工程3（2017）863研究隧道工程-评论软土机械化隧道开挖方式的选择及改良剂的应用Rolf Zumstega，Lars LangmaackbaGruner AG，巴塞尔4020，瑞士bNormet International Ltd.，Hünenberg 6331，瑞士阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年3月29日收到2017年8月21日修订2017年9月22日接受2017年11月29日在线发布保留字：土壤调节泥水平衡盾构机械化掘进A B S T R A C T高山地区形成的历史受到冰川活动的影响，冰川活动对该地区的地下工程有很大的影响机械化掘进必须适应坚固和蚀变岩石的存在，以及同一隧道沿线从渗透性砾石到软粘土沉积物的本文重点介绍了瑞士隧道掘进机（TBM）的经验以往大部分隧道采用泥浆法（SM）钻进，不同添加剂的应用主要局限于高渗透性困难层段和因换刀改造而停工的区域。对于不太常见的土压平衡模式（EPBM）钻孔，连续泡沫调节和额外使用聚合物和膨润土已被证明是成功的。在泥浆分离（SM）和挖掘土壤处置（EPBM）过程中，使用调理添加剂带来了新的挑战。如果在开挖模式的设计和评估早期就考虑以符合环境隔离的方式处理土压平衡（EPB）驱动中的化学处理软土©2017 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍软土地下水位以上和以下的机械化隧道开挖存在两种主要操作模式如果在泥浆模式（SM）下运行，隧道掌子面将借助膨润土泥浆进行支撑;如果在土压平衡模式（EPBM）下运行，开挖的土壤将直接用于将稳定压力传递到掌子面。泥水盾构的开发始于20世纪70年代的日本;该方法随后在欧洲相对较快且频繁地使用[1]。1974年日本首次采用土压力盾构法.在亚洲的几个后续项目之后，这项技术于20世纪80年代初进入由于这种方法的潜力，有力地推动了这项技术的发展。由此产生的化学土壤调节剂的开发和应用泡沫和聚合物），其在挖掘过程中被注入，允许应用范围的持续扩展*通讯作者。电子邮件地址：rolf. gruner.ch（R. Zumsteg）。目前，高寒地区的许多隧道仍采用泥水支护。这种使用与全球趋势相反;全球范围内为软土地基开挖而生产的隧道掘进机（TBM）中，超过90%是EPBM机器[2]。一般而言，TBM设计往往侧重于优化同一TBM上不同开挖模式的组合【3】。双模式或多模式隧道掘进机可以在几分钟或几秒钟内在打开模式和关闭模式之间改变其操作模式[4]。事实上，SM和EPBM的组合以及在这两种模式之间切换的能力本文回顾了过去的经验，机械钻挖隧道与大直径松散的地面在瑞士，特别关注土壤调理方面。本文所讨论的所有工程都具有以下共同特征：地质条件不均匀;不同粒度分布的土层占主导地位，这些土层超出了开挖方法的原始最佳操作范围。特别强调了用于瑞士大直径独特土压平衡（EPB）驱动器的化学品的影响，并得出了一些结论。在类似的土壤条件下进行进一步的项目https://doi.org/10.1016/j.eng.2017.11.0062095-8099/©2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng864R. 楚姆斯泰格湖Langmaack/工程3（2017）863··2. 背景2.1. 土壤调理表1地下工程中使用的聚合物组概述。组属性和应用就地质条件而言，泥水盾构和土压平衡盾构都有最佳（或原始）的应用范围。通常根据现场土壤的粒度分布判断方法的适用性[2，5对于强透水性地层中的泥浆盾构，纯膨润土悬浮液不能保证形成必要的滤饼。必须添加填料或高分子量聚合物，以便能够保持隧道表面的压力[8，9]。在粘性土壤中，在挖掘过程中，堵塞的风险存在于不同的区域，例如切割轮、泥浆回路或分离设备。在这种情况下，可以添加聚合物以降低堵塞的可能性[10]。特别是使用分散聚合物可以改变流变性能，多糖（例如，黄原胶和瓜尔胶）纤维素醚（例如，羧甲基纤维素（CMC）或聚阴离子纤维素（PAC））聚丙烯酰胺（PAM）和部分水解聚丙烯酰胺（PHPA）● 高粘度聚合物，主要用作膨润土悬浮液的添加剂● 黄原胶：触变行为● Guaran：降低滤失量● 降粘降滤失剂● 效应强烈依赖于分子量、聚合物电荷和电荷分布● 降粘降滤失剂● 阴离子、非离子或阳离子● 影响随聚合物浓度、电荷和分子量而变化膨润土悬浮液[11]，如果在同一隧道段内不同的土层占主导地位，则会导致缺陷。对于土压平衡盾构，要求土壤中的细粒达到一定的最低量（小于0.06 mm的细粒至少占10%）。细粒含量保证了土泥浆具有一定的粘聚力和抗力，使其能够发挥支护介质的作用。如果细粒含量太低，则可添加高分子量聚合物、膨润土或填料。泡沫添加剂也用于大多数EPB驱动器，以减少磨损，阻力和机器中的压力波动。使表面活性剂通过泡沫发生器以使其体积增加10-20倍，然后在刀盘处注入，因为它们相对抵抗机械破坏。表面活性剂的作用是优化土壤的糊状行为。世界各地在添加不同调理剂方面的经验使这些挖掘方法的可能应用范围不断扩大。可用于地下工程的化学添加剂有很多;表1列出了所用聚合物的主要类别及其特性和应用。这些聚合物的工作机制差异很大;除了粘土和聚合物之间的静电相互作用外，吸附、离子交换过程和络合反应也可以发挥作用[12]。2.2. 土壤调理研究由于土壤改良剂在隧道施工中的重要性和潜力日益增加，因此，为了研究其对土壤改良剂的影响，世界各地普遍开展了大量的研究工作自Milligan的最新报告[13]以来，许多使用标准实验室设备的实验室测试和其他使用新开发设备的实验室测试[14，15]已经深入了解了不同产品的工作机制以及不同土壤的土壤行为[16，17]。这些进展导致了对TBM开挖中富含粘土的土壤中的堵塞潜力的评估以及该问题的缓解[18]，并且还导致了工作机制的分析和新化学品的开发[12，19]。同样令人感兴趣的是压力室中土壤行为的测量和建模[20本文综述了土壤改良化学品在瑞士的应用，但没有涵盖近年来土壤改良方面的所有进展和研究。2.3. 环境方面聚合物和其他化学添加剂的使用导致化学处理的土壤材料。对于每个项目，风险分析聚丙烯酸酯●阴离子，通常为聚丙烯● 低分子量聚合物起分散剂的作用;高分子量聚合物可提高粘度必须就所用物质的环境影响（特别是对地下水的影响）进行评估。一般而言，所用化学品的生态相关性相对较低[23]。产品对环境的影响是根据其毒性如何影响水生生物（LC50y和EC50λ值）以及其生物降解特性来判断的。一般来说，由于泡沫对水表面张力的影响，它们对水生生物更危险，EC50值较低（在10 mg L-1和100 mg L-1之间，尽管目前的产品的EC 50值通常较高）。表面活性剂通常是可生物降解的，并且在相对短的时间内降解。相反，尽管聚合物具有较低的生物降解速率，但它们具有高EC50值;因此，聚合物可被分类为对人类和环境无害3. 瑞士隧道机械化掘进经验3.1. 概述Grauholz隧道于1989年至1993年使用混合盾构建造，是瑞士第一条大直径（>10 m）松散地层中的TBM隧道[24，25]。随后于1999年建造了Oenzberg隧道，并于2000-2001年建造了Zimmerberg基线隧道2007年，第一台也是（迄今为止）唯一一台大直径EPB-TBM安装在瑞士比尔附近的Büttenberg隧道和Längholz隧道[6，27]。对于Weinberg隧道（2013年）和Eppenberg隧道，最近再次安装了泥水盾构隧道掘进机[28]。瑞士的所有隧道都有岩石部分（通常是磨拉石）和具有不同特性的非均质松散地层部分的组合（图1）。地下水位也经常随隧道长度而变化。表2[6，24，26，27]给出了这些隧道各自直径的总结，以及每个隧道遇到的地质情况的简化描述图2示出了相应的刀盘。除了直径较大的隧道外，yLC50是指致死浓度50;即在试验期间，供试品在水中的该浓度对50%的受试生物具有致死性EC50是指效应浓度50;也就是说，在试验期间，试验物质在水中的该浓度对50%的试验生物体产生影响。R. 楚姆斯泰格湖Langmaack/工程3（2017）863865×····●·Fig. 1. 瑞士大直径（>10 m）、松散地面段和必要的全断面支护的TBM开挖总结。表2瑞士松散地层中大直径隧道的直径和地质概况（参考文献10）[6，24，26，27]）。隧道TBM直径地质格劳霍尔茨混合屏蔽11.60米磨拉石，第四纪砾石，翁茨贝格混合屏蔽12.30米金沙磨拉石，冰碛，冰川和齐默堡碱混合屏蔽12.36米河卵石、河砂磨拉石，河流砾石，朗霍尔茨土压平衡盾构12.60米湖相粘土磨拉石，湖相粘土，冰碛、粉砂温伯格混合屏蔽11.20米磨拉石，砾石，冰碛，埃彭贝格混合屏蔽12.75米湖相粘土磨拉石图二.用于（a）Zimmerberg基准隧道（1999年）和Oenzberg隧道（2001年）、（b）Weinberg隧道（2008年）、（c）Büttenberg隧道和Längholz隧道（2008年）以及（d）Eppenberg隧道（2016年）的刀盘。隧道掘进机的开挖直径从5米到10米不等，例如图恩泄洪隧道（直径6.3米）和苏黎世机场的行人隧道（直径6.3 m）。对于大多数这些较小的隧道，工作面成功地支持使用SM。在图恩泄洪洞，地下水位下的高渗透性砾石，借助于重质膨润土悬浮液负载（即，混合比可达80kg·m-3。3.2. 泥水盾构3.2.1. 格劳霍尔茨隧道格劳霍尔茨隧道沿线的地质条件受到冰川沉积物的强烈影响，因此非常不均匀。隧道开挖穿过地下水中和地下水上方的冰碛物，以及隧道中部的大部分磨拉石[25]。部分砂砾石具有高渗透性和低粉砂含量（6%）占主导地位。级配曲线的带宽如图所示. 3 .第三章。在泥浆支护的开挖过程中，没有出现大的问题。然而，在强渗透性地层中更换工具是相当具有挑战性的。对于这些情况，通过施加空气压力来保证工作面的稳定性。在两个实例中，隧道工作面发生了不稳定。为了防止钻井停止时的空气损失，还对支撑泥浆进行了如下调节[25]：悬浮液中的泥沙含量的量通过仅部分分离浆料而人为地保持高。具有细粒含量的浆料的较高密度保证了浆料的较低渗透深度。向膨润土悬浮液中添加锯末和聚合物导致孔的额外堵塞和密封人工形成的薄膜有助于保证隧道掌子面的稳定性。3.2.2. 齐默贝格底洞沿着Zimmerberg基槽，遇到了冰碛、砾石和粘土沉积物的混合物（图4）[9]。特别是砾石具有非常高的渗透性，高达k>1 × 10- 3 m s-1，由块和巨砾间层。隧道部分低于地下水位。由于存在高渗透性区域，泥浆支撑的可靠性存在不确定性。因此，在泥浆支护开挖过程中采取了以下措施[26]：用膨润土（40 kg m-3）、砂（100 kg m-3）、聚合物（CarbogelC190，0.5 kg m-3）和Vermex（膨胀蛭石，20 kg m-3）对浆料进行部分调理。当与聚合物和砂一起使用时，蛭石影响砾石孔隙的堵塞和滤饼的形成。由于所使用的添加剂，泥浆的分离过程明显受阻;因此，箱式压滤机的性能限制了挖掘效率。因此，仅在特殊情况下使用调节混悬液●●866R. 楚姆斯泰格湖Langmaack/工程3（2017）863·×●·图三. Grauholz隧道级配曲线的带宽（参考文献[25]）。见图4。 Zimmerberg基槽级配曲线的带宽（参考[9]）。其他额外的支持措施（例如，注入）保证了在钻头处的停工和工具更换3.2.3. 温伯格隧道Weinberg隧道穿过上部磨拉石，在280 m的距离内，有不同性质的不同松散土壤沉积。冰川的地面冰碛，包括巨石和部分细沙，被粘土沉积物覆盖。碎石具有高渗透性（k=310-3m s-1）。在初步试验中确定了用于不同地质条件的支撑浆料的组成，并总结在表3中[28]。在高渗透性区域进行挖掘时，没有出现重大问题，但报告了以下小问题开挖开始后，泥浆回路的管道连接处出现泄漏表3用于Weinberg隧道开挖的泥浆（参考[28]）。土壤层所用泥浆磨拉石水+膨润土（10kg·m-3）冰碛水+膨润土（30kg·m-3）粘土沉积物/砾石水+膨润土（40kg·m-3）土层/砾石，k>1 ×10- 4m·s-1可能添加Ibeco Seal或者聚合物Carbogel C190由于箱式压滤机的性能有限和该土层中的大量细粉，糖蜜中的挖掘率较低（3 m d-1）由于钻头处的土壤堵塞和由此产生的清除冲洗，导致挖掘持续中断。空气压力入口处粘土沉积物中的压力损失;以及由于地面上现有建筑构件（如挡土墙或泥浆墙）造成的磨损和阻碍。●●●●●R. 楚姆斯泰格湖Langmaack/工程3（2017）863867图五、（a）松散地面段不同土层的级配曲线带宽，以及SB 1342位置隧道段的平均级配曲线;（b）现场含水量样本（分数4 mm）。3.3. 土压平衡盾构3.3.1. Längholz隧道松散地层段的地质条件Längholz隧道沿线的地质条件也非常不均匀[6，27]。总共确定了12个不同的土层，土壤是在末次冰期沉积的，因此是在同一隧道断面上，不同土层性质的差异占主导地位。此外，水文条件困难，地下水位位于隧道顶部3米至10米之间。图5显示了不同土层的级配曲线的带宽，该带宽是在实验室中使用来自不同钻孔的材料确定在约6米的最低垂直覆盖区，两种不同的土壤层占主导地位（砂砾和砂质粉土）。对于土压平衡驱动器，每种单独土壤的级配曲线并不理想;然而，整个横截面（结合两层）的级配曲线显示在最佳范围的中间（图5）。对于土压平衡驱动器，整个隧道段上的混合土壤的性质是重要的，并且可以抵消有问题的土壤层的极端性质（例如，高渗透性）。3.3.2. 调理对土壤性质为了在开挖过程中保持支护压力，应适当注入调节剂因此，使用调理剂引起了以下主要影响泡沫气泡的加入保证了开挖土体的一定压缩性，从而减小了压力波动。润滑性能特别支持生产更均匀的泥土泥浆和泥浆流通过机器。最佳的调节参数通常基于实验室调节测试来评估，例如坍落度测试、剪切测试、落锥测试或其他。根据地质条件和化学品的预期效果选择测试。以下简单的坍落度测试提供了施工现场钻孔SB 1342的原始土壤材料的数据，以及所使用的一种泡沫添加剂土壤制备过程遵循参考文献[12]中给出的一般制备程序。用Hobart砂浆搅拌机制备混合物，该搅拌机将不同体积的泡沫（即泡沫注入比（FIRs））与具有规定含水量的基础土壤根据这些实验室测试，可以估计土壤调节参数的效率和范围（表4）。泡沫的效果如图所示。 六、泡沫应用基本上增加了比尔土壤中的空气孔隙比（V空气）注入的泡沫相对抵抗压力室中的机械作用，这允许泡沫气泡被并入土壤基质中。这导致在建议的FIR为20%-40%时，土壤中的空气体积增加15%-25%（两个高V空气允许更好地控制腔室中的压力，并且作用类似于泥浆屏蔽中的气垫。改良土壤材料必须通过TBM挤压，同时产生尽可能小的扭矩和磨损。另一方面，为了保证隧道掌子面上的支撑压力，一定的土壤阻力是必不可少的，这确保了掌子面的稳定性以及地表和周围土壤中的小沉降泡沫处理对钻孔土样变形特性表4根据实验室试验确定土壤调理参数。参数调理化学品Rheosoil 143FIR：与待挖掘的原位土壤体积相关的注入泡沫体积（参考[29]）20%-40%泡沫膨胀比（FER）：泡沫体积与发泡溶液体积的关系（参考文献10）。[29]）10%与加入的水-泡沫混合物相关的发泡剂的重量浓度为3%（对应于0.6-●●868R. 楚姆斯泰格湖Langmaack/工程3（2017）863··图六、（a）土壤样品与泡沫的混合;（b）不同FIR的泡沫添加对比尔土壤中V空气的影响见图7。水和泡沫添加对比尔土壤的坍落度行为的影响（小型坍落度测试，锥高H= 60 mm，下锥直径D1= 100 mm，上锥直径D2= 70 mm）。(a)（b）扩展行为;（b）坍落行为。见图8。具有小型坍落度试验的坍落度流动试验（锥体高度H= 60 mm，下部锥体直径D1= 100 mm，上部锥体直径D2= 70 mm）和具有不同泡沫添加剂的混合物（所有混合物具有相同的总含水量）。(a)FIR = 0;（b）FIR = 20%;（c）FIR = 40%;（d）FIR = 50%。SB 1342在坍落流动试验中得到证实（图第7和第8段）。在不加调理剂的情况下，粉质土不表现塑性。土壤稠度由固体变为液体的临界含水量是确定的这种行为也表现在该位置原位添加泡沫有两个主要效果：它减少了为了降低土壤阻力而添加的必要液体的量，并且它允许观察到一定的塑性范围的发展3.3.3. 施工现场注入率注入的化学品的量在很大程度上变化，这取决于详细的地质条件（在0 L m-3和1.2 L m-3之间）。为了减少对环境的影响，注射速率保持在最低水平。在覆盖层较低的区域，控制支撑压力非常重要;一般而言，在钻穿该部分时，沉降较小，没有遇到任何问题。为了在室内进行维修工作，需要有几个气压入口。将膨润土悬浮液通过泡沫注射喷枪泵入腔室中，以允许膜的形成、空气压力的施加以及工具的更换和修改。3.3.4. 沉积和环境方面对于Längholz隧道施工现场，在开挖前根据瑞士法律法规（TVA（F-22））进行了批量浸出测试。这些测试允许确定不同化学化合物的浸出量，R. 楚姆斯泰格湖Langmaack/工程3（2017）863869··表5DOC的最大允许值惰性废物中DOC瑞士地下水中DOC2 0mg·L-1a（B物质b）1-欧盟500 mg·kg-1干废物d1-a根据TVA（F-22），用蒸馏水和10：1的液/固比进行浸出试验b根据瑞士联邦法规Verordnung über die Vermeidung und Entsor-gung von Abfällen（2015年12月）。c根据瑞士联邦Gewässerschutzgesetz条例（2015年11月）。d根据欧洲环境署关于废物取样和测试以符合填埋废物接受程序的指导方针（2005年在实验室条件下。溶解的有机碳（DOC）的数量是主要的利益;这种物质的阈值存在的最大浓度在不同类别的材料处置。为了被归类为惰性材料，材料中DOC的浓度不应超过20 mg L-1的值（在分批浸出试验中评估的液体物质中对于进入地下水的DOC的最大浓度存在另一阈值（1-初步试验用于确定导致特定类别分散的注射化学品的临界量。在挖掘过程中，槽特定的监测调查DOC的浓度，并确认，处理类的具体值没有超过。材料沉积的另一个问题是软质材料，有时几乎是液态材料，特别是在原位土壤细粒含量低的地质区域。如前所示，应用优化的化学添加剂可以通过引入一定的塑性和最小化水的注入来降低材料的液化趋势注入化学品的量越大，环境污染程度越大，处置成本越高，从而导致一定的利益冲突。如图9所示，挖掘出的材料可以部分地分散和机械压实;不幸的是，这种机械处理并不总是可行的。4. 关于进一步项目的瑞士地质条件的多变性要求开挖方法能够适应不同的土壤成分，如岩石、软岩（磨拉石）和同一隧道开挖中具有不同性质的各种松散土壤。TBM技术和化学添加剂的发展大大扩展了这一过程仍在进行中;例如，对于在渗透性很强的沙子和砾石中的挖掘，最近已经开发了高密度浆料/聚合物组合。对于每一个大直径的机械挖掘，必须独立于具体的挖掘模式来考虑调节剂的应用（即，无论是SM还是EPBM）。它们的应用必须彻底规划。这些化学品（泡沫和聚合物）的不断发展改善了它们的应用，并允许加强对它们在土方工程应用中的特性的控制。在这种情况下，它们对pH变化和盐的耐受性以及它们的生物降解特性是重要的。此外，化学添加剂在其环境影响方面正在优化;其水生毒性值和总有机碳（TOC）值正在不断降低。为了评价一种开挖方法，必须调查SM或EPBM的利弊。利用现有技术，EPBM可以为挖掘带来以下好处如果横截面上的不同土层占主导地位（即，在混合面条件下），具有极端条件的土层（例如，高渗透性）不是特别关键。混合过程产生具有中等性质的人造土壤。如果地质条件有利于开挖，则TBM推进速度不受分离设施和分离工艺的限制。这允许更快的挖掘速度，并导致减少空间需求和经济效益。及早考虑处理问题对于每一个机械开挖隧道工程的成功都是特别重要的。EPB-TBMs的应用产生了大量的化学处理材料，这些材料必须存放在适当的垃圾填埋场中，而没有地下水污染的风险。此外，泥浆开挖中膨润土和添加剂的应用产生了必须处理的更多开挖材料。通过适当的环境风险分析对可能的处置地点进行早期评估是绝对必要的，可以防止项目后期发生进一步的问题。在处理概念中还应考虑挖掘后材料一致性的处理。开挖后用石灰或其他改善工作性的方法对材料进行二次处理是有益的。环境风险分析以及对条件和处置方面的考虑是每个项目的关键参数;这些因素会影响开挖模式的选择，因此，应在决定是否使用土压平衡盾构或泥水盾构之前进行。在项目早期阶段，应保持详细挖掘模式的可变性。见图9。 处理具有良好稠度的调理土壤。●●870R. 楚姆斯泰格湖Langmaack/工程3（2017）863遵守道德操守准则Rolf Zumsteg和Lars Langmaack声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] 张文辉，张文辉.开发Erddruckschilde：Vonden Anfängen bis zur Gegenwart。Geomech Tunnelling 2011;4（1）：11-35. 德语.[2] 杨伟华，王伟华，王伟华.机械化盾构掘进。第2版Berlin：Ernst &Sohn; 2012.[3] 威利斯·D下一代混合动力TBM用于建造建筑。Tunnel2013;3（32）：20-6. 德语.[4] Bäppler K 汉 堡 W. 适 用 于 复 杂 地 面 条 件 的 多 模 式 机 器 的 创 新 轨 迹 。 In ：Proceedings of the Swiss Tunnel Congress 2016; 2016 Jun 15-16; Luzern，Switzerland; 2016. p. 122比129[5] 放大图片BudachC，Thewes M. 通过室内试验研究，探讨了土压平衡盾构在粗糙地层中的应用范围。Tunn Undergr Sp Tech2015;50：296-304.[6] Häfliger P.在松软地面上驾驶方法的选择。在：瑞士隧道大会2013年会议记录;卢塞恩，瑞士。2013年。p. 178-201.[7] 克劳 斯·TSchildvortriebmitflüssigkeits-underddruckgestützterOrtsbrust[dissertation].布伦瑞克：布伦瑞克工业大学; 1987年。 德语.[8] 杨伟华，王伟华，王伟华.城市地区机械化隧道开挖：设计方法和施工控制。London：Taylor andFrancis，2007.[9] 弗里茨山口高透水性地层中泥水盾构施工在：第12届泛美土壤力学和岩土工程会议和第39届美国岩石力学研讨会论文集Essen：Verlag Gluckauf GMBH; 2003.[10] 朗 马 克 湖 Chemische Additive für den maschinellen Tunnelvortrieb. 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