富水閃長巖地層盾構渣土改良技術研究

何定高

(中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

盾構機已成為城市軌道交通區間隧道施工的主要施工設備，盾構機的結構型式由水文地質、工程環境等因素決定，其型式確定后，后配套設備的配置應滿足不同水文地質渣土改良的要求。在實際施工中，土壓平衡盾構根據掘進的水文地質、隧道埋深、掘進參數的變化應及時調整不同的改良劑，對渣土的流塑性改良，控制盾構掘進中的螺旋機噴涌、刀盤及土倉泥餅，實現有效控制地面及建(構)筑物變形的目的。

李樹忱等[1]依托實際工程通過理論分析和效果對比試驗，研發了適用于水壓高、地層多變的渣土改良泡沫劑。劉浩等[2]以濟南地鐵長途汽車站為例，研究了不同風化閃長巖的力學指標，研究成果對盾構在富水閃長巖地層掘進具有一定的借鑒意義。馬連叢、許愷、王明勝等人[3-5]研究了砂礫地層中盾構掘進的渣土改良問題。李應姣[6]研究了渣土改良關鍵技術，改造渣土改良系統以及確定了分散劑的最佳配比。王彥臻[7]以全斷面砂層為例，優化泡沫系統，以膨潤土＋泡沫改良渣土取得了良好效果。綜上，少有文獻對富水閃長巖的渣土改良及改良劑注入點位對渣土改良效果的影響進行研究。本文以濟南軌道交通2號線歷山路站～七里堡站區間富水閃長巖地層的盾構施工為依托，研究富水閃長巖地層改良劑的應用，同時提出通過不同改良劑注入點位對渣土改良效果的影響，實現渣土改良劑與盾構掘進地層較好的匹配，達到控制螺旋機噴涌提高盾構掘進效率的目的。

2 工程概況

濟南軌道交通2號線歷山路站～七里堡站區間右線長2 172 m，左線長2 176 m；區間隧道線間距為12～27.5 m，拱頂埋深約為10.2～23.0 m，水位埋深一般為2～5 m。隧道主要穿越19-1層全風化閃長巖、19-2-1強風化閃長巖(短柱狀)、19-2-2強風化閃長巖(砂礫狀)，含有承壓裂隙水，飽和單軸抗壓強度0.3～12.6 MPa，天然單軸抗壓強度2～21 MPa。

3 富水閃長巖地層盾構渣土改良技術

3.1 常用渣土改良劑及特性

土壓平衡盾構渣土改良所用改良劑多為泡沫、膨潤土、聚合物等一種或幾種材料的組合，并通過使用量的調整使盾構切削下來的渣土具有良好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩擦力。如一般黏土層中多使用泡沫劑、分散劑、水組合作為改良劑，砂卵石地層多使用膨潤土作為改良劑，巖石地層多使用泡沫劑、水作為改良劑，富水砂、砂礫地層多使用膨潤土、聚合物為改良劑。不同添加劑的特性對比如表1所示。

表1 不同添加劑的特性對比

3.2 改良劑的選擇

根據富水閃長巖地層特性、項目周邊環境等因素，富水閃長巖地層盾構渣土改良需要解決的問題如下:

(1)提高土倉內渣土的抗滲透能力，避免開挖面因地下水流失而造成較大的地表沉降或地面建(構)筑物變形過大甚至坍塌事故發生。

(2)降低土倉內渣土以及開挖面土體的內摩擦角，減少渣土對刀盤刀具的磨損，降低刀盤扭矩。

(3)提高土倉內渣土的可塑性，避免渣土流塑性差而產生噴涌現象。

(4)由于渣土泌水性差，掘進停機后，土倉內渣土易離析、沉淀、密實，使刀盤再次啟動時扭矩大，啟動困難，對盾構機設備損害大。

根據富水閃長巖地層渣土改良需要解決的問題，本工程采用膨潤土＋聚合物的組合方式改良渣土。

膨潤土中的細顆粒填充土體間隙，吸附地層中過量的游離水，起到穩定地層防止地面沉降過大的作用[8-9]，同時能補充渣土中缺少的黏性顆粒提高渣土流塑性。為解決渣土中存在過量水分的問題，利用聚合物的增稠、粘合、絮凝、吸水性、減阻性等特性，進一步減少渣土中過量的游離水，以有效提高渣土流塑性、降低土體的滲透系數，達到抑制螺旋機噴涌的目的，實現盾構掘進的安全高效。

3.3 改良劑注入點位的選擇

本項目盾構機渣土改良劑注入點原始設置情況為刀盤正面6個注入點(其中刀盤周邊4個，中心2個)、土倉隔板3個注入點(其中上部2個，中心1個)，螺旋機6個注入點(其中靠近土倉隔板3個，靠近出渣口3個)。所有注入點均能在盾構機操作系統中任意切換注入改良劑為泡沫或者水，若需要注入其他改良劑需在設備橋前部對管路進行更改，切換至膨潤土系統或者聚合物系統。

考慮到改良劑需充分和渣土攪拌才能發揮其性能，螺旋機位置和土倉中心的注入點位不作為膨潤土和聚合物的注入點位，改良劑由該點位注入土倉后與渣土的攪拌結合時間相對較短，不能充分發揮改良劑的作用，需要在盾構機設備橋前部將聚合物管路、膨潤土管路與泡沫管路切換，將刀盤周邊的4個泡沫注入點位更改為2個聚合物的注入點位，2個膨潤土注入點位，土倉隔板最上部2個注入點位作為膨潤土注入點位，選用該6個注入點位可以延長改良劑與渣土結合的時間，刀盤轉動起到攪拌作用，讓膨潤土和聚合物能與渣土進行充分融合，保證改良劑能發揮良好的改良效果。

3.4 膨潤土、聚合物改良試驗

為探究在盾構掘進中渣土改良時最優膨潤土和聚合物使用量，分別針對膨潤土和聚合物改良土體滲透性進行試驗。

(1)膨潤土改良試驗

不同膨潤土密度改良土體效果如圖1所示，可以看出整體上隨著膨潤土泥漿密度和添加量的增大，改良后渣土的滲透系數逐漸減小。添加量為4%時，1.1 g/cm3的膨潤土泥漿使土體滲透性系數達到1.15×10-4cm/s；添加量為12%時，1.1 g/cm3的膨潤土泥漿使土體滲透性系數達到7.2×10-5cm/s；添加量為12%時，1.3 g/cm3的膨潤土泥漿使土體滲透性系數達到4.8×10-5cm/s。這說明在相同添加量/密度情況下，隨著膨潤土泥漿密度/添加量增大，泥漿中有更多的細顆粒填充渣土的孔隙，進而改良渣土滲透性，降低渣土的滲透系數。

圖1 不同膨潤土添加量改良效果

圖2為渣土流動性的變化曲線，由圖可以看出，相同密度條件下，混合土的流動性隨著膨潤土泥漿添加量的增加而不斷增大。在相同膨潤土泥漿添加量下，隨著膨潤土泥漿密度的增加，混合土的流動性逐漸減小。試樣的初始含水率為20%，未添加泥漿改良時的流動度小于160 mm，隨著泥漿添加量增加，混合物呈膏狀，試驗過程中并未發生水土離析現象，說明流動性改良效果滿足排土要求。

圖2 膨潤土添加量對流動性影響效果

(2)聚合物改良試驗

采用相同方法試驗驗證聚合物溶液的渣土改良特性，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同添加量聚合物改良效果

從圖3可以看出隨著聚合物添加量的增大，渣土的滲透系數隨之降低，在160 s左右時添加量為0.5%時的滲透系數為1.1×10-4cm/s，添加量為2%時滲透系數為6.1×10-5cm/s。

根據試驗結果，在富水閃長巖地層盾構渣土中加入一定密度的膨潤土泥漿及一定濃度的聚合物溶液能有效提高渣土流塑性、止水性和粘聚力[10-11]。

3.5 改良方案的確定及應用

歷山路站～七里堡站區間盾構主要穿越上軟下硬的強富水全(強)風化閃長巖，盾構掘進過程中掌子面水壓高，土倉內渣土離析，螺旋機出渣門開啟瞬間有壓泥水攜渣噴出，刀盤扭矩大，推進速度緩慢，地面沉降不易控制，盾尾泥沙清理工作量大，渣土含水量過大外運困難。采用膨潤土＋聚合物組合改良渣土，經多次試驗對比確認，每環掘進過程中加入密度1.2 g/cm3完全膨化的膨潤土8 m3、1.5%～2%摻量的聚合物溶液作為改良劑，通過刀盤周邊和土倉隔板最上部的注入點注入，渣土流塑性、止水性、粘聚力得到較好的改善，刀盤扭矩由2 800～3 200 kN·m 降低至2 200～2 600 kN·m，推進速度由1～1.5 cm/min提高至2～3.5 cm/min，螺旋機噴涌問題得以解決。改良后渣土實況如圖4所示，可以看出皮帶機掉渣明顯減少，渣土改良[12]取得了較好的效果。

圖4 改良后渣土實況

4 結論

土壓平衡盾構渣土改良應根據不同的水文地質條件、不同改良劑的特性，通過試驗確定合理的添加劑配合比及注入量，根據改良劑的特點合理選用注入點位以利于提高渣土的流塑性改良效果。

渣土改良劑注入點位應根據水文地質情況、隧道埋深以及實際改良效果進行調整，必要時可改造渣土改良系統，增加注入通道，合理延長渣土與添加劑的攪拌、反應時間，延長渣土與添加劑的相互作用時間，有利于提高渣土的流塑性，對控制螺旋機噴涌效果良好。