泥岩砂卵石复合地层盾构渣土含水特征分析

张乾，王风，温斯逊

[摘要]为探究成都地区泥岩砂卵石复合地层盾构渣土的含水特征，依托成都30号线一期工程对土压平衡盾构渣土开展了一系列土工试验测定。实验表明：复合地层盾构渣土含水率位于25.7%～38.2%之间；渣土液限位于21.4%～28.7%之间，渣土塑限位于14.9%～15.1%之间；渣土渗透系数范围在4.58×10-5～5.34×10-5 cm/s之间；渣土pH值在8.8～8.9之间。

[关键词]复合地层； 盾构渣土； 含水率； 液塑限； 渗透系数； pH

[中国分类号]U455.43                          [文献标志码]A

0引言

近年来，随着我国城市化进程的推进，我国城市地铁建设迎来高速发展期，据统计，截至2021年12月31日，中国内地地铁里程共7 253.73 km，同比增長15.47%。在地铁建设施工时，盾构施工因具有对周边环境扰动小、掘进速度快、自动化程度高等优点而被广泛采用［1］。当采用土压平衡盾构施工掘进时，为确保盾构机顺利推进，通常对开挖面一定范围内的土体注入泡沫剂等改良剂进行土体改良以减小刀盘磨损、提高掘进效率，同时改良后呈塑形流动状态的盾构渣土进入土仓内起到平衡掌子面水土压力的作用［2］。但呈流塑状态的盾构渣土含水率较高，使得盾构渣土的处理成为一个难题，一方面盾构现场因场地限制，渣土需要及时外运，外运过程中易造成“抛、撒、滴、漏”等污染环境的问题，另一方面，含水渣土采用填埋处理占用大量土地，当不做处置直接填埋时易造成滑坡等灾害［3］。探求盾构施工现场适用的脱降水技术、外运盾构渣土的合理化资源利用技术是解决上述问题的有效途径，因此开展盾构渣土的含水特征研究，掌握渣土的水理特性，为盾构现场渣土降水技术的选择及渣土资源合理利用技术的研发具有重大意义。

成都地区地质条件主要为砂岩、泥岩和砂卵石地层［4］，盾构穿越泥岩砂卵石复合地层的情况常见。砂卵石地层渗透性大，富水性强［5］，泥岩地层渗透性差，富水性弱［6］，盾构在泥岩砂卵石复合地层掘进时，经泡沫剂改良、刀盘切削形成的盾构渣土水理特性尚不可知。本文依托成都轨道交通30号线一期工程对泥岩砂卵石复合地层土压平衡盾构渣土含水特征开展研究，通过对现场渣土的含水率、液塑限、渗透系数等基本含水特征的试验，揭示复合地层盾构渣土的水理特性。

1工程概况

成都轨道交通30号线高碑坝出线段，盾构出高碑坝盾构始发井后，依次下穿成雅高速路基、川大路隧道、海鲜购物广场等既有建（构）筑物，最终在大件路进入大同站接收，区间长度共1 501 m，隧道埋深为6.3～17.4 m。

2地层分布

区间主要地层为杂填土、卵石土、中风化泥岩及强风化泥岩，盾构掘进过程中主要穿越中风化泥岩地层，局部穿越泥岩砂卵石复合地层，区间复合地层占比约为1/3，高碑坝出线段地质纵断面如图1所示，泥岩和砂卵石的渗透性、富水性差异较大，目前对复合地层盾构渣土含水特征的研究尚少。

3含水特征试验

3.1渣土取样

为保证试验所取渣土具有代表性，在高碑坝出线段盾构穿越泥岩砂卵石复合地层区域，共采集2次盾构现场渣土试样，如图2所示，其中试样1取样段砂卵石比例较大，从表观看含水率较试样2低，且颜色呈褐色。

3.2渣土含水率试验

试验时采用烘干法，按式（1）计算渣土含水率［7］，2次取样含水率测定结果见表1。

ω=m1-m2m2-m0×100%（1）

式中：ω为含水率，（%）; m0为烧杯的质量，（g）;m1为烧杯加湿土的质量，（g）;m2为烧杯加干土的质量，（g）。

由表1可知，高碑坝出线段盾构渣土的含水率在25.7%～38.2%之间。

3.3渣土液塑限试验

试验采用液塑限联合测定仪对现场渣土液塑限进行测定，圆锥仪规格为76 g，按照JTG E40—2007《公路土工试验规程》中“T0118-2007液限和塑限联合测定法” ［4］， 在双对数坐称标纸绘制圆锥锥入深度与含水率关系，结果如图3和图4所示。当圆锥下沉17 mm时，对应的含水率为液限，圆锥下沉2 mm时，对应的含水率为塑限，塑性指数和液性指数应按式（2）、式（3）计算，渣土液塑限测定结果见表2。

IP=ωL-ωP（2）

IL=ω0-ωPIP（3）

式中：ωL为液限，（%）;ωP为塑限，（%）;Ip为液性指数，（%）;IL为塑性指数。

由表2可知，高碑坝出线段盾构渣土的液限在21.4%～28.7%之间，塑限在14.9%～15.1%之间。

3.4渣土渗透系数试验

试验采用渗透容器，变水头测试方法对渣土渗透系数进行测定，按式（4）、式（5）计算渗透系数［4］，现场试验如图5所示，渗透系数测定结果见表3。

kT=2.3a×LA×tlgH1H2（4）

式中：kT为水温为T ℃时试样的渗透系数，（cm/s）;a为变水头管的内径面积，（cm2）;L为渗径，即试样高度，（cm）;A为试样的过水面积，（cm2）;t为测读水头的起始和终止时间之差，（s）;H1为起始水头，（cm）;H2为终止水头，（cm）。

折算到标准温度下的渗透系数（η为水的动力粘滞系数）：

k20=ηTη20kT（5）

式中：k20为标准水温（20 ℃）时试样的渗透系数/（cm/s）;

ηt为t ℃时水的动力粘滞系数，（kPa·s）;η20为20 ℃时水的动力粘滞系数，（kPa·s）。

由表3可知，高碑坝出线段现场渣土的渗透系数在4.58×10-5～5.34×10-5 cm/s之间，根据《工程地质手册》 ［8］，该土样属于粉质黏土类别，现场渣土的渗透系数大于1.0×10-5cm/s，为透水介质。

3.5渣土pH值试验

土的pH值指土中的氢离子浓度指数，是水溶液中氢离子浓度（活度）的常用对数的负值。试验采用pH计对渣土的pH进行测定，如圖6所示，渣土pH测定结果见表4。

由表4可知，高碑坝出线段现场渣土的pH值在8.8～8.9之间，偏碱性。外运盾构渣土固液分离时，加入絮凝剂脱水是常用措施［9］，因现场渣土呈碱性，故其适合的絮凝剂为阴离子絮凝剂［10］。

4结论

本文依托成都30号线一期工程，对泥岩砂卵石复合地层土压平衡盾构渣土开展一系列土工试验测定，得出主要结论：

（1）高碑坝出线段泥岩砂卵石复合地层土压平衡盾构渣土的含水率在25.7%～38.2%之间；渣土的液限在21.4%～28.7%之间，塑限在14.9%～15.1%之间；渣土的渗透系数在4.58×10-5～5.34×10-5 cm/s之间；渣土的pH值在8.8～8.9之间。

（2）高碑坝出线段泥岩砂卵石复合地层盾构渣土为透水介质，成都地区泥岩砂卵石复合地层盾构渣土原位降水具有可行性；根据渣土的pH测定结果，当采用絮凝剂对现场渣土进行固液分离时，应选用阴离子絮凝剂。

（3）本文试验测定结果可为成都地区泥岩砂卵石复合地层土压平衡盾构渣土降水技术和渣土资源合理利用技术的选择及研发提供参考。

参考文献

［1］张晋勋，江华，孙正阳，等.大粒径卵漂石地层盾构破岩机理及工程应用［J］.土木工程学报，2017，50（2）：88-96.

［2］秦哲，王成勇，冯尚智，等.地下盾构过程中泡沫剂对刀具耐磨性的影响［J］.工具技术，2006（8）：24-26.

［3］刘恒，薛德韩，吴凌壹，等.深圳市盾构渣土现场处理现状及改进建议［J］.深圳大学学报（理工版），2022，39（2）：152-158.

［4］宋颖鹏. 边滚刀破岩特性的数值模拟与优化布置研究［D］.成都： 西南交通大学，2018.

［5］马连丛.富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究［J］.隧道建设，2010，30（4）：411-415.

［6］徐会珂. 城市生活垃圾填埋场选址适宜性区划分析［D］.青岛：青岛大学，2007.

［7］公路土工试验规程： JTG E0-2007［S］.

［8］常士骠，张苏民. 工程地质手册［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 2007.

［9］钟仁，紫迪，余承晔，等.盾构渣土处置和资源化应用及建议［J］.广东化工，2021，48（19）：104-105.

［10］栾道. 印染废水絮凝淤泥制备杂原子掺杂碳材料及其电化学性能研究［D］.石河子： 石河子大学，2020.