高水壓高滲透砂性地層土壓平衡盾構(gòu)施工渣土改良技術(shù)研究

葉晨立

(福州市城市地鐵有限責(zé)任公司， 福建 福州 350001)

0 引言

土壓平衡盾構(gòu)具有圍巖適應(yīng)性廣、掘進(jìn)速度快、對(duì)環(huán)境影響小的特點(diǎn)，且與泥水平衡盾構(gòu)相比造價(jià)較為低廉，因而成為地鐵建設(shè)的首選[1]。然而，受限于土壓平衡盾構(gòu)自身工作原理，在掘進(jìn)中遇到高水壓、高滲透性的地層時(shí)，極易發(fā)生噴涌事故[2]，并且一旦發(fā)生大規(guī)模噴涌，易造成管片襯砌垮塌、隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，不僅威脅施工人員的安全，而且區(qū)間隧道以及施工設(shè)備也將直接報(bào)廢，損失難以估量。為防止土壓平衡盾構(gòu)在施工時(shí)發(fā)生大規(guī)模噴涌，常常采取一些必要的預(yù)防措施，如在施工過程中進(jìn)行渣土改良等。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工渣土改良技術(shù)進(jìn)行了研究。A.Bezuijen等[3]采用模型試驗(yàn)的方法，通過制作壓力艙模型模擬盾構(gòu)推進(jìn)，對(duì)推進(jìn)過程中的土壓力分布、剪切力以及注入氣泡后的氣泡砂滲透性、壓縮性、黏滯性等方面進(jìn)行了研究； S.Quebaud等[4]通過攪拌、坍落度和滲透試驗(yàn)對(duì)土壓平衡盾構(gòu)施工過程中泡沫劑對(duì)土體性質(zhì)的影響進(jìn)行深入研究，并明確了泡沫混合土的滲透性和泡沫添加量有直接關(guān)系； 肖超等[5]采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，利用泡沫劑與鈣基膨潤土對(duì)泥質(zhì)粉砂巖與礫巖渣土進(jìn)行三軸快剪試驗(yàn)，研究了該地層條件下2種不同改良劑的改良特性； 劉彤等[6]通過對(duì)渣土改良中泡沫劑半衰期與發(fā)泡倍率以及膨潤土泥漿黏度與相對(duì)密度隨改良劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律進(jìn)行分析，并借助現(xiàn)場掘進(jìn)試驗(yàn)，研究出該種工程條件下適宜的渣土改良方案； 郭付軍等[7]采用室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC、PAAS以及PAM典型聚合物溶液進(jìn)行研究，并采用PAM作為改良介質(zhì)對(duì)研究的粗砂試樣進(jìn)行坍落度、滲透以及直剪試驗(yàn)，獲取了針對(duì)粗砂地層的適宜的PAM聚合液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及注入率； 劉輝等[8]采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，分別以膨潤土漿液、泡沫劑、膨潤土+泡沫劑、分散劑進(jìn)行渣土改良，研究出適合高黏性上軟下硬地層盾構(gòu)掘進(jìn)的渣土改良劑； 李培楠等[9]以室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過對(duì)3種渣土改良添加劑與組合材料改良效果進(jìn)行對(duì)比研究，確定了上述材料配比及施工參數(shù)，并利用現(xiàn)場試驗(yàn)證明所選配比材料對(duì)該工程進(jìn)行渣土改良的有效性。

綜上，以往對(duì)砂性土改良研究主要采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，基于現(xiàn)場試驗(yàn)的研究相對(duì)較少。由于室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)相比，在土體特性、機(jī)械設(shè)備等方面存在差異，有一定的局限性，而現(xiàn)場試驗(yàn)則更符合實(shí)際，其研究結(jié)果更具有現(xiàn)實(shí)意義。為研究高水壓、高滲透砂性地層土壓平衡盾構(gòu)施工渣土改良配方，本文基于福州地鐵閩江越江段高水壓高滲透砂性地層對(duì)土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行防噴涌渣土改良，選取多種試驗(yàn)材料，綜合考慮渣土滲透性及和易性，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)和工程應(yīng)用效果，最終確定渣土改良級(jí)配，為類似工程提供一定的參考。

1 改良材料基本特性

1.1 改良材料的選取

福州地鐵閩江越江段盾構(gòu)區(qū)間廣泛分布中砂層，其顆粒級(jí)配如表1所示，按照SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)自行采購的河沙進(jìn)行烘干、陰干、篩分后根據(jù)地勘資料所提供的中砂級(jí)配配置足量重塑中砂。

表1 中砂顆粒級(jí)配

目前使用的添加劑改良材料大致可分為礦物、界面活性劑、高吸水性樹脂、水溶性高分子4大類。國內(nèi)地鐵工程大多采用膨潤土、泡沫劑以及各類高分子材料，其種類及特性如表2所示[10-12]。其中，泡沫劑和膨潤土的配合使用較多，由于成本原因，高分子材料大多在發(fā)生噴涌時(shí)應(yīng)急使用。因此，選取幾種代表性的改良材料進(jìn)行土工試驗(yàn)，以充分了解各材料的改良性能及特點(diǎn)，為研究渣土改良配方提供理論基礎(chǔ)。

表2改良材料種類及特性

Table 2 Types and characteristics of ground conditioning materials

種類改良材料適用土層主要效果礦物類鈉基膨潤土 砂粒、細(xì)礫、礫粒土層 提高流動(dòng)性,減小內(nèi)摩擦角 水溶性高分子類CMC粉粒、砂粒 增稠,成膜,黏結(jié),保水 界面活性材料泡沫劑 礫粒、卵粒、黏土地層 改善不透水性、流動(dòng)性,防止粘附 水溶性高分子聚合物聚丙烯酰胺粉粒、砂粒 降低液體間的摩擦阻力

1.2 鈉基膨潤土漿液

結(jié)合調(diào)研資料以及福州地鐵自身情況，選擇土、水質(zhì)量比分別為1∶14、1∶12、1∶10、1∶8、1∶6的膨潤土漿液作為試驗(yàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[13]進(jìn)行試驗(yàn)。

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土漿液黏度變化曲線如圖1所示?？芍?對(duì)于上述質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土漿液，當(dāng)膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1∶10時(shí)，黏度變化相對(duì)平緩； 而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1∶10后，漿液的黏度開始急劇上升。由于盾構(gòu)泵送能力的限制，只能選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1∶6的漿液； 根據(jù)擬合曲線判斷，最大可行質(zhì)量分?jǐn)?shù)或略大于1∶8。

Fig. 1 Viscosity curve of bentonite slurry with different mass fractions

對(duì)上述質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土漿液按照10∶2的摻加比與重塑砂拌合并加水至飽和，然后測定渣土坍落度，結(jié)果如圖2(a)所示。由圖2(a)可知： 加入膨潤土漿液后，在改善砂土保水性的同時(shí)也增加了砂土的坍落度，但膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)坍落度的影響并不顯著。因此，選用中間質(zhì)量分?jǐn)?shù)1∶10膨潤土漿液按摻加比10∶1、10∶1.5、10∶2、10∶2.5、10∶3加入重塑砂并加水至飽和，然后測定渣土的坍落度，結(jié)果如圖2(b)所示。由圖2(b)可知： 膨潤土漿液摻加比是影響渣土坍落度的主要因素，為滿足渣土和易性要求，主要通過改變漿液的摻量進(jìn)行控制。

(a) 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(b) 不同摻加比

選擇10∶2作為此步試驗(yàn)的選用摻加比，使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土漿液按照此摻加比對(duì)重塑砂進(jìn)行改良并測試渣土的滲透系數(shù)，探究膨潤土漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)渣土滲透性的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知： 隨著膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，渣土的滲透系數(shù)逐漸減小且變化曲線逐漸減緩，但是在可用質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)渣土的滲透系數(shù)無法滿足小于1×10-5cm/s的要求，因此單獨(dú)使用膨潤土對(duì)渣土進(jìn)行改良不可行。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土漿液滲透系數(shù)變化曲線

Fig. 3 Permeability coefficient curve of bentonite slurry with different mass fractions

1.3 CMC溶液

分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、6%、8%、10%的CMC溶液，并進(jìn)行黏度漏斗試驗(yàn)。2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC溶液的黏度已達(dá)到337 s，其余質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC溶液更是無法從漏斗流出，其黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于盾構(gòu)的泵送能力范圍。因此，沒有對(duì)單獨(dú)使用CMC溶液對(duì)渣土滲透性與坍落度的影響進(jìn)行研究的必要性，CMC溶液只有作為渣土改良輔助材料使用的可能性。

1.4 聚丙烯酰胺溶液

根據(jù)聚丙烯酰胺廠家提供的資料，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%的聚丙烯酰胺溶液作為試驗(yàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14]?；静襟E如下。

1)選用黏度最小的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%聚丙烯酰胺溶液作為試驗(yàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按照100∶3、100∶6、100∶9、100∶12的摻加比加入干燥狀態(tài)下的重塑砂并加水至飽和，拌合均勻后測試渣土的坍落度，結(jié)果如圖4(a)所示。由圖4(a)可知： 聚丙烯酰胺具有增大砂土坍落度的性能，且隨著摻加比的增大，砂土的坍落度也隨之增大。分別將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%的聚丙烯酰胺溶液按照100∶9的摻加比加入天然狀態(tài)的原狀中砂并加水至飽和，拌合均勻后測試其坍落度，結(jié)果如圖4(b)所示。由圖4(b)可知： 聚丙烯酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)砂土的坍落度產(chǎn)生一定的影響，砂土的坍落度會(huì)隨著聚丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。

(a) 不同摻加比

(b) 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的聚丙烯酰胺溶液分別按照摻加比100∶3、100∶6、100∶9、100∶12加入天然狀態(tài)下的原狀中砂并加水使其飽和，經(jīng)充分拌合后測試其滲透系數(shù)，結(jié)果如圖5(a)所示。由圖5(a)可知： 砂土滲透性會(huì)隨著聚丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，且當(dāng)摻加比小于100∶9時(shí)，減小幅度基本呈線性； 大于100∶9后，其滲透系數(shù)減小幅度變緩。繼續(xù)選用100∶9的摻加比，分別將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%聚丙烯酰胺按此摻加比加入天然狀態(tài)下的原狀中砂，加水飽和并充分拌合后，進(jìn)行滲透試驗(yàn)，結(jié)果如圖5(b)所示。由圖5(b)可知： 砂土滲透系數(shù)會(huì)隨著聚丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。但在單獨(dú)使用聚丙烯酰胺溶液時(shí)，無法令滲透性與和易性2個(gè)指標(biāo)同時(shí)滿足要求。

2 渣土改良試驗(yàn)研究

通過黏度試驗(yàn)、坍落度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)對(duì)渣土改良效果進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》、TB 10102—2004《鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程》等中有關(guān)內(nèi)容執(zhí)行試驗(yàn)。

2.1 膨潤土-CMC混合漿液改良效果分析

2.1.1 膨潤土-CMC混合漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)初步確定

首先配置出1∶10質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC漿液按照砂土與漿液體積比10∶2的摻加比對(duì)重塑砂土進(jìn)行改良，然后進(jìn)行渣土滲透性測試，測試結(jié)果如表3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知： CMC溶液對(duì)改良渣土滲透性有一定的效果，與膨潤土配合使用具有進(jìn)一步減小渣土滲透系數(shù)的作用。

(a) 不同摻加比

(b) 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Fig. 5 Permeability coefficient curves of soil improved by polyacrylamide solution

表3 CMC溶液改良渣土滲透系數(shù)

由于CMC材料自身具有增稠性能，因此可選擇低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC作為輔助材料配合膨潤土制作混合漿液。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，選用黏度較為接近使用上限的1∶8、1∶10質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土漿液配制CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2.5%、5%、7.5%、10%的混合漿液，將混合漿液按照10∶2的摻加比進(jìn)行拌合后測定砂土滲透系數(shù)。

1∶10、1∶8質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土混合漿液改良中砂滲透系數(shù)結(jié)果如表4所示。由表4可知： 當(dāng)CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥1%時(shí)，2種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤土-CMC混合漿液均可滿足滲透系數(shù)要求，并且與土工試驗(yàn)中純膨潤土漿液對(duì)渣土的改良效果相比，混合漿液對(duì)砂土滲透性的改良效果有顯著提升，由此證實(shí)采用膨潤土-CMC混合漿液改良渣土具有一定的可行性。

表4 1∶10、1∶8質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土混合漿液改良中砂滲透系數(shù)

Table 4 Permeability coefficient of medium sand improved by bentonite mixed grout with mass fraction of 1∶10 and 1∶8

CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%1∶10膨潤土混合漿液滲透系數(shù)/(cm/s)1∶8膨潤土混合漿液滲透系數(shù)/(cm/s)17.31×10-66.47×10-62.54.72×10-62.96×10-651.75×10-69.61×10-77.57.69×10-74.15×10-7102.65×10-71.38×10-7

1∶10、1∶8質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土混合漿液改良中砂滲透系數(shù)變化曲線如圖6所示，由圖6可知： 隨CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，滲透系數(shù)曲線逐步放緩，改良效果逐漸減弱。根據(jù)上一步試驗(yàn)可知當(dāng)膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1∶10或1∶8、CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10‰時(shí)，已經(jīng)可以滿足滲透系數(shù)的要求，可進(jìn)一步擴(kuò)大和細(xì)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍。

圖6 1∶10、1∶8質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土-CMC混合漿液滲透系數(shù)變化曲線

Fig. 6 Permeability coefficient curves of medium sand improved by bentonite mixed grout with mass fraction of 1∶10 and 1∶8

2.1.2 膨潤土-CMC混合漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)細(xì)分

為進(jìn)一步擴(kuò)大和細(xì)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍，選用膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、9%、10%、11%、12%，CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5‰、5‰、7.5‰、10‰的膨潤土-CMC混合漿液進(jìn)行黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

該工程越江段所使用的土壓平衡盾構(gòu)注射泵的泵送能力約為100 s，因此選用接近泵送能力上限的質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%膨潤土與質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5‰CMC混合漿液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%膨潤土與質(zhì)量分?jǐn)?shù)5‰CMC混合漿液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%膨潤土與質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5‰CMC混合漿液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%膨潤土與質(zhì)量分?jǐn)?shù)10‰CMC混合漿液作為下一步試驗(yàn)的試驗(yàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并按照順序分別標(biāo)號(hào)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)A、質(zhì)量分?jǐn)?shù)B、質(zhì)量分?jǐn)?shù)C、質(zhì)量分?jǐn)?shù)D。

表5不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC混合漿液黏度試驗(yàn)值

Table 5 Test values of viscosity of CMC mixed grout with different concentrations

膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC混合漿液黏度試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值/s2.5‰5‰7.5‰10‰825.836.450.679.4935.454.486.0109.71044.297.8170.0279.11185.3173.9359.8過稠12171.2327.6過稠過稠

分別將4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤土-CMC混合漿液按照10∶1、10∶1.5、10∶2、10∶2.5、10∶3的摻加比加入過飽和狀態(tài)原狀砂中，拌合均勻后，對(duì)其進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC混合漿液滲透系數(shù)試驗(yàn)值

Table 6 Test values of permeability coefficient of CMC mixed grout with different mass fractions

摻加比不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC混合漿液滲透系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值/(cm/s)質(zhì)量分?jǐn)?shù)A質(zhì)量分?jǐn)?shù)B質(zhì)量分?jǐn)?shù)C質(zhì)量分?jǐn)?shù)D10∶1 4.59×10-45.29×10-44.16×10-47.16×10-410∶1.56.46×10-54.45×10-57.11×10-57.17×10-510∶2 4.00×10-68.55×10-61.66×10-53.21×10-510∶2.58.31×10-66.41×10-69.04×10-69.59×10-610∶3 7.16×10-64.86×10-67.66×10-68.85×10-6

由表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知： 當(dāng)摻加比大于一定值后，4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤土-CMC混合漿液均能使原狀中砂滿足滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s的要求。其中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)B即10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土與5‰質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC的混合漿液效果相對(duì)顯著，但其改良效果不及改良飽和砂土?xí)r的效果，究其原因，除漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改變外，可能在混合漿液與砂土混合的過程中，漿液被過飽和狀態(tài)砂土中原有水稀釋，且只有部分改良材料能夠進(jìn)入砂土骨架結(jié)構(gòu)之中起到實(shí)際的改良作用，其余部分則隨著多余的水游離于土顆粒之外，難以使改良材料與土顆粒充分混合，因此，相較飽和砂的改良結(jié)果有所減弱。

根據(jù)上一步的試驗(yàn)結(jié)果，各質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤土-CMC混合漿液均可在摻加比大于一定數(shù)值后使原狀中砂的滲透系數(shù)滿足要求。因此，繼續(xù)采用上述4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤土-CMC混合漿液對(duì)過飽和中砂進(jìn)行改良并進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7試驗(yàn)結(jié)果可知： 4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土-CMC混合漿液對(duì)過飽和中砂坍落度的改良效果并不理想，在這5種摻加比下均無法使過飽和狀態(tài)原狀砂土的坍落度落在10～15 cm。

表7不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC混合漿液改良坍落度試驗(yàn)值

Table 7 Test values of slump of CMC mixed grout with different mass fractions

摻加比不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC混合漿液改良坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值/cm質(zhì)量分?jǐn)?shù)A質(zhì)量分?jǐn)?shù)B質(zhì)量分?jǐn)?shù)C質(zhì)量分?jǐn)?shù)D10∶1 1.11.21.40.510∶1.51.92.01.60.910∶2 3.53.93.32.810∶2.55.46.65.24.510∶3 6.87.97.36.2

雖然從試驗(yàn)結(jié)果可以看出隨著摻加比的增大，改良后砂土的坍落度也在慢慢增大，但是在實(shí)際施工過程中，所能采用的漿液摻加比是不可能無限制增大的，10∶3的摻加比已經(jīng)是一個(gè)很大的值。因此，單獨(dú)采用膨潤土-CMC混合漿液進(jìn)行土體改良難以滿足過飽和狀態(tài)中砂坍落度要求。

2.2 聚丙烯酰胺溶液與膨潤土-CMC混合漿液改良效果分析

2.2.1 聚丙烯酰胺溶液與膨潤土-CMC混合漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)初步確定

由于單獨(dú)采用膨潤土-CMC混合漿液無法滿足過飽和狀態(tài)中砂的坍落度要求，并且通過試驗(yàn)驗(yàn)證了聚丙烯酰胺溶液對(duì)砂土的滲透性減小作用和坍落度的增大作用； 因此，在膨潤土-CMC混合漿液的基礎(chǔ)上引入聚丙烯酰胺溶液，采用多種材料對(duì)過飽和狀態(tài)下的原狀砂進(jìn)行渣土改良試驗(yàn)。

通過黏度試驗(yàn)可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%的聚丙烯酰胺溶液黏度將會(huì)大于盾構(gòu)泵送上限，因此仍然采用土工試驗(yàn)中所確定的1%、2%、3%、4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為試驗(yàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時(shí)，由于聚丙烯酰胺對(duì)中砂坍落度增大效果明顯，為防止改良后渣土的坍落度過大，首先選用相對(duì)較小的100∶3、100∶4、100∶5、100∶6摻加比進(jìn)行試驗(yàn)。

膨潤土-CMC混合漿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇在上一步試驗(yàn)中效果相對(duì)較好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)B作為試驗(yàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時(shí)，由于膨潤土-CMC混合漿液摻加比也不可過大，因此選用10∶2.5這個(gè)較大的摻加比進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2 聚丙烯酰胺溶液與膨潤土-CMC混合漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)細(xì)分

采取以上確定的各材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摻加比對(duì)過飽和中砂進(jìn)行改良后，測定其坍落度，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示?？芍?質(zhì)量分?jǐn)?shù)B膨潤土-CMC混合漿液按照10∶2.5的摻加比與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%或4%的聚丙烯酰胺溶液按照摻加比為100∶5配合使用時(shí)可滿足過飽和狀態(tài)中砂的坍落度要求。

選用與上一步試驗(yàn)相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤土-CMC混合漿液和聚丙烯酰胺溶液按照相同的摻加比對(duì)過飽和中砂進(jìn)行改良，并測定其滲透系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示?？芍?膨潤土-CMC混合漿液與聚丙烯酰胺溶液一起使用時(shí)，可有效改良過飽和原狀砂，使渣土的滲透性與和易性滿足工程要求。

表8不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯酰胺改良坍落度試驗(yàn)值

Table 8 Test values of slump of polyacrylamide with different mass fractions

摻加比不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯酰胺改良坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值/cm1%2%3%4%100∶31.73.03.24.4100∶43.24.66.49.2100∶56.17.011.715.0100∶67.99.316.721.6

表9不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯酰胺滲透系數(shù)試驗(yàn)值

Table 9 Test values of permeability coefficient of polyacrylamide with different mass fractions

摻加比不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯酰胺滲透系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值/(×10-6cm/s)1%2%3%4%100∶36.436.106.155.88100∶45.555.164.794.38100∶54.703.403.503.11100∶63.552.802.622.09

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)： 在拌合砂土的過程中，先將膨潤土-CMC混合漿液倒入過飽和砂土中并攪拌，可觀察到原本沒過砂土表面的液體呈膨潤土般的褐色； 當(dāng)加入聚丙烯酰胺溶液攪拌后，褐色液體逐漸減少，攪拌渣土手感也漸漸類似于攪拌黏性土的手感，靜止幾十秒后，渣土表面逐漸滲出少許透明液體，如圖7所示。

根據(jù)聚丙烯酰胺的材料特性推測，可能原因是在聚丙烯酰胺溶液與膨潤土-CMC混合漿液配合使用時(shí)，聚丙烯酰胺溶液形成的絮化物將土顆粒、膨潤土微粒、CMC絮化物以及大量的水包裹起來，在減小砂土內(nèi)摩擦角形成類似黏土狀的渣土的同時(shí)，還改善了因過量水稀釋而造成的改良材料性能發(fā)揮不理想的情況。

2.3 現(xiàn)場試驗(yàn)及工程應(yīng)用效果分析

在土壓平衡盾構(gòu)施工過程中，位于螺旋出土器中的渣土起到一個(gè)瓶塞作用，其中，滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s是防止渣土噴涌最基本的要求，當(dāng)水壓增大時(shí)，由于高水壓的作用噴涌發(fā)生的可能性會(huì)增加，為此必須調(diào)整材料的配比及摻比，將渣土的滲透系數(shù)降到更低，從而保證施工安全。此外，為滿足正常土壓平衡盾構(gòu)施工的需要，渣土的坍落度應(yīng)落在10～15 cm。

出于經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，先選擇1∶10質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土、5‰質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC混合漿液按照10∶2.5摻加比配合3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯酰胺溶液按100∶5摻加比對(duì)渣土進(jìn)行改良，漿液配比如表10所示。采用此配比進(jìn)行施工后，多次在螺旋出土器閘門出渣取樣并進(jìn)行滲透試驗(yàn)與坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

(a) 加入聚丙烯酰胺拌合

(b) 靜止1 min后

Fig. 7 Photo of grout mixed with polyacrylamide and that after 1 minute

表10 漿液配比

表11 實(shí)際施工渣土取樣試驗(yàn)結(jié)果

由表11試驗(yàn)結(jié)果可知： 渣土的滲透系數(shù)相對(duì)試驗(yàn)結(jié)果普遍偏小，而坍落度都普遍偏大，主要是因?yàn)橥僚搩?nèi)含水量并沒有達(dá)到施工前的預(yù)測量，相對(duì)試驗(yàn)而言，實(shí)際施工中改良材料的外部環(huán)境相對(duì)更好； 此外，由于掘進(jìn)是在砂層中進(jìn)行的，刀具的損傷較大，為給刀具潤滑降溫，于刀盤前方位置注入泡沫，所以實(shí)際滲透系數(shù)偏小、坍落度偏大。施工中渣土情況如圖8所示。

(a) 渣土改良效果

(b) 渣土坍落度測試

在此情況下本可考慮適當(dāng)減小聚丙烯酰胺溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或用量，但由于不確定前方是否會(huì)出現(xiàn)富水地段，且此時(shí)螺旋出土器出土工作順暢，渣土保持了較好的塑性和流動(dòng)性，出于安全考慮，仍然使用此配比對(duì)土艙內(nèi)的中砂進(jìn)行渣土改良作業(yè)。最終，在采取適當(dāng)?shù)脑粮牧己?，福州市軌道交?號(hào)線土建工程07標(biāo)合同段上藤站—達(dá)道站區(qū)間上下行線路于2016年2月依次成功下穿閩江，全程未發(fā)生噴涌及其他事故，并于2016年5月順利完工。

3 結(jié)論與討論

1)鈉基膨潤土、CMC、泡沫劑、聚丙烯酰胺對(duì)渣土的滲透性均有較好的改良效果，然而在高水壓高滲透砂性地層中進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，單獨(dú)使用某一種改良材料對(duì)渣土進(jìn)行改良均無法滿足工程的要求。

2)鈉基膨潤土-CMC混合漿液對(duì)過飽和狀態(tài)中砂的和易性與滲透性均有一定改良作用，在一定范圍內(nèi)，其改良效果與漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及摻加比呈正相關(guān)；但在可用摻加比范圍內(nèi)，該種混合漿液無法使過飽和狀態(tài)渣土的坍落度滿足工程要求。

3)聚丙烯酰胺溶液與鈉基膨潤土-CMC混合漿液配合使用，對(duì)過飽和中砂的和易性以及滲透性具有良好的改良效果，可滿足土壓平衡盾構(gòu)施工要求。

4)針對(duì)福州地鐵閩江越江段高水壓高滲透砂性地層，采用1∶10質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤土、5‰質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC混合漿液按照10∶2.5摻加比配合3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯酰胺溶液按100∶5摻加比改良渣土，能夠有效防止噴涌發(fā)生。

在實(shí)際施工中，應(yīng)當(dāng)從盾構(gòu)防噴涌與控制施工造價(jià)2方面考慮，針對(duì)不同地層情況可采取不同的渣土改良方案。從本文研究結(jié)果可知，當(dāng)?shù)貙铀^較小、滲透性較小和發(fā)生噴涌風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小時(shí)，采用適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)鈉基膨潤土漿液即可滿足工程要求； 當(dāng)?shù)貙铀^與滲透系數(shù)較大時(shí)，采用適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)鈉基膨潤土-CMC混合漿液能夠有效控制噴涌的發(fā)生； 在水頭超過30 m、滲透系數(shù)達(dá)到10-2cm/s量級(jí)的極端情況下，采用一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的聚丙烯酰胺溶液與鈉基膨潤土-CMC混合漿液配合使用，能夠有效保證施工安全。本文依托工程遇到的最高水頭為40 m，當(dāng)水頭高于該值時(shí)，本文提出的方案需根據(jù)工程實(shí)際需求，通過進(jìn)一步的試驗(yàn)予以完善。

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