李 樹 良

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的增長、人民生活水平的提高，城市交通建設(shè)需求逐步增大，因此交通擁堵成為制約城市發(fā)展的重要難題。目前城市地鐵隧道主要以盾構(gòu)法[1]開挖為主，而其中土壓平衡盾構(gòu)法以其地層適應(yīng)性廣、作業(yè)方式安全、掘進(jìn)速度快及對(duì)環(huán)境影響小等特點(diǎn)在地鐵區(qū)間隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

在全風(fēng)化泥巖地層中，土體粘粒含量高，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中易出現(xiàn)一系列問題，糊刀盤的現(xiàn)象；刀盤結(jié)泥餅[2]；開挖面易失穩(wěn)[3]，從而引起地面過量沉降[4]；盾構(gòu)機(jī)開挖的土體黏性太高導(dǎo)致渣土結(jié)塊無法順利排出，從而影響盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)。盾構(gòu)渣土改良[5]是解決上述問題的關(guān)鍵。

隨著盾構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)渣土改良的研究也日益成熟，需要根據(jù)施工時(shí)的地層條件對(duì)渣土改良劑進(jìn)行對(duì)比優(yōu)選。R.P.A.Ball等[6]針對(duì)砂性土和黏性土地層分析了土壓盾構(gòu)穿越該地層時(shí)易發(fā)生的工程技術(shù)難題，并開展了渣土改良試驗(yàn)對(duì)比了不同改良方式對(duì)應(yīng)的改良效果；Lars Langmaack[8]著重研究了渣土改良劑的改良機(jī)理，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)得到最優(yōu)改良方案；周風(fēng)山[10]從基礎(chǔ)理論出發(fā)對(duì)泡沫改良劑的基本概念進(jìn)行了闡述；王闖[12]針對(duì)于泡沫劑改良砂卵石土的試驗(yàn)研究，主要通過對(duì)比不同濃度的泡沫劑溶液的半衰期和發(fā)泡倍率，對(duì)泡沫劑的性能做了簡要的評(píng)價(jià)，最后選取最優(yōu)的泡沫劑以及最優(yōu)的泡沫劑濃度；喬國剛[13]研發(fā)了新型泡沫劑，以自制泡沫劑與國內(nèi)外泡沫劑的相關(guān)物理力學(xué)性能進(jìn)行了比較，并對(duì)復(fù)雜地層中的泡沫改良機(jī)理進(jìn)行了研究。

本文在前人的基礎(chǔ)上，依托長春地鐵2號(hào)線西沿線盾構(gòu)隧道，分別開展粉質(zhì)黏土和風(fēng)化泥巖地層的渣土改良技術(shù)研究，通過室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選渣土改良劑并得到最優(yōu)配比，保證盾構(gòu)機(jī)在不同地層條件下的順利掘進(jìn)，進(jìn)而提高盾構(gòu)機(jī)的施工效率、施工質(zhì)量，對(duì)今后此類地層盾構(gòu)施工具有指導(dǎo)意義和借鑒價(jià)值。

2 工程概況

本文所依托的是長春地鐵工程，該工程起始點(diǎn)為汽車公園站南端，沿凱達(dá)北街途經(jīng)富奧大路、長虹大路、捷達(dá)大路，與在建2號(hào)線西湖站南端相接，總體呈南北走向。線路全長2 564.5 m，包含兩站兩區(qū)間，其中盾構(gòu)區(qū)間為：汽車公園站—捷達(dá)大路站區(qū)間和捷達(dá)大路站—西湖站(不含)區(qū)間，本文以西捷區(qū)間的情況為例，圖1為西捷區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖。

盾構(gòu)從西湖站始發(fā)，向西南掘進(jìn)至捷達(dá)大路站北端接收。在右K2+432.597 m下穿220 kV高壓線塔，高壓線塔基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，為四柱承臺(tái)。其中最近一根樁樁中心距盾構(gòu)管片外側(cè)水平凈距離為0.5 m，豎向凈距離為5.08 m；下穿區(qū)間盾構(gòu)埋深為14.78 m。盾構(gòu)區(qū)間在右K2+431.877～K2+467.561盾構(gòu)正穿下穿石油管線，石油線分別為DN711，DN813，其埋深3.33 m，2.31 m；下穿范圍距盾構(gòu)頂部埋深為14.40 m～14.88 m。

本標(biāo)段盾構(gòu)工程所使用的盾構(gòu)機(jī)開挖直徑6.28 m，所使用的管片外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，管片為6分塊，厚度為300 mm，其寬度為1.2 m。而且該區(qū)間由西湖站始發(fā)，下穿富民大街、凱達(dá)北街、西新大街等街路及石油管線、高壓線塔等風(fēng)險(xiǎn)源，其中包括石油管線兩條，高壓線塔三個(gè)如圖2所示。

根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，按照地層沉積年代、成因類型，將本工程場地勘探范圍內(nèi)的土層分為人工填土層、第四紀(jì)中更新統(tǒng)沖積層、白堊紀(jì)泥巖三大類。具體的土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

由于黏土地層黏性較大，在施工過程中易出現(xiàn)一些問題：

1)排土不暢：由于黏性較大，渣土改良過程水很難滲透進(jìn)去，造成泥水分離，游離水較多黏土塊易在皮帶機(jī)上打滑，導(dǎo)致無法及時(shí)的將黏土運(yùn)輸至渣土斗，嚴(yán)重制約了施工效率。

2)結(jié)泥餅：在黏性地層中隨著黏土礦物含量的增加，刀具結(jié)泥餅的幾率逐漸增大，且受盾構(gòu)選型和刀盤刀具設(shè)計(jì)的影響，一旦泥餅形成，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度緩慢。

目前的解決措施主要是采取渣土改良技術(shù)手段，選取泡沫劑+抗粘劑配合使用作為主要的渣土改良方式，對(duì)于這種黏性較大的地層效果顯著。分散劑能夠吸附于固體顆粒的表面，降低液—液或固—液之間的界面張力。使用時(shí)與泡沫劑混合共同通過泡沫注入系統(tǒng)注入至掌子面、土倉和螺旋輸送機(jī)中，使土體達(dá)到盾構(gòu)開挖要求。

3 渣土改良劑及其適用性

土壓平衡盾構(gòu)作為城市軟土地層隧道修建的首選方法，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，其前端刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，切削下來的土體進(jìn)入土艙。當(dāng)土體充滿土艙時(shí)，其被動(dòng)土壓與開挖面上的土壓、水壓基本平衡，使得開挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果支護(hù)力不足易導(dǎo)致地表沉降，支護(hù)力過大易導(dǎo)致地表隆起。而且土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的壓力艙內(nèi)土體的理想狀態(tài)應(yīng)調(diào)整為“塑性流動(dòng)狀態(tài)”[14]。然而，原狀土體很少可以同時(shí)滿足這些條件，通常需要對(duì)土體進(jìn)行改良以改變土體特性來滿足土壓平衡盾構(gòu)機(jī)開挖的條件。有效的渣土改良可以顯著提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能，控制通過螺旋輸送機(jī)[15]的土體流量，達(dá)到順利連續(xù)出渣的要求。實(shí)際工程中常用的渣土改良劑有：泡沫劑、抗粘劑、聚合物、膨潤土等。

泡沫劑本質(zhì)上是由表面活性劑、穩(wěn)泡劑與其他成分組成。膨潤土是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)最早使用的渣土改良劑之一。對(duì)于粗粒土的開挖，可以在掘進(jìn)過程中，從掘進(jìn)開挖面掘進(jìn)的刀盤前方注入膨潤土，相當(dāng)于在粗粒土中增加了細(xì)粒含量?？拐硠┦且环N液態(tài)聚合物黏土分散劑，專門用于有堵塞和粘附刀盤風(fēng)險(xiǎn)的黏土地層條件下的盾構(gòu)開挖。聚合物是由大量重復(fù)的小分子組成的大分子高聚物，性質(zhì)因其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)而異。不同的改良劑對(duì)應(yīng)在不同的地層中使用，具體情況如表2所示。

表2 渣土改良劑的地層適應(yīng)性

4 室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 泡沫劑性能試驗(yàn)

本工程盾構(gòu)施工主要采用的是泡沫劑及泡沫劑+分散劑兩種改良方式。泡沫劑評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是半衰期和發(fā)泡倍率。根據(jù)已有研究表明，一般要求泡沫的半衰期大于5 min，發(fā)泡倍率在10～20之間。而本實(shí)驗(yàn)選取自制的泡沫劑進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，研究不同泡沫濃度下對(duì)應(yīng)發(fā)泡后半衰期和發(fā)泡倍率的變化規(guī)律。其中不同濃度泡沫隨時(shí)間衰變規(guī)律如圖3所示，半衰期的關(guān)系如表3所示。

由圖3所示，根據(jù)起始時(shí)間與相對(duì)剩余質(zhì)量達(dá)到50%時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，可以得到不同泡沫濃度所對(duì)應(yīng)的半衰期如表3所示。

表3 不同濃度發(fā)泡液對(duì)應(yīng)的泡沫半衰期

不同發(fā)泡液濃度對(duì)應(yīng)的發(fā)泡倍率如表4所示。可以發(fā)現(xiàn)整體上發(fā)泡倍率隨著發(fā)泡液濃度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

表4 不同濃度發(fā)泡液對(duì)應(yīng)的發(fā)泡倍率

由以上結(jié)果可得到以下結(jié)論：

1)發(fā)泡倍率隨著發(fā)泡液濃度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；

2)泡沫的半衰期隨發(fā)泡液濃度的增加而增加。

4.2 坍落度試驗(yàn)

盾構(gòu)法施工過程中，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的壓力艙內(nèi)土體的理想狀態(tài)應(yīng)調(diào)整為“塑性流動(dòng)狀態(tài)”，需要保持一定的流動(dòng)性，才能保證渣土順利的排出及盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)。土體的流動(dòng)性可以通過坍落度體現(xiàn)，因?yàn)樗梢泽w現(xiàn)土體的粘聚性、保水性以及流動(dòng)性，再加上坍落度試驗(yàn)簡單方便易行，因此這一指標(biāo)在渣土改良中普遍使用。

開展坍落度試驗(yàn)時(shí)，一般需要做三組試驗(yàn)，通過取平均值的方式來提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)已有研究工作可知，坍落度值維持在110 mm～160 mm范圍內(nèi)流塑性較好。

本次試驗(yàn)通過對(duì)粉質(zhì)黏土、風(fēng)化泥巖的渣土進(jìn)行不同泡沫添加比、不同泡沫劑發(fā)泡液濃度的試驗(yàn)試樣進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，根據(jù)其改良后的狀態(tài)及坍落度值的大小來比較分析研究，其坍落度結(jié)果如圖4所示。

由以上試驗(yàn)可以得到，通過改變泡沫劑溶液濃度及摻入比，可顯著改變?cè)恋牧魉苄誀顟B(tài)。由圖4可知：1)相同濃度條件下，坍落度值隨著泡沫摻入比的增大呈現(xiàn)增大的趨勢；2)在摻入比一定時(shí)，低摻入比(10%～20%)時(shí)，隨著濃度增加坍落度增大，當(dāng)摻入比達(dá)到25%時(shí)，坍落度減小；3)該工程使用泡沫劑發(fā)泡液濃度為2%時(shí)應(yīng)選取泡沫注入比為23%～30%；若使用泡沫劑發(fā)泡液濃度為3%～4%時(shí)應(yīng)選取泡沫注入比為17%～23%。這樣的改良方案可以使待改良渣土的流動(dòng)性得到顯著提高，進(jìn)而滿足盾構(gòu)機(jī)開挖土體的要求。

5 現(xiàn)場渣土改良效果分析

長春地鐵2號(hào)線西延線西捷區(qū)間盾構(gòu)下穿地層主要為粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化泥巖，土體中黏土顆粒含量較大，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中極易形成泥餅，土倉堵塞，影響排渣。

為了施工方便，并考慮成本區(qū)間左線全程使用“泡沫劑+抗粘劑”的渣土改良方式，主要的改良方案為，通過地層粘性的高低決定泡沫劑和抗粘劑的用量，低粘性地層時(shí)泡沫劑用量為每延米消耗量80 kg；高粘性地層時(shí)泡沫劑用量為每延米100 kg，并按照實(shí)際情況混入抗粘劑，抗粘劑每延米消耗量為20 kg～60 kg。實(shí)際使用過程中，泡沫劑與抗粘劑原液按照2∶1～10∶1的比例(混合比例與地層黏性有關(guān))混合，加水稀釋到2%的濃度通過刀盤前方發(fā)泡系統(tǒng)發(fā)泡后注入，調(diào)節(jié)開挖土體粘聚性，提高盾構(gòu)機(jī)排渣能力。泡沫劑每環(huán)(1.2 m)用量約為100 kg～120 kg，抗粘劑每環(huán)用量約為20 kg～60 kg(黏性地層抗粘劑用量會(huì)明顯增加)。圖5顯示了盾構(gòu)區(qū)間左線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化情況。

在右線前60環(huán)采用普通市場的泡沫劑，在60環(huán)附近發(fā)生了結(jié)泥餅的現(xiàn)象，后續(xù)全程使用本文提到自主研發(fā)的高效泡沫劑，很好的解決了粘性地層結(jié)泥餅問題，圖6顯示了盾構(gòu)區(qū)間右線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化情況。

通過盾構(gòu)右線掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比可以看出，前60環(huán)使用國產(chǎn)其他品牌泡沫劑刀盤扭矩在3 200 kN·m～3 600 kN·m之間，推力在10 500 kN～13 000 kN之間，而采用自主研發(fā)的“高效泡沫劑+抗粘劑”組合時(shí)，刀盤扭矩降低至2 400 kN·m左右，推力降低至8 000 kN～9 000 kN，說明該渣土改良效果很好，解決了黏性地層結(jié)泥餅難題。

6 結(jié)語

通過對(duì)渣土改良劑種類、地層適應(yīng)性等多方面的認(rèn)識(shí)，以及泡沫性能試驗(yàn)、坍落度試驗(yàn)及現(xiàn)場掘進(jìn)渣土改良效果分析，可得到以下結(jié)論：

1)盾構(gòu)施工過程中，原狀土是很少可以同時(shí)滿足盾構(gòu)機(jī)開挖條件的，因此需要渣土改良來提高土體的特性。渣土改良劑種類繁多且具有地層適應(yīng)性，不同的地層選擇不同的渣土改良劑。

2)結(jié)合泡沫劑發(fā)泡倍率及半衰期試驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)泡液濃度為3%～4%時(shí)泡沫劑發(fā)泡效果最好。

3)結(jié)合改良后渣土的坍落度試驗(yàn)，相同濃度下，坍落度值隨著泡沫摻入比的增大而增大；摻入比一定時(shí)有以下規(guī)律：低摻入比時(shí)，隨著濃度增加坍落度增大，當(dāng)摻入比達(dá)到25%時(shí)，坍落度減小。而最為理想的改良方案應(yīng)選取發(fā)泡劑溶液濃度為3%～4%，對(duì)應(yīng)的摻入比為17%～23%。

4)通過現(xiàn)場掘進(jìn)數(shù)據(jù)可知，采用泡沫劑+抗粘劑的改良方案的改良效果很好，解決了該工程地層黏性問題，而且還達(dá)到了普通泡沫劑無法達(dá)到的效果。