土仓压力反馈调节螺旋输送机和刀盘转速，保证土舱渣土动态平衡，易维持掌子面稳定，减少地表沉降，被广泛应用于城市人口密集及建(构)筑物密集区的地铁隧道建设中[1]。

许多学者针对不同地层进行了大量的渣土改良试验研究及改良效果评价。邱龑等[2]针对深圳富水砂层采用泡沫、膨润土泥浆及高分子聚合物进行了渣土改良试验，通过对土样进行电镜扫描、坍落度试验和渗透试验进行效果评价，发现膨润土泥浆注入比为8%～10%的渣土可满足盾构施工要求。Cheng等[3]针对粉砂层，通过模型试验，采用刀盘扭矩指标评价渣土改良效果，并确定最佳改良剂配比。Mori[4]通过压缩试验和十字板剪切试验，研究了实际应力状态下不同泡沫参数对砂土改良的影响，发现孔隙应力和有效应力是影响泡沫改良渣土性能的主要因素。叶新宇等[5]针对泥质粉砂岩进行了渣土改良试验，得到渣土坍落度与含水率、泡沫注入比的函数关系，并提出了渣土改良精细化控制措施。蔡兵华等[6]对具有高液塑限、高黏聚力、富含黏土矿物的红黏土进行了室内渣土改良试验，通过坍落度试验、稠度试验和液塑限联合试验评价土体改良效果，发现含水率为40%时泡沫注入率为30%的理想土体改良指标。刘卫[7]通过现场统计和案例分析，提出富水砂层-泥质粉砂岩复合地层选取泡沫剂、膨润土泥浆及高分子聚合物进行渣土改良，防治砾砂地层渣土流动性差和喷涌问题以及泥质粉砂岩中刀盘结泥饼问题。在改良后渣土效果评价方面，魏康林[8]提出改良后渣土必须具有低渗透性、较小的抗剪强度和较好的流动性。Huang等[9]提出，泡沫能否有效降低渣土的渗透系数取决于渣土的级配特性，通过改变土的有效粒径、曲率系数和不均匀系数，对泡沫改良后的渣土进行渗透试验得出有效粒径对渣土渗透系数影响较大，曲率系数和不均匀系数对渣土渗透系数影响较小。Avunduk等[10]通过旋叶式剪切试验装置评价渣土改良效果，从而进一步优化渣土改良参数。王树英等[11]设计变水头渗流试验装置，研究了改良后渣土渗透系数的时变效应。朱伟等[12]推导了盾构机喷涌时掌子面水压力和渗流量的理论公式，提出了不同土层掘进过程中发生喷涌的临界条件。在富水及水压力大的地层，改良后渣土渗透系数应处于或低于10-5m/s数量级，才不易发生喷涌事故[13]。

目前，许多学者分别对富水砂层、泥质粉砂岩渣土改良进行了试验研究，对富水砾砂-泥质粉砂岩复合地层进行了现场统计和案例分析，尚未对不同体积占比的富水砾砂-泥质粉砂岩复合地层开展系统性室内改良试验及量化标准，也未从颗粒级配角度分析不同砾砂-泥质粉砂岩体积占比对渣土改良的影响。因此，在工程实践中，改良参数随意性较大且对地层体积损失无法控制，容易诱发地表沉降过大甚至坍塌等重大工程事故，如南昌地铁2号线学府大道东站—翠苑路站复合地层区间由于施工期间降雨量大、地下水位上涨、渣土改良方案调整不及时，导致地表路面出现坍塌；南昌地铁3号线国威路站—青山湖西站复合地层区间由于渣土改良不善导致地表沉降过大。因此，需要针对不同体积占比的富水砾砂-泥质粉砂岩复合地层开展系统的渣土改良试验，提出定量的渣土改良控制标准。

笔者以南昌地铁4号线七民区间为例，对不同掌子面土层颗粒级配进行分析，探讨不同富水砂层-泥质粉砂岩体积比复合地层渣土改良试验方案，通过坍落度试验、十字板剪切试验和加压渗透试验，综合判断渣土改良效果和量化泥岩改良控制指标，并通过现场统计分析和改良效果，验证上述室内试验研究结果。

1 工程地质与水文地质概况

1.1 地层条件

根据隧道地质纵剖面图，在七民区间SK32+020～326段和SK32+840～SK33+190段，盾构穿越地层分界面动态变化，软硬交错，为上覆富水砾砂、下卧泥质粉砂岩不同体积比复合地层，地质纵剖面如图1所示。

图1 复合地层地质剖面图Fig.1 Geological profile of composite

1.2 水文条件

隧道埋深处于17～25 m，地下水位埋深约4～6 m，静水压力约140～220 kPa。七民区间隧道为富水高水压地层，砾砂的天然含水率在21%～28%之间，渗透系数约为1.2×10-3m/s，泥质粉砂岩天然含水率在13%～18%之间。由于地层中存在高含量黏性颗粒岩层，盾构掘进时容易在刀盘前部结泥饼及刀具抱死偏磨。同时，穿越富水、高水压砾砂层时，螺旋机无法保持正常的压力梯降，易产生螺旋机出土口“喷水、喷砂、喷泥”现象[12]。

2 颗粒级配及改良剂参数分析

根据不同体积占比的砾砂-泥质粉砂岩复合地层颗粒级配分析，研究适应不同复合程度地层的改良剂参数方案。

2.1 土层颗粒级配分析

在土层参数中，颗粒级配不仅对盾构机选型具有参考意义，而且对土压平衡盾构渣土改良及整个施工过程有着重要影响。渣土中细颗粒含量较多时，改良后土体易形成渗透系数小、类似牙膏状的流塑体，能够均匀传递推力至掌子面，平衡水土压力，减小地面沉降，如图2所示。粗颗粒含量高的土体经泡沫改良后流塑性较差、渗透系数较大，在掘进过程中难以实现土压动态、连续平衡[14]。

图2 盾构掘进掌子面土压平衡示意图Fig.2 Schematic diagram of earth pressure

土压平衡盾构最初用于细颗粒含量(d<0.075 mm)在20%～30%的土体[15]，所以，渣土改良前应根据土层颗粒级配曲线分析土体细颗粒含量。若细颗粒含量不足，应额外添加膨润土泥浆进行补充细颗粒后再添加泡沫进行改良，富水时还应加入聚合物对渣土进行絮凝；若细颗粒含量过大且具有较大黏聚性，应添加分散剂溶液对其进行分散后再添加泡沫对渣土进行改良。

根据盾构隧道穿越富水砾砂-泥质粉砂岩复合地层的特点，分别对砾砂和泥质粉砂岩进行颗粒级配分析，得出不同断面破碎后的细颗粒含量，确定相应复合地层的渣土改良方案。对砾砂用震筛机进行震动筛分试验，对破碎后的泥质粉砂岩用水分法分级过筛进行颗粒级配分析，分别得出砾砂和泥质粉砂岩的颗粒级配曲线，如图3所示。由级配曲线可知，砾砂中细粒含量几乎为0，泥质粉砂岩中细粒含量达到30%左右。

图3 砾砂与泥质粉砂岩颗粒级配曲线Fig.3 Grading curve of gravelly sand and argillaceous

2.2 泡沫的制备

根据彭磊等[16]的研究，采用泡沫剂溶液浓度为3%发出的泡沫改良渣土效果最理想。实验室采用的泡沫剂取于施工现场，确保试验结果对施工的指导性。将泡沫剂溶液通过发泡系统制备泡沫，如图4所示。

图4 实验室制备泡沫Fig.4 Preparation of foam in

2.3 膨润土泥浆的准备

对于缺乏细颗粒的富水砂层，需要添加膨润土泥浆填充颗粒间的空隙，降低渗透系数并增加土体流塑性。具有一定黏度的膨润土泥浆可以有效地包裹住大粒径土颗粒，增强土体的流动性，减少土体与刀盘之间的摩擦，但泥浆黏度过大可能会造成泥浆输送系统的压力过大，不利于流畅泵送。对于富水砂层，膨润土泥浆黏度在20～30 mPa·s之间改良效果较好[17]。为获得理想黏度对应的膨润土泥浆质量分数，实验室采用旋转黏度计进行了5种不同质量分数的膨润土泥浆黏度测试，如图5所示。

图5 不同质量分数膨润土泥浆性能测试Fig.5 Performance testing of bentonite slurry with

通过膨润土泥浆试验分析发现，膨润土泥浆质量分数为1∶8时，符合盾构施工用膨润土泥浆黏度要求。

2.4 渣土悬浮剂和泥岩分散剂溶液

当掌子面土层处于富水条件，仅仅用泡沫和膨润土泥浆改良时，渣土流动性过大，且水易从土样中析出。此时需要另外添加渣土悬浮剂等聚合物，将自由水絮凝成胶体与渣土均匀搅拌混合，如图6(a)所示。当掌子面地层细颗粒含量大于20%且黏性较大时，仅仅添加泡沫和水无法将黏聚在一起的渣土分散均匀改良，需要先添加泥岩分散剂溶液，将渣土搅拌均匀分散后，再添加泡沫对其进行改良，如图6(b)所示。

图6 悬浮剂(聚合物)和分散剂作用效果Fig.6 Effect of suspension agent (polymer) and

3 渣土改良配比试验

3.1 渣土改良试验方案及断面的选取

盾构机在复合地层中掘进时，整个掌子面土层组成处在动态变化过程中。选取5种不同泥岩体积比例的掘进断面(掌子面泥质粉砂岩体积占比分别为10%、30%、50%、70%、90%)，并对不同掌子面土层进行颗粒级配分析，如图7所示。

图7 不同泥岩比例断面及颗粒级配曲线Fig.7 Sections with different ratios of argillaceous

通过颗粒级配曲线分析，砾砂∶泥质粉砂岩=9∶1、7∶3、1∶1、3∶7、1∶9断面对应的细颗粒含量分别约为3%、9%、15%、21%、27%。初步可以根据细颗粒含量选择改良剂类型并计算膨润土泥浆用量。

3.2 10%泥质粉砂岩质量比渣土的改良试验

室内制备10%泥岩体积含量的复合地层，通过加水使含水率接近原位地层含水率的20%～25%。由于泥质粉砂岩含量较少，由级配曲线可知刀具破碎后细颗粒含量约为3%，根据理想渣土细颗粒含量可计算出膨润土泥浆注入比在17%～27%之间，改良方法主要以膨润土泥浆补充细颗粒、泡沫增加渣土流动性为主，经立式砂浆搅拌机充分均匀混合后测其坍落度。在只添加水、不添加泡沫和膨润土泥浆时，渣土不具有较好的流塑性，如图8(a)所示，改良效果不佳。采用泡沫注入率和膨润土泥浆注入率梯度为5%，高分子聚合物注入率梯度为0.5%，进行多组改良试验。当泡沫注入为10%时，由于渣土含水率过高，在泡沫改良作用下坍落度达到246 mm，渗透系数为5.68×10-4m/s，此时渣土流动性过大，不利于排渣，渗透系数也未达到抗渗要求。重新配置土样，先添加聚合物，注入率为0.5%、1%、1.5%，当聚合物注入率为1%时，渣土中自由水絮凝呈胶状物，避免了含水率过高对渣土流动性的影响，随着聚合物注入率的增大，渣土中自由水絮凝过度，流动性太差。在聚合物注入率1%的基础上，添加注入率为5%、10%、15%、20%、25%、30%的泡沫，当泡沫注入率为20%时，渣土坍落度为178 mm，流动性较好，但渗透系数为10-4m/s数量级，未达到渣土抗渗要求，在聚合物和泡沫改良基础上添加注入率为5%、10%、15%、20%、25%、30%的膨润土泥浆，当膨润土泥浆注入率为20%～25%时，高分子聚合物用量为1%，泡沫注入率为20%左右时，改良后渣土坍落度为182 mm，如图8(b)所示，十字板剪切强度为0.66 kPa，渗透系数为8.72×10-6m/s，可见膨润土泥浆、聚合物和泡沫显著改善了大比例砂层断面渣土的流塑性，减小了土体与刀具间的摩擦，降低了渣土渗透系数，可避免发生喷涌。

图8 10%泥岩比例断面的坍落度Fig.8 Slump of section with 10% argillaceous

3.3 30%、50%、70%泥质粉砂岩占比渣土的改良试验

在室内分别制备30%、50%、70%不同泥质粉砂岩体积含量的复合地层，通过加水使其含水率接近原位地层含水率。由于泥质粉砂岩含量逐渐增加，混合土体细颗粒含量增加，此时，改良以添加泡沫，增加土体流动性为主。

通过颗粒级配分析，为保证渣土细颗粒含量在20%～30%之间，泥岩含量为30%、50%、70%时，应分别添加膨润土泥浆11%～21%、5%～15%、0～9%，泡沫注入率梯度为5%，设置了5%、10%、15%、20%、25%、30%共6种不同泡沫注入率，通过渣土坍落度、渗透系数和剪切强度来确定不同泥岩含量复合地层渣土改良泡沫注入率和膨润土泥浆注入率。经立式砂浆搅拌机充分均匀混合后，分别测3种泥岩比例渣土的坍落度、剪切强度及渗透系数。泥岩含量为30%时：膨润土泥浆注入率为13%～18%，泡沫注入率为25%左右时，改良后渣土坍落度为198 mm，十字板剪切强度为0.55 kPa，渗透系数为5.63×10-6m/s；泥岩含量为50%时：膨润土泥浆注入率为8%～13%，泡沫注入率为30%左右时，改良后渣土坍落度为202 mm，十字板剪切强度为0.51 kPa，渗透系数为4.21×10-6m/s；泥岩含量为70%时：1∶5泥岩分散剂溶液注入比为2%，泡沫注入率为40%左右时，改良后渣土坍落度为188 mm，十字板剪切强度为0.31 kPa，渗透系数为3.46×10-6m/s。如图9所示，渣土均具有较好的流塑性。

图9 不同泥岩比例断面坍落度Fig.9 Slump for sections with varying ratios

3.4 90%泥质粉砂岩质量比渣土改良试验

由于砂层含量较少，改良方法可近似采用全断面泥质粉砂岩改良参数[5]，采用泡沫和水改良渣土流动性，当渣土“结泥饼”或凝聚成团时，还应加入适量的泥岩分散剂溶液。经立式砂浆搅拌机充分均匀混合后测其坍落度，当泡沫注入率为40%时，改良后渣土坍落度为113 mm，如图10(a)所示，此时渣土流塑性不好，易“结泥饼”卡住刀盘。当继续添加泡沫达到50%、60%时，渣土流塑性变化不大，仍然黏结成团附着在搅拌机叶片上，如图10(b)所示，显然，当渣土中细颗粒含量较大且黏性较强时，只添加泡沫改良无法达到流塑性要求，添加3%的泥岩分散剂溶液后渣土具有较好的流塑性，坍落度为198 mm，十字板剪切强度为0.38 kPa，渗透系数为2.08×10-6m/s，如图10(c)、(d)所示。

图10 90%泥岩比例断面坍落度Fig.10 Slump of section with 90% argillaceous

3.5 渣土改良的建议参数

根据上述试验研究，不同泥岩体积占比的富水砾砂-泥质粉砂岩复合地层渣土改良配比参数如图11所示，其他不同比例富水砾砂-泥质粉砂岩复合地层可按图11进行线性差值确定改良剂配比方案。

图11 砾砂-泥质粉砂岩复合地层渣土改良的参数建议Fig.11 Recommendations of soil conditioning parameters for gravelly sand-argillaceous siltstone composite

由试验结果可知，随着泥质粉砂岩占比逐渐增大，刀具破碎后复合地层细颗粒含量增加，泡沫注入率从20%增加至50%时，膨润土泥浆注入率从20%递减为0。泥岩占比为10%时，富水砾砂含量较大，在富水时需添加渣土悬浮剂等聚合物进行絮凝；当泥岩占比大于50%时，泡沫注入率显著增加，需要更多的泡沫对渣土进行润滑和分散作用；当泥岩占比大于70%时，不再需要膨润土泥浆作为封堵材料降低渣土渗透系数，渣土自身细颗粒含量较高，在刀盘破碎和搅拌作用下可有效填充颗粒间隙，达到抗渗作用，同时，需要添加泥岩分散剂溶液对渣土进行分散作用，利于泡沫进入土颗粒间，改善渣土流动性。

4 渣土改良效果评价

为了验证改良后的渣土是否满足流塑性及盾构掘进要求，需要确定渣土评价指标，开展室内试验对渣土改良效果进行评价。从渣土的流塑性、抗剪强度、渗透性三方面评价渣土改良效果。

4.1 坍落度试验

由图12中坍落度试验数据可以发现，在坍落度150～200 mm范围内，富水砾砂-泥质粉砂岩复合地层在不同比例断面下的最佳泡沫注入比在20%～50%之间时，随着泥岩比例逐渐增加，泡沫用量也逐渐增加。

图12 渣土改良后的坍落度Fig.12 Slump of conditioned

4.2 十字板剪切试验

渣土的剪切强度直接影响刀具的摩擦损耗，改良后的渣土可有效降低摩擦角和剪切强度，保护刀具。改良后的渣土流动性较大，无法通过直剪试验测得渣土剪切强度，因而采用数显便携式十字板剪切仪研究改良后富水砾砂-泥质粉砂岩复合地层渣土的不排水剪切强度。试验过程如图13所示。

图13 复合地层改良渣土十字板剪切试验Fig.13 Vane shear test for conditioned soil

未添加改良剂之前，混合渣土剪切强度为10～15 kPa，注入泡沫等改良剂均匀搅拌后，渣土剪切强度为3～7 kPa。改良剂的加入显著降低了渣土的剪切强度，减少了土体与刀盘及刀具之间的摩擦，延长了刀具寿命。

4.3 加压渗透试验

加压渗透装置如图14所示，既能施加不同水压模拟不同埋深时盾构机的地下水压，还能施加不同围压模拟不同埋深时盾构机的土仓压力，可较好地再现土仓内的渣土环境。渗透试样高40 mm，直径70 mm，试样周围是压力腔，上方和下方放有透水石和滤纸，渗透压力和围压通过调压阀调节，压力调节范围为0～0.8 MPa。

在围压200 kPa、渗透压力150 kPa工况下对不同比例复合地层改良后渣土进行渗透试验。5种复合地层改良后渣土渗透系数均小于10-5m/s，满足盾构施工要求，不会发生喷涌现象。通过对比不同泥岩比例地层，当泥岩含量增加或膨润土泥浆注入率增加时，渣土渗透系数都逐渐减小，如图15所示，即泥岩在刀盘破碎后，细颗粒和膨润土泥浆增强了复合地层渣土的堵水结构。