本发明涉及一种高渗透性复杂地层盾构压力舱渣土改良方法，属于地下工程施工技术领域。
背景技术：
土压平衡式盾构掘进时遇到高渗透性地层往往发生螺旋排土器排土口的喷涌，即发生土水分离大量地下水通过压力舱和螺旋排土器排出，导致压力舱的压力陡降、开挖面坍塌、地表塌陷等安全事故频发。因此，盾构穿越高渗透性地层引起了盾构工程界和学术界的高度重视。盾构掘进时，遇到单一的高渗透性粗粒地层的机遇其实是远小于遇到高渗透性粗粒地层加细粒土地层的复杂地层。通常情况下，为了确保盾构掘进的安全，从最不利的角度出发通常选择高渗透性的粗粒地层进行研究，开展渣土改良试验，通常掺入一定量的外掺剂，比如气泡、膨润土泥浆或者钙质的膨润土泥浆（含有一定量的细颗粒土），使之达到塑性流动状态，满足盾构施工的要求，防止喷涌事故发生。由于从最不利的工况出发，往往忽视了真实的情况是盾构掘削下来的是细粒土层和高渗透性的粗粒土层混合渣土，相比于粗粒土将有更多的细颗粒，有更好的级配性。这将有利于充分利用这种复杂地层中细颗粒充填粗颗粒形成的孔隙，有利于降低混合后渣土的渗透性，从而有效降低了粗粒土的改良难度。
技术实现要素：
本发明提供一种高渗透性复杂地层盾构压力舱渣土改良方法，旨在解决土压平衡式盾构穿越含有粗粒土地层和含有细粒土地层的高渗透性复杂地层时，如何更加有效地、经济地改良盾构压力舱内渣土。通过考虑盾构掘削横断面上粗粒土地层和细粒土地层各自占得比例，通过计算得到该断面掘进时盾构压力舱内混合后渣土的粒径分布曲线，与盾构与地层相匹配的粒径分布关系曲线进行比较，初步确定需要掺入细颗粒土的掺入量。从而可以避免只考虑该断面上粗粒土改良带来的浪费和不经济，因为粗粒土改良到塑性流动状态通常需要掺入过多的含细颗粒的细粒土，或者掺入较多的高分子聚合物，不仅材料成本高昂，而且增加了泵送程序影响了盾构掘进效率。
本发明的技术解决方案：高渗透性复杂地层盾构压力舱渣土改良方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)查清和收集盾构穿越地层的基本地质条件，如盾构区间地质纵横断面、主要地层的渗透性和颗粒粒径分布、地下水位埋深、隧道埋深；
(2)选择几种代表性的复杂地层工况，根据每种工况下各地层在盾构穿越断面所占的比例，假设盾构掘削断面范围内有M个地层、每种地层可分为n个粒组，计算复杂地层掘削断面渣土混合后的颗粒粒径分布曲线；
（1）
（2）
……
式中：
A1，A2，…，An——A土层粒组1、粒组2、…、粒组n的土粒含量（%）；
B1，B2，…，Bn——B土层粒组1、粒组2、…、粒组n的土粒含量（%）；
……
M1，M2，…，Mn——M土层粒组1、粒组2、…、粒组n的土粒含量（%）；
Z1、Z2、…，Zn——复杂土层混合后的粒组1、粒组2、…、粒组n的土粒含量（%）；
xA，xB，…，xM——A土层、B土层、…、M土层在掘进横断面所占的面积比例（%）;
(3)将得到的混合后的颗粒粒径分布曲线与现有土压平衡式盾构与地层适应性的粒径分布曲线进行对比，初步估算出高渗透性复杂地层改良过程中需要掺入的细颗粒粒径及掺入量；
(4)在现场对盾构穿越的地层进行取样，在步骤三的基础上进行渣土改良试验，使之达到塑性流动状态，从而精确确定渣土改良外掺剂种类及掺入量。
本发明的有益效果：本发明提出了盾构穿越含有粗粒土和细粒土的高渗透性复杂地层时应考虑两者的混合后细颗粒填充粗颗粒形成的孔隙，使得渣土粒径分布级配更加合理，也更有利于对混合后渣土进行改良，能有效降低通常只考虑粗粒土渣土改良成本，减少大量膨润土和高分子聚合物掺入，不仅有较高的经济效益，而且有利于施工效率的提高。通过多个工程实践的对比分析，充分利用细颗粒土非常有利于这种复杂地层的渣土改良，能够大幅度降低改良成本。
附图说明
图1 是盾构与土层适应性的粒径分布曲线示意图。
图2 是右线第25环盾构掘进断面土层分布情况示意图。
图3 是右线第301环盾构掘进断面土层分布情况示意图。
图4 是右线第25、301环渣土粒径分布曲线示意图。
具体实施方式
高渗透性复杂地层盾构压力舱渣土改良方法，包括如下步骤：
(1)查清和收集盾构穿越地层的基本地质条件，如盾构区间地质纵横断面、主要地层的渗透性和颗粒粒径分布、地下水位埋深、隧道埋深；
(2)选择几种代表性的复杂地层工况，根据每种工况下各地层在盾构穿越断面所占的比例，假设盾构掘削断面范围内有M个地层、每种地层可分为n个粒组，计算复杂地层掘削断面渣土混合后的颗粒粒径分布曲线；
（1）
（2）
……
式中：
A1，A2，…，An——A土层粒组1、粒组2、…、粒组n的土粒含量（%）；
B1，B2，…，Bn——B土层粒组1、粒组2、…、粒组n的土粒含量（%）；
……
M1，M2，…，Mn——M土层粒组1、粒组2、…、粒组n的土粒含量（%）；
Z1、Z2、…，Zn——复杂土层混合后的粒组1、粒组2、…、粒组n的土粒含量（%）；
xA，xB，…，xM——A土层、B土层、…、M土层在掘进横断面所占的面积比例（%）;
(3)将得到的混合后的颗粒粒径分布曲线与现有土压平衡式盾构与地层适应性的粒径分布曲线进行对比，初步估算出高渗透性复杂地层改良过程中需要掺入的细颗粒粒径及掺入量；
(4)在现场对盾构穿越的地层进行取样，在步骤三的基础上进行渣土改良试验，使之达到塑性流动状态，从而精确确定渣土改良外掺剂种类及掺入量。
所述步骤(2)中，选择代表性的高渗透性复杂地层工况时，主要是针对复杂地层中的粗粒地层占比最大的不利工况和各地层在盾构所掘进的横断面上分布较为典型的工况。
所述步骤(4)中的渣土改良试验主要包括渣土的塌落度试验或者跳桌流动度实验、渣土的直接剪切实验和渣土无压渗透实验或者有压渗透试验。
所述步骤(4)中的塑性流动状态指的是较低的渗透性、较低的强度和较高的流动性，即渗透性<10-4cm/s，塌落度为150-200mm，普通直剪强度内摩擦角<20°。
实施例1
广州地铁21号线朱村至象岭区间主要位于广州增城市广汕公路上，起始于庄水村东侧朱村站，之后路继续沿广汕公路向东行进，途中经多个规划路口及暗渠，途径广州大学松田学院于盈园东侧设象岭站，广汕路两边一般为民居及商铺等民用建筑，房屋较密集，多为二至六层高建筑物。盾构穿越地段主要含水层为粉细砂层<3-1>、中粗砂层<3-1>、砾砂层<3-3>、圆砾层<3-4>及粉质黏土层<4N-2>。地下水以孔隙潜水形式赋存，受大气降水及地表水补给，富水性中等。
（1）粉细砂层<3-1>呈浅灰色、黄褐色等，饱和，稍密～中密，局部为松散状，主要为细砂、粉砂，含黏粒，级配差。其厚度不均匀，且砂层中黏粒含量较高时，渗透系数选取5.79×10-3cm/s，为中等透水层。
（2）中粗砂层<3-2>呈灰黄色、浅灰色等，饱和，稍密～中密，局部为密实状，主要由中砂、粗砂组成，次为细砂，含黏粒，局部夹卵石，级配一般。渗透系数选取1.15×10-2cm/s，为强透水层。
（3）砾砂层<3-3>呈褐黄色、灰白色等，饱和，稍密～中密，局部为密实状，主要由砾砂组成，次为中、粗砂，含黏粒，局部夹碎石，级配较好。渗透系数选取2.31×10-2cm/s，为强透水层。
（4）圆砾层<3-4>呈褐黄色、灰黄色，饱和，中密，主要由圆砾组成，次为角砾，呈亚圆状、次棱角状、少量棱角状，间隙充填黏粒及砂，局部夹卵石，其粒径一般为5～20mm，最大粒径达40mm。渗透系数选取5.61×10-2cm/s，为强透水层。
（5）粉质黏土层呈灰白色、褐黄色等，可塑状，饱和，中密，主要由黏粒、粉粒组成，局部含有细砂、中砂、有机质，土质较不均一。渗透系数选取1.15×10-5cm/s，为弱透水层。
右线第25环掘进遇到的土层为粉质黏土层<4N-2>、粉细砂层<3-1>和砾砂层<3-3>的复杂土层。根据地质勘察报告，在盾构掘进断面粉质黏土层厚度为2.67m，占整环渣土总体积的40.6%；粉细砂厚度2.49m，占整环渣土总体积的47.4%；砾砂层厚度1.02m，占整环渣土总体积的12.0%。土层分布情况如图2所示。
右线第301环掘进遇到的土层为粉质黏土层<4N-2>、中粗砂层<3-1>和圆砾层<3-3>的复杂土层。根据地质勘察报告，在盾构掘进断面粉质黏土层厚度为1.23m，占整环渣土总体积的12.2%；中粗砂厚度3.89m，占整环渣土总体积的76.6%；圆砾层厚度1.16m，占整环渣土总体积的11.2%。右线第301环土层分布情况如图3所示。
分别计算右线第25环和301环的各粒组土粒含量，绘制粒径分布曲线。如果单独考虑复杂土层中最不利的土层的话，第25环为砾砂土层，第301环为圆砾土层，砾砂土层和圆砾土层已经处在必须进行土体改良的范围，采用土压平衡式盾构施工具有相当大的挑战。但是在于其它土层的混合作用下，整体的渣土性能得到明显改善，从图4中可以看到25环掘削混合渣土粒径分布曲线基本处于无需进行渣土改良的区域，而301环则75mm粒组的含量明显不够，需要补充一定量的膨润土泥浆进行改良。从图4中还可以看出，大约需要补充地层质量4-5%的钙质膨润土，按照膨水比1:3进行膨化，形成高浓度膨润土泥浆，则每环需要掺入10-13m3钙质膨润土泥浆（管片环宽1.5m，盾构机外径6.28m，每环掘削方量为46.4m3）。盾构现场掘进时，一般掺入气泡进行刀盘和刀具减磨，同时改善渣土的流动度。现场监测第25环渣土的渗透系数为6.8×10-5cm/s，坍落度为183mm，从现场出渣的情况来看，螺旋排土器出渣顺畅，渣土流塑性较好，在不掺入膨润土泥浆的前提下达到了理想的塑像流动状态。在掘进第301环时，由于现场没有完全按照要求足量注入浓膨润土泥浆，渣土含水率偏高，状态偏稀流动度偏大，出渣量不易控制，甚至出现了短时间的喷涌。测试该环渣土的渗透系数为1.5×10-3cm/s，坍落度为210mm，超出了盾构渣土塑性流动状态的要求。
本工程案例，证实了本发明提供的渣土改良方法是可行的，与工程实践结果吻合较好，只在中粗砂和圆砾地层占整个掘进断面较大的局部范围内注入浓膨润土泥浆进行渣土改良，从而大大节约了膨润土的用量，节省了工程造价。