砂性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗研究

劉 彤， 陳立生， 姚 青

(1. 上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心， 上海 200072;2. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200072; 3. 上海城建市政工程(集團)有限公司， 上海 200072)

砂性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗研究

劉 彤1， 2， 3， 陳立生1， 3， 姚 青3

(1. 上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心， 上海 200072;2. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200072; 3. 上海城建市政工程(集團)有限公司， 上海 200072)

土壓平衡盾構(gòu)在砂性地層中施工時，土艙內(nèi)的土體很難形成塑性流動狀態(tài)，土艙壓力平衡難以建立，易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)崩塌、排土不順暢、地表變形過大等影響盾構(gòu)推進的問題。為確保盾構(gòu)順利推進，找出適應(yīng)于該地層的改良劑及改良參數(shù)，對砂性地層土體改良進行研究。針對砂性地層采用添加泡沫劑和膨潤土等方法進行改良，分析泡沫半衰期及發(fā)泡倍率隨泡沫濃度變化的規(guī)律，膨潤土泥漿黏度及相對密度隨泥漿濃度變化規(guī)律，找出泡沫劑最優(yōu)發(fā)泡濃度及膨潤土最佳濃度，通過坍落度試驗確定改良劑注入比，通過現(xiàn)場掘進試驗分析改良效果，研究出適用于砂性地層的渣土改良方案。

南昌地鐵； 砂性地層； 渣土改良； 土壓平衡盾構(gòu)

0 引言

目前，我國最常用的盾構(gòu)類型為土壓平衡盾構(gòu)，通過技術(shù)改進及應(yīng)用輔助工法(添加改良劑)后，土壓平衡盾構(gòu)可適用于絕大部分地層，因而發(fā)展很快。土壓平衡盾構(gòu)法施工時能正常開挖的一個重要因素是將刀盤開挖下來的土體在土艙中形成一種“塑性流動狀態(tài)”[1]； 而對于透水性強的砂性地層來說，滲透系數(shù)大，流動性差，很難形成“塑性流動狀態(tài)”，土艙壓力平衡難以建立，易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)崩塌、排土不順暢、出土口發(fā)生噴涌、地表變形過大等問題[2]，影響盾構(gòu)推進，給施工帶來困難。以上問題可通過土體改良得到改善。

目前，常用的添加劑材料分為4類： 礦物類、界面活性材料、水溶性高分子及高吸水性樹脂[3]。

在砂性地層中進行土體改良可起到如下作用[4]:

1)使渣土具有良好的土壓平衡效果，利于穩(wěn)定開挖面，控制地表沉降；

2)提高渣土的不透水性，使渣土具有較好的止水性，從而控制地下水流失；

3)提高渣土的流動性，利于螺旋輸送機排土；

4)防止螺旋輸送機排土?xí)r出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象；

5)降低刀盤轉(zhuǎn)矩和螺旋輸送機的轉(zhuǎn)矩，同時減少對刀具和螺旋輸送機的磨損，提高盾構(gòu)的掘進效率。

一些學(xué)者對渣土改良進行了研究。馬連叢[5]以成都地鐵為依托，對渣土改良技術(shù)進行了研究，總結(jié)出適用于富水砂卵石地層改良添加劑的種類及添加比例；唐益群等[6]研究了適用于砂性土層的渣土改良施工工藝，指出肥皂水在渣土改良中能起到一定作用，并對肥皂水和泡沫劑分別進行了室內(nèi)試驗，對比分析了肥皂水和泡沫劑的渣土改良效果；許愷等[7]針對土壓平衡盾構(gòu)在砂性地層中掘進常出現(xiàn)的問題，使用肥皂水和泡沫劑進行改良，分析了2種改良劑的影響因素并進行了現(xiàn)場掘進試驗，通過現(xiàn)場施工參數(shù)分析改良效果，找出了最佳方案；喬國剛等[8]研制出新型泡沫劑，利用該泡沫劑對富水砂層的土體進行土體改良試驗，總結(jié)該泡沫劑對土體性質(zhì)的影響，在此基礎(chǔ)上加入適量其他類型改良劑詳細分析改良效果，對土體改良工程性質(zhì)的研究具有重要意義；姜厚停等[9]研制出可改變泡沫性能參數(shù)的新型發(fā)泡裝置，通過泡沫試驗及坍落度試驗，研究出適用于圓礫地層的泡沫濃度及注入比；邱龑等[10]通過室內(nèi)試驗確定配比過程中，采用電鏡掃描分析加入改良劑前后土樣細觀結(jié)構(gòu)的改變，從而得出適用于富水砂層的改良劑合理配比。以上研究大多只選取一種泡沫劑進行改良，在選取改良劑參數(shù)時只研究改良劑注入比或只進行室內(nèi)試驗，而對于改良劑自身的性質(zhì)及現(xiàn)場掘進試驗研究較少，分析不夠全面。

通過比較各改良劑的優(yōu)缺點[11]及改良劑的改良機制[12]，結(jié)合施工經(jīng)驗，本文選擇泡沫劑及膨潤土對砂性地層進行改良。以南昌地鐵為依托，針對砂性地層土壓平衡盾構(gòu)施工，從改良劑自身性能參數(shù)及適應(yīng)砂性地層時參數(shù)2方面進行研究，并結(jié)合現(xiàn)場掘進試驗，找出適用于砂性地層的最佳改良方案。

1 工程概況

南昌地鐵某盾構(gòu)區(qū)間左線隧道起訖里程ZDK36+191.690～+986.664(長鏈12.947 m)，全長807.921 m；區(qū)間右線隧道起訖里程YDK36+191.690～+

986.664，全長794.974 m；區(qū)間隧道埋深9.818～16.786 m，區(qū)間線間距13.5 m。根據(jù)本標(biāo)段沿線地下水賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征分析，地下水主要有人工填土層上層滯水、第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水，水位埋深0.5～6.2 m。盾構(gòu)主要穿越土層為細砂層、粗砂層、礫砂層、圓礫層，各地層所占比例如圖1所示，其中主要為圓礫層，占82%，圓礫層無黏聚力，內(nèi)摩擦角為36°，相對密度為2.65，滲透系數(shù)為60 m/d。砂土流塑性較差，地層損失難以控制，砂礫石孔隙率較大，易造成螺旋輸送機噴涌，施工風(fēng)險控制難度大，且盾構(gòu)穿越地層管線較多，地面建筑物密集，對渣土改良要求較高。

圖1 隧道穿越地層統(tǒng)計圖

2 改良劑參數(shù)選取

在選取改良劑參數(shù)時，有以下2種類型參數(shù)。

1)影響改良劑自身性能的參數(shù)。對于泡沫劑，發(fā)泡液濃度對泡沫劑本身性能影響最大，故主要選取最優(yōu)發(fā)泡液濃度；膨潤土以泥漿形式注入，影響自身質(zhì)量主要是膨潤土泥漿濃度。

變異系數(shù)是對樣本數(shù)據(jù)特征值變異程度的度量，其確定權(quán)重的基本思想是：在一個多指標(biāo)評價系統(tǒng)中，如果所有評價對象基于某個指標(biāo)的特征值變化程度都很大，則說明該指標(biāo)對待不同的評價對象具有較強差異性，可以從該指標(biāo)角度突出評價對象的特點，在賦權(quán)重時應(yīng)考慮賦予較重比例。具體計算步驟如下：

2)適應(yīng)某種地層時的參數(shù)。對于泡沫劑和膨潤土而言，主要確定改良劑注入比。坍落度試驗需要使用的試驗工具較少、成本較低、操作簡單、試驗結(jié)果得出較快，且可測出渣土的保水性、黏聚性及流動性，故可通過坍落度試驗檢測渣土流塑性來確定改良劑注入比。

2.1 改良劑濃度選取

2.1.1 泡沫劑

目前，評價泡沫劑自身質(zhì)量的指標(biāo)在國際上還沒有完全統(tǒng)一，常用的為發(fā)泡倍率和半衰期。

泡沫劑濃度不宜太高，且所用發(fā)泡裝置可設(shè)定的泡沫劑濃度在1%～5%，故本組試驗泡沫劑濃度為1%～5%，其他參數(shù)保持在特定值不變。試驗方案如表1所示。

試驗過程按要求調(diào)整氣體流量和壓強及液體流量和壓強到設(shè)定值；使發(fā)泡液容器中攪拌均勻的水和發(fā)泡原液產(chǎn)生均勻穩(wěn)定泡沫并收集生產(chǎn)的泡沫；將泡沫注滿衰落桶進行稱重后測試液體流出量，記錄液體每流出 5 g 時所用的時間，至液體接近泡沫質(zhì)量為止，求得泡沫的半衰期t1/2。做3次平行試驗取平均值為最終試驗值。

表1 泡沫試驗方案

經(jīng)測試，發(fā)泡劑濃度與泡沫半衰期關(guān)系曲線如圖2所示?？梢钥闯觯?發(fā)泡劑濃度在1%～3%，半衰期基本呈線性增長；當(dāng)濃度在3%～4%，增長變緩；超過4%后有減小的趨勢。由此可得，發(fā)泡劑濃度對泡沫穩(wěn)定性有明顯影響； 但超過一定范圍后，增幅不明顯，不僅造成浪費，而且還會降低氣泡穩(wěn)定性。

圖2 發(fā)泡劑濃度與半衰期關(guān)系曲線

Fig. 2 Relationship between foaming agent concentration and half-life period of foam

發(fā)泡劑濃度與發(fā)泡倍率關(guān)系曲線如圖3所示。可以看出： 發(fā)泡劑濃度在1%～3%，隨著濃度的增加，發(fā)泡倍率迅速增長；當(dāng)濃度超過3%后，發(fā)泡倍率基本不變。由此可得，在一定范圍內(nèi)發(fā)泡劑濃度對泡沫穩(wěn)定性有明顯影響，超過一定范圍后，影響較??； 故發(fā)泡劑濃度不是越大越好，綜合考慮發(fā)泡劑濃度選為3%。

圖3 發(fā)泡劑濃度與發(fā)泡倍率關(guān)系曲線

Fig. 3 Relationship between foaming agent concentration and foaming rate

2.1.2 膨潤土

膨潤土以泥漿形式注入到盾構(gòu)中，故膨潤土注入?yún)?shù)選取即為泥漿參數(shù)選取，而根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)對泥漿性能的要求，將泥漿的黏度及相對密度作為泥漿質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)。泥漿黏度可用泥漿黏度計進行測量，而相對密度用比重計。試驗方案： 首先配置不同濃度的膨潤土泥漿，按照膨潤土與水的質(zhì)量比配置濃度分別為1%～12%的膨潤土泥漿，用泥漿黏度計分別測出不同濃度膨潤土泥漿的黏度，用比重計測出泥漿相對密度，繪制膨潤土濃度-漏斗黏度、膨潤土濃度-泥漿相對密度關(guān)系曲線，根據(jù)試驗結(jié)果得出最優(yōu)泥漿濃度。

泥漿黏度試驗方法： 先測試清水的漏斗黏度，在漏斗中加滿清水700 mL，將漏斗口對準(zhǔn)量杯使清水從漏斗口流入量杯中，此時開始用秒表記錄時間，當(dāng)流入500 mL清水至量杯中時停止時間記錄，讀取秒表。清水流滿500 mL所需時間應(yīng)為15 s，若偏差超過±1 s，應(yīng)對計算結(jié)果進行修正。然后測泥漿漏斗黏度，按照設(shè)定的泥漿濃度稱取膨潤土和水，攪拌均勻，用同樣的方法測泥漿的漏斗黏度。

泥漿相對密度試驗方法： 將配置好的泥漿攪拌均勻，然后裝入泥漿比重計的泥漿杯中(注意裝滿)，蓋子蓋上泥漿杯后洗凈溢出的泥漿并擦干泥漿杯，將秤桿放置于支架上(注意位置對準(zhǔn))，移動砝碼，觀察水準(zhǔn)氣泡位置，當(dāng)氣泡位于正中時秤桿水平，此時讀取砝碼所處位置的刻度值，此值為泥漿的相對密度。試驗用泥漿比重計如圖4所示。

圖4 泥漿比重計

對不同泥漿濃度做了14組試驗，每組試驗至少進行3次，取平均值作為最后結(jié)果。試驗結(jié)果如表2所示。

觀察14組試驗結(jié)果，每增加1%的膨潤土濃度，泥漿相對密度僅增加0.003～0.006。由此可知，本次試驗中泥漿濃度的變化對泥漿相對密度影響較小，可忽略，主要以泥漿黏度作為評價泥漿性能的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)表2結(jié)果繪出不同膨潤土含量泥漿漏斗黏度規(guī)律圖，如圖5所示?？梢钥闯觯?膨潤土濃度在1%～3%時，膨潤土濃度-漏斗黏度曲線基本水平，泥漿黏度與清水的漏斗黏度相近；膨潤土濃度在4%～11%時，隨著膨潤土濃度的增加，泥漿黏度小幅度增長；膨潤土濃度超過11%時，泥漿黏度急劇增長。實踐經(jīng)驗表明，當(dāng)膨潤土濃度超過一定范圍后有部分膨潤土不溶于水，不適合現(xiàn)場泵送，故膨潤土濃度不是越大越好。綜合考慮，本工程中選用濃度為10%～20%的膨潤土泥漿。

表2 泥漿試驗測得的黏度

圖5 不同膨潤土含量泥漿漏斗黏度規(guī)律

Fig. 5 Funnel viscosity law of slurry with different contents of bentonite

2.2 改良劑注入比選取

根據(jù)以往試驗研究及現(xiàn)場盾構(gòu)施工實踐經(jīng)驗，渣土的坍落度在18～22 cm時滿足施工要求[13]。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，本工程所處地層含水率為15%。本試驗測試的土體為青山路口站內(nèi)未被基坑坑內(nèi)加固的土體，如圖6所示，顆粒級配曲線如圖7所示。

圖6 青山路口站內(nèi)未被基坑坑內(nèi)加固的土體

圖7 顆粒級配曲線

按照上述得出的最優(yōu)發(fā)泡濃度配置泡沫劑，加入試驗土中進行坍落度試驗。將現(xiàn)場的砂土用烘箱烘干至質(zhì)量不變，此時含水率為0，加入質(zhì)量為砂土總質(zhì)量15%的水，加入攪拌機攪拌均勻，配置含水率為15%的試驗用土。不同泡沫注入比對應(yīng)的坍落度值如表3所示，試驗效果如圖8所示。

不加泡沫劑時，渣土處于松散狀態(tài)，流塑性差，不符合施工要求；當(dāng)加入10%泡沫劑時，坍落度增加幅度較大，渣土情況如圖8(b)所示，流塑性較好，滿足工程要求；當(dāng)泡沫劑注入比為30%及以上時，坍落度過大，皆超過22 cm，不符合施工要求。因此，選擇泡沫劑的注入比為10%左右。

表3 不同泡沫注入比的坍落度試驗結(jié)果

(a) 0% (b) 10% (c) 30%

(d) 50% (e) 70% (f) 90%

圖8 不同泡沫劑注入比的坍落度試驗

Fig. 8 Slump test under different foam injection ratios

分別配置濃度為1∶10(膨潤土與水的質(zhì)量比，下同)和1∶5(膨潤土與水的質(zhì)量比，下同)的膨潤土泥漿，加入配置好的試驗土中進行坍落度試驗。

其中濃度為1∶10的膨潤土泥漿坍落度試驗結(jié)果如表4所示。濃度為1∶5的膨潤土泥漿坍落度試驗結(jié)果如表5所示。注入濃度為1∶10的膨潤土泥漿坍落度試驗效果如圖9所示。當(dāng)泥漿注入比為5%時，渣土結(jié)構(gòu)較松散，流動性及黏聚性差，對盾構(gòu)施工不利，不符合要求；當(dāng)注入10%的泥漿時，渣土具有一定黏聚性但保水性差；注入15%和20%的膨潤土泥漿時，保水性差，有析水現(xiàn)象；當(dāng)注入25%泥漿時，流塑性較好，符合施工要求；注入30%泥漿時，流塑性較好，坍落度為22 cm，渣土較稀。綜合考慮以上因素，膨潤土泥漿濃度為1∶10時，注入比宜選用25%。

表4 濃度為1∶10的膨潤土泥漿坍落度試驗結(jié)果

Table 4 Slump test results of bentonite slurry with concentration of 1∶10

膨潤土泥漿注入比/%坍落度/cm516.01015.51517.02016.72520.53022.0

表5 濃度為1∶5的膨潤土泥漿坍落度試驗結(jié)果

Table 5 Slump test results of bentonite slurry with concentration of 1∶5

膨潤土泥漿注入比/%坍落度/cm011.5516.01013.01519.02023.02525.0

(a) 5% (b) 10% (c) 15%

(d) 20% (e) 25% (f) 30%

圖9 注入膨潤土泥漿的坍落度試驗效果(泥漿濃度1∶10)

Fig. 9 Slump test under different injection ratios of bentonite slurry (with slurry concentration of 1∶10)

注入濃度為1∶5的膨潤土泥漿坍落度試驗效果如圖10所示。不加膨潤土泥漿時，渣土結(jié)構(gòu)松散，不具有流塑性，不符合施工要求；當(dāng)加入5%膨潤土泥漿(濃度為1∶5)時，坍落度顯著增大，渣土具有一定黏聚性，但流動性差；當(dāng)注入10%膨潤土泥漿時，流動性及保水性較差，流塑性沒有達到理想狀態(tài)；注入15%泥漿時，坍落度為19 cm，流塑性好，滿足施工要求；當(dāng)泥漿注入比分別為20%和25%時，坍落度大于22 cm，不符合要求。因此，膨潤土注入比不宜過大，膨潤土泥漿濃度為1∶10時宜選用20%的泥漿注入比。

(a) 0% (b) 5% (c) 10%

(d) 15% (e) 20% (f) 25%

圖10 注入膨潤土泥漿的坍落度試驗效果(泥漿濃度1∶5)

Fig. 10 Slump test under different injection ratios of bentonite slurry (with slurry concentration of 1∶5)

3 渣土改良效果分析

為了確定膨潤土泥漿注入濃度，進行了現(xiàn)場掘進試驗，試驗中的泡沫劑發(fā)泡濃度選取上述最優(yōu)發(fā)泡濃度3%，泡沫劑注入比選10%。在第7環(huán)和第45環(huán)分別注入濃度為1∶10和1∶5的膨潤土泥漿，通過刀盤轉(zhuǎn)矩及推進速度來評價改良效果，由于盾構(gòu)參數(shù)之間相互影響，為了重點分析以上影響因素，其他參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)基本不變。

對不同膨潤土注入濃度下刀盤轉(zhuǎn)矩及推進速度的變化規(guī)律進行對比分析，如圖11和圖12所示。膨潤土濃度為1∶10時，刀盤轉(zhuǎn)矩平均值為 3 707.1 kN·m，推進速度平均值為15.9 mm/min；膨潤土濃度為1∶5時，刀盤轉(zhuǎn)矩平均值為3 312.6 kN·m，推進速度平均值為31.7 mm/min。注入膨潤土濃度為1∶5時，相較膨潤土濃度為1∶10，刀盤轉(zhuǎn)矩降低了10.6%，推進速度提高了48.3%。從現(xiàn)場所取的渣樣分析，膨潤土注入濃度為1∶10時，渣樣中細微顆粒含量太低，無法提高渣土的流動性能，和易性差，改良效果不理想； 因此，膨潤土注入濃度比選為1∶5。

圖11 不同膨潤土注入濃度下刀盤轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖12 不同膨潤土注入濃度下推進速度變化曲線

4 結(jié)論與建議

1)對于南昌砂性地層，應(yīng)選取泡沫劑和膨潤土進行渣土改良。

2)通過試驗找出泡沫劑最優(yōu)發(fā)泡劑濃度為3%，膨潤土泥漿的濃度應(yīng)為10%～20%。改良劑濃度不是越大越好，濃度過大不僅浪費，還會降低改良劑性能。

3)對于南昌富水砂礫層，膨潤土泥漿濃度為10%時，建議注入比為25%； 當(dāng)膨潤土泥漿濃度為20%時，建議注入比為15%。選用泡沫的建議配比為濃度3%，建議注入比為10%左右。

4)通過現(xiàn)場掘進試驗，發(fā)現(xiàn)膨潤土泥漿濃度為10%時，改良效果不理想，當(dāng)膨潤土濃度增加到20%時，效果明顯改善。

5)對于類似南昌地鐵地質(zhì)條件復(fù)雜，地層擾動控制要求高，要做到零擾動是不可能的，應(yīng)注意采取措施，控制地表沉降及地層擾動。

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Experimental Study of Ground Conditioning of Earth Pressure Balance (EPB) Shield in Sandy Strata

LIU Tong1, 2， 3， CHEN Lisheng1, 3， YAO Qing3

(1.SHU-SUCGResearchCenterforBuildingIndustrialization,Shanghai200072,China;2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;3.ShanghaiUrbanConstructionMunicipalEngineering(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200072,China)

The plastic flowability of soil in chamber during earth pressure balance (EPB) shield tunneling in sandy strata is bad, which would lead to collapse of excavation face, unsmooth mucking and large ground surface settlement. As a result, the soil should be improved so as to guarantee smooth advancing of the shield. The ground conditioning is carried out for sandy strata so as to find the applicable ground conditioning agent and conditioning parameters. The foaming agent and bentonite are used to improve the sandy strata. And then, the relationship between foam half-life period and foam concentration, that between foaming multiplying power and foam concentration, that between viscosity of bentonite slurry and slurry concentration, and that between specific gravity of bentonite slurry and slurry concentration are analyzed, so as to determine the best foam concentration and bentonite concentration. Meanwhile, the injection ratio of conditioning agent is determined by slump test. Finally, the soil conditioning effect is testified by field shield advancing, and a rational ground conditioning scheme for sandy strata is proposed.

Nanchang Metro; sandy strata; ground conditioning; earth pressure balance (EPB) shield

2016-12-27;

2017-05-28

劉彤(1991—)，女，湖北黃岡人，上海大學(xué)建筑與土木工程專業(yè)在讀碩士，主要研究方向為城市公共設(shè)施全生命周期協(xié)同管理。

E-mail： 2232628247@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.016

U 45

A

1672-741X(2017)08-1018-08