含礫粗砂巖地層雙模盾構土壓模式渣土改良技術

張 斌，朱漢標，佟 彬，王樹英,4

(1.中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054；2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.中南大學隧地工程研究中心，湖南 長沙 410075；4.軌道交通工程結構防災減災湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410075)

為了提高盾構穿越復雜地層時的適應性，通常需要采用渣土改良的輔助措施，以使渣土處于合適的狀態，利于盾構安全高效掘進。在黏土地層中，地層的黏附性通常會導致盾構結泥餅，因此需要采用分散劑或分散型泡沫劑等改良劑來降低盾構渣土的黏附性，提高渣土的塑流性，以減小盾構結泥餅風險；而砂土地層中，由于砂卵石等地層具有較高的地層強度，容易導致刀盤刀具磨損等問題，同時，由于砂土地層具有較高的滲透性，當盾構遭遇高水壓環境時，需要預防噴涌等現象的發生；因此，砂土地層中，通常采用泡沫劑、膨潤土等改良劑進行渣土改良，以增大渣土的塑流性、減小刀具磨損以及減小地層的滲透性以防止噴涌等災害的發生?？梢姡粮牧荚诩氼w?；虼诸w粒地層中得到了較多研究，然而在強度較高的含礫粗砂巖地層中渣土改良研究尚未得到重視，如何在含礫粗砂巖地層中發揮渣土改良的最佳效果，仍然需要進一步研究。

渣土塑流性通常是改良效果的重要指標之一，而坍落度試驗是評價渣土塑流性的常用方法。關于渣土改良的合理坍落度范圍，不同學者具有不同的見解，如Ye 等研究了高黏粒含量泥質粉砂巖的渣土改良，指出泥質粉砂巖渣土最佳坍落度范圍為17～20cm；Pe?a 建議砂性渣土最佳改良坍落度范圍取14～20cm，而喬國剛認為盾構開挖渣土統一最佳坍落度值介于10～16cm。可見，由于地層性質不同，渣土合適改良狀態是不同的。然而目前對于含礫粗砂巖地層的渣土改良研究較少，相應的渣土改良參數以及渣土合適狀態尚未明確，因此針對含礫粗砂巖地層開展盾構渣土改良研究將具有一定的技術價值和工程意義。

本文依托廣州地鐵7 號線洪圣沙站-裕豐圍站區間項目，通過工程地質分析、改良劑性能試驗、坍落度試驗等研究最佳渣土改良方案，并通過盾構掘進參數分析選定盾構掘進狀態評價指標，以評價含礫粗砂巖地層渣土改良技術的合理性。

1 工程概況與水文地質

1.1 工程概況

廣州地鐵7 號線二期工程洪圣沙站-裕豐圍站區間（簡稱洪裕區間）位于廣州市東部，連接珠江南北兩岸，期間穿越了860m 珠江水域及約120m 寬的獅子洋斷裂帶。洪裕區間采用氣墊直排式泥水土壓雙模盾構進行施工，能實現土壓和泥水模式的一鍵切換。盾構刀盤采用復合式刀盤（圖1），開挖直徑6.3m，開口率為40%，刀盤面板設置5 個背裝式渣土改良噴口。渣土改良系統包括4 路泡沫管路，均為單泵單路控制管路，并采用半自動控制模式進行改良劑的施加。

圖1 刀盤結構型式圖

1.2 水文地質

盾構段隧道埋深約18.68～27.1m，穿越地層包括＜6＞全風化泥質粉砂巖、＜7-1＞強風化含礫粗砂巖、＜8-1＞中風化含礫粗砂巖和＜9-1＞微風化含礫粗砂巖，其中＜8-1＞中風化含礫粗砂巖地層為盾構穿越主要地層，因此選取該地層進行渣土改良研究。盾構在右線YDK29+240～YDK29+315（左 線ZDK29+290～ZDK29+350）里程中穿越獅子洋斷裂帶，斷裂帶寬度約120m，與隧道近乎垂直，相應地質縱斷面如圖2 所示。

圖2 地質縱斷面示意圖

盾構段主要地表水體為珠江水，盾構下穿珠江寬度約為860m。地下水以松散巖類孔隙水和基巖裂隙水為主，地下水位埋深在0.20～3.26m 之間，地下水主要補給為大氣降水和地表水徑流。

2 渣土改良試驗方案

2.1 改良劑選型試驗

盾構在不同地層中掘進時會有不同的施工風險，如刀盤刀具結泥餅、土倉堵塞、螺旋機噴涌等，對不同的施工風險應采用不同的渣土改良劑。洪裕區間穿越地層以中風化含礫粗砂巖為主，為了更有針對性地制定適用于中風化含礫粗砂巖的渣土改良方案，進行了篩分試驗和液塑限試驗。通過篩分試驗測定渣土級配并確定其分類，同時通過液塑限試驗測定渣土液塑限，判斷渣土可塑性，最后優選適宜的渣土改良劑，并測定改良劑性能。試驗結果在第三節中給出。

2.2 渣土二次改良試驗

坍落度試驗是研究渣土改良狀態的常用手段，坍落度試驗用土取自944 環盾構新鮮渣土，為中風化含礫粗砂巖，渣土在開挖倉和土倉中已被均勻改良，對應盾構泡沫注入比為20.1%，初始含水率為14.29%。渣土取樣后立馬開展試驗，為盾構渣土改良基礎上的二次改良，渣土改良參數建議值為原始盾構改良參數和二次改良參數之和。試驗用泡沫取自盾構發泡系統，為對比純水和泡沫的改良效果，以體現泡沫的有效改良，采用質量控制泡沫或純水注入量，相應泡沫注入比可結合發泡倍率獲得。同時由于地層含水率具有多變性，因此探究了不同含水率下的泡沫改良效果以獲得適宜的改良參數，相應的試驗工況如表1 所示。擬訂改良渣土合理坍落度值區間為7～15 cm。

表1 坍落度試驗工況

3 試驗結果分析

3.1 改良劑選型試驗結果

渣土級配曲線如圖3，根據GB/T 50145-2007《土的工程分類標準》，該渣土分類為級配不良砂（SP）。粒徑小于0.5mm 的渣土占比34.75%，根據GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》對該粒徑范圍渣土進行液塑限試驗。試驗結果如表2 所示，因此渣土細顆粒具有低液限黏土的基本物性。綜上可知含礫粗砂巖地層盾構渣土為砂類土，渣土黏粒含量相對較少，因此盾構結泥餅風險較小。且雖然含礫粗砂巖地層滲透性較小，但是地層經切削形成的破碎渣土滲透性較大，在地下水作用下易產生噴涌現象，影響管片拼裝質量及洞內工作環境。因此渣土改良劑主要采用泡沫劑，泡沫劑發泡倍率為5.45、半衰期為6.31min，起到改善渣土塑流性、減小渣土滲透系數的作用。

表2 渣土液塑限

圖3 盾構渣土級配曲線

3.2 渣土二次改良試驗結果

圖4 為渣土坍落度隨泡沫或純水注入質量的變化規律，F為泡沫改良，W為純水改良。可見，隨著純水或泡沫的注入，渣土坍落度逐漸增加。初始改良渣土塑流性明顯較差（坍落度2.5cm），當改良工況為w=14.29%、FIR=19.8%～39.6%（對應注入質量為200～400g），w=16.16%、FIR=19.8%（對應注入質量為200g）和w=17.89%、FIR=0 時，坍落度值位于合理改良區間，渣土具有適宜的塑流性。鑒于地層含水率并非定值，因此改良參數的選擇應適宜大部分情況，此時二次改良注入質量可選擇為200g（注入比為19.8%），以滿足含水率為14.29%～16.16%的情況，結合渣土初始改良狀態（20.1%的初始泡沫注入比），則可采用40%泡沫注入比進行渣土改良，但當地層含水率進一步變化時，宜適當調整泡沫注入比。

圖4 不同含水率下渣土坍落度值變化規律

當渣土含水率為14.29%，泡沫注入量較小時，采用泡沫和采用純水改良的渣土坍落度差別不大，但隨著泡沫注入量的進一步增大，采用泡沫和采用純水改良的渣土坍落度差異增大，采用泡沫改良的渣土具有更大的坍落度，表明加入泡沫后可明顯提高渣土的流動性，但在含水率較低時泡沫的作用效果相對較小。究其原因，破碎后的含礫粗砂巖渣土含水率較小，在基質吸力的作用下，渣土吸水導致泡沫快速排液和破滅，使得泡沫對較干渣土的有效改良效果較小，此時可首先增大渣土的含水率再進行泡沫改良，以減少泡沫的破裂，相應的處治措施包括采用純水和泡沫進行組合改良、采用發泡倍率小的泡沫（即“濕泡沫”）進行改良以及增大“干泡沫”注入比的措施。選用增大“干泡沫”注入比時，通常要注入較大體積的泡沫才能充分增大渣土含水率，相比“濕泡沫”，改良時間較長，而盾構掘進時應考慮對渣土進行快速改良，因此不予考慮；當采用純水和泡沫組合改良時，泡沫容易懸浮于水面，與純水難以混合均勻，導致改良效果不均，且純水容易導致泡沫液膜中表面活性劑分布不均，泡沫質量變差容易破裂；因此宜選用發泡倍率較小的“濕泡沫”進行渣土改良，在快速改良的同時，增大渣土含水率，減少泡沫破裂，改善渣土塑流性以滿足盾構掘進需求。本文采用泡沫劑發泡倍率為5.45，相比常規發泡倍率屬于濕泡沫，如前文所述采用40%泡沫注入比可較好地改良渣土。

4 渣土改良應用效果分析

采用發泡倍率為5.45、半衰期為6.31min的泡沫進行渣土改良應用研究，泡沫注入比為40%，如表3 所示。盾構注入比從原本的20%～32%逐漸調整到40%。將掘進扭矩除以對應掘進推力，得到盾構單位掘進推力作用下的盾構平均掘進扭矩值，定義為刀盤扭矩系數。將盾構掘進推力除以速度獲得產生單位掘進速度（貫入度）所需要的平均推力值，定義為地層貫入指數。將螺機扭矩除以螺機轉速獲得產生單位螺機轉速所需要的平均螺機扭矩增量，定義為螺機扭矩系數。如圖5，當盾構泡沫注入比逐漸增大時，螺機扭矩系數和刀盤扭矩系數均有所減小，說明調整后的改良參數能較好地改善盾構掘進狀態，在一定程度上降低刀盤扭矩，減小盾構負荷和刀盤磨損。然而對巖體而言，地層貫入指數更多在于刀具的構造和布置，渣土改良對地層貫入指數的影響較小，因此隨著泡沫注入比的增加，地層貫入指數無明顯變化。

表3 盾構渣土改良參數建議值

圖5 盾構掘進狀態隨泡沫注入比的變化

5 結論與討論

針對廣州地鐵7 號線二期工程洪圣沙站～裕豐圍站區間項目含礫粗砂巖地層，通過渣樣物性分析、改良劑性能測試、二次改良試驗、盾構掘進狀態評價等方法，開展渣土改良研究，探究了合適的渣土劑及其改良參數，并通過實際應用效果驗證其合理性。主要結論如下。

1）含礫粗砂巖地層穩定性較好，黏粒含量較少，結泥餅風險較小，渣土改良劑主要采用泡沫劑，以改善渣土塑流性，利于盾構出渣。

2）對泡沫改良土進行二次改良坍落度試驗，當渣土含水率較小時泡沫容易破滅導致泡沫的改良效果有限，此時可選用發泡倍率較小的“濕泡沫”進行渣土改良。根據坍落度試驗結果可選擇采用40%注入比的泡沫改良渣土，但當地層含水率變化時，宜適當調整泡沫注入比。

3）采用建議的改良參數進行盾構掘進時，螺機扭矩系數和刀盤扭矩系數均有所減小，說明調整后的改良參數能在一定程度上降低刀盤扭矩，減小盾構負荷和磨損，較好地改善盾構掘進狀態，有利于盾構出渣，而刀具破巖效率受渣土改良影響較小，地層貫入指數變化較小。