破碎地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)研究

任國臣 包硯文

(1.同濟(jì)大學(xué),上海 200092； 2.中交隧道工程局有限公司,北京 100102)

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)城鎮(zhèn)化水平的快速提高，地下空間開發(fā)工程正以前所未有的速度和規(guī)模蓬勃發(fā)展。我國一二線城市大量上馬地鐵工程建設(shè)項(xiàng)目，其中多數(shù)采用盾構(gòu)施工方法。由于我國各地區(qū)土層性質(zhì)差異巨大，常用的土壓平衡盾構(gòu)施工方法經(jīng)常因不適應(yīng)地層特性而遇到姿態(tài)難以控制、刀盤扭矩過大、掘進(jìn)速度過慢、出渣困難、地表塌陷或隆起等問題[1]。土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，其前端刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體進(jìn)入土倉，刀盤后隔板與掌子面之間形成泥土室，當(dāng)土體充滿土倉后，其壓力與切削面上的水、土壓力基本相同，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定掌子面的作用，這就要求土倉中的土體具有良好的塑流性[2]。為了使得土體達(dá)到適當(dāng)?shù)乃苄粤鲃訝顟B(tài)，施工過程中需要有效改良渣土流動性，從而降低噴涌量、降低刀具磨損速度。

為了保證土壓平衡盾構(gòu)施工順利進(jìn)行，國內(nèi)外學(xué)者在渣土改良方面進(jìn)行了大量研究。A.Bezuijen等[3]研究制作了模型壓力倉，向壓力艙模型注入氣泡，通過對砂土與氣泡的混合土的滲透性、壓縮性、黏滯性和孔隙水壓力進(jìn)行了相關(guān)研究。張明晶等[4]采用朱偉教授研制的發(fā)泡劑和發(fā)泡裝置進(jìn)行發(fā)泡，用于土體改良試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)土體強(qiáng)度隨氣泡摻量增加而降低。

1 工程背景

1.1 工程概況

寧高城際軌道交通二期祿口新城南站—銅山站盾構(gòu)區(qū)間，線路自盾構(gòu)井始發(fā)后，向東南前進(jìn)。線路線間距13.5 m～13.6 m。盾構(gòu)區(qū)間起止里程為DK4+350～DK6+740，長2 390 m(雙延米)，盾構(gòu)區(qū)間最小曲線半徑1 000 m，線路縱斷面大體呈“V”形，以3.015‰,14.45‰,9.9‰下坡至最低點(diǎn)后以16.228‰,28‰上坡，隧道埋深5.8 m～21.4 m。盾構(gòu)區(qū)間主要穿越粉質(zhì)粘土、殘積土、全風(fēng)化凝灰質(zhì)安山巖、強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)安山巖、中等風(fēng)化凝灰質(zhì)安山巖等地質(zhì)層。

1.2 工程難點(diǎn)

由于隧道埋深較淺、地層較為破碎，開挖土缺乏流動性，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)壓力的作用和較高的溫度環(huán)境下，在土倉內(nèi)發(fā)生壓密、固結(jié)排水，形成“泥餅”，造成螺旋輸送機(jī)管道堵塞以及刀具工作效率降低；隧道穿越地層破碎，承壓水與裂隙水分布范圍及水量變化較大，在含水量大的地層中工作時(shí)，螺旋機(jī)排土器出口處出現(xiàn)噴涌，導(dǎo)致渣土在土倉中堆積以及隧道內(nèi)積水，影響掘進(jìn)效率。

2 渣土改良試驗(yàn)方案

渣土的改良效果的評級體系較為綜合，含水率和改良劑摻量是兩個(gè)重要的影響因素。以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，對比分析含水率和改良劑摻量對渣土狀態(tài)的影響。其中渣土改良效果的評價(jià)主要根據(jù)渣土的坍落度判斷改良后渣土的流動性[5]。

目前，國內(nèi)外對渣土改良后適宜的坍落度值范圍沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一些專家認(rèn)為坍落度100 mm～150 mm較為合適，也有一些專家認(rèn)為120 mm～200 mm較為合適[6]。

通常情況下含水率對渣土坍落度試驗(yàn)的影響很大，渣土粘聚力隨含水率增大而減小，流塑性隨含水率增大而增大。因此文中對該地層從不同含水率和不同改良劑摻量角度對渣土的流動性進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

3 渣土取樣及物理性質(zhì)

3.1 渣土取樣

為了分析在相對均質(zhì)的地層中不同掘進(jìn)參數(shù)下渣土顆粒的物理性質(zhì)，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，通過調(diào)整推力、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)，待施工參數(shù)穩(wěn)定后，在輸送皮帶末端隨機(jī)取樣并做好密封措施。為了保證盾構(gòu)掘進(jìn)正常，盾構(gòu)機(jī)各掘進(jìn)參數(shù)需要控制在一定范圍之內(nèi)。由于掘進(jìn)參數(shù)動態(tài)變化特性，因此改變的掘進(jìn)參數(shù)會在擬定的掘進(jìn)參數(shù)附近浮動，取樣參數(shù)見表1。

表1 取樣參數(shù)表

3.2 渣土物理性質(zhì)

通過取固定容量的容器，將每編號渣樣依次并稱取重量，去掉容器重量后算得渣樣密度。通過稱量每編號渣樣濕質(zhì)量，然后平置于防水板上自然風(fēng)干1 d后放入烘箱10 h，烘干后稱取干質(zhì)量，算得渣土含水率，各編號密度及含水率如表2所示。

經(jīng)計(jì)算，各渣樣平均密度為1.79 g/cm3，由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會流向土倉內(nèi)，因此測得含水率高于實(shí)際含水率，實(shí)際含水率應(yīng)接近地層含水率。

表2 各渣樣密度與含水率表

4 渣土改良試驗(yàn)

4.1 改良劑選擇

土壓平衡盾構(gòu)施工主要的渣土改良方法有加水、膨潤土、高分子聚合物和泡沫劑等，其中泡沫劑是較為合適的改良添加劑，本次試驗(yàn)選擇使用南昌某公司YHP系列土壤改良泡沫劑，其成分主要為表面活性劑、穩(wěn)定劑、滲透劑等，是專門針對盾構(gòu)機(jī)在隧道施工中的一種輔助材料，能有效改良土壤塑性，具體技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 泡沫劑技術(shù)指標(biāo)

4.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

按含水率16%配置平均級配的渣土，通過控制泡沫劑溶液流量(混合溶液濃度為3%)和控制氣壓的方法得到泡沫(發(fā)泡倍率為10倍以上)，其摻量分別為渣土體積的0%,20%,40%,60%。在不同摻量的泡沫下，用攪拌機(jī)將渣土充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢杞Y(jié)束后分層灌入坍落度桶內(nèi)，每層用搗棒由外向內(nèi)插搗15次，灌滿后用刮刀將桶口渣土刮平。拔出坍落度桶，測其坍落度，記錄數(shù)據(jù)。在含水率16%下加減2%，分別為12%,14%,18%,20%。再按上述兩步進(jìn)行操作。

對每組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拍照并量取坍落度值，試驗(yàn)過程如圖1～圖3所示，所得結(jié)果建立含水率與流動性關(guān)系及泡沫劑摻量與流動性關(guān)系如圖4，圖5所示。

從圖1中可知，在泡沫劑摻量一定時(shí)，渣樣含水率越高，渣樣的坍落度值越大。其中渣樣含水率從12%增加到14%時(shí)，渣樣坍落度值增加較為緩慢；含水率從14%增加到16%時(shí)，渣樣的坍落度值迅速增加；之后隨著含水率的增加，渣樣坍落度值增加速率再次放緩。同時(shí)渣樣泡沫劑摻量達(dá)到40%之后，泡沫劑摻量增加，渣樣坍落度值差異逐漸變小。

從圖2中可知，在渣樣含水率較小的情況下(含水率為12%,14%)，泡沫劑摻量的增加，渣土坍落度值迅速增加。含水率為12%時(shí)，渣樣坍落度值從41 mm增加到179 mm；含水率為14%時(shí)，渣樣坍落度值從64 mm增加到176 mm。隨著含水率的進(jìn)一步增大，渣樣坍落度值增幅非常緩慢，含水率為16%,18%,20%時(shí)，渣樣坍落度值分別從185 mm,202 mm,216 mm增加到220 mm,239 mm,239 mm。同時(shí)也能看出，渣樣含水率在16%時(shí)，隨著泡沫劑摻量的增加，渣樣坍落度值出現(xiàn)明顯差異，即含水率到達(dá)16%之后，渣樣坍落度值增加幅度迅速減小。

5 結(jié)語

渣樣含水率在16%～18%時(shí)，渣樣通過摻入泡沫劑能達(dá)到較好的流塑狀態(tài)，此時(shí)渣土坍落度值范圍在180 mm～230 mm，并且渣土中細(xì)顆粒能很好的將粗顆粒進(jìn)行包裹，渣土的保水性較好，不析水，渣土接近飽和狀態(tài)。而泡沫劑摻量摻入40%左右時(shí)改良效果最佳，能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。