土壓平衡盾構(gòu)高黏土礦物渣土改良技術(shù)

韓月旺/HAN Yue-wang

（鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

渣土改良作為土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵工序之一，對于提高掘進(jìn)施工效率、降低能耗、保證安全起著非常重要的作用，特別是在復(fù)雜地層條件下掘進(jìn)[1～3]。通常情況下由盾構(gòu)刀盤切削下來未改良的渣土，其傳遞壓力的能力差、止水性差、流動性差，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，危害施工安全。

為了提高土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)效率，必須對刀盤切削下來的不良渣土進(jìn)行改良，保證渣土具有理想的流塑性。盾構(gòu)渣土改良劑主要有膨潤土泥漿、泡沫劑和高分子聚合物等。國內(nèi)外對渣土改良進(jìn)行了一定的研究。Daniele[4～5]基于加工的特殊裝置模擬分析了螺旋輸送機和土艙，采用泡沫劑改良了意大利Voltri地層、Sillano地層和Monte Morello地層的渣土，通過以泡沫添加比（FIR）和含水率作為變量，分析在不同變量下渣土的性能差異。Luca[6]提出一種新的方法來測試渣土的滲透性，將不同比例的泡沫添加到火山灰?guī)r渣土中并測試其滲透性，以此分析了泡沫添加比（FIR）對渣土滲透性的影響。Zumsteg[7]采用不同類型的渣土在不同壓力下進(jìn)行改良試驗，研究了渣土的種類和壓力的大小對泡沫改良渣土的影響。但上述研究中針對高黏土礦物渣土改良技術(shù)的研究較少。本文依托工程為南昌市軌道交通1號線，針對南昌地區(qū)高粘土礦物渣土，盾構(gòu)未改良渣土性能較差的特點，采用改良劑對高黏土礦物渣土進(jìn)行改良試驗，并測試改良后渣土的性能。

1 工程概況

南昌地鐵1號線中子區(qū)間工程（中山西路站至子固路站）區(qū)間掘進(jìn)地層主要為泥質(zhì)粉砂巖，其呈紫紅色，遇水容易軟化變形，中厚層狀構(gòu)造，基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

表1 改良地層的物理參數(shù)

采用X射線衍射儀對泥質(zhì)粉砂巖渣土進(jìn)行物相分析，獲得其礦物成分。通過分析渣土的礦物成分可知：粘土礦物含量較大，其中高嶺石占總礦物組成的27.8%，微斜長石11.1%，伊利石、蒙脫石分別占8.3%和4.4%，鈉長石1.6%。研究表明高嶺石、伊利石、蒙脫石等粘土礦物是導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅的主要原因，其中蒙脫石和伊利石影響最大。

2 渣土改良的機理

土壓平衡盾構(gòu)施工中渣土被改良后，盾構(gòu)的掘進(jìn)效能和適用性得到顯著的提高，主要有以下優(yōu)點。

1）能改善盾構(gòu)開挖速率，降低刀盤扭矩和刀盤切削地層的能耗。

2）起到潤滑的作用，降低刀盤面板和刀具的磨損。

3）降低渣土的滲透性和粘結(jié)性，從而降低盾構(gòu)施工發(fā)生噴涌和刀盤結(jié)泥餅的風(fēng)險。

4）提高渣土的流塑性，改善螺旋輸送機出土的效率。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中改良劑一般是通過刀盤面板、土艙隔板和螺旋輸送機上的噴口注入，再和渣土混合在一起。一般認(rèn)為改良的渣土達(dá)到理想狀態(tài)最好，所謂理想狀態(tài)的渣土是具有相對較高的細(xì)顆粒、較好的流塑性、傳遞性和較低的滲透性。

在進(jìn)行渣土改良試驗之前，先需確定改良劑的類型。渣土改良劑的確定主要是根據(jù)現(xiàn)場渣土的工程地質(zhì)特點和改良劑改良渣土機理來決定。我國土壓平衡盾構(gòu)施工過程中最常見的改良劑為泡沫和膨潤土泥漿。不同改良劑改良渣土的機理不同。對于泡沫改良渣土，泡沫添加到渣土中后，渣土由氣、水和固體的三相體轉(zhuǎn)變?yōu)闅?、水、泡沫和固體的四相體，改良后渣土的物理力學(xué)性能發(fā)生較大的改變。

首先渣土改良后泡沫填充在渣土的孔隙中，阻斷了孔隙水流動的通道，降低渣土的孔隙率和滲透性，從而提高了渣土的止水性。其次，泡沫劑溶液能起到潤滑的作用，其吸附在渣土的表面，能減小渣土間的摩擦性。再次，泡沫在渣土顆粒中能充當(dāng)軸承的作用，能進(jìn)一步降低渣土的摩擦性，改善渣土的流塑性。最后泡沫充填到渣土中后，能降低渣土顆粒間的接觸面積，從而減小渣土的粘聚力。

對于膨潤土泥漿改良渣土，渣土被膨潤土泥漿改良后，其物理力學(xué)性能變化較大。首先膨潤土泥漿注入后，其會充填渣土顆粒間的間隙，而膨潤土泥漿本身為不透水材料，從而達(dá)到降低渣土滲透系數(shù)的目的。其次，膨潤土泥漿與渣土混合后，會以泥膜的形式吸附在渣土顆粒四周，其減小了渣土顆粒間的摩擦力，提高了粘聚力，從而改善了渣土的流塑性，保證了渣土連續(xù)不斷被螺旋輸送機排出。再次，膨潤土泥漿的潤滑作用能防止粗顆粒渣土卡住刀盤或刀具。最后在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中膨潤土泥漿不斷從刀盤面板噴口噴出，并滲透到開挖面前方一段距離，形成具有一定強度的泥餅，這個泥餅相當(dāng)于一個隔水層，阻止開挖面前方地下水滲入土艙，從而降低噴涌發(fā)生的概率，保證了開挖面穩(wěn)定性。

3 渣土改良試驗

3.1 渣土改良評價方法

對于改良渣土的評價，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的方法，但絕大多數(shù)是采用坍落度指標(biāo)作為評價方法。部分學(xué)者認(rèn)為經(jīng)過改良之后渣土的坍落度為10～15cm時效果較好，但也有學(xué)者提出坍落度為12～20cm時最佳。將坍落度作為渣土改良評價指標(biāo)時，能較好的反應(yīng)渣土的流塑性，且操作簡單，但其存在一定的問題。隨著泡沫的添加，坍落度雖達(dá)到要求時，可能會出現(xiàn)離析的現(xiàn)象，泡沫漂浮在水上，這樣的渣土明顯不符合要求。意大利學(xué)者Daniele Peila提出采用坍落度作為評價指標(biāo)的同時，也應(yīng)當(dāng)參考渣土的外觀來判斷改良的效果，綜合分析得到的結(jié)果比較合理?；谝陨戏治觯疚慕Y(jié)合坍落度與改良后渣土的狀態(tài)來評價渣土改良試驗。

3.2 泡沫劑性能

為選用合適的泡沫劑進(jìn)行改良試驗，現(xiàn)采用A、B、C3種泡沫劑進(jìn)行發(fā)泡實驗和消散實驗，通過對實驗結(jié)果的分析選用其中性能最好的泡沫劑。

3種改良劑濃度控制在3%左右。在實際盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，打泡壓力通?？刂圃?.2～0.3MPa之間。為使實驗符合盾構(gòu)掘進(jìn)情況，試驗中壓力也設(shè)置在0.2～0.3MPa之間。對選取的泡沫劑分別進(jìn)行發(fā)泡試驗，記錄發(fā)泡率。

由結(jié)果可知所采用的發(fā)泡劑的發(fā)泡率均大于10倍。泡沫A、泡沫B、泡沫C發(fā)泡率分別為16倍、20倍、36倍，其中泡沫劑C的發(fā)泡率達(dá)到36倍，在3種發(fā)泡劑中最高，發(fā)泡性能優(yōu)于其他兩組，泡沫劑A性能最差。

為比較發(fā)泡實驗所產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性，同時進(jìn)行泡沫消散試驗，得到泡沫消散曲線（圖1）。

圖1 泡沫消散曲線

國內(nèi)外研究表明[8]泡沫半衰期大于5min時滿足施工要求。泡沫半衰期即指泡沫體積消散一半經(jīng)歷的時間。通過對3種泡沫進(jìn)行半衰期試驗，獲得了其半衰期時間，分別為5min、13min以及大于18min?？梢钥闯?種泡沫的半衰期均大于5min，能滿足施工要求。其中泡沫劑A半衰期最短，泡沫劑B次之，而泡沫劑C產(chǎn)生的泡沫消散最慢。C泡沫劑的穩(wěn)定性最好。綜合考慮改良劑使用性能和經(jīng)濟(jì)性，本試驗選用泡沫劑B作為樣本。

3.3 渣土改良試驗

渣土改良過程中改良劑添加比表示改良劑體積與渣土體積之比，其計算公式見1。

式中，δ為改良劑添加比；Vf為改良劑的體積（即泡沫體積或膨潤土泥漿體積）；Vs為未改良渣土的體積。

試驗中確定施工可行性的渣土改良參數(shù)為選用的泡沫劑濃度以及泡沫添加比。采用坍落度試驗和狀態(tài)對改良后渣土的效果進(jìn)行評價，以確定渣土狀態(tài)較好時對應(yīng)的泡沫比。對渣土的改良結(jié)果記錄如下表2，改良參數(shù)如表3。

通過對含水率不同的高黏土礦物渣土進(jìn)行室內(nèi)坍落度試驗，獲得了高黏土礦物渣土最優(yōu)泡沫添加比和最佳坍落度值。分析表2和表3可知：高黏土礦物渣土的含水率為22.7%、21.5%和19.7%時，最優(yōu)泡沫添加比分別為18.5%、32.5%、22.5%。最優(yōu)泡沫添加比下渣土的最佳坍落度值為17～20cm之間。

4 結(jié) 論

本文依托南昌地區(qū)高黏土礦物泥質(zhì)粉砂巖渣土，選用泡沫劑最優(yōu)改良劑，對高黏土礦物渣土進(jìn)行了改良試驗，對渣土改良效果進(jìn)行了評價，得出如下結(jié)論。

1）土壓平衡盾構(gòu)高黏土礦物渣土改良后，降低了其內(nèi)摩擦角和粘聚力，增加了流塑性和止水性。

2）對渣土改良劑泡沫的性能進(jìn)行測試。泡沫劑發(fā)泡率需大于10倍，半衰期時間需要大于5min以上，才能滿足土壓平衡盾構(gòu)渣土改良要求。

3）高黏土礦物渣土的含水率為22.7%、21.5%和19.7%時，最優(yōu)泡沫添加比分別為18.5%、32.5%、22.5%。最優(yōu)泡沫添加比下渣土的最佳坍落度值為17～20cm之間。

表2 泥質(zhì)粉砂巖渣土坍落度試驗

表3 采用B泡沫劑渣土改良參數(shù)