劉 飛，楊小龍，冉江陵，吳田濤，楊 鵬，王樹英

(1.中鐵五局集團有限公司城市軌道交通工程分公司，湖南 長沙 410205；2.中鐵開發(fā)投資集團有限公司，云南 昆明 650100；3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

0 引言

隨著土壓平衡盾構(gòu)的廣泛應(yīng)用，盾構(gòu)常需穿越富水粗顆粒地層，其中典型的有南寧和昆明地區(qū)的礫砂、圓礫地層及成都和北京等地區(qū)的砂卵石地層。此類地層粒徑較大，大于2 mm的顆粒含量較高，黏聚力低，孔隙率高且透水性強，地層自身具有一定的強度，但受到擾動易突然坍塌[1]。土壓平衡盾構(gòu)在此類地層中掘進時，由于渣土塑流性較差，不利于螺旋輸送機排土，土艙壓力不易控制，難以有效平衡開挖面的水土壓力[2]，易誘發(fā)過大的地層沉降乃至地表塌陷；在富含地下水的粗顆粒土中掘進，螺旋輸送機中渣土在高水壓的作用下易發(fā)生噴涌，導(dǎo)致土艙壓力難以維持；渣土易對刀具、螺旋輸送機產(chǎn)生磨損，甚至導(dǎo)致螺桿斷裂，延誤盾構(gòu)掘進進度[3]。

盾構(gòu)掘進中許多問題都與渣土狀態(tài)相關(guān)[4-7]。為保證盾構(gòu)的順利施工，國內(nèi)外一些學(xué)者開展了關(guān)于渣土改良的研究。如：肖超等[4]指出渣土改良參數(shù)優(yōu)化后盾構(gòu)總推力、轉(zhuǎn)矩和土艙壓力相對平穩(wěn)；R.Vinai等[8]測得泡沫改良渣土后螺旋輸送機轉(zhuǎn)矩大幅度減小，土艙壓力波動性減??；程池浩等[9]針對砂礫地層，證實了渣土經(jīng)合理改良后，有利于土艙壓力與螺旋輸送機壓力的平穩(wěn)，可以減小盾構(gòu)掘進載荷，明顯提升施工效率；許愷等[10]根據(jù)現(xiàn)場試驗的結(jié)果指出，合理的泡沫摻量有利于盾構(gòu)快速掘進，緩解刀盤磨損，降低轉(zhuǎn)矩；邱龑等[11]依托富水砂層中某盾構(gòu)工程，通過室內(nèi)試驗確定了以泡沫、膨潤土為主的改良方案，研究表明渣土改良有助于穩(wěn)定刀盤轉(zhuǎn)矩及推進速度；胡長明等[12]確定了改良富水砂卵石所用泡沫溶液的濃度與摻入比，基于盾構(gòu)推力、土艙壓力、刀盤轉(zhuǎn)矩、掘進速度及出土量等參數(shù)間接評價改良效果。

已有研究表明，渣土改良會顯著影響盾構(gòu)掘進參數(shù)，進而對地層變形產(chǎn)生影響。但目前礫砂地層盾構(gòu)渣土改良相關(guān)的研究還較少，其與掘進參數(shù)的關(guān)系尚不明確，需要開展深入研究。本文依托昆明地鐵4號線小菜園站-火車北站盾構(gòu)區(qū)間(簡稱小-火盾構(gòu)區(qū)間)盾構(gòu)隧道工程，研究富水礫砂地層渣土改良對盾構(gòu)掘進的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出合理改良建議與渣土狀態(tài)評價指標。

1 工程概況

昆明地鐵4號線小-火盾構(gòu)區(qū)間起訖里程為K8+435.252～K9+966.915，全長約1 531.663 m。隧道洞徑為6.2 m，覆土厚度為11～33 m，自小菜園站至火車北站段隧道底板埋深逐漸加大。隧道位于富水地層，地下水位為1.8～4.5 m。盾構(gòu)主要穿越圓礫層與礫砂層。各地層的主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。小-火盾構(gòu)區(qū)間沿線的地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

表1 地層力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of various soils

圖1 小-火盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖Fig.1 Geological profile of Xiaocaiyuan Station-Railway North Station section

選取盾構(gòu)右線里程K8+528.3～+542.7作為試驗段，盾構(gòu)主要穿越礫砂地層，該區(qū)段內(nèi)的渣土級配曲線如圖2所示。大于2 mm的顆粒占渣土總質(zhì)量的34%～47%，根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[13]中提供的土的工程分類方法，該類渣土屬于典型的礫砂土。盾構(gòu)采用輻板式刀盤，開口率為40%，開挖直徑為6.44 m，盾體長度為8.36 m，額定轉(zhuǎn)矩為6 700 kN·m，最大推力為42 550 kN。

圖2 試驗區(qū)段的渣土級配曲線Fig.2 Soil gradation curves of test section

2 渣土改良效果評價

土壓平衡盾構(gòu)在富水礫砂地層中掘進時，盾構(gòu)渣土需滿足塑流性與滲透性的要求。為此對盾構(gòu)掘進過程中排出的渣土進行取樣試驗，測試其坍落度與滲透系數(shù)，以確定合理的改良方案。

2.1 滲透試驗

渣土改良另一個重要目的是減小渣土的滲透性，增強其止水性，從而降低螺旋輸送機發(fā)生噴涌的風(fēng)險。滲透系數(shù)是評價渣土改良效果的一個重要參數(shù)，對渣土進行滲透試驗，測試其經(jīng)過渣土改良后的滲透系數(shù)。滲透試驗采用自主設(shè)計的可調(diào)壓常水頭大型滲透儀，對第79環(huán)和81環(huán)取得的渣土分別進行了滲透性測試(見圖3)。試樣高度為53 cm和56 cm，上部水頭為12 m，試驗土樣為盾構(gòu)螺旋輸送機排出的渣土。

圖3 渣土滲透試驗Fig.3 Permeability test of soil

改良渣土滲透試驗結(jié)果如圖4所示。圖中試樣1為第79環(huán)渣土，試樣2為第81環(huán)渣土。隨著試驗的進行，渣土中的細顆粒逐漸被滲流水攜帶至土樣的底部，滲透系數(shù)隨測試時間的增加而降低。2組試樣的滲透系數(shù)變化基本一致，在2 h后的滲流量為0，說明在試驗水頭作用下，渣土已經(jīng)完全不透水。此外，土樣的初始滲透系數(shù)僅為1.2×10-7m/s，其滲透性完全可以滿足本區(qū)段中盾構(gòu)掘進的抗?jié)B性要求。

圖4 改良渣土滲透試驗結(jié)果Fig.4 Permeability test results of conditioned soil

2.2 坍落度試驗

對第74-82環(huán)盾構(gòu)排出的渣土進行了坍落度試驗(見圖5)。為防止泡沫消散對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，每組試驗應(yīng)在3 min內(nèi)完成。測試結(jié)果及對應(yīng)的改良參數(shù)如表2所示。該區(qū)段內(nèi)僅使用了少量泡沫配合注水來改良渣土，其中泡沫體積分數(shù)為3%，發(fā)泡倍率約為8，單環(huán)泡沫原液用量為15～20 L。根據(jù)試掘進經(jīng)驗，當渣土坍落度大于12 cm時，渣土易從螺旋輸送機口噴出。盾構(gòu)在試驗段內(nèi)掘進時，渣土坍落度相對較小，第78、79、81、82環(huán)的坍落度為5～10 cm，其余坍落度為0～5 cm。

(a) 第74環(huán) (b) 第75環(huán) (c) 第76環(huán)

表2 現(xiàn)場坍落度試驗結(jié)果表Table 2 Results of slump tests on site

渣土坍落度與含水率的關(guān)系如圖6所示。可以看出:渣土坍落度與含水率呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，含水率越大，坍落度也較大。對于小-火盾構(gòu)區(qū)間的礫砂類地層，當泡沫用量較少時，可通過增加水的用量改善渣土的塑流狀態(tài)。

圖6 渣土坍落度與含水率的關(guān)系Fig.6 Relationship between slump value and water content

2.3 試驗段改良渣土狀態(tài)評價

目前國內(nèi)外學(xué)者認為理想渣土的坍落度為10～20 cm[4,8,11,14-17]，在本試驗段中渣土的坍落度都小于10 cm，依據(jù)此前學(xué)者提出的標準，試驗段中的渣土塑流性較差。理想渣土坍落度本身是一個定性概念，受掘進模式、土艙壓力和地層條件等影響，不同文獻所針對的渣土與工程背景不同，導(dǎo)致確定取值時具有很強的主觀性。本文采用坍落度來評價渣土改良效果時，未采用預(yù)設(shè)合理值，而是通過分析盾構(gòu)掘進的實際效果，來確定適用于本工程的坍落度范圍，進而給出相應(yīng)的改良方案。國內(nèi)外學(xué)者基本都認為改良渣土滲透系數(shù)的數(shù)量級為10-7m/s[12,14,18-22]。依據(jù)此標準，試驗段內(nèi)的改良渣土滲透系數(shù)滿足要求。事實上，上述文獻中所謂的"建議值"往往沒有明確來源，而是依靠工程經(jīng)驗確定。改良渣土的合理滲透系數(shù)控制為10-7m/s量級時，認為基本滿足抗?jié)B性要求，但具體效果仍需通過實際掘進效果來評價。

綜上所述，就已有文獻的標準而言，試驗區(qū)段中的盾構(gòu)渣土的抗?jié)B性基本滿足要求，塑流性偏低，但由于坍落度與滲透系數(shù)的取值比較依賴經(jīng)驗，主觀性較強。渣土改良作為保證盾構(gòu)順利掘進的一種手段，仍需通過盾構(gòu)實際掘進的效果來檢驗改良方案的合理性。本文在試驗段內(nèi)監(jiān)測盾構(gòu)在各環(huán)掘進時的出渣狀態(tài)，通過分析渣土狀態(tài)與掘進參數(shù)的關(guān)系，驗證渣土改良的可行性。

3 施工期間的掘進參數(shù)分析

渣土改良的最終目的是保證盾構(gòu)掘進過程中不發(fā)生噴涌現(xiàn)象，渣土能夠順利排出，且掘進參數(shù)波動不大，保證盾構(gòu)平穩(wěn)施工。試驗段內(nèi)每環(huán)的地質(zhì)條件基本相同，且在試驗段要求盾構(gòu)操作要連貫一致，可認為在此試驗段內(nèi)的盾構(gòu)掘進參數(shù)變化主要是由渣土狀態(tài)變化引起。通過分析渣土狀態(tài)對總推力、刀盤轉(zhuǎn)矩、比推力、比轉(zhuǎn)矩和推進速度的影響，以此驗證渣土改良效果，最終提出渣土改良的評價指標--坍落度。由于盾構(gòu)記錄系統(tǒng)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致其中部分數(shù)據(jù)缺失，選取試驗段第74、76、79、80、81、82環(huán)的數(shù)據(jù)分析掘進參數(shù)與渣土狀態(tài)的關(guān)系。

3.1 渣土狀態(tài)對總推力和轉(zhuǎn)矩的影響

每環(huán)掘進時總推力的平均值與標準差分別反映推力大小與波動程度，二者與渣土坍落度的關(guān)系如圖7所示。可以看出：1)盾構(gòu)渣土的坍落度與總推力具有負相關(guān)關(guān)系，原因是坍落度越大，渣土的塑流性越好，說明隨著渣土改良不僅有利于渣土輸送，還可以降低盾構(gòu)的推力；2)盾構(gòu)推力的標準差與渣土狀態(tài)的關(guān)系不明顯，原因是各環(huán)的總推力基本都比較平穩(wěn)，以波動較大的一環(huán)為例，標準差也僅為均值的1.9%。

圖7 渣土坍落度與盾構(gòu)總推力、標準差的關(guān)系Fig.7 Variation of total thrust force and standard deviation with slump value

與分析總推力類似，取每環(huán)掘進期間刀盤轉(zhuǎn)矩的平均值與標準差，將其與該環(huán)渣土坍落度聯(lián)系起來，得到如圖8所示的關(guān)系?？梢钥闯觯?)第79、81、82環(huán)的轉(zhuǎn)矩相對較小且平穩(wěn)，而第74、76、80環(huán)的轉(zhuǎn)矩在推進時都有頻繁的波動；2)隨著坍落度逐漸增加，刀盤的轉(zhuǎn)矩在逐漸減小，標準差也在減小，轉(zhuǎn)矩的波動性在減弱，即合適塑流性的渣土能夠控制盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩的波動性。

圖8 渣土坍落度與刀盤轉(zhuǎn)矩、標準差的關(guān)系Fig.8 Variation of cutterhead torque and standard deviation with slump value

3.2 渣土狀態(tài)對比推力和比轉(zhuǎn)矩的影響

盾構(gòu)掘進時的比推力是指盾構(gòu)總推力與貫入度的比值，是衡量盾構(gòu)掘進過程中對推力的需求；比轉(zhuǎn)矩是指盾構(gòu)總轉(zhuǎn)矩與貫入度的比值，是衡量盾構(gòu)掘進時對轉(zhuǎn)矩的需求。二者的計算公式[23-24]如下：

Fn=F/P。

(1)

Tn=T/P。

(2)

式中：Fn為比推力，kN/mm；F為盾構(gòu)總推力，kN；P為貫入度，mm；Tn為比轉(zhuǎn)矩，kN·m/mm；T為盾構(gòu)總轉(zhuǎn)矩，kN·m。

盾構(gòu)在試驗段中掘進時的比推力和比轉(zhuǎn)矩與渣土坍落度的關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯觯?)隨著渣土坍落度的增加，比推力和比轉(zhuǎn)矩均呈現(xiàn)一定程度的減小，這表明隨著渣土塑流性的增強，盾構(gòu)切削地層所需的推力和轉(zhuǎn)矩都將減小，能夠降低盾構(gòu)掘進時的能量消耗；2)比推力和比轉(zhuǎn)矩的變化趨勢基本相同，這表明比推力和比轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，即在此地層中掘進時，盾構(gòu)所需的推力和轉(zhuǎn)矩呈正比。

圖9 渣土坍落度與比推力、比轉(zhuǎn)矩的關(guān)系Fig.9 Variation of specific thrust and specific torque with slump

value

3.3 渣土狀態(tài)對推進速度的影響

渣土的塑流狀態(tài)會直接影響盾構(gòu)掘進的效率。為分析這一影響的大小，將掘進速度與對應(yīng)的坍落度繪入圖10中?？梢钥闯觯涸恋奶涠扰c盾構(gòu)掘進速度的關(guān)系不明顯，相關(guān)系數(shù)較低，說明渣土狀態(tài)有助于促進盾構(gòu)的高效掘進，但并非決定性因素。

圖10 渣土坍落度與掘進速度的關(guān)系Fig.10 Variation of tunneling speed with slump value

坍落度反映出渣土的塑流狀態(tài)，對富水礫砂地層盾構(gòu)掘進有明顯影響，塑流性更好的渣土對應(yīng)著較低的推力和刀盤轉(zhuǎn)矩，且有助于提高盾構(gòu)掘進速度。在分析了盾構(gòu)掘進效果后可知：1)隨著渣土坍落度的增加，盾構(gòu)掘進時的推力和轉(zhuǎn)矩逐漸減??；2)在滿足渣土塑流性與滲透性要求的條件下，第81、82環(huán)的更有利于掘進參數(shù)的控制，且試驗段內(nèi)實際掘進效果較好。

對于本區(qū)段內(nèi)的富水礫砂地層，可將合理的渣土坍落度取為5～10 cm，并在實際施工的基礎(chǔ)上確定合理改良參數(shù)如下：泡沫劑體積分數(shù)為3%、發(fā)泡率為8，每環(huán)泡沫原液消耗量為20 L，并額外注水3～6 m3。在盾構(gòu)采用此改良參數(shù)后，掘進較為順利，且施工中未發(fā)生結(jié)泥餅和噴涌現(xiàn)象，并保證了隧道的按時貫通，表明了渣土改良參數(shù)適用于此類富水礫砂地層。

4 結(jié)論與討論

1)昆明地區(qū)礫砂土的坍落度與含水率呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，含水率越大，坍落度也較大。在滲透試驗過程中，渣土中的細顆粒逐漸被滲流水攜帶至土樣的底部，滲透系數(shù)隨測試時間的增加而降低，在2 h后減小為0。

2)通過分析渣土的塑流狀態(tài)與掘進參數(shù)間的關(guān)系可知，塑流性較好的渣土對應(yīng)著較低的刀盤轉(zhuǎn)矩、推力、比推力和比轉(zhuǎn)矩，能夠提高盾構(gòu)推進速度，說明塑流性較好的渣土能夠有效降低盾構(gòu)能耗，提高掘進效率。

3)本區(qū)間渣土具有一定的黏性，過小的坍落度(0～5 cm)不利于螺旋輸送機出土，建議酌情增加改良劑或增加注水量，提高渣土的流動性。對掘進參數(shù)與地層擾動的分析可知，坍落度達到5～10 cm即可滿足施工要求。

本文依托工程現(xiàn)場開展研究，獲得了諸多有益結(jié)論，但仍存在一定的局限性。盾構(gòu)掘進過程中的理想渣土狀態(tài)受多種因素影響，如盾構(gòu)掘進模式、土艙壓力、地質(zhì)條件等，本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，依托昆明地鐵4號線小-火盾構(gòu)區(qū)間，提出了適用于當前條件下的渣土改良參數(shù)，但更深層次的規(guī)律還有待于在本工程的其他區(qū)段或其他類似工程進一步采集數(shù)據(jù)分析。