砂卵石红砂岩复合地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

于开贞 李忠

上海工程技术大学城市轨道交通学院 201620

引言

目前，我国的城市轨道交通主要以地下建设为主，北京、上海、广州等大型城市已完成地铁系统的整合建设［1］。盾构法在地铁建设中展现出强大的优势，其中土压平衡盾构因其施工安全、施工速度快、成本相对较低、适用地层范围广等特点被大量应用在地铁隧道施工中。

兰州地铁穿越地层为砂卵石红砂岩复合结构，上部为密实卵石下部为强风化红砂岩。砂卵石层有卵石含量高、粒径级配差、黏聚力低、摩擦阻力大等特点，盾构机掘进时刀盘扭矩过大，易造成刀盘卡停，加速刀盘损耗；在风化岩层掘进时，刀盘容易结泥；在复合地层掘进过程中，刀盘扭矩、盾构推力波动较大，并且砂卵石颗粒与红砂岩会黏聚成胶结状板块，堆积在切削口造成刀盘堵塞，容易引发工程事故。因此，砂卵石红砂岩复合地层渣土改良的质量直接决定了盾构施工的掘进效率。

基于国内地铁的大量工程实践，国内学者针对不同地层进行了渣土改良的试验研究，王磊磊等［2］通过室内土体改良试验提出了适用于砂土地层的改良剂配比方案。张润来等［3］针对砂卵石地层研究了膨润土种类差异对土体改良配比方案的影响，认为钠基膨润土比钙基膨润土更适合用于渣土改良，并在采用膨润土、泡沫剂的基础上添加了PAM（聚丙烯酰胺）和CMC（羧甲基纤维素）两种聚合物作为改良剂，在地层含水量较高时，膨润土被稀释使泥浆黏度下降，添加聚合物能够快速止水，达到增稠效果。葸振东等［4］研究了大直径盾构在富水砂卵石地层添加改良剂后对渣土渗透性的影响。张淑朝等［5］以兰州地铁1 号线盾构工程为背景，探讨了改良剂对砂卵石抗渗性能方面的影响，认为采用膨润土、泡沫剂混合改良的方式优于单一改良剂。张宏伟等［6］通过盾构参数的变化对比阐释了盾构结泥饼的现象，通过坍落度试验总结了适用于风化花岗岩地层的改良剂配比。王海明［7］对盾构机在上砂卵石下泥岩复合地层中不同推进控制方式下进行了试验总结，认为在复合地层中掘进时，盾构机控制参数的设定应首先考虑不良地层，如卵石层，其后再考虑其他地层。张迅［8］通过泡沫剂室内配比试验，分析了泡沫剂参数与盾构掘进参数的内在关系，认为泡沫改良剂的使用能够有效降低盾构推力和刀盘扭矩。徐征杰［9］采用正交试验方法，研究了泡沫注入率、泡沫浓度对推进速度的影响关系。郭彩霞［10］等通过现场试验探究了膨润土和泡沫混合改良剂对盾构机参数的影响，认为渣土改良能有效解决盾构机在砂卵石地层掘进时的刀盘磨损问题。潘振兴［11］等通过析因试验得出适用于富水砾砂地层的改良剂浓度范围。

尽管目前对渣土改良方向的研究众多，但对改良剂种类的选用以及配比并无普遍适用的方案，所得出的研究结论大都仅适用于特定地层，对盾构机在复合地层掘进的情况研究较少。本文依托兰州地铁2 号线盾构工程，针对砂卵石红砂岩复合地层上硬下软的特点，对膨润土泥浆、泡沫剂的浓度配比进行优化，提出同时适用于砂卵石及红砂岩地层的改良方案，并将改良方案应用到现场施工中，通过盾构机参数前后对比验证了方案的可行性。

1 工程概况

本文以兰州地铁2 号线1 期工程定西路站～五里铺站区间盾构工程为背景。盾构区间隧道施工采用土压平衡盾构，隧道开挖直径6.46m，区间左线全长661.143m，右线全长661.365m，区间埋深12.1m ～15.3m。区间地层自上而下依次为杂填土、素填土、黄土状土、砂卵石土、强风化红砂岩、中风化红砂岩。盾构机穿越地层主要为砂卵石、强风化砂岩，呈上硬下软状，易产生上下偏移。部分线程位于砂卵石、强风化红砂岩地层分界处，如图1、图2所示，土层参数见表1。

表1 土层参数Tab.1 Soil parameter

图1 定西路站～五里铺站部分区间地质纵剖面Fig.1 Geological longitudinal section of Dingxi Road station ～Wulipu station

图2 砂卵石红砂岩复合地层Fig.2 Sandy cobble red sandstone composite formation

2 渣土改良剂的选用及配比试验

渣土改良剂的选用及分析如表2 所示。

表2 各种改良剂特适用地层及特征Tab.2 Amendments suitable for stratum and characteristics

2.1 泡沫剂配比

试验采用兰州盾构施工现场的国外进口泡沫剂，参考实际工程经验。盾构施工中泡沫剂浓度通常为1.5% ～5%之间，发泡倍率在10 倍以上。试验以0.5%的递增梯度，共设计8 组泡沫剂浓度进行测试，得到发泡倍数、半衰期与泡沫剂浓度的关系，试验数据如图3 所示。其中，泡沫剂浓度为4%时，发泡倍率达到19 倍，半衰期超过400s，满足施工要求。考虑施工成本，选用4%浓度的泡沫剂进行土体改良试验。

图3 泡沫发泡倍数、 半衰期与泡沫剂浓度关系曲线Fig.3 Curve of relationship between foaming factor，half-life and foaming agent concentration

2.2 膨润土泥浆配比

施工中常用的膨润土主要为钙基和钠基两类。钠基膨润土的吸附能力明显比钙基等其他类型的膨润土矿物吸附能力强，而且钙基膨润土静置较久后泥质颗粒沉淀，与水容易发生分层，在工程中容易发生堵管现象，不建议使用。试验选用钠基膨润土，按照1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14 的配合比共配置6 组泥浆，充分搅拌后每间隔2h 进行漏斗黏度测试，漏斗黏度计水值15s。

由图4 可以看出，泥浆黏度随膨润土泥浆配合比的增大而增大。膨润土泥浆浓度大于1∶10时，泥浆黏度随时间变化波动较为明显，在8h之后，增幅变缓，且在18h ～24h 泥浆黏度达到最大值。膨润土浓度小于1∶8 时，泥浆黏度随时间变化波动较小，但泥浆黏度最大不超过25s，黏度值较低，不满足最低浓度要求。基于兰州地层的特殊性，选用浓度1∶8 以下的钠基膨润土泥浆时，泥浆黏度偏低，不适用于兰州现场盾构施工。结合兰州施工现场的实际使用需求以及使用成本，建议采用膨水质量比为1∶6 的配合比，随膨化时间的变化泥浆黏度均在35s以上，膨化时间超过8h为宜（施工现场若使用高速剪切泵对膨润土泥浆进行搅拌，膨化时间可根据实际使用情况而定）。

图4 不同浓度膨润土泥浆黏度随时间变化关系曲线Fig.4 Curves of viscosity of bentonite mud with different concentrations changing with time

静置24h 后取少量泥浆观察，泥浆流动性、膨化性优良，无颗粒状粉末，满足工程使用要求。

3 室内试验研究及数据分析

和易性是衡量渣土是否均匀密实、易于施工操作的性能指标，表征渣土的黏聚性、流动性以及渗透性。坍落度是测量渣土和易性的重要指标。根据上文数据分析所得结果，针对兰州地区砂卵石红砂岩复合地层，本试验选用浓度4%的泡沫剂和1∶6 配合比的膨润土泥浆进行砂卵石、红砂岩土的室内改良试验，以坍落度作为量化指标来衡量改良效果，观察改良后渣土的和易性。

3.1 地层取样

在基坑开挖期间，对砂卵石、红砂岩地层进行钻孔取样。A 组取样深度为15m ～20m，B 组取样深度为20m ～25m。将钻孔土样烘干后，人工将粒径大于60mm的砂卵石颗粒进行分拣，采用标准筛进行筛分试验，称量各筛上砂卵石的质量，计算各粒径所占百分比，绘制颗粒级配曲线，筛分试验结果如图5 所示。行发泡，确保发泡倍率达到15 倍以上，发泡完成后按一定体积掺入比与土样混合后进行坍落度试验，结果如图6b所示。

图5 土样颗粒级配曲线Fig.5 Grain gradation curves of soil samples

图6 渣土改良变化曲线Fig.6 Improvement curve of muck

从图5 中可看出砂卵石土层级配不良，颗粒粒径连续性较差，缺少中间粒径颗粒，且大粒径砂卵石含量较多，因此，对砂卵石红砂岩复合地层的渣土改良尤为必要。

3.2 砂卵石、红砂岩土改良试验

在定西路站～五里铺站区间联络通道内挖取原状土，按照坍落度试验要求制备试验用土样，分别进行单独掺入膨润土泥浆、单独掺入泡沫剂和膨润土泥浆-泡沫剂混合掺入的坍落度试验，记录坍落度数据。根据相关研究数据，坍落度在100mm ～200mm 范围内即可满足渣土和易性指标，150mm ～200mm范围内为最佳指标。

1.单一改良剂坍落度试验

按照1∶6 的最佳浓度配合比制备膨润土泥浆，充分搅拌并膨化8h 后使用。将膨润土泥浆与土样按照一定体积掺入比拌合后，按照坍落度试验规范，测量改良后渣土的坍落度，结果如图6a所示。

选用4%浓度的泡沫剂溶液，在实验室内进

从图6 中可看出，膨润土泥浆与泡沫剂对砂卵石、红砂岩土的改良效果显著。随着体积掺入比的升高，渣土流动性得到提高，砂卵石土较红砂岩土改良效果更为明显。这是因为砂卵石地层砂卵石含量多，导致土体黏聚性差，随着改良剂掺入比的升高，砂卵石土的流动性变化更加明显。

图6a中，对砂卵石土的渣土改良，膨润土泥浆掺入比在0 ～17%之间时，随着掺入比增加，土样坍落度迅速升高，流动性明显提高，掺入比达到17%后，变化幅度趋于缓和，当掺入比为20%时，坍落度达到22.5cm，此时渣土流动性极强，建议掺入量在15% ～20%之间；膨润土泥浆对红砂岩的改良效果相比于砂卵石土较弱，需要更高的泥浆掺入比才能有效提高渣土流动性，建议掺入量在20% ～25%。

图6b 中，泡沫剂对砂卵石土的渣土改良，土样流动性随掺入比的增加持续提高，体积掺入比在20% ～25%之间达到坍落度最佳标准值；对红砂岩的渣土改良，掺入比在30% ～40%时，改良后的渣土流动性符合要求。

从图6 中可知，采用不同改良剂的试验方案，都能满足渣土流动性的要求，实际施工中发现，单独掺入泡沫剂对砂卵石土的流动性改善效果更为显著，但改良后的渣土黏聚性较差，需要配合膨润土泥浆使用；而红砂岩的自身黏聚性较高，在单独使用膨润土泥浆改良后，不能解决刀盘结泥饼的问题，加入泡沫剂能够减轻这一问题。因此，需要进行膨润土泥浆、泡沫剂混合改良剂的试验研究。

2.混合改良剂坍落度试验

按照1∶6 配合比配置膨润土泥浆，配合浓度为4%的泡沫剂混合使用，分别对砂卵石土、红砂岩土进行改良试验。向提前制备的土样中分别按体积掺入比5%、10%、15%加入膨润土泥浆，混合后，注入泡沫剂，测量不同混合比的渣土坍落度数据，如图7 所示。

图7 混合改良剂改良变化曲线Fig.7 Improvement curve of mixed modifier

图6 与图7 对比中可以看出，坍落度曲线变化幅度明显变缓，说明提前掺入膨润土泥浆后的土样，坍落度随泡沫剂掺入比的增高缓慢增大。与单一改良剂的作用效果相比，单一改良剂作用下的坍落度曲线变化幅度较大，因此，使用混合改良剂更容易控制渣土的流动性。

图7a中，对砂卵石土的坍落度试验，当泥浆掺入比达到15%时，坍落度随泡沫剂掺入比的增加曲线变化幅度较低，说明泥浆掺入量过高，泡沫剂发挥的作用效果较弱，不建议使用；泥浆掺入比为5%时，随着泡沫剂掺入比的增高，在泡沫剂的作用下，可以快速提高土样的流动性，但改良后的渣土黏聚性仍然较差，流塑性不能满足要求，不建议使用；泥浆掺入比10%的条件下，当泡沫剂掺入比达到10%时，坍落度可以达到18.5cm，渣土的黏聚性、流动性都得到明显改善。

图7b中，对红砂岩土的坍落度试验，不同混合比的改良剂掺入下，可以得到多种满足流动性要求的改良方案。在泥浆掺入比5%的条件下，泡沫剂掺入比在20%左右可满足渣土流动性要求；泥浆掺入比10%的条件下，泡沫剂掺入比在15%左右即可满足渣土流动性要求；泥浆掺入比到达15%时，泡沫剂掺入比在10%即可满足渣土流动性要求。以上几种方案的渣土坍落度均能够达到15cm ～20cm，并且改良后渣土都具备良好的和易性。因此，可根据掘进地层的具体情况合理选择改良方案。

综上所述，采用1∶6 配合比膨润土泥浆、4%浓度泡沫剂，膨润土泥浆按照渣土体积的10%掺入，泡沫剂掺入比控制在15%左右的渣土改良方案，能够同时适用于砂卵石、红砂岩两种地层。

4 工程应用

按照上述试验的配比结果调整渣土改良方案，在施工隧道内选取部分区间作为试验环，分析渣土改良对盾构机掘进参数的影响，以验证试验配比的可行性。

兰州地铁2 号线左线盾构掘进至220 环左右时，此处设计线程大至位于砂卵石与红砂岩的地层分界线处，且上部为密实砂卵石土层，下部为红砂岩地层，整体呈上硬下软状，容易造成盾构姿态上下偏移，掘进过程中发生往复穿越砂卵石、红砂岩地层的现象，而砂卵石与红砂岩的地质条件差异巨大，不同种地层需要做出特定的渣土改良方案，导致实际施工中需要不断更换改良剂以适应地层的变化。在结合现场实际施工经验的基础上，对改良剂的选用和配比进行了重新优化，找到同时适用于两种地层的膨润土泥浆、泡沫剂混合改良剂配比，并应用到实际施工中。

如图8、图9 所示，统计盾构掘进220 环～350 环时的油缸推力、刀盘扭矩以及掘进速度，220 环～270 环处仍使用优化前的改良方案，270环后为试验环。220 环～270 环处，油缸推力和刀盘扭矩波动较大，原因是盾构机在砂卵石、红砂岩往复掘进的过程中，在砂卵石地层掘进时阻力更大，需要增加推力，在红砂岩地层掘进时，刀盘切削过程相对更为困难，需要调整刀盘扭矩。在270 环后，盾构机油缸推力、刀盘扭矩变化明显趋于平缓，掘进速度也有小幅度提升，油缸推力在14000kN ～18000kN，刀盘扭矩保持在3500kN·m ～4200kN·m，掘进速度稳定在50mm／min左右，盾构参数较为稳定，说明优化后的混合改良剂方案起到了作用，证实了改良方案的可行性。

图8 盾构掘进推力与刀盘扭矩变化曲线Fig.8 Variation curves of shield driving thrust and cutter torque

图9 盾构掘进推力与掘进速度变化曲线Fig.9 Change curve of shield driving force and driving speed

5 结论

本文以兰州地铁2 号线1 期工程定西路站～五里铺站区间盾构工程为背景，通过大量试验研究，并结合现场施工实践经验，得出以下结论：

1.选用钠基膨润土，膨润土泥浆采用1∶6配合比，膨化时间超过8h后使用，选用4%浓度的泡沫剂，发泡倍数达到15 ～20 倍。膨润土泥浆体积掺入比为10%、泡沫剂体积掺入比为15%左右，对砂卵石红砂岩复合地层、以砂卵石为主的地层及红砂岩为主的地层改良后塌落度在17cm ～19cm，改良后的渣土和易性能够满足施工要求，并且掘进过程中没有出现砂卵石离析、刀盘结泥、刀盘卡停等问题。

2.通过盾构机掘进的参数数据对比分析，使用混合改良剂效果明显优于单独使用膨润土以及单独使用泡沫剂，改良后的混合改良剂方案能有效降低盾构推力、刀盘扭矩，使盾构机掘进更加平稳效率。