昆明地铁某区间盾构渣土改良技术试验2018年10月目录1. 研究背景 (1)1.1工程概况 (1)1.2 地质概况 (1)1.3 重叠下穿既有线概况 (2)1.4 施工概况 (4)1.5 渣土改良研究必要性 (6)2. 高压富水圆砾地层渣土改良技术研究 (7)2.1 改良剂选取及性能测试 (8)2.2 渣土流塑性测试 (13)2.3 渣土抗渗性测试 (27)2.4 室内试验结果总结 (29)3. 盾构渣土改良技术建议 (29)3.1 渣土改良方案及参数 (29)3.2 相关工艺建议 (32)4. 后续现场跟踪反馈机制建议 (32)5. 结论 (33)1. 研究背景1.1工程概况昆明地铁XX区间西起小菜园站，如图1.1所示，出站后沿昆石米轨线路（目前已停运）敷设，在下穿小菜园立交桥后向东南方向偏移，横穿盘龙江，在下穿万华路后约300m时区间左、右线竖向间距逐渐拉大，平面间距逐渐减小，最后以上下重叠（左上右下）的方式下穿火车北站隧道涵洞段及昆明地铁2号线（已运营），最后接入火车北站，区间隧道起讫里程为：左线ZDK8+435.252～ZDK9+966.915，全长1538.913m；右线YDK8+435.252～YDK9+966.915，全长1531.694m。
图1.1 XX区间总平面图1.2 地质概况图1.2为XX区间地质纵断面图，盾构隧道所穿越的主要土层为圆砾地层，局部地区穿越黏土和砾砂层；圆砾地层中有少量呈透镜状粉土、粉砂、砾砂层，各地层主要特点如下：（1）圆砾：灰黄、浅灰、灰褐色，稍密～中密状，饱和。
圆砾含量50%～80%，粒径2～20mm为主，最大粒径40mm，砾石成份为泥岩、砂岩、灰岩质、玄武岩等，颗粒磨圆度较好，软硬岩皆有，砂土充填为主，局部黏性土充填，为区间盾构隧道穿越主要地层。
经取样分析，粒径大于2mm颗粒含量占总质量的50%，大于20mm含量占总质量的13.78%，属Ⅱ级普通土。
（2）砾砂：灰黄、褐黄、兰灰、灰褐色，稍密～中密状，富水。
砾石含量25%～50%，粒径2～20mm为主，最大粒径40mm，砾石成份为砂岩、玄武岩等，颗粒磨圆度较好，较坚硬，局部夹薄层粗砂。
经取样分析，粒径大于2mm颗粒含量占总质量的37.03%，大于20mm含量占总质量的14.06%。
埋深变化较大，呈透镜状分布于圆砾中，属Ⅰ级松土。
（3）粉砂：灰黄、灰褐色、灰色，稍密状，饱和。
局部为细砂团块。
埋藏较浅，呈透镜状状分布于黏性土、圆砾中，揭示层顶面埋深2.5～36.0m，厚度为0.5～4.7m，平均厚度1.62m。
属Ⅰ级松土。
（4）黏土：灰黄、灰褐色、灰色，可塑状为主，局部软塑及硬塑状。
具中压缩性，呈条带状分布于表层素填土之下，埋藏较浅，局部埋深较深，属Ⅱ级普通土。
（5）粉质黏土：灰黄、灰褐色、灰色，可塑状为主，局部软塑及硬塑状。
具中压缩性，呈条带状分布于表层素填土之下，埋藏较浅，局部埋深较深，属Ⅱ级普通土。
（6）粉土：灰黄、灰褐色、灰色，稍密状，很湿。
埋藏较浅，呈透镜状状分布于场地上部黏性土中，属Ⅱ级普通土。
（7）泥炭质土：灰黑、灰褐色，软塑状，局部可塑及流塑。
含大量腐殖质，土质不均，局部为淤泥或淤泥质土。
具高压缩性，埋藏较浅，呈透镜状零星分布，属Ⅱ级普通土。
1.3 重叠下穿既有线概况XX区间于YDK9+885～YDK9+915里程左右线重叠下穿昆明地铁2号线（图1.3），区间右线位于左线下方，XX区间右线和左线先后下穿2号线右线和左线，在重叠隧道接入火车北站段，南侧是同期实施的昆明地铁5号线昆明北站~圆通公园站区间，该区间也是以上下叠落的方式接入火车北站，XX区间与5号线重叠隧道在下穿2号线段平面最小净距约6.5m，该区间晚于XX区间施工。
XX区间左线隧顶距2号线右线隧底3.877m，距2号线左线隧底3.516 m，左右线两线之间的竖向距离为1.8m。
2号线隧底至XX区间隧顶地层主要为稍密砾砂、中密圆砾为主，局部夹可塑粉质黏土、稍密粉土，左线主要位于中密圆砾地层中，右线地质较复杂，穿越地层主要为中密和稍密的砾砂层，局部夹杂可塑粉质黏土和和稍密粉土（详见图1.4所示）。
根据专家会讨论，盾构施工引起的2号线隧道沉降宜控制在10mm以内，为了后续5号线穿越产生的沉降预留富余量，暂以7mm为目标控制值。
图1.2XX区间地质纵断面图3图1.3 XX区间重叠下穿2号线概况图图1.4 XX区间重叠下穿2号线地质概况图1.4 施工概况XX区间隧道施工采用2台土压平衡盾构先后由右线和左线从小菜园始发，完成左右线隧道掘进任务后在火车北站解体吊出，左线隧道管片1283环，右线隧道管片分别1277环。
左线盾构始发时间为右线盾构始发后顺延25日，盾构右线在970环（左线972环）设置刀具检查更换点，换刀处采用C20砼素桩加固，在加固结构范围内降水至结构下1m处。
（1）盾构机概况右线采用中铁装备的R155号盾构，刀盘采用辐板式（见图1.5），全线采用该种刀盘掘进，左线采用辽宁三三生产的RME254盾构，换刀前刀盘采用撕裂刀刀盘（图1.6左），换刀后采用滚刀刀盘（图1.6右），刀盘具体参数见表1.1。
图1.5 右线盾构刀盘图1.6 左线盾构刀盘换刀前（左图），换刀后（右图）表1.1 XX区间盾构参数1.5 渣土改良研究必要性综上所述，本工程盾构主要穿越高富水圆砾地层，盾构掘进对地层扰动大，螺旋输送机易出现喷涌等现象，危及隧道开挖面稳定性，特别是下穿火车北站隧道和地铁2号线，盾构掘进风险更高。
因此，为了保证高富水圆砾地层上下重叠双线隧道盾构顺利掘进，盾构渣土改良和掘进参数控制技术要求高。
基于上述工程重难点，开展高富水圆砾地层上下重叠双线隧道下穿既有线盾构渣土改良与高效掘进技术研究，主要研究内容如下：（1）盾构渣土改良渣土改良剂比选研究；（2）盾构掘进掘进参数渣土改良参数研究；（3）盾构室内渣土改良试验参数现场应用研究；（4）现场渣土改良状态与掘进参数关联性研究。
2. 高压富水圆砾地层渣土改良技术研究盾构在XX区间掘进时，穿越地层大部分为富水圆砾地层；根据现场取样烘干后（图2.1）进行筛分试验发现（图2.2），圆砾土中细粒含量极低，仅为2～3%（d<0.075mm），主要含有圆砾石（2mm<d<50mm，占比64～68%）和砂（0.075mm<d<2mm，占比22～30%），根据建筑地基规范划分，该类土属于圆砾土；原状土中孔隙大，孔隙连通率高，渗透系数高，且地层中水位高，隧顶水头高度在10～25m之间，水压力大，若土仓中的渣土不具有良好的抗渗性，，土层中的水带动细土颗粒从螺机中大量喷出，造成严重水土流失，损失将是难以挽回的。
因此盾构在XX区间掘进时，渣土改良应以避免发生喷涌为主，并同时保证渣土的在具有较好流动性的同时具有一定的塑形（流塑性）为目的；在盾构掘进前，采用预先对渣土取样后进行室内改良试验，提前确定改良参数，再将室内改良参数应用到现场，根据出渣情况实时调整改良参数的方法保证盾构顺利掘进；室内渣土改良试验应主要包括改良剂选取和渣土改良参数的确定两个方面，改良参数盾构掘进时的跟踪试验主要包括渣土改良剂质量跟踪、渣土状态和掘进参数分析跟踪。
图2.1 XX区间地层中的圆砾土图 2.2 圆砾土级配曲线图2.1 改良剂选取及性能测试常用的改良剂为水、泡沫、膨润土泥浆和聚合物等，表2.1为几种常见的渣土改良剂特点；XX区间盾构施工渣土改良主要以防止喷涌并保证渣土的流塑性为目的，泡沫只能一定程度上降低渣土的渗透性，而且由于泡沫具有高压缩性，可一定程度上补偿土仓压力波动。
然而，在高水压的情况下，孔隙中泡沫极易被水直接冲走而导致改良失效，而膨润土泥浆在抗渗性改良效果是优于泡沫。
此外，聚合物溶液具有很好的吸水增稠的作用，在改良无黏性土渗透性时具有显著效果，但应造价较高，不易单独使用；因此，本试验拟采用泡沫、膨润土和聚合物三种改良剂相结合，泡沫采用康达特生产的盾构泡沫剂，膨润土泥浆采用钙基膨润土和钠基膨润土（根据泥浆质量添加CMC），聚合物溶液采用PAM溶液。
表2.1 常见的渣土改良剂类型添加剂代表材料主要效果适用地层缺点矿物类膨润土降低透水性、增加流动性各种地质需要使用大规模的设备聚合物PAM/CMC增稠、粘合、絮凝、吸水性无黏性土废弃处理困难界面活性材料泡沫降低透水性、提高流动性各种地质无（1）泡沫改良剂选取试验由于圆砾地层黏度矿物成分含量较少，结泥饼的风险低，泡沫剂选择非分散型盾构泡沫剂，试验主要是测试该泡沫剂生成的泡沫是否能够满足盾构掘进的需求，泡沫的性能主要由半衰期和发泡倍率两个指标衡量。
根据施工经验，泡沫的半衰期大于5分钟，发泡倍率在10～20范围即能满足土压平衡盾构施工要求的高质量泡沫；发泡试验采用的发泡设备为模拟盾构发泡系统而组装（图2.3）。
图2.3 实验室发泡设备泡沫剂测试方法具体如下：①按照泡沫剂厂商的建议配置指定浓度的泡沫剂混合液；②将泡沫混合液倒入混合液箱中，同时启动空压机储气，空压机额定压力调节为8bar；③启动抽液泵，打开空气调压阀将气压设置为指定压力（厂商建议）后，再将混合液和空气的体积比调整为指定值（厂商建议）；④称取层析柱的毛重m0，取一定量泡沫放入层析柱中后，再称取层析柱质量m1，则此时泡沫质量为m f=m1-m0，然后将层析柱放在支架上，下方放置称和烧杯计时，待层析柱中消散的泡沫流入烧杯中的质量为m f/2时，结束计时。
⑤取2000ml泡沫放入量筒中，待量筒中全部泡沫消散后，读取泡沫混合液体积V f，发泡率FER（foam expansion ratio）=2000/V f;试验泡沫剂浓度为厂商提供的建议值（3%），发泡压力为3bar（盾构施工时发泡常用压力值）。
试验结果见表2.2，由表可知，施工单位提供的发泡剂性能良好，满足盾构掘进需求。
表2.2 泡沫剂性能测试结果（2）泥浆配方选取现场在小菜园基坑中板处设置有6个32m3的膨化池（因为右左线先后相继掘进，单个盾构机使用3个膨化池），膨化后的膨润土由中板泵送到盾构机中的膨润土箱中后，再由盾构机中的泥浆泵泵送到刀盘前方。
施工单位根据现有设备提出最大膨化时间不超过24h的要求，再根据以往的施工经验和文献调研，本研究泥浆的控制指标定为漏斗黏度为大于40 s，同时泥浆的密度需达到 1.06～1.23g/cm3，胶体率达到96%以上。
试验膨润土泥浆采用施工单位提供的钠基膨润土和钙基膨润土，外加剂采用CMC（羧甲基纤维素），可起到一定增稠的作用。
膨润土泥浆的试验主要步骤如下：①按水的质量为10kg的标准称取膨润土和CMC的质量；②将膨润土和CMC混合后倒入桶中用搅拌器（图2.4）以中速搅拌，开始计时；图2.4 搅拌器搅拌泥浆图2.5 马氏粘度计③每隔60min测试一次泥浆粘度和比重（测试仪器为常规马氏粘度计，见图2.5），并记录（当相邻两次泥浆粘度不再增大时停止搅拌）；图2.6 胶体率试验图2.7 含砂率试验④24h时停止试验，取2000ml泥浆放入量筒中进行胶体率试验（图2.6）和含砂率试验（图2.7），静置24h后，两处泥浆析水体积V w，胶体率即为（2000-V w）/2000。