強風化混合花崗巖地層中盾構泥餅堵塞情況下渣土改良劑效果分析

周凱歌，方 勇, *，廖 杭，王 凱，宋天田

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著我國隧道行業的蓬勃發展，盾構工法以其安全、高效、高度機械化等特點得到越來越廣泛的應用。然而，隨著盾構工法應用領域的不斷拓寬和延伸，衍生出硬巖地層刀具磨損嚴重、黏性地層盾構結泥餅嚴重、軟硬復合地層刀具偏磨、砂性地層液化及噴涌等一系列問題。為保證盾構開挖的順利進行，實際施工中需要采用向地層中加入改良劑的方法，使渣土保持塑性流動狀態，即具有良好的流塑性、低滲透性、較好的壓縮性和較小的內摩擦角[1]。

關于渣土改良技術，國內外學者已經進行了很多研究。Martinotto等[2]研究了泡沫、聚合物等改良劑對渣土改良的作用機制，明確了渣土改良對黏土地層盾構掘進效率的重要性;并依托實際工程采用了2種改良方法，通過對室內試驗結果和現場數據進行綜合分析，多角度評價了2種改良方法的改良效果。Budach等[3]認為改良砂土的坍落度合理范圍為10～20 cm，并結合坍落度、壓縮、滲流和直剪等試驗，得出了僅用泡沫就能得到合適的砂土級配的結論。Peila等[4]根據坍落度試驗結果將改良砂土分為不合適、邊界體和合適3種，并經研究發現渣土中的粗粒含量直接影響改良劑的參數選取。Zumsteg等[5]進行了室內攪拌試驗和金屬圓盤剪切試驗，研究了不同礦物成分黏土的盾構堵塞風險，并通過試驗分析了渣土改良劑的減黏效果。研究發現，改良劑能有效降低渣土與金屬的界面黏附力，當土壤含水率接近渣土塑限時，改良劑的作用會被其他作用抵消，減黏效果不佳。葉新宇等[6]依托南昌某地鐵項目，進行了坍落度試驗，并結合實際施工參數，對現場的渣土改良技術進行了評估，得出了坍落度與含水率等參數之間的函數關系，實現了渣土改良精細化控制。

綜上可知，目前評價渣土改良效果的方法以坍落度試驗為主，但對于渣土的合理坍落度值并沒有定論[7]，并且不同地層的合理坍落度值也不相同，難以形成一套適用性廣的評估方法。而實質上結泥餅是盾構切削渣土在刀盤和土艙內重新聚集形成固結或半固結的塊狀體的過程，由于土壤-金屬界面的黏附作用(包括法向、切向黏附力)，刀具周圍渣土顆粒逐漸吸附形成團聚體，受到面板擠壓研磨作用固結成泥餅并黏附在刀盤上[8-9]，因此可將界面黏附力的大小作為評價指標來評估渣土改良效果。

本文采用自主研發設計的試驗設備，以取自深圳地鐵留仙洞站—白芒站盾構區間內盾構堵塞風險為Ⅵ級、稠度指數為0.9的強風化混合花崗巖為試驗土樣，探究不同渣土改良方式(含水率優化、注入分散劑、注入泡沫劑)對強風化混合花崗巖地層改良效果的影響；然后對3種改良方法進行綜合評估，得出一套適用于強風化混合花崗巖地層的渣土改良方案，以期為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

深圳地鐵13號線留仙洞站—白芒站盾構區間項目隧道全長4 606.182 m,地下線擬采用2條平行的單洞單線結構形式，線間距最小約為12 m，最大約為26 m，隧道洞徑約為6.7 m。盾構區間地質縱斷面如圖1所示。渣土改良研究段主要穿越強風化混合花崗巖(土狀)，其礦物成分質量分數如表1所示。地層呈褐灰、灰白色，原巖結構大部分被破壞，除石英、長石外其余礦物大部分風化為黏性土，殘余較多巖碎屑，手捏易碎，巖芯呈土柱狀、砂土狀、碎屑狀，遇水易軟化崩解。

圖1 盾構區間地質縱斷面

表1 強風化混合花崗巖礦物成分質量分數

由于上述地層具有稠度高、流塑性差、法向及切向黏附力大、遇水易軟化崩解等特點，在盾構掘進時，刀盤上的刀具會逐漸被固結渣土糊住，導致切削地層時刀具貫入度降低，引起刀盤開口堵塞。刀盤上大體積的泥餅還會使得掘進參數波動異常，對施工和設備安全造成極大威脅[10]。現場“泥餅”礦物成分質量分數如表2所示。若刀盤堵塞沒有得到及時處理，刀盤切削動能會因摩擦生熱而大部分轉化為熱能，在刀盤和開挖面上產生高溫，刀盤上的泥餅受熱會發生脫水固結等物理化學作用，進一步硬化，很難被去除。土艙中心泥餅還使土艙調節容積變小，導致土艙壓力波動，嚴重時引起盾構堵塞，因此應合理配置添加劑進行渣土改良。

表2 現場“泥餅”礦物成分質量分數

2 試驗介紹

2.1 試驗設備

2.1.1 法向黏附力拉拔試驗設備

為了研究土壤與金屬表面的黏附力大小以及黏附力的影響因素，自主研發了法向黏附力拉拔試驗裝置，如圖2所示。裝置主要包括電機、平臺、支架、固定部件、壓力傳感器、傳感器放大器、壓錘、土盒、底座等部件。試驗的主要原理是通過壓力傳感器測量金屬從土壤表面拉起時產生的黏附力，同時對黏附的狀態進行觀察。

圖2 法向黏附力拉拔試驗裝置

旋轉電機下方與旋轉螺栓連接，通過旋轉驅動固定部件以一定速度向下運動。壓力傳感器連接在壓錘上方，并外接到放大器，可以連接到電腦記錄壓力變化。土盒由下方螺栓固定在平臺上，土盒內裝有試驗土樣。土盒的內徑為6 cm，高度為2 cm，壓錘的直徑為3 cm，鋼壓錘與土壤接觸面的表面粗糙度為10 μm。壓力傳感器最大量程為5 kg，精度為3‰，配套的數據處理軟件數據記錄頻率為30 Hz。上方電機轉速最大為50 r/min，在標定后可以確定壓錘沿垂直方向運動的速度。

2.1.2 切向黏附力試驗設備

傳統的直剪試驗裝置用于測定土與土之間的抗剪強度。為了研究土壤與金屬表面的切向黏附力大小以及黏附力的影響因素，對傳統直剪裝置進行了改進，即將剪切面下部試驗土樣替換為試驗金屬塊，切向黏附力試驗裝置如圖3所示[8]。

(a)改進前

2.2 渣土改良方案

針對深圳強風化混合花崗巖地層，為了提出最優的渣土改良方案，本試驗對比了3種比較常用的改良方法，即含水率優化、注入分散劑和注入泡沫劑。

2.2.1 含水率優化

通過調節含水率來改變渣土流動性是一種比較常見的方法。以往施工經驗表明，最適宜盾構掘進的渣土稠度系數為0.40～0.75。渣土稠度系數大于0.75時，渣土較硬，難以傳遞支護力；小于0.40時，出土機難以保壓。區間原狀土的含水率為23.33%，通過加水獲得含水率為26.64%、29.96%、33.28%的試驗土樣，并分別進行黏附力試驗。

2.2.2 注入分散劑

分散劑的作用是分散地層顆粒，在地層中注入分散劑后，可以降低渣土和水之間的界面張力，使高黏性土的黏附性降低，釋放土體內部結合水，增加流動性。本組試驗采用的分散劑為六偏磷酸鈉，為白色顆粒，與純水混合，配制成質量分數為10%的分散劑溶液，注入到原狀土中，獲得分散劑注入率為1%、2%、3%、4%、5%的土樣，并進行黏附力試驗。

2.2.3 注入泡沫劑

泡沫劑是最常使用的渣土改良劑之一，其優勢是體積小，發泡后能對土體顆粒起到良好的潤滑分離作用。泡沫劑中絕大部分是空氣，少部分是水，只有極少數有效成分是發泡劑。在發泡后一段時間內，泡沫劑中的氣體會揮發逃逸，此時土體流塑性迅速降低，因此應根據地層特點嚴格控制泡沫劑的發泡率。一般來說，泡沫劑適用于滲透系數小于10-5m/s的細顆粒土層中。當泡沫劑與土體作用時，其在土體單元表面形成薄膜，從而阻止了土體之間的黏結，避免刀盤結泥餅、螺旋機出土不暢情況的發生。本組試驗中使用的泡沫劑是質量分數為3%的泡沫液在發泡壓力0.3 MPa、氣液比為13的條件下制備的，將其注入到原狀土中，獲得泡沫劑注入率為20%、40%、60%、80%、100%的土樣，并進行黏附力試驗。

3 試驗結果分析

3.1 含水率試驗

不同含水率下強風化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力如圖4所示。由圖可知：隨著含水率的增加，強風化混合花崗巖試樣的法向黏附力先增后減，最大值為5.38 kPa，對應含水率為26.64%；切向黏附力則迅速減小，在含水率大于29.96%后基本穩定在1.4 kPa。

圖4 不同含水率下強風化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力

3.2 分散劑試驗

不同分散劑注入率下強風化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力如圖5所示。由圖可知，分散劑對法向黏附力和切向黏附力的作用效果是相反的。法向黏附力隨著分散劑注入率的增大而增大，且在注入率大于3%后基本穩定；而切向黏附力隨著分散劑注入率的增大迅速減小，在注入率大于3%后變化較小。

圖5 不同分散劑注入率下強風化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力

出現上述現象的原因是分散劑會降低渣土與金屬間的界面張力，釋放土體內部結合水。根據Fountaine[9]提出的水膜理論可知，土壤與金屬界面的黏附力是由土壤與金屬間的水膜提供的，水膜面積越大，黏附力就越大，被釋放的結合水加速了水膜的形成，增大了水膜的面積，因此法向黏附力增大；而水膜是不能傳遞剪力的，且能起到一定的潤滑作用，因此切向黏附力減小。

3.3 泡沫劑試驗

不同泡沫劑注入率下強風化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力如圖6所示。從圖中可以看出：1)泡沫劑注入率的變化對切向黏附力的影響更為顯著，注入率小于60%時，切向黏附力隨注入率的增加迅速減小；而當注入率大于60%后，切向黏附力基本穩定在1 kPa左右。2)法向黏附力隨著泡沫劑注入率的增加先增大后減小，在注入率為80%時達到峰值，總體變化幅度不大。

圖6 不同泡沫劑注入率下強風化混合花崗巖試樣的法向、切向黏附力

注入泡沫劑后切向黏附力顯著減小的原因主要有2個：1)泡沫劑填充了土顆粒間的孔隙，相當于減少了與金屬界面接觸的土顆粒數量；2)泡沫液本身具有潤滑作用，土顆粒與金屬界面之間的摩擦力均被減弱了。法向黏附力增大的部分同樣可以用Fountaine提出的水膜理論解釋；減小的部分是由于泡沫劑注入率過大，土體內部孔隙較多，界面處無法形成負壓。

3.4 改良方案對比

僅從切向黏附力角度來看，當含水率、分散劑注入率、泡沫劑注入率達到一定程度時，切向黏附力均能趨于一較小值，此時渣土具備一定的流動性和較小的內摩擦角，能夠降低渣土在刀盤上形成團聚體的概率。

雖然3種方法都能取得較好的改良效果，但也都存在一定的問題。1)含水率優化雖然成本低廉，對環境影響小，但在實際施工中，當土艙內渣土含水率過高時，掌子面的支護壓力很難保證，螺旋輸送機的噴涌風險也會大大增加[11]；另外，受限于黏土地層低滲透性的特點，注入的水很難與渣土充分混合形成均勻的渣土介質。2)分散劑改良方法的不足在于,分散劑發揮作用所需的時間較長，所需的能量較大，當土體含水率較小且滲透性較小時，分散劑難以快速與土體充分混合，結合水釋放緩慢，具有一定的局限性。3)泡沫劑改良方法的不足在于，氣泡的壽命較短，泡沫劑注入地層一段時間后，泡沫會破裂[12]，土體流塑性會迅速降低。

從噴涌風險、渣土改良成本和環境保護角度考慮，實際施工中應選擇合理的切向黏附力，不可一味追求減小切向黏附力。

對比上述渣土改良試驗結果并結合現場施工經驗可知，泡沫劑改良方法具有響應速度快和各地層適應性強的特點，更適用于深圳地鐵留仙洞站—白芒站盾構區間強風化混合花崗巖地層的渣土改良，并且泡沫劑壽命較短的缺陷可以通過適當降低發泡氣液比的方法來克服。因此，最終采取注入泡沫劑的渣土改良方案，泡沫劑質量分數為3%，泡沫氣液比為10，注入率為60%。

4 盾構泥餅堵塞防治研究

4.1 刀盤配置

4.1.1 刀盤防泥餅設計

刀盤配置如圖7所示。刀盤采用“6主梁+6副梁”配置，中心區域具有較大開口，開口位置在盤面上均勻布置，整體開口率為30%。刀盤面板布置了8路噴口，其中，中心區域布置了4路噴口，每路噴口采用單管單泵設計，且均可在刀盤背部維修更換。土壓模式時刀盤背部焊接4根被動攪拌棒，對土艙渣土進行擾動,增加其流動性。

圖7 刀盤配置示意圖

4.1.2 刀具針對性設計

刀盤刮刀采用大合金設計，寬200 mm，側面堆焊耐磨合金條，刀座焊接保護塊，及時收集渣土的同時又可有效防止切刀表面形成泥餅。

4.1.3 渣土改良系統針對性設計

泡沫混合方式設計為預混合，配置的泡沫發生器為孔隙式泡沫發生器。泡沫發生器有2個注入口，一個注入氣體，另一個注入配制好的基液和發泡劑的混合液體。泡沫劑注入系統采用8路單管單泵設計，泡沫劑注入量大，為5～300 L/h，渣土改良均勻。泡沫劑注入系統技術參數見表3。

表3 泡沫劑注入系統技術參數表

4.2 現場數據分析

在盾構區間右線穿越強風化混合花崗巖地層時(280—350環)，出現了盾構參數異常的現象，并且在317環和334環進行了帶壓開艙清除泥餅和換刀作業，并從317環開始注入泡沫改良劑。泡沫劑注入速度隨掘進速度而變化，處于200～250 L/h。通過分析280—350環間掘進參數，包含盾構掘進速度、推力、轉矩、掘進比能，對泡沫劑渣土改良方案的適用性做出評估。

4.2.1 掘進速度

試驗研究段280—350環盾構掘進速度波動情況如圖8所示。由圖可知，在280—290環，盾構掘進速度在30 mm/min左右，比較穩定；在290—317環，由于盾構穿越強風化混合花崗巖地層，土體黏性強，易結泥餅，盾構推進困難，掘進速度在317環降低至20 mm/min。由此判斷，在317環時刀盤已結泥餅。在317環帶壓開艙處理泥餅、更換刀具后，采用泡沫劑渣土改良方案(泡沫劑質量分數3%，泡沫劑注入率60%，發泡氣液比10)進行渣土改良；然后繼續掘進，掘進速度顯著提升，但繼續向前掘進至334環時，掘進速度驟降至19 mm/min；在334環進行第2次帶壓開艙處理泥餅和換刀作業；第2次開艙后，掘進速度大幅提升，且穩定在較高水平。

圖8 盾構掘進速度

以2次開艙處理作為節點，將整個掘進過程劃分為3個部分，3個部分的平均掘進速度分別為24.62、27.26、31.00 mm/min，334環之后的掘進速度較前2個階段分別提升了13%和26%，泡沫劑渣土改良方案效果明顯。

4.2.2 推力

試驗研究段280—350環盾構推力波動曲線如圖9所示。由圖可知：1)在第1次開艙前，盾構推力波動頻繁，且維持在較高水平，平均推力為29 950 kN；2)進行第1次帶壓開艙且采用泡沫劑渣土改良方案后，盾構推力顯著下降，這部分盾構的平均推力為25 140 kN，較前階段減小了16%；3)在334環，盾構推力驟升至35 010 kN，再次帶壓開艙，發現刀盤大面積被泥餅包裹，對于刀盤周邊位置情況較輕微的泥餅可以用高壓水槍進行清除，對于刀盤中心處以及某些刀具位置泥餅較為嚴重的區域，需要操作人員用鐵棍、鏟等工具進行泥餅挖除；4)開艙處理后恢復掘進，盾構推力明顯降低且穩定在低位，該階段推力平均值為20 340 kN，較前階段減小了19%，較317環開艙前降低了9 610 kN，減小了32%。

圖9 盾構推力

4.2.3 刀盤轉矩

試驗研究段280—350環盾構刀盤轉矩變化情況如圖10所示。由圖可知：1)第1次開艙前，盾構刀盤轉矩波動范圍較大，且整體處于較高水平，轉矩平均值為2 714 kN·m，開艙處理泥餅并采用泡沫劑渣土改良方案后，刀盤轉矩迅速降低至1 101 kN·m。2)繼續掘進后，轉矩回升，但總體小于317環前的平均轉矩，這部分刀盤轉矩平均值為2 362 kN·m，較前階段的平均轉矩減小了13%。3)334環第2次開艙后，轉矩值迅速降低至2 010 kN·m，略有回升后又再次下降，334—350環盾構的平均轉矩為2 083 kN·m，較前階段減小了12%，較317環開艙前降低了631 kN·m，減小了23%。

圖10 盾構刀盤轉矩

4.2.4 掘進比能

Teale[13]針對盾構參數提出了盾構掘進比能(tunneling specific energy，SE)的概念，用來表示盾構掘進單位體積土層所需的能量。它可以由盾構開挖所消耗的機械功除以被開挖地層的體積求得。由定義可知：

SE=(Tω+Fν)/(πR2ν)。

式中：T為刀盤轉矩，kN·m；F為盾構推力，kN；ω為刀盤轉速，r/s；ν為掘進速度，m/s；R為刀盤開挖半徑，m，此工程中為3.49 m。

由于掘進參數的波動變化，必然會使得開挖過程中盾構能量的利用效率不同。使用掘進比能的概念可使掘進分析簡單化，具有較好的客觀性和連續性[14-15]。

試驗研究段280—350環盾構掘進比能如圖11所示。由圖可知：1)盾構穿越強風化混合花崗巖地層時，掘進比能波動明顯。2)317環第1次開艙前，盾構掘進比能處于高位，平均掘進比能為4.50 MPa，掘進效率低。3)開艙處理后，掘進比能顯著下降，掘進效率得到了提升，此階段的掘進比能平均值為3.90 MPa，較前階段的掘進比能平均值降低0.6 MPa，減小幅度為13.3%。4)繼續向前掘進至334環再次開艙后，盾構掘進比能再次減小，此階段盾構掘進比能平均值為3.39 MPa，較前階段平均掘進比能降低0.51 MPa，減小幅度為13%，較第1階段減小了24.7%。

圖11 盾構掘進比能

綜上所述，盾構在強風化混合花崗巖地層中開挖時，刀盤結泥餅風險極大，結泥餅后盾構掘進參數波動明顯，具體表現為轉矩、推力顯著上升,掘進速度顯著下降。從掘進參數曲線可以看出，開艙換刀對掘進參數的影響主要體現在開艙后2～3環內，而注入泡沫劑使得開艙后較長一段距離內的掘進參數明顯優于開艙前。另外，通過比較盾構掘進參數在317環和334環開艙后2環內的變化率可以發現，推力分別下降了32.4%和14.1%，轉矩分別下降了57.6%和27.6%，掘進比能分別下降了55.5%和27.5%。

由上述對比可知，2次開艙后掘進參數的變化率相差較大。這是因為第1次開艙經歷了泡沫劑從無到有的過程，改良效果顯著，而第2次開艙是在已有泡沫劑改良的基礎上進行的，可改良提升空間較小，所以第2次開艙改良效果稍弱，這也充分反映了注入泡沫劑對掘進參數的改良效果。

綜上所述，泡沫劑渣土改良方案對盾構掘進參數有較為明顯的改善，能夠顯著提升盾構掘進效率。但是，泡沫劑渣土改良方案并不能完全杜絕結泥餅現象，在317環采取改良措施之后，334環還是出現了結泥餅現象，這可能與泡沫劑對渣土法向黏附力的改良效果不佳有關。根據第3節室內試驗結果可知，含水率優化對渣土法向黏附力的改良效果是最優的。因此，在強風化混合花崗巖這種結泥餅風險極高的地層中掘進時，除采取泡沫劑改良外，還應適當改善地層含水率，以達到防止結泥餅的目的。

5 結論與討論

本文依托深圳地鐵13號線留仙洞站—白芒站盾構區間項目，結合法向、切向黏附力試驗，研究了含水率優化、注入分散劑、注入泡沫劑3種渣土改良方法對強風化混合花崗巖地層的改良效果，通過綜合對比分析得出了適用于強風化混合花崗巖地層的渣土改良方案。得出的結論如下：

1)本文采用的3種改良方案中，含水率優化能有效降低渣土的法向、切向黏附力，而分散劑和泡沫劑只對渣土的切向黏附力有改良作用，對渣土的法向黏附力反而有增大作用，且分散劑的增大幅度較泡沫劑大。

2)盾構在強風化混合花崗巖地層中掘進時，刀盤結泥餅的風險極大，結泥餅后盾構掘進參數波動明顯，采取泡沫劑渣土改良方案后，盾構的掘進速度、推力、轉矩以及掘進比能都有了較為顯著的改善。

3)盾構在強風化混合花崗巖地層中掘進時，泡沫劑渣土改良方案并不能完全防止刀盤結泥餅，建議在采取泡沫劑改良方案的同時適當進行含水率優化，以最大限度降低刀盤結泥餅風險。

目前尚存在難以解決的問題為法向、切向黏附力試驗條件與盾構施工高壓、高溫的現場條件仍有差別。

此外，建議在以下3方面進行進一步研究：1)本文缺乏對土壤內部及接觸界面微觀層面的觀測，后續可在試樣裝置中增設微型孔壓計，以測試試驗過程中的水力梯度變化，并通過掃描電鏡觀察試驗前后土壤內部結構的變化，從更加全面的視角分析泥餅形成機制；2)實際工程中，對設備的密封性要求極高，對于法向、切向黏附力試驗設備還需在保壓、保溫方面進行設計和改造；3)本文僅針對法向、切向黏附力試驗結果進行了研究，為提升實驗室階段研究的準確性，后續可再增加塌落度試驗、盾構掘進模擬試驗等進行更加深入且嚴謹的分析。