邱 龑，楊新安，唐卓華，李亞翠

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250101；3.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海200235）

土壓平衡式盾構(gòu)需要在盾構(gòu)密封艙內(nèi)充滿開挖泥土，通過對開挖土體施加壓力來平衡開挖面上的水土壓力，因此土壓平衡式盾構(gòu)壓力艙內(nèi)土體的理想狀態(tài)應(yīng)為“塑性流動狀態(tài)”[1].目前的研究成果一般認(rèn)為，從土力學(xué)的角度分析，這種塑性流動狀態(tài)主要包括土體不易固結(jié)排水、具有較低的透水率、較低的內(nèi)摩擦角等特征.其力學(xué)指標(biāo)主要包括滲透系數(shù)、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力、坍落度、壓縮系數(shù).

為保證土壓平衡盾構(gòu)順利施工，國內(nèi)外學(xué)者在對盾構(gòu)施工改良土體性質(zhì)方面展開了大量研究.Quebaud等[2]的研究表明，氣泡混合土的滲透性和氣泡添加量有直接關(guān)系.Bezuijen等[3]通過向壓力艙模型注入氣泡，研究了砂土與氣泡混合土的滲透性、壓縮性、黏滯性.Jancsecz等[4]的研究表明，使用泡沫可以有效地改善被開挖土體的性能，改良后土體合理的坍落度范圍在200～250 mm之間.Raffaele等[5]通過坍落度試驗(yàn)研究改良土的性質(zhì).Sotiris[6]通過攪拌、壓縮、滲透和直剪試驗(yàn)，研究了泡沫對砂性地層的改良作用，發(fā)現(xiàn)顆粒的大小是決定土體性能的重要參數(shù).唐益群等[7]以泡沫劑和肥皂水為改良劑，對在添加劑作用下砂性土的流塑性、保水性以及開挖面動態(tài)土壓平衡機(jī)理作了較深入的探討.胡長明等[8]針對穿越砂層的盾構(gòu)施工進(jìn)行了渣土改良試驗(yàn)，通過對比處理前后渣土的抗剪強(qiáng)度、滲透性及塌落度，得到了合理的膨潤土用量及泥漿摻入比.張立泉[9]針對無水砂層，采用泡沫劑和膨潤土進(jìn)行渣土改良，通過調(diào)整添加劑用量，觀察盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的變化，優(yōu)化了添加劑的配比.王春河等[10]結(jié)合北京地鐵的工程實(shí)踐，通過流塑性、稠度、離稀程度等指標(biāo)，確定了鈉基膨潤土在粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂以及砂卵石地層中的改良配比.石晶等[11]闡述了發(fā)泡原理以及泡沫的作用，確定了泡沫注入率與土的滲透系數(shù)及土質(zhì)顆粒級配的關(guān)系.寧士亮[12]確定了以膨潤土漿液為主，泡沫劑為輔的改良方案，提出了以掘進(jìn)速度和出渣稠度為主要依據(jù)調(diào)節(jié)膨潤土摻入量和膨潤土漿液注入量；以刀盤扭矩和螺旋機(jī)出渣情況為依據(jù)調(diào)整泡沫劑摻量和注入量的改良策略.通過上述文獻(xiàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然前人對于盾構(gòu)穿越砂性地層進(jìn)行了大量的渣土改良試驗(yàn)研究，但試驗(yàn)內(nèi)容多為添加劑對土樣的物理、力學(xué)參數(shù)的改善，對于土樣摻入添加劑后細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改變及其改善機(jī)理，改良渣土配比、特性及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系等的研究還未見報(bào)道.

本文首先通過現(xiàn)場坍落度試驗(yàn)，確定添加劑的配比，再對相應(yīng)配比的土樣進(jìn)行室內(nèi)壓縮、滲透試驗(yàn)，觀測其物理、力學(xué)參數(shù)，最后采用掃描電鏡對改性渣土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出適用于富水砂層中盾構(gòu)施工渣土改良添加劑的合理配比，為類似地層中的盾構(gòu)施工提供參考.

1 工程概況

深圳某地鐵區(qū)間隧道長約3 km，線間距約12～14 m，位于城市主干道下方，施工控制要求高.根據(jù)勘察報(bào)告，左線400～600環(huán)，右線380～680環(huán)，隧道埋深約14～16 m，主要穿越⑤11礫砂層，其典型縱斷面地質(zhì)剖面如圖1所示.

圖1 深圳地鐵某區(qū)間隧道縱斷面地質(zhì)剖面圖Fig.1 Longitudinal geological profile of tunnel in Shenzhen

區(qū)間地下水位埋深約3.5 m，受海水和河流的側(cè)向補(bǔ)給，地表水與地下水之間的水力聯(lián)系密切.礫砂結(jié)構(gòu)松散，天然重度20 k N·m－3，黏聚力為0，內(nèi)摩擦角35°，變形模量40 MPa，滲透系數(shù)36 m·d－1，含水量約20%，透水性強(qiáng)，屬于典型的富水砂層，為不穩(wěn)定土體，對盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)開挖面的穩(wěn)定性極為不利，施工中易發(fā)生涌水、涌砂、坍塌等，盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)水平高.

渣土改良塌落度試驗(yàn)所用砂土取自左線445環(huán)處⑤11礫砂層，含水率約20%，對所取砂土烘干后進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到其級配曲線，見圖2.

由圖2中數(shù)據(jù)計(jì)算可知，砂土的不均勻系數(shù)Cu約為2.8，曲率系數(shù)Cs約為7.2.當(dāng)不均勻系數(shù)Cu不小于5，曲率系數(shù)Cs處于1～3之間時(shí)，土樣級配良好，故可判斷試驗(yàn)所用砂土級配不良，這會導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)砂土中的細(xì)顆粒容易被水流從大顆粒間隙中帶走，形成涌水通道，可能造成噴涌.

圖2 砂土的級配曲線Fig.2 Grading curve of sand

2 渣土改良劑的選擇

2.1 地層性質(zhì)與盾構(gòu)施工的關(guān)系

坍落度直觀地反映渣土的流塑性、和易性及保水性，坍落度過高或過低均不利于盾構(gòu)施工.滲透系數(shù)綜合反映土體的滲透能力，盾構(gòu)通過滲透系數(shù)過大的地層時(shí)，若控制不當(dāng)，易發(fā)生涌水、涌砂事故.土壓平衡盾構(gòu)切削下來的、充滿密封艙內(nèi)的渣土是盾構(gòu)平衡刀盤前方土體水土壓力的介質(zhì)，其壓縮性能直接影響了土壓平衡的建立.

2.2 渣土改良的目的

富水砂層盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良的目的是：①提高土艙內(nèi)渣土的抗?jié)B透能力，避免開挖面因排水固結(jié)而造成較大的地表沉降甚至坍塌事故；②降低土艙內(nèi)渣土以及開挖面土體的內(nèi)摩擦角，減少渣土對刀盤刀具的磨損，降低刀盤扭矩；③提高土艙內(nèi)渣土的可塑性，防止渣土黏附在刀盤上結(jié)成泥餅.

目前，施工中常用的渣土改良添加劑主要有泡沫劑、膨潤土以及高分子聚合物，其各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用地層見表1.

表1 盾構(gòu)施工中常用添加劑對比Tab.1 Com mon additives in shield construction

3 渣土改良試驗(yàn)分析

首先根據(jù)現(xiàn)場條件對土樣進(jìn)行坍落度試驗(yàn).通過對摻入添加劑的渣土坍落度進(jìn)行分析，初步確定合理的配比范圍，再根據(jù)坍落度試驗(yàn)結(jié)果，對所取的⑤11礫砂進(jìn)行室內(nèi)滲透、壓縮及電鏡掃描試驗(yàn)，對改性渣土的滲透、壓縮特性及細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行深入的研究，最終為富水砂層中的盾構(gòu)渣土改良提供科學(xué)合理的添加劑與配比.

3.1 現(xiàn)場坍落度試驗(yàn)

3.1.1 泡沫改良

考慮盾構(gòu)施工實(shí)際情況，試驗(yàn)按泡沫劑與水的體積比（文中體積比為添加劑與水的體積之比、質(zhì)量比為添加劑與水的質(zhì)量之比）為3%進(jìn)行配制，充分發(fā)泡后摻入砂土，進(jìn)行渣土改良塌落度試驗(yàn).現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，采用體積比為3%、外摻量（添加劑與水拌合后的混合物與土的體積比）為3%～5%的泡沫對砂土進(jìn)行改良，其塌落度在200～210 mm范圍內(nèi)，和易性較好.

3.1.2 膨潤土改良

參考以往施工經(jīng)驗(yàn)，用鈉基膨潤土，按質(zhì)量比為1∶6，1∶7及1∶8分別配制膨潤土泥漿進(jìn)行渣土改良塌落度試驗(yàn).現(xiàn)場試驗(yàn)表明，采用質(zhì)量比為1∶7、外摻量為8%～10%的膨潤土泥漿對砂土進(jìn)行改良，其塌落度在195～205 mm范圍內(nèi)，和易性及保水性均較好.

3.1.3 高分子聚合物改良

采用質(zhì)量比為0.3%的高分子聚合物配合質(zhì)量比為1∶7、外摻量為8%的膨潤土泥漿對砂土進(jìn)行塌落度試驗(yàn)（由于現(xiàn)場實(shí)際施工中，不會單獨(dú)使用高分子聚合物進(jìn)行渣土改良，故文中采用的高分子聚合物改良的土樣事先經(jīng)過了質(zhì)量比為1∶7、外摻量為8%鈉基膨潤土的改良）.現(xiàn)場試驗(yàn)表明，當(dāng)高分子聚合物的外摻量在2%～3%時(shí)，渣土的和易性及保水性均已很好，塌落度在195～210 mm范圍內(nèi).

通過對現(xiàn)場的坍落度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，確定了泡沫、膨潤土和高分子聚合物添加劑的合理配比，即體積比為3%的泡沫、質(zhì)量比為1∶7的膨潤土、質(zhì)量比為0.3%的高分子聚合物，以此進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)，然后根據(jù)其結(jié)果進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn).

3.2 壓縮試驗(yàn)

采用環(huán)刀裝土的杠桿式壓縮儀，分別對烘干后配水的重塑土樣；體積比為3%，外摻量分別為2%，3%，4%泡沫的土樣；質(zhì)量比為1∶7，外摻量分別為6%，8%，10%膨潤土的土樣；質(zhì)量比為0.3%，外摻量分別為2%，3%高分子聚合物的土樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn).e（孔隙比）－p（壓力）曲線見圖3.

圖3 改良土的e－p曲線Fig.3 e－p curve of improved soils

由圖3可知，泡沫的摻入對土樣的孔隙比基本無影響，膨潤土的摻入對砂土的孔隙比改善效果作用明顯，高分子聚合物對土樣的孔隙比具有一定的改善作用.

壓縮系數(shù)α、壓縮模量Es分別采用式（1），（2）計(jì)算.

式中：e0為未施加荷載時(shí)的孔隙比；ei為施加i次荷載時(shí)對應(yīng)的孔隙比；pi為第i次施加的壓力.e0，pi，ei分別為未加荷載時(shí)的孔隙比，施加某波荷載的壓力值，該壓力值對應(yīng)的孔隙比.

一般采用100～200 k Pa壓力區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的壓縮系數(shù)α1－2來評價(jià)土的壓縮性，試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 壓縮試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results for com pression test

由表2可知，對于富水砂層的土樣，摻入泡沫后壓縮系數(shù)、壓縮模量變化均較小，且隨著泡沫摻入量的增大，壓縮模量逐漸減小甚至低于重塑土，說明泡沫對改良土體的壓縮性質(zhì)影響不大，而由于地層本身含水量較大，過多地?fù)饺胍簯B(tài)泡沫反而會降低砂性地層的土體壓縮模量；膨潤土對于土體的壓縮性能改良效果顯著，隨著膨潤土摻入量的增大，壓縮系數(shù)減小，壓縮模量顯著增大，土體密實(shí)度增加；高分子聚合物能夠改善土體的壓縮性能，隨著高分子聚合物摻入量的增大，壓縮系數(shù)減小，壓縮模量增大.

3.3 滲透試驗(yàn)

基于壓縮試驗(yàn)結(jié)果，通過常水頭滲透試驗(yàn)儀，分別對烘干后配水的重塑土樣；體積比為3%、外摻量為4%泡沫的土樣；質(zhì)量比為1∶7，外摻量分別為6%，8%，10%膨潤土的土樣以及質(zhì)量比為0.3%、外摻量為2%高分子聚合物的土樣進(jìn)行滲透試驗(yàn).表3為滲透試驗(yàn)結(jié)果，可見，富水砂層中，泡沫作為渣土改良添加劑，對地層的滲透性能有一定的改善作用，但作用不大，滲透系數(shù)僅降低了27.54%.膨潤土對地層的滲透特性有較為明顯的改善，且隨著膨潤土摻入量的增加，土樣的滲透系數(shù)降低幅度從25.56%提高到67.00%，透水性降低，可以有效地防止盾構(gòu)施工中涌水、涌砂、坍塌等風(fēng)險(xiǎn).高分子聚合物對地層的滲透特性也具有較好的改善，滲透系數(shù)降低了39.34%，有效地降低了土樣的滲透系數(shù).由于室內(nèi)滲透試驗(yàn)的滲透系數(shù)是在常壓下利用常水頭滲透試驗(yàn)儀所測得，而地勘參數(shù)是現(xiàn)場抽水試驗(yàn)所測得，現(xiàn)場原位土體受地應(yīng)力作用，比室內(nèi)密實(shí)度高，因此室內(nèi)試驗(yàn)測得的滲透系數(shù)高于原位試驗(yàn)值.

表3 滲透試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results for permeability test

3.4 電鏡掃描結(jié)果

利用高倍率掃描電子顯微鏡，分別對烘干后配水的重塑土樣；體積比為3%、外摻量為4%泡沫的土樣；質(zhì)量比為1∶7、外摻量為8%膨潤土的土樣以及質(zhì)量比為0.3%、外摻量為2%高分子聚合物配合質(zhì)量比為1∶7、外摻量為8%膨潤土的土樣進(jìn)行電鏡掃描.結(jié)果見圖4.

圖4a為原狀土烘干配水制成的重塑土細(xì)觀結(jié)構(gòu).由于砂土的顆粒級配較差，土樣中的細(xì)顆粒較少，結(jié)構(gòu)較為松散，掃描圖像中主要成分為顆粒較大的砂礫.圖4b為體積比為3%、外摻量為4%泡沫的土樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu).與重塑土樣相比，無明顯變化.實(shí)際渣土改良過程中，泡沫為氣液混合態(tài)，掃描試驗(yàn)土樣制備過程中，由于土樣要被烘干才可以進(jìn)行掃描，土樣中已無泡沫的液態(tài)成分，故泡沫對土體固態(tài)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改變作用不大.圖4c為質(zhì)量比為1∶7、外摻量為8%膨潤土的細(xì)觀結(jié)構(gòu).由于膨潤土細(xì)顆粒充分與土樣拌合，填充到砂土粗顆粒的空隙中，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，使得土體更密實(shí)，細(xì)觀結(jié)構(gòu)更為緊密.圖4d為質(zhì)量比為0.3%、外摻量為2%高分子聚合物和質(zhì)量比為1∶7、外摻量為8%膨潤土的土樣細(xì)觀結(jié)構(gòu).由于膨潤土的填充作用，土樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)變密實(shí).但是，高分子聚合物會將土樣中的一部分細(xì)顆粒膠結(jié)成塊狀大顆粒，與致密的土樣整體分離.

圖4 改良土樣品電鏡掃描結(jié)果Fig.4 Test results for scanning of im proved soils

由此可見，對于砂性地層的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改良，膨潤土具有最佳的效果，高分子聚合物效果次之，泡沫效果最差.

4 現(xiàn)場渣土改良效果分析

為方便現(xiàn)場施工，并考慮成本，采用以泡沫、膨潤土為主，高分子聚合物為輔的渣土改良方案，即主要采用體積比為3%～4%、外摻量為2%～6%的泡沫和質(zhì)量比為1：7、外摻量為8%～10%的膨潤土對富水砂層進(jìn)行改良，同時(shí)，常備質(zhì)量比為0.3%的高分子聚合物防噴涌.按此方案，盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度在35～45 mm·min－1之間，扭矩在1 200～1 500 k N·m之間，每環(huán)出土量在56～60 m3之間，推進(jìn)參數(shù)基本正常，表明盾構(gòu)掘進(jìn)過程中渣土改良效果總體較好.

圖5為盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度與添加劑之間的關(guān)系.由圖5可以看出，盾構(gòu)在富水砂層掘進(jìn)過程中，未進(jìn)行渣土改良時(shí)的刀盤扭矩與理論計(jì)算值1 160～1 328 k N·m相比偏大，刀盤轉(zhuǎn)速波動也較大，說明刀盤及刀具在未改良的地層掘進(jìn)時(shí)工作環(huán)境較差.460環(huán)左右開始對土艙內(nèi)注入體積比為3%～4%、外摻量為2%～6%的泡沫，刀盤扭矩明顯降低，說明泡沫在現(xiàn)場施工中具有較好的改良效果，但是推進(jìn)速度波動依然較大，刀盤轉(zhuǎn)速變化不大.結(jié)合此處地質(zhì)條件，隧道斷面有黏土夾層，使得470環(huán)左右刀盤轉(zhuǎn)速略低且推進(jìn)速度不穩(wěn)定.490環(huán)左右開始同時(shí)使用體積比為3%～4%、外摻量為2%～6%的泡沫和質(zhì)量比為1：7、外摻量為8%～10%的膨潤土對富水砂層進(jìn)行改良，刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度均較為穩(wěn)定，且在理論計(jì)算值范圍內(nèi).結(jié)合此處地質(zhì)條件，隧道穿越地層為全斷面砂層，添加劑很好地穩(wěn)定了刀盤扭矩及推進(jìn)速度，且提高了刀盤轉(zhuǎn)速，說明同時(shí)用泡沫、膨潤土對富水砂性地層進(jìn)行渣土改良，刀盤的工作參數(shù)穩(wěn)定，工作環(huán)境良好，渣土改良的效果顯著.結(jié)合圖1可知，盾構(gòu)隧道穿越的地層中亦包括粗砂、中砂、粉砂、礫石等地層，說明上述改良方案在此類砂性地層中，均有較好的改良效果.

圖5 盾構(gòu)推進(jìn)刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度與添加劑之間關(guān)系Fig.5 Relationship between cutterhead torque，rotational speed advance speed and additives

5 結(jié)論

通過對渣土改良的塌落度試驗(yàn)及現(xiàn)場盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良效果分析，可得出以下結(jié)論：

（1）富水砂層中，采用質(zhì)量比為1∶7、外摻量為8%～10%的膨潤土進(jìn)行改良后的渣土，其流塑性較好，能夠滿足施工需求.

（2）泡沫可導(dǎo)致富水砂性地層的壓縮性降低；膨潤土對富水砂性地層的壓縮特性有很好的改良效果；高分子聚合物對此類地層的壓縮性亦有一定的改良作用.

（3）摻入泡沫的土體，其滲透系數(shù)僅降低了27.54%，可見，泡沫對地層的滲透性能有一定的改善，但作用不大；摻入膨潤土的土體，土樣的滲透系數(shù)最大降低了67.00%，對于改良地層的滲透性能，膨潤土有著非常良好的效果；高分子聚合物對地層的滲透特性也具有較好的改善，滲透系數(shù)降低了39.34%.

（4）泡沫對砂性土的固態(tài)細(xì)觀結(jié)構(gòu)改良基本無作用；膨潤土作為細(xì)顆粒，能夠填充到砂礫粗顆粒的孔隙中，對富水砂層土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)有非常顯著的改良效果；而高分子聚合物雖然也有一定的填充作用，但是高分子聚合物會將一部分細(xì)顆粒膠結(jié)成塊狀大顆粒物質(zhì)，與致密的土樣整體分離.

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