一種新型EPB渣土改良相似模型試驗(yàn)系統(tǒng)及功能驗(yàn)證*

楊振興，陳 饋，常家東，周建軍，李 偉，張合沛

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471009；3.洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽 471001；4.洛陽九久技術(shù)開發(fā)有限公司，河南 洛陽 471001)

0 引 言

渣土改良作為提高土壓平衡式盾構(gòu)(EPB)與地質(zhì)條件適應(yīng)性的重要措施，對因開挖土體性質(zhì)不良所導(dǎo)致的壓力倉內(nèi)閉塞、結(jié)餅、噴涌和開挖面失穩(wěn)等施工難題具有重要控制作用。因此，對渣土改良外加劑、改良機(jī)理和效果、改良配比方案等方面的研究開展廣泛[1-5]。

綜合國內(nèi)外對渣土改良的研究，可概括為4個(gè)方面：1) 外加劑改良復(fù)雜巖土體內(nèi)在機(jī)理研究；2) 新型改良劑的研發(fā)；3) 改良劑性能及改良土體“塑性流動(dòng)性”各項(xiàng)特性指標(biāo)研究；4) 改良土體對EPB掘進(jìn)控制參數(shù)的影響研究[6-8]。目前，由于對改良劑和巖土顆粒相互作用微觀機(jī)理的研究還不夠深入，從本質(zhì)上解釋改良劑作用機(jī)理及改良效果的難度較大。魏康林[9]通過3年的土體改良室內(nèi)試驗(yàn)研究，從泡沫微觀結(jié)構(gòu)的角度初步解釋了氣泡破滅和消散機(jī)理，并定性分析了液膜表面張力對氣泡的穩(wěn)定性作用；喬國剛[10]借助掃描電子顯微鏡(SEM)開展了紅粘土和砂的微觀結(jié)構(gòu)、礦物組成成分，研究泡沫改良粘土滲透性的微觀機(jī)理和氣泡阻水機(jī)理等。上述研究成果從微觀角度對土體改良的內(nèi)在相互作用進(jìn)行了簡單解釋，但缺乏可靠驗(yàn)證。

由于渣土改良內(nèi)在機(jī)理的分析難度大，因此國內(nèi)外更多學(xué)者、工程師從室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)和工程實(shí)踐等角度對改良劑性能、改良劑與地質(zhì)條件的適應(yīng)性、改良土體力學(xué)特性以及評價(jià)指標(biāo)等方面開展研究。結(jié)合當(dāng)前渣土改良研究重點(diǎn)、難點(diǎn)，筆者首先總結(jié)了EPB渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)的研究方法，然后針對這些研究方法的不足介紹一種新型“EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)”。

1 EPB渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)方法

EPB渣土改良試驗(yàn)是研究土體改良機(jī)理、評價(jià)土體改良效果的重要手段，也是確定改良劑配比及注入量的重要依據(jù)。根據(jù)工程要求，渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)研究一般流程如圖1[11]，研究、評價(jià)渣土改良劑及改良性能，優(yōu)化渣土改良配比方案，通過盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證、反饋、調(diào)整。

1.1 渣土改良劑性能試驗(yàn)方法

為了研究發(fā)泡劑的性能，部分學(xué)者運(yùn)用正交試驗(yàn)、發(fā)泡試驗(yàn)等方法研究發(fā)泡劑基本特性及影響因素，開發(fā)出性能優(yōu)良的新型發(fā)泡劑，并對發(fā)泡劑的性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提出量化指標(biāo)[12-14]。朱偉等[15]基于自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)發(fā)泡裝置進(jìn)行不同濃度發(fā)泡劑溶液的發(fā)泡試驗(yàn)，檢測氣泡半衰期，評價(jià)氣泡性能，總結(jié)出半衰期與發(fā)泡劑濃度及發(fā)泡倍率的關(guān)系，從而獲得發(fā)泡劑性能最優(yōu)配比方案。其研究成果對泡沫改良劑性能研究具有重要的理論價(jià)值。目前，通過室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)，對改良劑性能的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛和深入。

圖1 渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)流程Fig. 1 Flow chart of soil conditioning tests

為了研究泡沫對渣土的改良效果，部分學(xué)者研究渣土改良與地層性質(zhì)、氣泡添加量等的相關(guān)性。盾構(gòu)施工過程中，氣泡添加量、發(fā)泡劑濃度、發(fā)泡倍率是控制土體改良的3個(gè)重要控制參數(shù)。因此，研究土體改良效果的普遍方法是針對特定地層條件，開展不同配比參數(shù)下改良土體的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，形成改良土體“塑性流動(dòng)性”各項(xiàng)特性評價(jià)指標(biāo)。常用評價(jià)土體改良效果的室內(nèi)試驗(yàn)方法主要采用巖土工程和混凝土的試驗(yàn)方法，如滲透試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、坍落度試驗(yàn)、攪拌試驗(yàn)、稠度試驗(yàn)和安定性試驗(yàn)等[16-17]。馬連叢[18]針對成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工改良渣土進(jìn)行了直剪試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)，確定泡沫劑對土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)、滲透系數(shù)的變化影響，從而提出土體改良最佳配比；林鍵等[19]用氣泡半衰期衡量氣泡穩(wěn)定性，開展改良土體滲透試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)等，針對不同穩(wěn)定性氣泡對改良土體滲透性、強(qiáng)度、壓縮性以及流動(dòng)性進(jìn)行量測，提出氣泡穩(wěn)定性對提高土體性質(zhì)的改良效果影響關(guān)系；閆鑫等[20]進(jìn)行大量坍落度試驗(yàn)、攪拌試驗(yàn)，從坍落度值、坍落后土體形狀和析水量來評價(jià)改良砂卵石土體、砂土的流動(dòng)性。

目前，由于對土體改良機(jī)理的認(rèn)識(shí)不夠明確，業(yè)內(nèi)學(xué)者及工程師對改良土體的評價(jià)指標(biāo)認(rèn)識(shí)不盡相同，采用的改良土體性能試驗(yàn)差別較大，致使力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果復(fù)雜。國內(nèi)外對土壓平衡盾構(gòu)渣土改良效果仍然沒有統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

考慮渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)和評價(jià)方法并不能真實(shí)反映原狀土的特性和施工環(huán)境的影響，部分研究人員開始結(jié)合盾構(gòu)施工現(xiàn)場開展渣土改良現(xiàn)場試掘進(jìn)試驗(yàn)，以千斤頂推力、刀盤扭矩和螺旋輸送機(jī)扭壓等掘進(jìn)參數(shù)的變化反映渣土改良效果[21-22]。江華[23]以北京典型砂卵石地層為背景，開展土體改良現(xiàn)場掘進(jìn)試驗(yàn)，提出以場切深指數(shù)(FPI)和扭矩切深指數(shù)(TPI)的大小及變化規(guī)律作為土體改良效果的評價(jià)指標(biāo)；郭彩霞等[24]在盾構(gòu)掘進(jìn)現(xiàn)場設(shè)立試驗(yàn)段，對比分析土體改良前及膨潤土和泡沫一定注入比例下掘進(jìn)參數(shù)(刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、渣溫、土壓等)的變化情況。

渣土改良現(xiàn)場試驗(yàn)以盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)作為渣土改良評價(jià)指標(biāo)，能真實(shí)反映土體改良對盾構(gòu)掘進(jìn)的控制影響，結(jié)果更可靠，但存在資金投入大、人員協(xié)調(diào)復(fù)雜的弊端。因此，國內(nèi)很少有盾構(gòu)工程在盾構(gòu)正式掘進(jìn)前開展針對土體改良方案的試掘進(jìn)專項(xiàng)試驗(yàn)。

1.2 渣土改良室內(nèi)相似模型試驗(yàn)方法

渣土改良室內(nèi)相似模型試驗(yàn)是模擬盾構(gòu)土體改良過程，并能評價(jià)土體改良效果的縮尺試驗(yàn)。

A. BEZUIJEN等[25]于1997年研制出直徑50 cm、高125 cm的模型壓力倉。該模型不僅可模擬盾構(gòu)推進(jìn)過程中土倉內(nèi)壓力分布和抗剪能力，且可對加入泡沫后改良土體的滲透性、壓縮性等進(jìn)行研究。

P. MIGUEL[26]采用劍橋大學(xué)研發(fā)的土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)縮尺模型進(jìn)行了土體改良對螺旋輸送機(jī)內(nèi)壓力、扭矩的影響研究，分析了不同泡沫改良土體對螺旋輸送機(jī)內(nèi)壓力的遞減規(guī)律。

國內(nèi)，河海大學(xué)朱偉科研團(tuán)隊(duì)[15，27]在2003年根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的發(fā)泡原理，設(shè)計(jì)了一套可進(jìn)行室內(nèi)發(fā)泡的裝置，如圖2。

圖2 發(fā)泡裝置示意Fig. 2 Layout of foam generator

該裝置利用兩條可控制壓力和流量的系統(tǒng)向發(fā)泡槍內(nèi)注入發(fā)泡劑溶液和壓縮空氣，得到不同發(fā)泡倍率、發(fā)泡劑濃度的穩(wěn)定氣泡，實(shí)現(xiàn)了發(fā)泡劑、水、空氣的按比例調(diào)配功能。但該裝置僅限于實(shí)現(xiàn)對氣泡的定量化控制，不能完成渣土改良及效果評價(jià)。

閆鑫等[20]參考國內(nèi)外試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，研制了類似的室內(nèi)發(fā)泡裝置，如圖3。該裝置由液壓系統(tǒng)和氣體系統(tǒng)組成，可通過調(diào)整氣、液體流量、壓強(qiáng)以及發(fā)泡裝置中網(wǎng)格的大小生產(chǎn)不同發(fā)泡倍率和穩(wěn)定性的泡沫。

圖3 發(fā)泡裝置示意Fig. 3 Layout of foam generator

目前，國內(nèi)外可查閱的EPB渣土改良室內(nèi)相似模型試驗(yàn)裝置十分有限，且功能單一。國內(nèi)渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)裝置僅實(shí)現(xiàn)了發(fā)泡劑的定量配比、發(fā)泡控制及產(chǎn)生所需泡沫等功能，泡沫仍需注入其他容器內(nèi)攪拌達(dá)到改良土體目的。改良土體需通過直剪、滲透和坍落度試驗(yàn)測定相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行改良效果評價(jià)。

為了實(shí)現(xiàn)土體改良發(fā)泡控制與改良效果評價(jià)的功能統(tǒng)一，并考慮盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)作為土體改良效果評價(jià)參數(shù)的可靠性，盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合洛陽九久技術(shù)開發(fā)有限公司、洛陽理工學(xué)院共同開發(fā)研制了一種EPB渣土改良相似模型試驗(yàn)系統(tǒng)——EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可控制發(fā)泡劑濃度和發(fā)泡倍率、生產(chǎn)不同配比泡沫，且能模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程，并將泡沫注入土倉，實(shí)現(xiàn)土倉內(nèi)土體改良，同時(shí)監(jiān)測盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化。

2 EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)主要由主體、控制柜、電控柜、泡沫發(fā)生裝置、空壓機(jī)、操作平臺(tái)組成。主體部分包括：底座、前/后蓋板組件、活塞組件、罐體組件、刀盤組件、刀盤驅(qū)動(dòng)組件、螺旋輸送機(jī)、驅(qū)動(dòng)組件及其他附件。該系統(tǒng)外形尺寸(長×寬×高)為6 470 mm×1 600 mm×2 950 mm，組成如圖4。

圖4 EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)各部分Fig. 4 Main part of EPB soil conditioning experimental system

試驗(yàn)系統(tǒng)采用內(nèi)徑Φ為1 200 mm的罐體模擬盾構(gòu)前盾。罐體內(nèi)填充渣土模擬地層情況。罐體內(nèi)刀盤將罐體分割為土倉和改良倉。電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤切削并攪拌土體，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)切削土體和渣土改良過程。螺旋輸送機(jī)倉門控制和輸出渣土模擬盾構(gòu)排土過程。罐體內(nèi)允許最大承受壓力為1 MPa。

試驗(yàn)過程利用4支油缸同步推動(dòng)活塞前進(jìn)。油缸推動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)罐體中的土體整體向刀盤處移動(dòng)，并利用“地層移動(dòng)，刀盤不動(dòng)”的反方向作用模擬盾構(gòu)切削地層過程。土體被刀盤切削后進(jìn)入改良倉。在改良倉內(nèi)，刀盤采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬盾構(gòu)刀盤正反轉(zhuǎn)及多種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，刀盤背面焊接的攪拌棒對渣土進(jìn)行攪拌。攪拌的同時(shí)，泡沫發(fā)生裝置將發(fā)泡劑、水和壓縮空氣3種介質(zhì)混合后形成泡沫，通過罐體前段外圓的4個(gè)輸入口進(jìn)入改良倉。改良倉內(nèi)的渣土與泡沫經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌线_(dá)到渣土改良的目的。改良后的渣土通過螺旋輸送機(jī)輸出。渣土出口位置安裝電動(dòng)卸料閥門，由液壓缸控制其開口率，從而模擬出土過程。

系統(tǒng)刀盤采用輻條式結(jié)構(gòu)，由4根輻條對稱放置構(gòu)成，開挖直徑1 190 mm，配置切刀24把。刀盤背面焊接8根攪拌棒，使改良劑與土體充分混合。刀盤結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 刀盤結(jié)構(gòu)示意Fig. 5 Cutterhead of EPB soil conditioning experimental system

泡沫發(fā)生裝置由發(fā)泡劑站、水控制管路、空氣控制管路、泡沫發(fā)生器和支架等部分組成，如圖6。發(fā)泡劑站上設(shè)置電機(jī)帶動(dòng)螺桿泵，將泡沫劑輸出到泡沫生產(chǎn)系統(tǒng)中。泡沫劑與水按一定比例混合后，再與壓縮空氣按比例混合，然后加入到泡沫發(fā)生器中。在泡沫發(fā)生器中經(jīng)充分混合后的泡沫改良劑分4路注入到改良倉內(nèi)，再由攪拌棒將渣土和改良劑攪拌均勻。泡沫發(fā)生裝置的技術(shù)參數(shù)如表1。

圖6 泡沫發(fā)生裝置示意Fig. 6 Layout of foam generator

項(xiàng)目泡沫劑水壓縮空氣工作壓力/MPa0.60.60.6工作流量/(L·min-1)5.020.015.0

為測定土倉內(nèi)土壓力，罐體前擋板上設(shè)置4個(gè)土壓傳感器?？紤]土倉上、下部壓力的不同和刀盤旋轉(zhuǎn)攪拌土體導(dǎo)致的土倉前后土壓差異，4個(gè)土壓傳感器的布置如圖7。

圖7 壓力傳感器安設(shè)位置示意Fig. 7 Layout of pressure sensors

EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)控制臺(tái)不僅可完成泡沫發(fā)生裝置對泡沫劑、水、空氣的配比控制及對輸送量、刀盤轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向、螺旋輸送機(jī)開閉狀態(tài)及其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向、活塞組件推進(jìn)速度等的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)改變，且可實(shí)時(shí)反饋記錄各項(xiàng)施工參數(shù)?？刂婆_(tái)顯示器如圖8。

圖8 控制臺(tái)顯示器示意Fig. 8 Control console display

2.2 技術(shù)參數(shù)

EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of EPB soilconditioning experimental system

2.3 主要功能

EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)將縮尺盾構(gòu)模型與泡沫發(fā)生裝置相結(jié)合，不僅可開展氣泡性能與影響因素分析和開挖土體改良效果研究，且可模擬EPB盾構(gòu)掘進(jìn)的4種狀態(tài)過程(敞開式、半土壓平衡模式、土壓平衡模式、過壓掘進(jìn)模式)。針對松散砂土地層，可模擬“土塞”形成效應(yīng)、觀察螺旋輸送機(jī)“噴涌”現(xiàn)象、添加不同配比泡沫劑、進(jìn)行渣土改良效果對盾構(gòu)掘進(jìn)控制的影響研究。

EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

1) 渣土改良劑(泡沫、聚合物等)的按比例加入及注入量的實(shí)時(shí)控制；

2) 模擬EPB盾構(gòu)掘進(jìn)4種狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)刀盤推進(jìn)及土倉渣土攪拌改良；

3) 模擬螺旋輸送機(jī)出土過程及土塞效應(yīng)實(shí)現(xiàn)過程；

4) 模擬EPB盾構(gòu)帶壓過程，土倉壓力可達(dá)1 MPa。

3 功能性試驗(yàn)

為驗(yàn)證EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能，進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)和渣土改良試驗(yàn)，提取刀盤推進(jìn)速度、推力、刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)扭矩等相關(guān)監(jiān)測值，通過分析監(jiān)測值的變化規(guī)律，判斷EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性。

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)模擬

根據(jù)EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尺寸，確定刀盤推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系如式(1)：

(1)

式中：α、β為協(xié)調(diào)系數(shù)；ν1為土體推進(jìn)速度,mm/min；R1為罐體直徑,mm；r2為螺旋輸送機(jī)直徑,mm；n2為螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min；r3為刀盤直徑,mm；n3為刀盤轉(zhuǎn)速,r/min；l為螺距,mm；h為切刀高程,mm。

稱量0.6 m3的松散砂土倒入罐體內(nèi)，保證砂土坡腳未到達(dá)螺旋輸送機(jī)進(jìn)料口。在保證泡沫發(fā)生裝置關(guān)閉狀態(tài)且土倉與外界聯(lián)通的前提下，保持刀盤和螺旋輸送機(jī)靜止，啟動(dòng)液壓站，調(diào)整控制臺(tái)4個(gè)油缸推進(jìn)旋鈕反復(fù)試調(diào)油缸液壓。觀察土倉隔板的推進(jìn)速度與推力的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖9。由此可見，推進(jìn)速度增大，推進(jìn)力絕對值也相應(yīng)增大，推進(jìn)速度和推進(jìn)力具有很好的相關(guān)性。

圖9 刀盤推進(jìn)速度與推力絕對值的對應(yīng)關(guān)系Fig. 9 Relationship between speed of cutting disc advancing and absolute value of driving force

從圖9可以看出：刀盤推進(jìn)速度、總推力絕對值具有很好的相關(guān)性，驗(yàn)證了EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；同時(shí)，土體推進(jìn)系統(tǒng)具有很好的靈敏性、可靠度。

后退土倉隔板，添加松散砂土至1 m3，保證砂土坡腳完全覆蓋螺旋輸送機(jī)進(jìn)料口。保持砂土以4 mm/min的速度前移，開啟攪拌器，調(diào)整轉(zhuǎn)速至1 r/min。開啟螺旋輸送機(jī)，調(diào)整轉(zhuǎn)速至5 r/min。刀盤總推力、刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)扭矩變化曲線如圖10。

土倉隔板推進(jìn)速度不變的情況下，總推力絕對值與土倉內(nèi)砂土含量直接相關(guān)，即與螺旋輸送機(jī)的排土能力直接相關(guān)。當(dāng)開啟螺旋輸送機(jī)，排出土體，土倉隔板推力明顯降低。當(dāng)關(guān)閉螺旋輸送機(jī)，土倉隔板推力增加。由于試驗(yàn)采用松散砂土，因此刀盤扭矩維持在9～17 MPa。

從圖10可以看出：刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)扭矩、土倉隔板推進(jìn)速度、刀盤總推力4個(gè)參量相互影響，與現(xiàn)場實(shí)踐相吻合；針對不同尺寸盾構(gòu)機(jī)、不同地質(zhì)條件等，4個(gè)參量存在一個(gè)平衡關(guān)系，保證盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、地層的穩(wěn)定安全。

基于以上分析可知，通過設(shè)計(jì)相似模型實(shí)驗(yàn)，EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)可為現(xiàn)場盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的參數(shù)設(shè)定提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 土體改良試驗(yàn)

土體改良試驗(yàn)步驟如下：

1) 稱量1.36 m3的松散砂土倒入罐體內(nèi)，保證罐體內(nèi)完全充填；

2) 封閉人工蓋板；

3) 調(diào)試液壓系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)能夠正常工作；

4) 調(diào)整操作控制臺(tái)4個(gè)油缸推力旋鈕，通過油缸推動(dòng)土體隔板以20 mm/min的速度前移；

5) 開啟攪拌器，調(diào)整轉(zhuǎn)速為1 r/min；

6) 打開螺旋輸送機(jī)出渣口至開口率100%，刀盤扭矩穩(wěn)定在6.5 MPa；

7) 開啟螺旋輸送機(jī)，調(diào)整轉(zhuǎn)速至5 r/min；

8) 記錄刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)的扭矩；

9) 打開泡沫生產(chǎn)系統(tǒng)，參考表3調(diào)整泡沫劑、水、壓縮空氣配比，將配比完成的泡沫改良劑以0.011 m3/min(泡沫注入量為切削土體體積的45%～55%，本實(shí)驗(yàn)取55%)注入土倉中，觀察并記錄土倉壓力變化、刀盤扭矩及螺旋輸送機(jī)扭矩變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如圖11。

表3 泡沫改良劑配比Table 3 Proportion of foam modifier

圖11 刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)扭矩變化曲線Fig. 11 Curve of cutterhead torque and screw conveyor torque

由圖11可以看出：渣土改良后，刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)扭矩明顯降低。由此可通過改變泡沫生產(chǎn)系統(tǒng)的泡沫劑、水、壓縮空氣配比獲取不同配比下刀盤和螺旋輸送機(jī)扭矩的變化量，為現(xiàn)場的渣土改良提供技術(shù)參考。

圖11驗(yàn)證了利用EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)中泡沫發(fā)生系統(tǒng)研究渣土改良對盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)影響的可行性。

通過EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相似模型實(shí)驗(yàn)，不僅可評估改良后渣土的塑流性能，且可評估渣土改良對盾構(gòu)掘進(jìn)控制的影響，準(zhǔn)確判斷不同配比發(fā)泡劑對盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)的影響。

4 結(jié) 論

筆者總結(jié)分析了國內(nèi)外EPB渣土改良的研究現(xiàn)狀以及室內(nèi)試驗(yàn)方法，指出研究方法的局限性，從而介紹了一種新型的EPB渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備——EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)地層重塑、模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程，且能通過泡沫發(fā)生裝置按設(shè)計(jì)配比對渣土進(jìn)行改良、預(yù)測渣土改良對EPB施工控制的影響。

1) 與以往渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)相比，EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)可按照發(fā)泡劑、水、壓縮空氣的不同配比及實(shí)時(shí)注入量控制渣土改良，同時(shí)通過模擬EPB掘進(jìn)、攪拌、排土過程，評估渣土改良效果對EPB掘進(jìn)控制的影響。

2) EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)罐體為全封閉結(jié)構(gòu)，允許內(nèi)壓為1 MPa，不僅可模擬敞開式、半土壓平衡式掘進(jìn)過程，且可模擬盾構(gòu)帶壓掘進(jìn)過程。

3) 通過“盾構(gòu)掘進(jìn)模擬”和“渣土改良試驗(yàn)”2個(gè)功能性試驗(yàn)，驗(yàn)證了EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果完全滿足工程需要。

渣土改良是EPB掘進(jìn)施工保證開挖面穩(wěn)定、提高掘進(jìn)效率的重要工序。渣土改良效果及盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)直接影響整個(gè)工程施工進(jìn)度和質(zhì)量。EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)，為研究EPB渣土改良配比與改良性能提供了新的手段，可模擬大直徑EPB施工、危險(xiǎn)地層下盾構(gòu)控制技術(shù)等特殊復(fù)雜地質(zhì)條件盾構(gòu)推進(jìn)過程，測得采集盾構(gòu)的最優(yōu)施工參數(shù)，指導(dǎo)施工。

基于EPB渣土改良試驗(yàn)系統(tǒng)，開展不同工況下渣土改良試驗(yàn)研究，評價(jià)不同改良劑渣土改良效果，將是后續(xù)不斷完善和探索的工作。

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