朱碧堂 余金 王凌 張躍明 蔣亞龍 杜林泉 黃展軍

摘 要：盾構(gòu)穿越復(fù)合地層時(shí)，富水礫砂層含量高易發(fā)生“噴涌”、掌子面失穩(wěn)，泥巖地層含量高則易發(fā)生結(jié)泥餅、刀具抱死及偏磨、出渣困難等問題。針對(duì)這些施工難題，以南昌地鐵4號(hào)線七里站—民園路西站（七民）盾構(gòu)區(qū)間穿越富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層為研究對(duì)象，基于5種不同復(fù)合程度掌子面地層渣土改良試驗(yàn)，研究土壓平衡盾構(gòu)在動(dòng)態(tài)變化的復(fù)合地層中所需的合理渣土改良劑配比。結(jié)果表明：對(duì)于復(fù)合地層，隨著泥巖占比從10%增加至90%，泡沫注入率從20%逐漸增大至50%，膨潤(rùn)土泥漿注入率從20%逐漸減小至0?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，采用該改良方案可保證土倉內(nèi)渣土流塑性較好、滲透性較低。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu);富水礫砂;復(fù)合地層;渣土改良

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）05-0029-09

收稿日期：2021-04-28

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（41972291、52020105003）;江西省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)工程科技項(xiàng)目（2019C0010）;江西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2021Z0004）

作者簡(jiǎn)介：朱碧堂（1974- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事隧道、基坑、樁基和海上風(fēng)電基礎(chǔ)研究，E-mail： btangzh@hotmail.com。

Received：2021-04-28

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 41972291， 52020105003）; Engineering Science and Technology Project of Department of Transportation of Jiangxi Province （No. 2019C0010）; Project of Department of Transportation of Jiangxi Province （No. 2021Z0004）

Author brief：ZHU Bitang （1974- ）， professor， doctorial supervisor， main research interests： tunnel， excavation， foundation and offshore wind power foundation， E-mail：btangzh@hotmail.com.

Experimental study on soil conditioning with water bearing gravelly sand-argillaceous siltstone composite stratum

ZHU Bitang， YU Jin， WANG Ling， ZHANG Yueming， JIANG Yalong， DU Linquan， HUANG Zhanjun

（1a. School of Civil Engineering and Architecture; 1b. Engineering R & D Centre for Underground Technology of Jiangxi Province， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， P. R. China; 2. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， P. R. China; 3. Nanchang Rail Transit Group Co.， Ltd.， Nanchang 330013， P. R. China）

Abstract：When the shield passes through the composite stratum， the content of water rich gravelly sand layer is high， which is prone to "gushing"， tunnel face instability， and the content of argillaceous siltstone stratum is high， which is more prone to mud cake， tool locking， eccentric wear and slag discharge. In view of these construction problems above， the shield section of Qili station-Minyuan Road West Station of Nanchang Metro Line 4 as an example， which passes through the water rich gravel sand-argillaceous siltstone composite stratum， this paper conducts the soil conditioning tests for five tunnel faces with different composite degrees and examines the reasonable proportion of soil conditioning mixture ratio in these varying composite of earth pressure balance shield. The results show that： with the ratio increase of argillaceous siltstone from 10% to 90%， the foam injection ratio increases from 20% to 50%， and the injection ratio of bentonite slurry decreases from 20% to 0. The field application results show that the soil conditioning scheme above can ensure the good fluidity and low permeability of the muck， and solve the problems of gushing and mud cake during shield tunneling in different degrees of composite stratum.

Keywords：EPB shield; water bearing gravelly sand; composite stratum; soil conditioning

土壓平衡盾構(gòu)相對(duì)泥水盾構(gòu)具有泥漿污染小、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)土倉壓力反饋調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)和刀盤轉(zhuǎn)速，保證土艙渣土動(dòng)態(tài)平衡，易維持掌子面穩(wěn)定，減少地表沉降，被廣泛應(yīng)用于城市人口密集及建（構(gòu)）筑物密集區(qū)的地鐵隧道建設(shè)中。

許多學(xué)者針對(duì)不同地層進(jìn)行了大量的渣土改良試驗(yàn)研究及改良效果評(píng)價(jià)。邱龑等針對(duì)深圳富水砂層采用泡沫、膨潤(rùn)土泥漿及高分子聚合物進(jìn)行了渣土改良試驗(yàn)，通過對(duì)土樣進(jìn)行電鏡掃描、坍落度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土泥漿注入比為8%～10%的渣土可滿足盾構(gòu)施工要求。Cheng等針對(duì)粉砂層，通過模型試驗(yàn)，采用刀盤扭矩指標(biāo)評(píng)價(jià)渣土改良效果，并確定最佳改良劑配比。Mori通過壓縮試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)，研究了實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)下不同泡沫參數(shù)對(duì)砂土改良的影響，發(fā)現(xiàn)孔隙應(yīng)力和有效應(yīng)力是影響泡沫改良渣土性能的主要因素。葉新宇等針對(duì)泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行了渣土改良試驗(yàn)，得到渣土坍落度與含水率、泡沫注入比的函數(shù)關(guān)系，并提出了渣土改良精細(xì)化控制措施。蔡兵華等對(duì)具有高液塑限、高黏聚力、富含黏土礦物的紅黏土進(jìn)行了室內(nèi)渣土改良試驗(yàn)，通過坍落度試驗(yàn)、稠度試驗(yàn)和液塑限聯(lián)合試驗(yàn)評(píng)價(jià)土體改良效果，發(fā)現(xiàn)含水率為40%時(shí)泡沫注入率為30%的理想土體改良指標(biāo)。劉衛(wèi)通過現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和案例分析，提出富水砂層泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層選取泡沫劑、膨潤(rùn)土泥漿及高分子聚合物進(jìn)行渣土改良，防治礫砂地層渣土流動(dòng)性差和噴涌問題以及泥質(zhì)粉砂巖中刀盤結(jié)泥餅問題。在改良后渣土效果評(píng)價(jià)方面，魏康林提出改良后渣土必須具有低滲透性、較小的抗剪強(qiáng)度和較好的流動(dòng)性。Huang等提出，泡沫能否有效降低渣土的滲透系數(shù)取決于渣土的級(jí)配特性，通過改變土的有效粒徑、曲率系數(shù)和不均勻系數(shù)，對(duì)泡沫改良后的渣土進(jìn)行滲透試驗(yàn)得出有效粒徑對(duì)渣土滲透系數(shù)影響較大，曲率系數(shù)和不均勻系數(shù)對(duì)渣土滲透系數(shù)影響較小。Avunduk等通過旋葉式剪切試驗(yàn)裝置評(píng)價(jià)渣土改良效果，從而進(jìn)一步優(yōu)化渣土改良參數(shù)。王樹英等設(shè)計(jì)變水頭滲流試驗(yàn)裝置，研究了改良后渣土滲透系數(shù)的時(shí)變效應(yīng)。朱偉等推導(dǎo)了盾構(gòu)機(jī)噴涌時(shí)掌子面水壓力和滲流量的理論公式，提出了不同土層掘進(jìn)過程中發(fā)生噴涌的臨界條件。在富水及水壓力大的地層，改良后渣土滲透系數(shù)應(yīng)處于或低于10 m/s數(shù)量級(jí)，才不易發(fā)生噴涌事故。

目前，許多學(xué)者分別對(duì)富水砂層、泥質(zhì)粉砂巖渣土改良進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和案例分析，尚未對(duì)不同體積占比的富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層開展系統(tǒng)性室內(nèi)改良試驗(yàn)及量化標(biāo)準(zhǔn)，也未從顆粒級(jí)配角度分析不同礫砂泥質(zhì)粉砂巖體積占比對(duì)渣土改良的影響。因此，在工程實(shí)踐中，改良參數(shù)隨意性較大且對(duì)地層體積損失無法控制，容易誘發(fā)地表沉降過大甚至坍塌等重大工程事故，如南昌地鐵2號(hào)線學(xué)府大道東站—翠苑路站復(fù)合地層區(qū)間由于施工期間降雨量大、地下水位上漲、渣土改良方案調(diào)整不及時(shí)，導(dǎo)致地表路面出現(xiàn)坍塌;南昌地鐵3號(hào)線國威路站—青山湖西站復(fù)合地層區(qū)間由于渣土改良不善導(dǎo)致地表沉降過大。因此，需要針對(duì)不同體積占比的富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層開展系統(tǒng)的渣土改良試驗(yàn)，提出定量的渣土改良控制標(biāo)準(zhǔn)。

筆者以南昌地鐵4號(hào)線七民區(qū)間為例，對(duì)不同掌子面土層顆粒級(jí)配進(jìn)行分析，探討不同富水砂層泥質(zhì)粉砂巖體積比復(fù)合地層渣土改良試驗(yàn)方案，通過坍落度試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)和加壓滲透試驗(yàn)，綜合判斷渣土改良效果和量化泥巖改良控制指標(biāo)，并通過現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析和改良效果，驗(yàn)證上述室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果。

1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

1.1 地層條件

根據(jù)隧道地質(zhì)縱剖面圖，在七民區(qū)間SK32+020～326段和SK32+840～SK33+190段，盾構(gòu)穿越地層分界面動(dòng)態(tài)變化，軟硬交錯(cuò)，為上覆富水礫砂、下臥泥質(zhì)粉砂巖不同體積比復(fù)合地層，地質(zhì)縱剖面如圖1所示。

1.2 水文條件

隧道埋深處于17～25 m，地下水位埋深約4～6 m，靜水壓力約140～220 kPa。七民區(qū)間隧道為富水高水壓地層，礫砂的天然含水率在21%～28%之間，滲透系數(shù)約為1.2×10 m/s，泥質(zhì)粉砂巖天然含水率在13%～18%之間。由于地層中存在高含量黏性顆粒巖層，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)容易在刀盤前部結(jié)泥餅及刀具抱死偏磨。同時(shí)，穿越富水、高水壓礫砂層時(shí)，螺旋機(jī)無法保持正常的壓力梯降，易產(chǎn)生螺旋機(jī)出土口“噴水、噴砂、噴泥”現(xiàn)象。

2 顆粒級(jí)配及改良劑參數(shù)分析

根據(jù)不同體積占比的礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層顆粒級(jí)配分析，研究適應(yīng)不同復(fù)合程度地層的改良劑參數(shù)方案。

2.1 土層顆粒級(jí)配分析

在土層參數(shù)中，顆粒級(jí)配不僅對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型具有參考意義，而且對(duì)土壓平衡盾構(gòu)渣土改良及整個(gè)施工過程有著重要影響。渣土中細(xì)顆粒含量較多時(shí)，改良后土體易形成滲透系數(shù)小、類似牙膏狀的流塑體，能夠均勻傳遞推力至掌子面，平衡水土壓力，減小地面沉降，如圖2所示。粗顆粒含量高的土體經(jīng)泡沫改良后流塑性較差、滲透系數(shù)較大，在掘進(jìn)過程中難以實(shí)現(xiàn)土壓動(dòng)態(tài)、連續(xù)平衡。

土壓平衡盾構(gòu)最初用于細(xì)顆粒含量（d<0.075 mm）在20%～30%的土體，所以，渣土改良前應(yīng)根據(jù)土層顆粒級(jí)配曲線分析土體細(xì)顆粒含量。若細(xì)顆粒含量不足，應(yīng)額外添加膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行補(bǔ)充細(xì)顆粒后再添加泡沫進(jìn)行改良，富水時(shí)還應(yīng)加入聚合物對(duì)渣土進(jìn)行絮凝;若細(xì)顆粒含量過大且具有較大黏聚性，應(yīng)添加分散劑溶液對(duì)其進(jìn)行分散后再添加泡沫對(duì)渣土進(jìn)行改良。

根據(jù)盾構(gòu)隧道穿越富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層的特點(diǎn)，分別對(duì)礫砂和泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，得出不同斷面破碎后的細(xì)顆粒含量，確定相應(yīng)復(fù)合地層的渣土改良方案。對(duì)礫砂用震篩機(jī)進(jìn)行震動(dòng)篩分試驗(yàn)，對(duì)破碎后的泥質(zhì)粉砂巖用水分法分級(jí)過篩進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，分別得出礫砂和泥質(zhì)粉砂巖的顆粒級(jí)配曲線，如圖3所示。由級(jí)配曲線可知，礫砂中細(xì)粒含量幾乎為0，泥質(zhì)粉砂巖中細(xì)粒含量達(dá)到30%左右。

2.2 泡沫的制備

根據(jù)彭磊等的研究，采用泡沫劑溶液濃度為3%發(fā)出的泡沫改良渣土效果最理想。實(shí)驗(yàn)室采用的泡沫劑取于施工現(xiàn)場(chǎng)，確保試驗(yàn)結(jié)果對(duì)施工的指導(dǎo)性。將泡沫劑溶液通過發(fā)泡系統(tǒng)制備泡沫，如圖4所示。

2.3 膨潤(rùn)土泥漿的準(zhǔn)備

對(duì)于缺乏細(xì)顆粒的富水砂層，需要添加膨潤(rùn)土泥漿填充顆粒間的空隙，降低滲透系數(shù)并增加土體流塑性。具有一定黏度的膨潤(rùn)土泥漿可以有效地包裹住大粒徑土顆粒，增強(qiáng)土體的流動(dòng)性，減少土體與刀盤之間的摩擦，但泥漿黏度過大可能會(huì)造成泥漿輸送系統(tǒng)的壓力過大，不利于流暢泵送。對(duì)于富水砂層，膨潤(rùn)土泥漿黏度在20～30 mPa·s之間改良效果較好。為獲得理想黏度對(duì)應(yīng)的膨潤(rùn)土泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，實(shí)驗(yàn)室采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行了5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤(rùn)土泥漿黏度測(cè)試，如圖5所示。

通過膨潤(rùn)土泥漿試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1∶8時(shí)，符合盾構(gòu)施工用膨潤(rùn)土泥漿黏度要求。

2.4 渣土懸浮劑和泥巖分散劑溶液

當(dāng)掌子面土層處于富水條件，僅僅用泡沫和膨潤(rùn)土泥漿改良時(shí)，渣土流動(dòng)性過大，且水易從土樣中析出。此時(shí)需要另外添加渣土懸浮劑等聚合物，將自由水絮凝成膠體與渣土均勻攪拌混合，如圖6（a）所示。當(dāng)掌子面地層細(xì)顆粒含量大于20%且黏性較大時(shí)，僅僅添加泡沫和水無法將黏聚在一起的渣土分散均勻改良，需要先添加泥巖分散劑溶液，將渣土攪拌均勻分散后，再添加泡沫對(duì)其進(jìn)行改良，如圖6（b）所示。

3 渣土改良配比試驗(yàn)

3.1 渣土改良試驗(yàn)方案及斷面的選取

盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，整個(gè)掌子面土層組成處在動(dòng)態(tài)變化過程中。選取5種不同泥巖體積比例的掘進(jìn)斷面（掌子面泥質(zhì)粉砂巖體積占比分別為10%、30%、50%、70%、90%），并對(duì)不同掌子面土層進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，如圖7所示。

通過顆粒級(jí)配曲線分析，礫砂∶泥質(zhì)粉砂巖=9∶1、7∶3、1∶1、3∶7、1∶9斷面對(duì)應(yīng)的細(xì)顆粒含量分別約為3%、9%、15%、21%、27%。初步可以根據(jù)細(xì)顆粒含量選擇改良劑類型并計(jì)算膨潤(rùn)土泥漿用量。

3.2 10%泥質(zhì)粉砂巖質(zhì)量比渣土的改良試驗(yàn)

室內(nèi)制備10%泥巖體積含量的復(fù)合地層，通過加水使含水率接近原位地層含水率的20%～25%。

由于泥質(zhì)粉砂巖含量較少，由級(jí)配曲線可知刀具破碎后細(xì)顆粒含量約為3%，根據(jù)理想渣土細(xì)顆粒含量可計(jì)算出膨潤(rùn)土泥漿注入比在17%～27%之間，改良方法主要以膨潤(rùn)土泥漿補(bǔ)充細(xì)顆粒、泡沫增加渣土流動(dòng)性為主，經(jīng)立式砂漿攪拌機(jī)充分均勻混合后測(cè)其坍落度。在只添加水、不添加泡沫和膨潤(rùn)土泥漿時(shí)，渣土不具有較好的流塑性，如圖8（a）所示，改良效果不佳。采用泡沫注入率和膨潤(rùn)土泥漿注入率梯度為5%，高分子聚合物注入率梯度為0.5%，進(jìn)行多組改良試驗(yàn)。當(dāng)泡沫注入為10%時(shí)，由于渣土含水率過高，在泡沫改良作用下坍落度達(dá)到246 mm，滲透系數(shù)為5.68×10 m/s，此時(shí)渣土流動(dòng)性過大，不利于排渣，滲透系數(shù)也未達(dá)到抗?jié)B要求。重新配置土樣，先添加聚合物，注入率為0.5%、1%、1.5%，當(dāng)聚合物注入率為1%時(shí)，渣土中自由水絮凝呈膠狀物，避免了含水率過高對(duì)渣土流動(dòng)性的影響，隨著聚合物注入率的增大，渣土中自由水絮凝過度，流動(dòng)性太差。在聚合物注入率1%的基礎(chǔ)上，添加注入率為5%、10%、15%、20%、25%、30%的泡沫，當(dāng)泡沫注入率為20%時(shí)，渣土坍落度為178 mm，流動(dòng)性較好，但滲透系數(shù)為10^-4m/s數(shù)量級(jí)，未達(dá)到渣土抗?jié)B要求，在聚合物和泡沫改良基礎(chǔ)上添加注入率為5%、10%、15%、20%、25%、30%的膨潤(rùn)土泥漿，當(dāng)膨潤(rùn)土泥漿注入率為20%～25%時(shí)，高分子聚合物用量為1%，泡沫注入率為20%左右時(shí)，改良后渣土坍落度為182 mm，如圖8（b）所示，十字板剪切強(qiáng)度為0.66 kPa，滲透系數(shù)為8.72×10 m/s，可見膨潤(rùn)土泥漿、聚合物和泡沫顯著改善了大比例砂層斷面渣土的流塑性，減小了土體與刀具間的摩擦，降低了渣土滲透系數(shù)，可避免發(fā)生噴涌。

3.3 30%、50%、70%泥質(zhì)粉砂巖占比渣土的改良試驗(yàn)

在室內(nèi)分別制備30%、50%、70%不同泥質(zhì)粉砂巖體積含量的復(fù)合地層，通過加水使其含水率接近原位地層含水率。由于泥質(zhì)粉砂巖含量逐漸增加，混合土體細(xì)顆粒含量增加，此時(shí)，改良以添加泡沫，增加土體流動(dòng)性為主。

通過顆粒級(jí)配分析，為保證渣土細(xì)顆粒含量在20%～30%之間，泥巖含量為30%、50%、70%時(shí)，應(yīng)分別添加膨潤(rùn)土泥漿11%～21%、5%～15%、0～9%，泡沫注入率梯度為5%，設(shè)置了5%、10%、15%、20%、25%、30%共6種不同泡沫注入率，通過渣土坍落度、滲透系數(shù)和剪切強(qiáng)度來確定不同泥巖含量復(fù)合地層渣土改良泡沫注入率和膨潤(rùn)土泥漿注入率。經(jīng)立式砂漿攪拌機(jī)充分均勻混合后，分別測(cè)3種泥巖比例渣土的坍落度、剪切強(qiáng)度及滲透系數(shù)。泥巖含量為30%時(shí)：膨潤(rùn)土泥漿注入率為13%～18%，泡沫注入率為25%左右時(shí)，改良后渣土坍落度為198 mm，十字板剪切強(qiáng)度為0.55 kPa，滲透系數(shù)為5.63×10 m/s;泥巖含量為50%時(shí)：膨潤(rùn)土泥漿注入率為8%～13%，泡沫注入率為30%左右時(shí)，改良后渣土坍落度為202 mm，十字板剪切強(qiáng)度為0.51 kPa，滲透系數(shù)為4.21×10 m/s;泥巖含量為70%時(shí)：1∶5泥巖分散劑溶液注入比為2%，泡沫注入率為40%左右時(shí)，改良后渣土坍落度為188 mm，十字板剪切強(qiáng)度為0.31 kPa，滲透系數(shù)為3.46×10 m/s。如圖9所示，渣土均具有較好的流塑性。

3.4 90%泥質(zhì)粉砂巖質(zhì)量比渣土改良試驗(yàn)

由于砂層含量較少，改良方法可近似采用全斷面泥質(zhì)粉砂巖改良參數(shù)，采用泡沫和水改良渣土流動(dòng)性，當(dāng)渣土“結(jié)泥餅”或凝聚成團(tuán)時(shí)，還應(yīng)加入適量的泥巖分散劑溶液。經(jīng)立式砂漿攪拌機(jī)充分均勻混合后測(cè)其坍落度，當(dāng)泡沫注入率為40%時(shí)，改良后渣土坍落度為113 mm，如圖10（a）所示，此時(shí)渣土流塑性不好，易“結(jié)泥餅”卡住刀盤。當(dāng)繼續(xù)添加泡沫達(dá)到50%、60%時(shí)，渣土流塑性變化不大，仍然黏結(jié)成團(tuán)附著在攪拌機(jī)葉片上，如圖10（b）所示，顯然，當(dāng)渣土中細(xì)顆粒含量較大且黏性較強(qiáng)時(shí)，只添加泡沫改良無法達(dá)到流塑性要求，添加3%的泥巖分散劑溶液后渣土具有較好的流塑性，坍落度為198 mm，十字板剪切強(qiáng)度為0.38 kPa，滲透系數(shù)為2.08×10 m/s，如圖10（c）、（d）所示。

3.5 渣土改良的建議參數(shù)

根據(jù)上述試驗(yàn)研究，不同泥巖體積占比的富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層渣土改良配比參數(shù)如圖11所示，其他不同比例富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層可按圖11進(jìn)行線性差值確定改良劑配比方案。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著泥質(zhì)粉砂巖占比逐漸增大，刀具破碎后復(fù)合地層細(xì)顆粒含量增加，泡沫注入率從20%增加至50%時(shí)，膨潤(rùn)土泥漿注入率從20%遞減為0。泥巖占比為10%時(shí)，富水礫砂含量較大，在富水時(shí)需添加渣土懸浮劑等聚合物進(jìn)行絮凝;當(dāng)泥巖占比大于50%時(shí)，泡沫注入率顯著增加，需要更多的泡沫對(duì)渣土進(jìn)行潤(rùn)滑和分散作用;當(dāng)泥巖占比大于70%時(shí)，不再需要膨潤(rùn)土泥漿作為封堵材料降低渣土滲透系數(shù)，渣土自身細(xì)顆粒含量較高，在刀盤破碎和攪拌作用下可有效填充顆粒間隙，達(dá)到抗?jié)B作用，同時(shí)，需要添加泥巖分散劑溶液對(duì)渣土進(jìn)行分散作用，利于泡沫進(jìn)入土顆粒間，改善渣土流動(dòng)性。

4 渣土改良效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證改良后的渣土是否滿足流塑性及盾構(gòu)掘進(jìn)要求，需要確定渣土評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)渣土改良效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。從渣土的流塑性、抗剪強(qiáng)度、滲透性三方面評(píng)價(jià)渣土改良效果。

4.1 坍落度試驗(yàn)

由圖12中坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在坍落度150～200 mm范圍內(nèi)，富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層在不同比例斷面下的最佳泡沫注入比在20%～50%之間時(shí)，隨著泥巖比例逐漸增加，泡沫用量也逐漸增加。

4.2 十字板剪切試驗(yàn)

渣土的剪切強(qiáng)度直接影響刀具的摩擦損耗，改良后的渣土可有效降低摩擦角和剪切強(qiáng)度，保護(hù)刀具。改良后的渣土流動(dòng)性較大，無法通過直剪試驗(yàn)測(cè)得渣土剪切強(qiáng)度，因而采用數(shù)顯便攜式十字板剪切儀研究改良后富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層渣土的不排水剪切強(qiáng)度。試驗(yàn)過程如圖13所示。

未添加改良劑之前，混合渣土剪切強(qiáng)度為10～15 kPa，注入泡沫等改良劑均勻攪拌后，渣土剪切強(qiáng)度為3～7 kPa。改良劑的加入顯著降低了渣土的剪切強(qiáng)度，減少了土體與刀盤及刀具之間的摩擦，延長(zhǎng)了刀具壽命。

4.3 加壓滲透試驗(yàn)

加壓滲透裝置如圖14所示，既能施加不同水壓模擬不同埋深時(shí)盾構(gòu)機(jī)的地下水壓，還能施加不同圍壓模擬不同埋深時(shí)盾構(gòu)機(jī)的土倉壓力，可較好地再現(xiàn)土倉內(nèi)的渣土環(huán)境。滲透試樣高40 mm，直徑70 mm，試樣周圍是壓力腔，上方和下方放有透水石和濾紙，滲透壓力和圍壓通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)，壓力調(diào)節(jié)范圍為0～0.8 MPa。

在圍壓200 kPa、滲透壓力150 kPa工況下對(duì)不同比例復(fù)合地層改良后渣土進(jìn)行滲透試驗(yàn)。5種復(fù)合地層改良后渣土滲透系數(shù)均小于10 m/s，滿足盾構(gòu)施工要求，不會(huì)發(fā)生噴涌現(xiàn)象。通過對(duì)比不同泥

巖比例地層，當(dāng)泥巖含量增加或膨潤(rùn)土泥漿注入率增加時(shí)，渣土滲透系數(shù)都逐漸減小，如圖15所示，即泥巖在刀盤破碎后，細(xì)顆粒和膨潤(rùn)土泥漿增強(qiáng)了復(fù)合地層渣土的堵水結(jié)構(gòu)。

5 現(xiàn)場(chǎng)渣土改良統(tǒng)計(jì)分析與效益對(duì)比

根據(jù)圖11，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同體積占比的富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層，渣土改良參數(shù)及評(píng)價(jià)效果如表1所示。

為評(píng)價(jià)試驗(yàn)得到的渣土改良配比及其改良效果，將七民區(qū)間右線隧道試驗(yàn)優(yōu)化后的渣土改良配比、泡沫注入率與現(xiàn)場(chǎng)采用的改良配比和泡沫注入率進(jìn)行對(duì)比，如圖16所示。

從圖16可以看出，右線平均每環(huán)泡沫原液用量為96 L，優(yōu)化后平均每環(huán)泡沫原液用量為48 L。泡沫劑原液市場(chǎng)價(jià)格5 000～10 000元/t，優(yōu)化后每環(huán)可節(jié)約施工成本約240～480元，整個(gè)區(qū)間節(jié)約90萬～170萬元。

6 結(jié)論

在已有渣土改良方法及改良效果評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，通過不同體積占比的富水礫砂泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層顆粒級(jí)配分析，研究復(fù)合地層土層動(dòng)態(tài)變化過程中的渣土改良方案，得到以下結(jié)論：

1）基于不同體積占比的復(fù)合地層掌子面土樣顆粒級(jí)配分析及室內(nèi)改良試驗(yàn)可得，隨著泥巖占比從10%增加至90%，復(fù)合地層泡沫注入率從20%增加至50%，膨潤(rùn)土泥漿注入率從20%逐漸減小至0。

2）泥巖占比為10%時(shí)，富水礫砂地層含水率較高，應(yīng)先添加1%左右懸浮劑和膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行絮凝堵水，再添加泡沫改善其流塑性;泥巖占比大于70%的地層，黏粒含量較多，渣土成塊，應(yīng)先添加2%～3%分散劑溶液將黏性顆粒分散，再添加泡沫改善其流塑性。

3）通過渣土級(jí)配分析可知，土體被刀盤破碎后細(xì)顆粒含量在20%～30%區(qū)間效果最佳，只需添水和泡沫改良即可滿足流塑性和滲透性要求。當(dāng)細(xì)顆粒含量小于20%時(shí)，需添加膨潤(rùn)土泥漿降低渣土滲透性;當(dāng)細(xì)顆粒含量大于30%時(shí)，需添加分散劑溶液將細(xì)顆粒分散，有利于泡沫進(jìn)入土顆粒間分散或潤(rùn)滑渣土，改善渣土流動(dòng)性。

4）通過室內(nèi)試驗(yàn)渣土改良方案研究及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，在不同體積泥巖占比復(fù)合地層中，優(yōu)化后的改良參數(shù)能夠穩(wěn)定控制改良效果，且泡沫原液用量約降低50%。

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（編輯 胡玲）