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摘要：为了解决太原西南环线东晋隧道盾构区间砂卵石地层渣土改良难题，采用泡沫剂、膨润土作为改良剂进行渣土改良试验，主要试验包括坍落度试验和渗透试验。通过分别配比泡沫、膨润土溶液，可得出泡沫、膨润土与水最优配比及膨化时间：泡沫浓度3%，膨润土和水质量比1：6，泥浆膨化24h。然后用最优配比的泡沫溶液与膨润土溶液与渣土拌和，进行下一步试验，试验证明：单独用泡沫或膨润土改良砂卵石渣土效果不理想，采用混合液改良效果较好；当渣土含水率调整到15%，膨润土添加3~5%，泡沫添加10~15%（原液比例3%），改良后渣土坍落度能达到200mm左右，满足土压平衡盾构对于改良渣土和易性的要求。
关键词：土压平衡盾构；砂卵石地层；渣土改良；坍落度试验；渗透试验
0引言
随着城市交通的不断发展，国内外隧道建设逐渐向大深度、大断面、长距离的方向发展，“一洞双线”、“一洞多线”等不断建成。但是大直径盾构隧道大多采用泥水平衡盾构，土压平衡盾构使用较少，国内成功案例仅限于单一地层，并且在铁路隧道建设方面尚无实例。为保证正常掘进，渣土改良至关重要，目标是改良渣土的流塑性、提高不透水性、降低内摩擦角。
针对渣土改良的课题，国内外学者进行了大量的研究。Stephane Quebaud[1]通过研究土压平衡盾构施工中的气泡添加剂，得出改良后的渣土渗透性和气泡添加量有直接关系；A.Bezuijen[2]设计了压力仓模型，对气泡和砂土混合后土体的渗透性、压缩性、粘滞性和孔隙水压力进行了研究；Sotiris Psomas[3]认为泡沫添加剂能减小混合砂的抗剪性，显著降低其渗透性；邱龑[4]等通过常水头试验，测定了采用泡沫剂[5~6]、膨润土[7]和聚合物改良后的富水砂性土渗透系数；相关研究还有叶新宇等对泥质粉砂岩[8]、胡长明等对砂层[9]地层进行渣土改良试验。
综上，国内外渣土改良主要是在不同地层情况下的试验研究，有一定的局限性，随意性较大，渣土改良仍然是个值得研究的课题。太原市地铁尚处于发展初期，针对太原地层的渣土改良试验还未开展，针对隧道区间内复杂的砂卵石地层，通过坍落度试验、渗透试验，并结合实际掘进情况，探讨出添加剂的最佳配比，并取得成功，为类似工程提供借鉴及参考。
1工程概况及地质特点
太原西南环线东晋隧道是连接太原与周边市县的枢纽，能提高铁路货运量，带动周边经济发展。隧道采用直径12.14m土压平衡盾构机施工，是山西省首个盾构隧道施工，根据勘察报告，隧道经过地层地质复杂，有大颗粒卵石层（最大粒径超过600mm）、软硬结合层等。
太原西南环线东晋隧道部分全长4981m，设计为明挖+盾构两种结构形式，包含明挖段104m、盾构区间4850m、接收井27m四部分。隧道埋深9～24m，设计坡率为10‰和3‰，最小曲线半径1200m，隧道横断面为标准圆环，外径11.7m，内径10.6m。
盾构区间地质可大致分为三段：①区间前1250m，主要为新黄土、粉土、粉质粘土、砂层及少量圆砾地层的混合层；②区间中段共计1800m，主要为卵石、圆砾、粉土、粉质粘土、砂层地层的混合层；③区间末端1800m，主要为粉土、粉质粘土等粘性细颗粒地层。
由于地质情况复杂，盾构机在掘进过程中面临很多困难。在地下水丰富的地区（如穿越河流），掘进过程中切削掌子面易坍塌，造成地表沉降变形；砂卵石地层流塑性差，渣土进入土仓后，土仓压力不稳定，不易保压施工，容易超挖，加上该地层自稳性差，掌子面周围易坍塌；卵石地层摩擦性高，容易造成刀盘及刀具的高正常磨损及破坏，严重的影响了施工速度和效率，另外在掘进过程中更换刀具也带来了额外的风险。
2试验流程
进行泡沫溶液调配试验和膨润土泥浆调配试验，通过测量不同添加比下泡沫的半衰期、发泡率和膨润土泥浆的黏度，确定适合太原市土压平衡盾构机掘进卵石地层的最优添加剂配比。
1） 取盾构机穿越的卵石地层土样，进行土工试验，确定颗粒级配和天然含水量。
2） 按确定的最优配比改良渣土，对改良后的土样进行坍落度试验、渗透试验、坍落度通过标准坍落度筒（图1）测定，以此确定改良后土样的流塑性；渗透系数通过常水头渗透仪（TST-70型）（图2）测定，以此确定改良后土样的渗透性。
3） 常水头渗透仪：筒内径应大于试样最大粒径的10倍，玻璃测压管内径为0.6cm，分度值为0.1cm。
图9 掘进参数曲线
Fig.9 Excavation parameter curves
将图9的掘进参数与表四中盾构机额定参数进行对比，总推力在30248~65967（kN）之间，其中最大值65967kN出现在第1281环；刀盘扭矩在4618~21283（kN·m）之间，其中最大值（21283kN·m）出现在第1281环。总推力和刀盘扭矩值占盾构机额定值近50%，证明渣土改良效果良好，适合大直径盾构隧道施工。土仓压力在1.33~2.38（bar）之间，其中最大值（2.38bar）出现在第1350环，表明土仓保压施工较好，渣土流塑性好。
6结论与建议
渣土含水率调整到15%，膨润土添加3~5%，泡沫添加10~15%（原液比例3%），添加后坍落度能达到200mm左右，满足土压平衡盾构对于改良渣土和易性的要求，且保水性较好。
（1） 对于砂卵石地层，单独用泡沫或膨润土改良砂卵石渣土效果不理想，采用混合液改良效果较好。而在施工过程中泡沫剂和膨润土泥浆在掌子面会有流失，为保证渣土改良效果，施工所用添加剂配比应比试验室结果稍大。
（2） 室内试验得到的最佳添加剂配比应用于工程实践，显著提高了盾构掘进速度，减小了刀盘扭矩，降低了土仓压力，降低了总推力，增强了掌子面土层稳定，取得良好施工效果。
（3） 此外，本次试验对砂卵石进行了坍落度试验及渗透试验，为进一步优化添加剂配比，后续可加入搅拌试验。另外，太原市地铁穿越地层复杂，应进一步探讨穿越不同地层过程中，添加剂配比的调整。
参考文献（references）
[1]邱龑，杨新安，唐卓华，等.富水砂层土压平衡盾构施工渣土改良试验[J].同济大学学报（自然科学版），2015，43（11）：1703.
[2]刘波，黄俐，杨丹丹.盾构法施工中泡沫剂效能及改良土体的试验研究[J].市政技术，2009，27（02）：154.
[3]董金玉，王闯，周建军，等.泡沫改良砂卵石土的试验研究[J].岩土力学，2018，39（S1）：140.
[4]贺斯进.黄土盾构隧道膨润土泥浆渣土改良技术研究[J].隧道建设，2012，32（04）：448.
[5]叶新宇，王树英，阳军生，等.泥质粉砂岩地层土压平衡盾构渣土改良技术[J].铁道科学与工程学报，2017，14（09）：1925.
[6]胡长明，崔耀，王雪艳，等.土压平衡盾构施工穿越砂层渣土改良试验研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2013，45（06）：761.
论文作者:齐春杰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第34期
论文发表时间:2019/4/3
标签：渣土论文; 盾构论文; 地层论文; 卵石论文; 隧道论文; 泡沫论文; 膨润土论文; 《建筑学研究前沿》2018年第34期论文;