DOI∶10.13245/j.hust.238892随着我国城市化进程的不断推进，地铁、地下综合管廊、电缆隧道等地下结构的建设与完善程度逐渐成为衡量城市发展水平的重要标准．土压平衡盾构由于设备及施工简单、适应地层范围大，被广泛使用．目前土压平衡盾构已经应用于世界上90%的盾构隧道建设，成为城市地铁隧道和综合管廊建设的主要掘进装备[1]．富水砂卵石地层进行土压平衡盾构掘进施工时，渣土的工作性能(和易性与抗渗性)是保证盾构机能够安全快速掘进的关键因素．合理的渣土改良方案能够显著提高盾构掘进速率，减少刀具磨损，防止螺机发生喷涌事故．目前针对砂卵石地层的渣土改良技术，主要是通过向刀盘前方的渣土注入泡沫或膨润土等改良剂改良渣土．但是由于不同地区砂卵石地层的工程地质和水文地质条件各有不同，改良剂选用及配合比方案不尽相同．王卫华等[2]以泡沫剂作为砂卵石土的改良剂，认为泡沫剂的注入百分比为7%~8%时，土体的改良效果最好．董金玉等[3]通过室内试验得出砂卵石土的泡沫注入率与含石量有关．AndreaCarigi等[4]研究表明泡沫与待处理土壤的体积比(FIR)为40%时渣土的均匀性和流动性可以满足要求．朱自鹏[5]认为在砂卵石地层中单独掺入钠基膨润土时，其泥浆注入比应控制在1∶10~1∶15之间，张润来等[6]研究表明，当膨润土泥浆质量分数为14.3%，单独注入体积分数为20%时的改良效果良好．贺少辉等[7]、张淑潮等[8]采用膨润土泥浆和泡沫混合掺入的方法对砂卵石地层进行改良，结果表明泥浆和泡沫混合掺入比分别为7%和8%时可使渣土同时满足和易性与抗渗性要求．传统的渣土改良方案虽然对砂卵石地层具有一定的改良效果，但是也存在一些弊端．对于含水量较大、地下水位较高的砂卵石地层，泡沫对地层的渗透性改良效果则有限[9]，且泡沫本身不稳定，改良效果会随时间逐渐降低[10]；膨润土虽然能显著提高渣土的抗渗性，但也存在用量较大、不利于环保等问题；采用泡沫-膨润土混合掺入的改良方案对盾构机结构及场地要求较高，对一些小型盾构机并不适用．针对传统砂卵石地层渣土改良方法的不足，本研究采用一种新型盾构材料-衡盾泥作为改良剂对砂卵石地层进行改良．衡盾泥是一种高黏度的触变泥浆，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀释带走，与土体混合后能够显著提高渣土的抗渗性，目前主要应用于带压开仓的泥膜护壁作业[11-12]．以长沙某小半径电力隧道盾构区间砂卵石地层盾构施工为案例，首先对衡盾泥进行泥浆性能试验，再将衡盾泥泥浆掺入到富水砂卵石中行改良，通过坍落度试验和渗透试验对改良效果进行评价，确定最佳掺入比；接着进行现场盾构掘进施工实践，对改良方案进行验证，为今后类似地层盾构施工渣土改良提供参考．1 工程概况1.1　基本概况本隧道盾构工程全长6 601.959 m，起讫里程为ZDK0+000～ZDK5+957.012，盾构过程中使用的盾构机为小型盾构机，开挖直径为4.35 m．盾构穿越地层有板岩、砾岩、富水砂卵石等，其中富水砂卵石主要分布在DK1+170-DK2+500，DK2+935-DK3+220和DK4+930-DK5+220三个区间段，共计1 905 m，约占隧道盾构段总长的1/3，图1为工程地层分布与盾构隧道走向示意图．.F001图1地层分布与盾构隧道走向示意图1.2　工程地质在部分区段卵石层，厚度最大达60 m，地层渗透性较大，平均渗透系数为25.2~37.8 m/d，隧道最大计算涌水量可达到556.47~970.77 m³/d，卵石层的级配和颗粒分布情况如图2所示，β为小于某粒径的土粒质量占总质量的比例．基岩的埋藏深度较大，围岩级别较低(主要为Ⅴ级围岩)，岩体松散破碎，自稳能力较差．富水砂卵石土层中的孔隙水主要由大气降水和浏阳河径流侧向渗透补给，故地下水位的变化与浏阳河的水力联系非常密切，呈互补关系．由于浏阳河系湘江支流，平水期浏阳河补给湘江，丰水期易形成湘江“倒灌”浏阳河现象，河流水位急剧抬升，河水向附近土层补给地下水，导致地下水位也随之升高．盾构掘进经过富水砂卵石地层时，在靠近月湖和浏阳河的区域，砂卵石地层含水极为丰富，发生喷涌事故的风险较大．.F002图2富水砂卵石级配及颗粒分布曲线1.3　特殊工况在前期的富水砂卵石地层盾构施工过程中，水文地质和工程地质条件复杂、施工经验不足、渣土改良效果不佳等，盾构机刀盘扭矩和螺机扭矩均偏大，螺机出渣困难，并发生了轻微的螺机喷涌事故．喷涌发生后台车区域被泥沙等渣土散布，工人无法进行盾构施工作业，由于盾构机内没有相应的清理排污设备，因此只能使用铲子将喷涌出来的泥沙等渣土装进袋子中，通过运渣车运至洞外，严重影响了盾构施工进度．2 衡盾泥性能试验衡盾泥是一种由改性黏土材料(A料)、塑化剂(B料)和水混合拌制而成的浆体．由于过去对衡盾泥的应用多是将其用于保压开舱，所配置的衡盾泥较为浓稠，无法满足盾构掘进过程中渣土改良的要求，因此须对其重新进行配合比试验，得出适用于渣土改良的试验配合比．配置泥浆时，先将水和A料混合拌匀成A料浆体(A液)，然后加水稀释B料形成混合液(B液)，按一定比例混合即可得到衡盾泥泥浆．影响衡盾泥泥浆比重和黏性的主要因素有A料配合比(质量比)及A液和B液配合比，因此在衡盾泥性能试验设计中应重点考虑这两个因素的影响．在正式试验前进行一个简单的预实验，通过预实验结果可知：当A料配合比为1∶1，A液和B液配合比小于等于30∶1时，形成的衡盾泥均呈现为可塑状；当A料配合比为1∶1.5，A液和B液配合比小于等于30∶1时，形成的衡盾泥多呈现为软塑状；当A料配合比为1∶2，A液和B液配合比小于等于30∶1时，形成的衡盾泥多呈现为流塑状，以上三种土体状态均不适合作为盾构渣土改良泥浆．因此，在考虑经济型和适用性的基础上，进行试验设计时可将A料配合比设置为1∶2.5，而A液和B液配合比设置为30∶1，27∶1，24∶1，21∶1，18∶1，15∶1．在试验评价指标上主要设置泥浆相对密度和黏度两个指标，分别采用NC-1006型泥浆黏度计和NB-1型泥浆相对密度计进行试验，结果如表1所示，表中的黏度指NC-1006型泥浆黏度计以泥浆注满黏度计500 ml量筒的流出时间．.T001表1衡盾泥性能试验结果统计表试验编号配合比相对密度黏度/sA料∶水A液∶B液11∶2.530∶11.1782721∶2.527∶11.1753431∶2.524∶11.1793741∶2.521∶11.1845051∶2.518∶11.1866261∶2.515∶11.17680从表1中可以看出：在A料与水配合比为1∶2.5的条件下，所配置的泥浆相对密度基本维持稳定，只在1.176~1.186之间变化，而黏度则随A液与B液配合比的增加变化幅度较大．王彦臻等[13]研究指出：泥浆黏度不高时，黏度越高，滤水量越小，成膜时间越短，泥膜的质量越好且密实，其携带渣土的能力越强；但当黏度过高，就会导致泵送困难，成本增加．根据试验结果和实际工程需要，当A液与B液配合比为24∶1~18∶1，泥浆黏度不会过低导致携带渣土能力弱，也不会过高导致泵送困难，基本符合泥浆在盾构掘进过程中的黏度要求．本研究以A液与B液配合比为18∶1和21∶1为代表进行渣土改良试验，探究其改良效果．3 富水砂卵石渣土改良试验根据工程地质和水文地质条件以及盾构掘进施工中出现的问题，本工程富水砂卵石渣土的改良目的主要包括两个方面：a．提高富水砂卵石渣土的和易性，从而降低刀盘扭矩和螺机扭矩，提高螺机的排土效率，同时减小刀具与砂卵石的摩擦力、减缓刀具的磨损；b．增强富水砂卵石渣土的抗渗性，降低高压水流在土体内的渗流速度，防止发生螺机喷涌问题．为了达到上述目的，首先进行富水砂卵石渣土改良的坍落度试验，通过改良土体的坍落度值及对坍落土体状态的评价确定最佳改良剂掺入比例．在此基础上利用自行设计的垂直渗透仪开展考虑不同土体压力和水力坡降条件下的富水砂卵石渣土改良渗透试验．通过对比不同改良方案下渣土的和易性与抗渗性，优选出最佳的改良配合比方案．最后，结合依托工程开展富水砂卵石渣土改良现场试验和评价工作，验证渣土改良方法的适用性．3.1　改良渣土坍落度试验结合已有研究成果和本课题中富水砂卵石渣土特性，认为改良渣土坍落度为15~20 cm，且无离析、流淌现象发生时，可以满足盾构掘进对渣土塑性流动状态的要求[14-17]．在A料与水配合比为1∶2.5条件下，A液与B液配合比分别取18∶1和21∶1配制衡盾泥，与含水率为15.9%的富水砂卵石土按一定体积比拌和均匀．其中A液与B液配合比为18∶1时，衡盾泥掺入体积比按1∶30与1∶25拌和后进行坍落度试验，A液与B液配合比为21∶1时，衡盾泥掺入体积比按1∶20与1∶15拌和后进行坍落度试验，试验结果见表2．.T002表2衡盾泥性能试验结果A液与B液配合比衡盾泥掺入比坍落度/cm18∶11∶3015.01∶2518.221∶11∶2016.11∶1520.7从表2可以看出：经衡盾泥改良后的富水砂卵石渣土具有较强的黏聚性和保水性，且未出现大颗粒卵石分离和水分或浆液析出的现象．结合改良剂的适用性与经济性，当A液与B液配合比为18∶1时，取掺入比1∶25对富水砂卵石渣土进行改良；当A液与B液配合比为21∶1时，取掺入比1∶20对富水砂卵石渣土进行改良．3.2　改良渣土渗透试验对满足和易性的改良渣土进行渗透试验，确定使渗透系数满足在富水砂卵石地层盾构掘进要求的改良剂配合比方案．在国内不同地区富水砂卵石地层进行盾构掘进时，一般认为改良渣土的渗透系数在1×10-7 m/s数量级即可达到抗渗性要求[18-20]，达到该数量级的改良渣土不会发生螺机喷涌现象，能保证掌子面的水土压力稳定．3.2.1　试验装置由土压平衡盾构施工过程中的渗透喷涌机理可知：在室内进行渗透试验时，应能够模拟出实际盾构过程中的高水压和一定的土压条件，以便能够得出符合现场条件的渗透过程．按照土工试验规范的要求，渗透仪器内径应不小于最大粒径(或者d85，试验土体中小于该粒径的土粒质量百分比占全部土体的85%)的4~6倍．显然试验室中的TS70型的渗透仪并不能满足试验要求，须自行设计渗透仪器．根据试验需要，制作了垂直渗透仪，如图3所示．其中，封底金属圆桶直径为20.7 cm，高度为57.5 cm，圆桶壁厚为5 mm，底部金属孔板孔径为3 mm．封底金属圆桶侧边设计四个内径为0.6 cm的玻璃测压管，两两测压管中心距离为10 cm，测压管与封底金属圆筒之间通过三通阀连接数显式压力表．上下两个出水孔/注水孔设计成水阀以控制水的出入．顶部的反力架高度根据实际中千斤顶的位移量程确定．采用振弦式轴力计和JMZX-3006综合测试仪测量控制所需压力值．此外，在进行高水头压力加载的时候，须使用本试验中的高水压力加载装置，该装置主要由压力罐、空气压缩机和精密数字气压调节阀组成．.F0031—振弦式测力计；2—反力架；3—液压千斤顶；4—承压垫块；5—水流控制阀；6—加载金属孔板；7—试验区；8—封底金属圆桶；9—金属孔板；10—玻璃测压管；11—量尺；12—测压管固定板；13—数显式压力表；14—三通阀；15—出水导管；16—量筒；17—数显式精密调压阀；18—压缩空气；19—压力罐；20—具有一定压力的水．图3　渗透试验装置示意图3.2.2　试验方案试验时衡盾泥按A液与B液配合比为18∶1、注入比1∶25(方案1)及A液与B液配合比为21∶1、注入比1∶20(方案2)两种方案对富水砂卵石进行改良．首先根据规范要求逐层填入渗透仪中，进行常水头渗透试验，得出在不同改良方案下的渣土渗透系数，然后选择合适的方案进行一定上覆压力不同水力坡降条件下的渗透试验．3.2.3　试验结果方案1和2的平均渗透系数分别为6.85×10-7 m/s和1.0×10-7 m/s，均满足盾构渣土的渗透标准，所以综合考虑坍落度和渗透系数二者的改良效果，采用方案1的配合比作为优选的改良方案，并对改良后的渣土施加土压力和水头压力，探究上覆压力为150 kPa时不同水力坡降(i)下渗透系数(k)的变化规律，试验结果如图4所示．.F004图4改良渣土渗透系数随渗透水力坡降变化曲线衡盾泥改良富水砂卵石渣土的渗透系数随水力坡降的变化较钠基膨润土改良土敏感．当i=3.1~8.3时，改良渣土渗透系数仍可保持相对稳定；i10后，渗透出来的水体开始产生浑浊现象，且随着水力坡降的增加，浑浊现象有加重的趋势并伴有气泡冒出，土体内部分衡盾泥已经被水流带出，土体内部结构开始产生变化，改良渣土的渗透系数迅速增大；当i19时，土体表面开始出现比较明显的局部突涌现象，说明此时土体内部已经产生局部涌水通道，k增大至1 μm/s数量级，已不符合盾构渣土的渗透要求．3.3　依托工程渣土改良现场应用评价试验本工程从2号盾构始发井向北向南分两段同时开挖．在北线的盾构施工中，于DK2+500~DK1+170区间进行了全断面富水砂卵石地层盾构掘进．在该区间进行盾构掘进的初期，先后采用了泡沫和膨润土对渣土进行改良，由于施工经验不足，且富水砂卵石地层的平均粒径大等原因，因此渣土改良效果较差，盾构机在掘进过程中刀盘扭矩和螺机扭矩均较大，掘进速度减慢，每一环的掘进时间由原来的20~30 min/环增加至60~78 min/环．图5和图6为在某环处进行盾构开挖时的刀盘扭矩和螺机扭矩的时程曲线(扭矩值可由现场仪器读数直接得到)，在刀盘启动后刀盘扭矩持续增大并维持在较高水平，峰值达1 412 kN∙m，螺机扭矩则随时间的推移，出现比较大的波动，出渣困难并发生了轻微的喷涌．.F005图5刀盘扭矩时程曲线.F006图6螺机扭矩时程曲线为了降低刀盘及螺机的扭矩，提高掘进速率，防止发生喷涌，对该区间段的渣土改良方案进行调整，采用衡盾泥改良方案．进行改良时，保持盾构设备的其他运行和操作状态和未改良时相同，以合理对比评价改良前后的效果．进行现场衡盾泥拌制时，衡盾泥A液采用洞外拌合的方式，通过地面高速剪切泵将衡盾泥A料和水按照质量比为1∶2.5进行循环搅拌，搅拌时间大于10 min．衡盾泥A液通过电瓶砂浆车运输至洞内，衡盾泥A液和B液的混合采取洞内拌合方式，A液与B液拌和体积比为18∶1．将拌制好的衡盾泥以0.9~1.4 m3/环的注入量进行渣土改良，并对改良后每一环掘进过程中刀盘及螺机的扭矩进行监测，图7为刀盘和螺机扭矩随管片环号序列变化的曲线．.F007图7刀盘和螺机扭矩随管片环号序列变化曲线使用衡盾泥进行渣土改良后，刀盘扭矩和螺机扭矩得到显著改善．改良前的刀盘扭矩主要分布在800~1 200 kN∙m区间内，平均值为916.13 kN∙m，普遍偏大，并且扭矩值波动较大，极差达到576 kN∙m；改良后刀盘扭矩显著降低，平均值降低到471.07 kN∙m，主要分布在300~600 kN∙m区间，极差为397.74 kN∙m，数值波动相对较小．改良前后的螺机扭矩平均值变化较小，极差为40.15 kN∙m，改良后仅为12.84 kN∙m，说明改良后螺机的扭矩波动较小，运行更加平稳．同时从施工现场可以观察到：改良后螺机出渣顺畅，且无喷涌现象发生，盾构机掘进效率得以提升，取得较好的改良效果．除了渣土性质以外，土压平衡盾构的刀盘扭矩还与周围土体的物理参数有关，在砂质土层中施工掘进时，土体的内摩擦角、刀盘与土体之间的摩擦系数、刀盘直径、刀盘开口率、土仓压力都会对刀盘扭矩产生明显的影响[21]．在盾构刀盘切削土体的过程中，刀头与土体之间的摩擦、地层阻力、混合土体阻力和刀具摩擦阻力，是盾构刀盘扭矩形成的主要原因[22]．其中正反摩阻扭矩占总扭矩比例最大[23]．螺机的扭矩则与卵石的粒径有较大关系，若大粒径的卵石无法被小直径的螺机及时排出，会造成螺机被卡而无法转动，导致扭矩增大[24]．4 结论a．在衡盾泥性能试验中，当A料与水配合比为1∶2.5，A液与B液配合比为24∶1~18∶1时，衡盾泥的黏度和相对密度基本能满足盾构工程需要．b．采用衡盾泥A液与B液配合比为18∶1，体积掺入比为1∶25或A液与B液配合比为21∶1，体积掺入比为1∶20对富水砂卵石渣土进行改良后，坍落度为16~18 cm，渗透系数为1×10-5 cm/s数量级，且当水力坡降i19时依然能保持一定渗透稳定性，满足土压平衡盾构对改良渣土和易性和抗渗性的要求．c．将A液与B液配合比为18∶1的衡盾泥，按体积掺入比1∶25进行现场盾构渣土改良试验，改良后刀盘扭矩和螺机扭矩得到了显著降低，螺机出渣顺畅，且无喷涌现象发生，盾构机掘进效率得以提升，取得较好的改良效果．