泥质粉砂岩地层地铁盾构掘进渣土改良技术研究
冯利坡1,廖少明2,周德军1
(1.金华市轨道交通集团;2.同济大学土木工程学院)
摘要：土压平衡盾构在泥质粉砂岩地层中掘进时，因基岩裂隙水发育程度差异性大，易出现螺旋输送机喷涌、渣土流塑性状态差等问题，为确保顺利施工，须进行渣土改良。依托金华—义乌—东阳市域轨道交通金华站—双溪西路站盾构区间工程，室内模拟正常涌水和大量涌水2种工况的渣土状态，添加不同改良剂并开展坍落度试验，研究改良渣土的流塑性。结果表明，为达到渣土坍落度10～20cm的理想改良要求，正常涌水段加水量占土体积比为40%～46.3%，此时渣土含水率为27.8%～30.6%，与坍落度线性相关；大量涌水段，膨润土或生石灰加入量占土体积比分别为5.5%～6.8%和5%～6.9%。现场验证试验表明，大量涌水段加入相应比例的膨润土或生石灰后，渣土稠度状态得到有效改善，螺旋输送机喷涌问题得以有效控制。
关键词：土压平衡盾构；渣土改良；泥质粉砂岩地层；坍落度试验
0 引言
随着城市建设的发展，我国地铁建设已经进入一个高峰期。土压平衡盾构法施工因其施工周期短、自动化程度高、成本相对较低等优点，已成为城市隧道施工的主要工法[1]。盾构顺利掘进的关键是盾构渣土具有良好的流动性、合适的塑性、较低的抗剪强度及黏附性、较小的渗透系数和一定的压塑性[2]，以使土舱内渣土能够建立起平衡掌子面水土压力的有效土压，并防止出现螺旋输送机喷涌、刀盘结泥饼、刀具磨损等问题。但因工程地质和水文地质条件的复杂性，实际渣土往往无法同时具备上述理想性质，必须进行渣土改良。国内外学者对渣土改良技术进行了大量研究。王明胜等[3]通过室内配比试验及发泡效果检测，针对成都地区粉质黏土地层特点，研制了分散型泡沫剂DCA，并在成都地铁中验证了其对防刀盘结泥饼的良好效果；钟小春等[4]针对不同级配的粉质黏土和砾砂混合土研究了混合渣土的流动状态和渗透性，给出了粗粒土层掘进时满足盾构掘进要求的膨润土泥浆添加量；加武荣[5]以佛莞城际铁路隧道工程为依托，采用室内试验结合现场检测试验研究方法，验证了泡沫改良可以优化掘进参数，有效降低盾构掘进时刀盘转矩和顶推力；彭磊等[6]通过室内试验研究气液比、含水率和泡沫掺量等对砾砂土地层流塑性的影响，并得到渣土改良前后土样渗透系数的变化规律；胡长明等[7]针对富水砂卵石地层，通过掺入不同浓度和比例的泡沫溶液改良渣土，并根据盾构推力、刀盘转矩、掘进速度等参数间接评价改良效果；邴帅[8]基于青岛地铁1号线工程，通过在渣土中添加0.5%的聚丙烯酰胺溶液，有效解决了富水地层中螺旋输送机喷涌问题，并在渣土中同时添加比例1:6～1:8的黏土剥除剂与分散剂,对去除刀盘泥饼有明显的效果。综上所述，盾构掘进的参数和效率很大程度上受渣土状态的影响。由于金华-义乌-东阳市域轨道交通工程首次应用盾构法施工，且在金华地区特有的泥质粉砂岩地层的盾构渣土改良经验和研究成果较为欠缺，本文依托金华站—双溪西路站区间(简称金双区间)盾构施工工程，采用室内塌落度试验来研究贫水段和富水段泥质粉砂岩地层渣土改良方案，并进行现场施工验证，以期所得研究成果能为本工程及本地区类似工程提供借鉴和参考。1 工程概况
金华—义乌—东阳市域轨道交通工程金双区间右线起讫里程为K0+.～K2+.，全长约.m。隧道洞径为6.98m，覆土厚度为9.2～23.7m,区间设置“V”型纵坡，最大纵坡为28‰。隧道全断面穿越地层为紫红色中风化泥质粉砂岩,重度为25.1kN/m3，土粒比重2.61。矿物成分以石英为主,占65%～70%，黏土矿物仅占5%～10%，岩体较破碎—较完整。金双区间地质纵断面如图1所示。图1 金双区间地质纵断面图
中风化泥质粉砂岩平均渗透系数为1.1m/d，基岩裂隙水分布不均，富水性和透水性主要受岩体裂隙发育程度及贯通性等控制，不同地段差别较大。在少水地段，抽水试验结果显示隧道正常涌水量为22.55m3/d，需向土舱内大量补水才能顺利掘进，但在穿越金华江和龙渎河地段时，涌水量大增，实测最大值达.52m3/d，导致螺旋输送机喷涌，土压平衡盾构无法正常掘进。不同地段盾构掘进参数如表1所示。表1 盾构掘进参数盾构刀盘钢结构采用QB高强度钢板焊接而成，开口率为41%，开挖直径为6.98m。掘进过程中，出现刀盘结泥饼、刀具异常磨损、螺旋输送机喷涌等难题，严重影响掘进速度，延误工期。2 泥质粉砂岩地层渣土改良试验研究对于金华高富水泥质粉砂岩地层盾构掘进中遇到的复杂施工问题，其解决关键是快速有效地确定不同地段、不同工况条件下的渣土改良方案，从而保证盾构掘进的安全顺利进行。坍落度试验原本为测试新拌混凝土和易性的重要方法，由于其试验方法简单快捷，应用基础完备，目前国内外众多学者将其引用到盾构渣土改良的流塑性评价中。本文将基于坍落度试验进行渣土改良试验的设计和实施，提升试验的时效性和有效性，旨在实时地为现场盾构掘进渣土改良提供参考。2.1 渣土改良材料选择目前国内常用的渣土改良剂主要包括水、泡沫剂、矿物类材料、高吸水性树脂类材料以及水溶性高分子材料等，在实际应用中需根据不同的地层及水文条件等合理确定改良剂类型。金双区间盾构穿越地层全线为中风化泥质粉砂岩，岩体黏土矿物含量低，且岩体裂隙水发育程度受沿线地下水补给条件影响分布极不均匀，富水性差异大，盾构掘进的渣土状态不尽相同。针对金华地质特点，基于现场施工经济性和实用性原则，选用泡沫剂、膨润土和生石灰开展渣土改良对比试验研究。2.1.1 泡沫剂采用现场盾构施工使用的相同泡沫剂品种和参数开展试验，泡沫溶液体积分数为3.0%、发泡倍率为15倍、半衰期为s，注入量为2.7L/min。泡沫剂改良试验主要用来研究泡沫剂对金华泥质粉砂岩地层不同富水状态下渣土流动性、减磨性的改良效果以及刀盘结泥饼的控制效果。2.1.2 膨润土采用现场盾构施工使用的钙基膨润土开展试验，对比分析不同膨润土掺入量情况下，富水泥质粉砂岩地层渣土的流塑性和渗透性的改良效果。膨润土的吸水机制主要为水分子在静电力作用下被吸附于蒙脱石晶体层间阳离子或层表面，从而有效吸收渣土中的地下水，同时由于蒙脱石的吸水膨胀特性，改良后的渣土流动性及和易性也明显改善。2.1.3 生石灰采用现场盾构施工使用的相同生石灰开展试验，对比分析不同生石灰掺入量情况下，富水泥质粉砂岩地层渣土的流塑性和渗透性的改良效果。生石灰主要成分为CaO,其吸水机制主要为化学吸水,即CaO+H2O=Ca(OH)2。从化学反应性物质的量的关系可以计算吸水量与生石灰的质量比约为1∶3，生石灰具有较强的吸水性。2.2 室内渣土改良试验根据不同地段涌水量的不同，将全线区分正常涌水和大量涌水2种工况。分别采用泡沫剂、膨润土和生石灰3种改良剂，模拟盾构开挖时2种工况下不同改良剂的改良效果。1)正常涌水：涌水量为22.55m3/d，盾构平均掘进速率为30～45mm/min；2)大量涌水：涌水量为.52m3/d，盾构平均掘进速率为20～30mm/min。现场采集中风化泥质粉砂岩岩样，粉碎后用于室内试验。根据涌水量(Q)、盾构推进速度(v)和盾构开挖直径(D=6.98m)，可进行试样水土体积比计算：式中：Vw为土舱中涌入的裂隙水体积；Vs为刀盘切削进土舱的渣土体积。由式(1)可计算出正常涌水量工况和大量涌水量工况下试样水土体积比分别为1∶96和1∶2,按此比例制备试样，如图2所示。
图2 实验室配制的模拟渣土土样2.2.1 工况1：正常涌水正常涌水段土样水土体积比为1∶96，试样处于固态，如图2(a)所示。对于该种状态的渣土，改良的重点是改变渣土的稠度状态。当采用泡沫剂进行改良时，按现场实际泡沫注入量(40L/环)的13.5倍、26倍、38.5倍按比例向模拟土样注入泡沫并搅拌均匀后的土样如图3所示，土样稠度状态基本未发生改变。可见对于此种状态下的渣土，采用泡沫剂无法有效地改良渣土的稠度状态，而膨润土和生石灰本身为固态，更加无法对此状态土样起到改良效果。图3 泡沫剂渣土改良效果对比对正常涌水段土样采用水进行改良时，分别加入试样体积30%、35%、40%、45%、50%的水，并进行土体坍落度试验，坍落度分别为0、5、10、18、26cm，如图4所示。正常涌水段渣土坍落度随加水量变化关系如图5所示。图4 渣土加水改良效果图5 正常涌水段渣土坍落度随加水量变化关系由图4和图5可以看出，当加水量占土体积比为35%时，渣土开始具有一定的坍落度；加水量占比为40%～45%时，渣土的和易性和流动性明显改善，但从试验中渣土的搅拌状态来看，由于岩体矿物成分中黏粒含量低，搅拌的摩擦阻力较大，土样止水性较差。将加水量换算成渣土含水率，可得渣土坍落度与含水率的关系如图6所示。可以看出，渣土坍落度与含水率呈明显正相关关系，坍落度随含水率的增大而增大。因此，对于正常涌水量地段，可通过增加水的用量改善渣土的流塑状态。
图6 正常涌水段渣土坍落度随加水量变化关系2.2.2 工况2：大量涌水大量涌水段试样水土体积比为1：2，土样状态如图2(b)所示，土样呈流塑状态，流动性较大，试验测得坍落度超25cm，土样基本不具备自稳强度。对于该种流动状态的渣土，改良的重点是增加渣土的稠度，减小流动性。分别加入膨润土和生石灰进行改良并采用塌落度试验评估改良效果。2.2.2.1 膨润土改良试验向大量涌水段渣土试样中分别加入原土样体积4.5%、5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%的膨润土进行坍落度试验，添加不同量膨润土后的土样状态如图7所示。可见，加入膨润土后，渣土的和易性和自稳强度得到明显改善，不同膨润土添加量下测定的渣土坍落度如表2所示。表2 不同膨润土添加量下渣土塌落度实测值2.2.2.2 生石灰改良试验向大量涌水段渣土试样中分别加入原土样体积2.5%、5%、5.5%、6%、6.5%、7%的生石灰进行坍落度试验，加入不同量生石灰后的土样状态如图8所示。可见，添加生石灰后，渣土的自稳强度得到明显改善，不同生石灰加入量下测定的渣土坍落度如表3所示。图8 不同生石灰添加量下渣土状态表3 不同生石灰添加量下渣土塌落度实测值渣土土样坍落度随膨润土和生石灰加入量变化关系如图9所示。图9 大量涌水段渣土坍落度随膨润土和生石灰加入量变化关系由图9可以看出，当试样中膨润土占比达5.5%时，渣土坍落度为18cm，开始具有自稳强度，稠度状态呈现可塑态；随着膨润土加入量的增加，坍落度逐渐减小。从渣土的流动状态角度分析，由于膨润土的加入，渣土的颗粒级配得到明显改善，试验中渣土搅拌难度小，土样止水性较好。与添加膨润土后的变化规律相似，添加生石灰时，试样的稠度状态也能较快由流动状态向可塑状态转变，且由于生石灰的强吸水性，当生石灰占土比为5%时，渣土即能具备自稳强度。在相同掺入量下，渣土的坍落度基本比掺入膨润土时要低，说明生石灰改善渣土稠度状态的效率优于膨润土。但由于添加生石灰不能改变渣土中的黏粒含量，试验中渣土搅拌难度相对膨润土大,土样止水性相对较差。2.3 泥质粉砂岩地层渣土改良分析由试验结果可以看出,对于金华地区泥质粉砂岩地层,取渣土理想坍落度值为10～20cm[9-10]；当盾构位于正常涌水段掘进时，向渣土中添加40%～46.3%比例的水，能满足渣土坍落度要求，此时渣土含水率为27.8%～30.6%，因渣土含水率指标在现场更易测得，可据此调整渣土的加水量进行渣土改良。当盾构位于大量涌水段掘进时，渣土成流动状态，此时添加5.5%～6.8%的膨润土或5%～6.9%的生石灰，能满足渣土和易性及流动性的要求。同时，由试验可以看出，膨润土能有效改良渣土的稠度状态，提高渣土的止水性。但由于其吸水速度相对较慢，对土的状态改善速度也较慢，在盾构实际施工过程中，当裂隙水涌水量较大且水流速度较快时，渣土颗粒可能来不及搅拌沉积即被水流带走，从而使渣土改良效果大打折扣，而携带有渣土颗粒的水直接涌向螺旋输送机时，还会产生螺旋输送机喷涌等问题。相对于膨润土，生石灰具有较快的吸水速度，能较快改善渣土的稠度状态，但其对渣土颗粒级配的改良效果较差，渣土止水性较差，实际施工时当裂隙水涌水量较大且水流速度较快时，止水性差的渣土同样易被高速水流携带涌向螺旋输送机而产生喷涌等问题。因此，对于大量涌水段较常规流速的情况，建议同时采用膨润土和生石灰进行改良，充分发挥2种材料在高涌水段地层渣土改良的优点，提高改良效果,但是对于大量涌水段高流速的情况，须采取其他吸水性更快更强的改良剂或其他途径来保证盾构掘进的顺利进行。3 渣土改良现场验证分析金双区间采用中交天和盾构，最大工作转矩为kN·m，考虑到刀盘刀具的耐磨性,转矩控制值设置为kN·m。前44环围岩岩体较完整，涌水量贫乏，需要加水才能顺利掘进。由于施工前15环时尚处于摸索和地层适应阶段，加水量不足，渣土较干，实测含水率为15%～22%，流动性较差，不能顺利出土，掘进速度为12～33mm/min，平均为22mm/min。针对此种情况，根据室内试验的研究结果，在施工第16环以后，向土舱内加大了送水量，实测渣土含水率为27%～32%,此时渣土和易性明显得到改善，盾构掘进速度加快，16—44环掘进速度平均为40mm/min，最大达60mm/min，渣土出土效率增加，大大提升了工作效率。盾构前44环掘进速度如图10所示。图10 前44环盾构掘进速度变化金双区间—环围岩节理裂隙发育，完整性较差，涌水量较大，渣土中含较多未破碎的岩块。其中，—环每环注入大量聚合物进行渣土改良，但改良效果不佳，渣土呈流动状态，出土不畅，掘进速度缓慢，平均仅27mm/min；掘进至环时，涌水量突然大增，螺旋输送机喷涌，隧道最低点被淹，如图11所示，电瓶车无法进入隧道运送材料而停止掘进。图11 隧道被淹和螺旋输送机喷涌针对此种情况，在采取措施抽排隧道内积水后，根据室内试验的研究结果，在原每环注入聚合物的基础上，另外添加4～6m3膨润土和生石灰(两者掺入比例为1：1)进行改良。此后渣土状态较此前有明显的改善，渣土稠度明显增加，螺旋输送机喷涌得到有效控制，螺旋输送机转速明显增加，如图12所示，表明渣土改良提升了螺旋输送机出土效率；同时，盾构掘进速度也明显加快，—环平均掘进速度增加至43mm/min，较此前提高了16mm/min，—环掘进速度如图13所示。可见，对于金华地区高富水中风化泥质粉砂岩地层，采用膨润土和生石灰进行改良，对提高盾构掘进施工效率、防螺旋输送机喷涌起到了显著效果。另一方面，由于现场验证试验主要针对土舱内渣土进行改良，其目标在于解决螺旋输送机喷涌问题，因此，对于刀盘转矩等受开挖面地层环境直接影响且参数联动性复杂的施工参数，从图14所示的变化规律看与渣土改良呈弱相关性。图12 —环螺旋输送机转速变化图13 —环掘进速度变化图14 —环刀盘转矩变化4 结论与建议对于金华地区典型的高富水泥质粉砂岩地层盾构掘进渣土改良问题，通过快速、便捷、有效的室内坍落度试验，模拟实际施工中不同渣土状态和测定不同改良剂的改良效果，并应用于现场盾构施工进行效果验证，主要得出以下结论与建议：1)对于金华地区中风化泥质粉砂岩地层，盾构在正常涌水段掘进时，渣土呈固态，含水率较低，改良剂主要以泡沫和水为主，通过加泡沫并加水改变渣土的流动特性。加水量占土体积比为40%～46.3%时,渣土坍落度为10～20cm，满足流塑性要求。2)对于金华地区中风化泥质粉砂岩地层，盾构在大量涌水段掘进时，渣土呈流动状态，无自稳强度，泡沫改良完全失效，膨润土和生石灰对渣土改良有较好效果。当膨润土或生石灰加入量占土体积比分别为5.5%～6.8%和5%～6.9%时，渣土坍落度能达到10～20cm的理想要求。3)现场验证试验表明，对于金华地区中风化泥质粉砂岩地层，当盾构在正常涌水段掘进时，根据室内试验结果，加入相应比例的水，极大地改善了渣土的流动性状，渣土出土流畅，盾构掘进效率明显提高；当盾构在大量涌水段掘进时，根据室内试验结果，加入相应比例的膨润土和生石灰，明显提高了渣土的稠度状态，螺旋输送机排土顺畅，并未发生喷涌现象，可见，对大量涌水段采用膨润土和生石灰进行改良，对提高盾构掘进施工效率、防螺旋输送机喷涌具有显著效果。本文摘编自《隧道建设（中英文）》第41卷增刊2，年12月，参考文献略。第一作者简介：冯利坡(—)，男，河北邯郸人，年毕业于同济大学，隧道及地下建筑工程专业，博士，高级工程师，现从事地铁工程设计与施工相关技术管理工作。E-mail：flpa.