土压平衡盾构工法具有自动化程度高、施工速度快、对地面影响小等优点,已经成为北京地铁区间隧道的主要工法,其工作原理为:通过刀盘旋转切削开挖面土体,切削下来的渣土进入土舱,通过调节螺旋输送机转速控制出土速度,使土舱内压力与开挖面的水土压力保持平衡,以维持开挖面的稳定。理想的渣土应有良好的流塑性、较低的内摩擦力、良好的止水性,以满足对开挖面支撑及顺利出渣的要求。北京地区地层条件复杂,多种地层交错,渣土改良困难,易造成刀具磨损严重、刀盘卡死、地表塌陷等风险事故。因此,结合北京地区典型地层的特点,进行土压平衡渣土改良技术研究非常有必要。

国内部分学者对北京地区典型地层的工程特性和特定地层的渣土改良技术进行研究,乐贵平等^[1] 分析了北京地区典型地层的工程技术特点,并就典型地层盾构选型及施工技术进行了研究。汪国峰^[2] 以北京地铁10号线(二期)为工程背景,对泡沫、膨润土、高分子聚合物等渣土改良材料的作用原理及应用范围进行了研究。姜厚停、王春河、郭彩霞等^[3,4,5] 针对北京地区西部和西南部的无水砂卵石地层(局部含漂石)渣土改良问题进行了研究,得出了无水砂卵石地层应采用泡沫和膨润土作为混合添加剂来进行渣土改良。宁士亮、乔国刚等针对北京地区富水粉细砂层渣土改良技术进行了研究,得出了富水砂层渣土改良以膨润土为主、泡沫为辅^[6,7] 。

目前针对北京地区土压平衡盾构渣土改良技术研究均是结合单个工程项目来进行,缺乏系统性和全面性,本文在分析北京地区典型地层工程特点的基础上,对典型地层渣土改良技术进行了研究,可以为北京地区不同地层渣土改良提供参考和借鉴。

北京地区地势呈西北高、东部低的形态。西山与军都山在南口关沟地区相交,向东南部逐步发展为平原,北京即处于山区与平原相连的地带。北京地区地层条件比较复杂,有较多种类的岩石(土),总体来说可分为基岩和松散堆积物两种。基岩多露出在西部山区地带,有岩浆岩、变质岩、沉积岩等;松散堆积物分布在东南部,主要是各类卵石、砾石、砂、土,自西向东沉积物厚度逐渐增加,粒径逐渐减小。

北京城区存在以下3种典型地层:粉土、粉质黏土、黏土地层,粉细砂、中~粗砂地层和砾石、卵石地层。北京地铁隧道穿越的地层主要是这3种地层,以这3种地层组成的复合地层,少部分穿越全断面岩层或土岩混合层。西部地区以砾石、卵石地层为主,部分地区含有大粒径漂石;东部地区以土层(粉土、粉质黏土、黏土)为主;南部和北部土体粒径介于西部和东部之间,地层情况较为复杂,3种典型地层及复合地层均存在。

黏性土中细粒含量较多,颗粒间的黏聚力较大,流塑性差,且颗粒间的黏附性强,刀盘开口形式不合理的话,开挖过程中一方面易黏附在刀盘上,造成进土不畅,另一方面开挖下来的小块土体易重新聚结成大块,堵塞螺旋输送机出土口,造成出土不畅等现象。

砂层中颗粒粒径较大,颗粒间摩擦力较大,无黏聚力,内摩擦角较大,流塑性差;砂层中石英含量较高,摩阻力大,磨蚀性较强,掘进时刀盘扭矩较大,易造成刀具磨损(见图1);其次,由于砂层颗粒间无黏聚力且渗透性好,在富水砂层中易发生螺旋输送机喷涌。

砾石、卵石层中土体颗粒极大,颗粒间无黏聚力,内摩擦角大,摩擦力大,自稳性良好,流塑性极差,少部分钙质胶结的砾石层类似岩石;此类地层的摩阻力大,磨蚀性强,盾构掘进时刀盘扭矩和推力巨大,易造成刀具、刀盘、螺旋输送机筒壁的较大磨损。此外,砾石、卵石层的渣土改良困难,效果差,渣土在土舱内挤压密实,使盾构无法正常掘进。

国内外广泛应用于渣土改良的添加剂主要有水、膨润土、泡沫和高分子聚合物等,根据地层的工程特性,可以选择单一使用,也可将添加剂混合使用从而取得更好的改良效果,各种改良添加剂主要作用如下。

1)水水是最普通的添加剂,向高黏性渣土中注水,可以增加其流动性,同时降低其黏着力,防止在盾构掘进时,切削下的土附着于刀盘上或土舱内壁上。

2)膨润土主要是由蒙脱石类矿物组成的黏土,自身具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性。膨润土主要以泥浆的形式注入渣土中,目的是吸收自由水,补充土体微粒组分,减小土体内摩擦角,提高其流动性、和易性和止水性。根据膨润土的层间阳离子种类可分为钠基膨润土和钙基膨润土,层间阳离子为Na⁺时称钠基膨润土;层间阳离子为Ca²⁺时称钙基膨润土。钠基膨润土吸附力强,膨胀率高,使用比较广泛。

3)泡沫泡沫是典型的气-液二相系,其中90%以上为空气,不足10%为发泡剂溶液。发泡剂主要成分为表面活性剂,由聚合而成的长链分子构成,含有憎水基与亲水基。与渣土混合后,可吸附在液体、固体表面,减小了水的表面张力及颗粒间的接触,降低了接触面的粗糙度和土体的摩擦力,起到润滑作用,很大程度上改善了渣土的流动性、止水性并防止黏附。此外,泡沫混合土具有一定的弹性,能维持土舱内必要的土压力,并使其均匀变化,防止产生较大起伏。

4)高分子聚合物添加剂分不溶性聚合物和水溶性聚合物两种;不溶性聚合物多为高吸水性树脂,这种材料吸水而不溶于水,可防止高水压地层的地下水喷出,增加止水性;水溶性聚合物类的添加剂可以把土层颗粒之间的自由水挤走,或在颗粒与水之间形成絮状凝聚物,使其发生黏结,减小内摩擦角,提高流动性。高分子材料在北京地铁工程中使用并不多,一般在盾构下穿河湖等水体时,为应对螺旋输送机突发喷涌,会备用一部分高分子聚合物材料。

5)混合添加剂混合添加剂是将单一添加剂混合使用于渣土改良中,使其优势互补。对于情况较特殊的复杂地层,混合添加剂可以更有针对性的使渣土达到较理想状态。常见的混合添加剂有膨润土+泡沫组合、高分子聚合物+泡沫组合等。土压平衡盾构渣土改良常用添加剂及其主要作用如表1所示。

渣土改良意在使渣土具有良好的流塑性、较小的内摩擦角、低透水性,减小刀盘的扭矩及推力,减小刀盘和螺旋输送机筒壁摩擦。典型地层的渣土改良方法如下。

1)粉土、粉质黏土、黏土层黏性较大、流动性小,以水(粉土可适当注入泡沫)作为主要改良材料,用于增强其流动性,防止渣土黏附在刀盘上,防止渣土堵住螺旋输送机出土口,便于渣土排出。

2)粉细砂、中~粗砂地层砂层内摩擦角大、摩擦阻力大、渣土流动性差、和易性差,以膨润土和泡沫作为主要改良材料,用于增强和易性,减小摩阻力,减小刀盘扭矩和推力以及刀具磨损。遇到有水砂层还应考虑较大的渗透系数,地下水位较低时主要改良材料依旧采用膨润土和泡沫;地下水位较高时,易出现螺旋输送机喷涌的情况,采用高吸水性树脂和泡沫作为主要改良材料,以达到吸收自有水、防止喷涌的目的。

粉细砂、中~粗砂地层膨润土浆液的黏度控制在30~50s。泡沫与水的配合比在3%~6%,每环的注入量40~50L。

3)砾石、卵石地层摩阻力大、流塑性极差、磨蚀性强,可采用膨润土与泡沫的复合改良材料,可增加渣土的和易性与流动性,减小刀盘和螺旋输送机的扭矩,防止黏附。遇到有水砾石、卵石地层时,不仅需要增强和易性、流动性和降低摩阻力,还需防止喷涌,通常选用高分子聚合物与泡沫的复合改良材料,以达到增加渣土黏性,降低渗透性,防止螺旋输送机喷涌、减小刀具磨损、利于排出的目的。

砾石、卵石地层应采用钠基膨润土,膨润土浆液膨化时间不低于12h,黏度不低于50s,每环的膨润土浆液注入量4~6m³(管片外径6m、环宽1.2m的地铁隧道);泡沫3%浓度下发泡率不低于20倍,半衰期不低于8min。

4)对于复合地层的改良方法,需根据现场各地层所占的比例选择渣土改良方法,总体来说混合地层较全断面砂层和砾石、卵石层土体的级配更均匀,地层改良难度要小一些。

总结出北京地区典型地层渣土改良的方法,如表2所示。

本文对北京地区3种典型地层:粉土、粉质黏土、黏土地层、粉细砂、中~粗砂地层和砾石、卵石地层的渣土改良技术进行了研究,在分析典型地层的工程特点和渣土改良材料特性的基础上,分析总结出了北京地区典型地层的渣土改良方法,可为今后北京地区土压平衡盾构渣土改良技术提供借鉴和参考。

本文进行渣土改良技术研究时仅考虑了地层条件,实际工程中土压平衡盾构渣土改良技术除考虑地层条件外,还需要结合盾构刀盘开口形式、渣土改良设备、工程环境等条件和现场试验来综合确定。