泥巖砂卵石復合地層盾構渣土含水特征分析

張乾，王風，溫斯遜

[摘要]為探究成都地區(qū)泥巖砂卵石復合地層盾構渣土的含水特征，依托成都30號線一期工程對土壓平衡盾構渣土開展了一系列土工試驗測定。實驗表明：復合地層盾構渣土含水率位于25.7%～38.2%之間；渣土液限位于21.4%～28.7%之間，渣土塑限位于14.9%～15.1%之間；渣土滲透系數(shù)范圍在4.58×10-5～5.34×10-5 cm/s之間；渣土pH值在8.8～8.9之間。

[關鍵詞]復合地層； 盾構渣土； 含水率； 液塑限； 滲透系數(shù)； pH

[中國分類號]U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

近年來，隨著我國城市化進程的推進，我國城市地鐵建設迎來高速發(fā)展期，據(jù)統(tǒng)計，截至2021年12月31日，中國內(nèi)地地鐵里程共7 253.73 km，同比增長15.47%。在地鐵建設施工時，盾構施工因具有對周邊環(huán)境擾動小、掘進速度快、自動化程度高等優(yōu)點而被廣泛采用［1］。當采用土壓平衡盾構施工掘進時，為確保盾構機順利推進，通常對開挖面一定范圍內(nèi)的土體注入泡沫劑等改良劑進行土體改良以減小刀盤磨損、提高掘進效率，同時改良后呈塑形流動狀態(tài)的盾構渣土進入土倉內(nèi)起到平衡掌子面水土壓力的作用［2］。但呈流塑狀態(tài)的盾構渣土含水率較高，使得盾構渣土的處理成為一個難題，一方面盾構現(xiàn)場因場地限制，渣土需要及時外運，外運過程中易造成“拋、撒、滴、漏”等污染環(huán)境的問題，另一方面，含水渣土采用填埋處理占用大量土地，當不做處置直接填埋時易造成滑坡等災害［3］。探求盾構施工現(xiàn)場適用的脫降水技術、外運盾構渣土的合理化資源利用技術是解決上述問題的有效途徑，因此開展盾構渣土的含水特征研究，掌握渣土的水理特性，為盾構現(xiàn)場渣土降水技術的選擇及渣土資源合理利用技術的研發(fā)具有重大意義。

成都地區(qū)地質(zhì)條件主要為砂巖、泥巖和砂卵石地層［4］，盾構穿越泥巖砂卵石復合地層的情況常見。砂卵石地層滲透性大，富水性強［5］，泥巖地層滲透性差，富水性弱［6］，盾構在泥巖砂卵石復合地層掘進時，經(jīng)泡沫劑改良、刀盤切削形成的盾構渣土水理特性尚不可知。本文依托成都軌道交通30號線一期工程對泥巖砂卵石復合地層土壓平衡盾構渣土含水特征開展研究，通過對現(xiàn)場渣土的含水率、液塑限、滲透系數(shù)等基本含水特征的試驗，揭示復合地層盾構渣土的水理特性。

1工程概況

成都軌道交通30號線高碑壩出線段，盾構出高碑壩盾構始發(fā)井后，依次下穿成雅高速路基、川大路隧道、海鮮購物廣場等既有建（構）筑物，最終在大件路進入大同站接收，區(qū)間長度共1 501 m，隧道埋深為6.3～17.4 m。

2地層分布

區(qū)間主要地層為雜填土、卵石土、中風化泥巖及強風化泥巖，盾構掘進過程中主要穿越中風化泥巖地層，局部穿越泥巖砂卵石復合地層，區(qū)間復合地層占比約為1/3，高碑壩出線段地質(zhì)縱斷面如圖1所示，泥巖和砂卵石的滲透性、富水性差異較大，目前對復合地層盾構渣土含水特征的研究尚少。

3含水特征試驗

3.1渣土取樣

為保證試驗所取渣土具有代表性，在高碑壩出線段盾構穿越泥巖砂卵石復合地層區(qū)域，共采集2次盾構現(xiàn)場渣土試樣，如圖2所示，其中試樣1取樣段砂卵石比例較大，從表觀看含水率較試樣2低，且顏色呈褐色。

3.2渣土含水率試驗

試驗時采用烘干法，按式（1）計算渣土含水率［7］，2次取樣含水率測定結(jié)果見表1。

ω=m1-m2m2-m0×100%（1）

式中：ω為含水率，（%）; m0為燒杯的質(zhì)量，（g）;m1為燒杯加濕土的質(zhì)量，（g）;m2為燒杯加干土的質(zhì)量，（g）。

由表1可知，高碑壩出線段盾構渣土的含水率在25.7%～38.2%之間。

3.3渣土液塑限試驗

試驗采用液塑限聯(lián)合測定儀對現(xiàn)場渣土液塑限進行測定，圓錐儀規(guī)格為76 g，按照JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》中“T0118-2007液限和塑限聯(lián)合測定法” ［4］， 在雙對數(shù)坐稱標紙繪制圓錐錐入深度與含水率關系，結(jié)果如圖3和圖4所示。當圓錐下沉17 mm時，對應的含水率為液限，圓錐下沉2 mm時，對應的含水率為塑限，塑性指數(shù)和液性指數(shù)應按式（2）、式（3）計算，渣土液塑限測定結(jié)果見表2。

IP=ωL-ωP（2）

IL=ω0-ωPIP（3）

式中：ωL為液限，（%）;ωP為塑限，（%）;Ip為液性指數(shù)，（%）;IL為塑性指數(shù)。

由表2可知，高碑壩出線段盾構渣土的液限在21.4%～28.7%之間，塑限在14.9%～15.1%之間。

3.4渣土滲透系數(shù)試驗

試驗采用滲透容器，變水頭測試方法對渣土滲透系數(shù)進行測定，按式（4）、式（5）計算滲透系數(shù)［4］，現(xiàn)場試驗如圖5所示，滲透系數(shù)測定結(jié)果見表3。

kT=2.3a×LA×tlgH1H2（4）

式中：kT為水溫為T ℃時試樣的滲透系數(shù)，（cm/s）;a為變水頭管的內(nèi)徑面積，（cm2）;L為滲徑，即試樣高度，（cm）;A為試樣的過水面積，（cm2）;t為測讀水頭的起始和終止時間之差，（s）;H1為起始水頭，（cm）;H2為終止水頭，（cm）。

折算到標準溫度下的滲透系數(shù)（η為水的動力粘滯系數(shù)）：

k20=ηTη20kT（5）

式中：k20為標準水溫（20 ℃）時試樣的滲透系數(shù)/（cm/s）;

ηt為t ℃時水的動力粘滯系數(shù)，（kPa·s）;η20為20 ℃時水的動力粘滯系數(shù)，（kPa·s）。

由表3可知，高碑壩出線段現(xiàn)場渣土的滲透系數(shù)在4.58×10-5～5.34×10-5 cm/s之間，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》 ［8］，該土樣屬于粉質(zhì)黏土類別，現(xiàn)場渣土的滲透系數(shù)大于1.0×10-5cm/s，為透水介質(zhì)。

3.5渣土pH值試驗

土的pH值指土中的氫離子濃度指數(shù)，是水溶液中氫離子濃度（活度）的常用對數(shù)的負值。試驗采用pH計對渣土的pH進行測定，如圖6所示，渣土pH測定結(jié)果見表4。

由表4可知，高碑壩出線段現(xiàn)場渣土的pH值在8.8～8.9之間，偏堿性。外運盾構渣土固液分離時，加入絮凝劑脫水是常用措施［9］，因現(xiàn)場渣土呈堿性，故其適合的絮凝劑為陰離子絮凝劑［10］。

4結(jié)論

本文依托成都30號線一期工程，對泥巖砂卵石復合地層土壓平衡盾構渣土開展一系列土工試驗測定，得出主要結(jié)論：

（1）高碑壩出線段泥巖砂卵石復合地層土壓平衡盾構渣土的含水率在25.7%～38.2%之間；渣土的液限在21.4%～28.7%之間，塑限在14.9%～15.1%之間；渣土的滲透系數(shù)在4.58×10-5～5.34×10-5 cm/s之間；渣土的pH值在8.8～8.9之間。

（2）高碑壩出線段泥巖砂卵石復合地層盾構渣土為透水介質(zhì)，成都地區(qū)泥巖砂卵石復合地層盾構渣土原位降水具有可行性；根據(jù)渣土的pH測定結(jié)果，當采用絮凝劑對現(xiàn)場渣土進行固液分離時，應選用陰離子絮凝劑。

（3）本文試驗測定結(jié)果可為成都地區(qū)泥巖砂卵石復合地層土壓平衡盾構渣土降水技術和渣土資源合理利用技術的選擇及研發(fā)提供參考。

參考文獻

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