富水砂卵石地層盾構(gòu)專(zhuān)用碴土改良劑的研制及應(yīng)用

彭寶富， 賀雄飛

(1. 成都軌道建設(shè)管理有限公司， 四川 成都 610041；2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 511458)

0 引言

目前，我國(guó)所應(yīng)用的盾構(gòu)類(lèi)型主要為土壓平衡式盾構(gòu)，其適應(yīng)的地質(zhì)范圍較為廣泛。土壓平衡盾構(gòu)施工成功的關(guān)鍵在于有效的碴土改良。碴土改良是通過(guò)盾構(gòu)上的專(zhuān)用裝置向刀盤(pán)面、土艙或螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入改良劑，利用刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)攪拌、土艙攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)攪拌使改良劑與碴土混合，其主要目的是使盾構(gòu)切削下來(lái)的碴土具有良好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，以滿足盾構(gòu)在不同地質(zhì)條件下采用不同掘進(jìn)模式掘進(jìn)時(shí)均可達(dá)到理想的工作狀況[1-2]。

砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，具有黏聚力小、內(nèi)摩擦角大、滲透系數(shù)大、流動(dòng)性和穩(wěn)定性差等特性。盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，經(jīng)刀盤(pán)切削到土艙中的砂卵石塑流性差，易出現(xiàn)出土困難(閉塞)、噴涌、掘進(jìn)參數(shù)異常且掘進(jìn)困難、土壓難以建立、設(shè)備磨損嚴(yán)重等技術(shù)問(wèn)題[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)碴土改良技術(shù)開(kāi)展了大量研究。文獻(xiàn)[2, 5-8]主要采用試驗(yàn)方法對(duì)已有的改良材料進(jìn)行應(yīng)用研究，研究改良材料的性能參數(shù)變化對(duì)土體的性能影響，給出了改良參數(shù)范圍和建議；文獻(xiàn)[9-10]雖有研制新型泡沫劑，但研制的泡沫劑一方面針對(duì)性不強(qiáng)，另一方面僅在室內(nèi)對(duì)泡沫劑性能及改良土體效果進(jìn)行了試驗(yàn)，未進(jìn)行工程應(yīng)用和推廣，其工程應(yīng)用效果不明。文獻(xiàn)[11]針對(duì)北京砂卵石地層研制了泥漿與泡沫劑2種改良劑，并在北京地鐵盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行了工程應(yīng)用，泡沫劑應(yīng)用了400 kg，應(yīng)用量比較少，從應(yīng)用效果看未能體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

從目前泡沫劑的工程應(yīng)用情況看，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有泡沫劑性能差異較大，適用性不強(qiáng)，對(duì)于砂卵石地層，尤其是富水砂卵石地層的改良效果較差。為此，本文針對(duì)砂卵石地層特性研制出一種新型高效土壓平衡盾構(gòu)改良劑，并在全斷面砂卵石地層進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用效果與進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)，可有效減少和防止該地層土壓平衡盾構(gòu)施工中堵艙及噴涌事故的發(fā)生。

1 聚合型泡沫劑的研制

1.1 聚合型泡沫劑的制備

本文所配制的聚合型泡沫劑主要成分為陰離子表面活性劑A、非離子表面活性劑B,其他成分為穩(wěn)泡劑C和D、聚合物增效劑E等。首先將陰離子表面活性劑A溶解于水中，然后加入非離子表面活性劑B混溶后，再分別加入穩(wěn)泡劑C和D，最后加入聚合物增效劑E，充分?jǐn)嚢枞芙夂蟮玫綗o(wú)色透明液體，即為聚合型泡沫劑。其主要物理化學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 聚合型泡沫劑主要物理化學(xué)指標(biāo)Table 1 Main physico-chemical indices of polymeric foam agents

1.2 泡沫劑性能測(cè)試

通過(guò)自組裝發(fā)泡系統(tǒng)，在發(fā)泡氣壓為0.5 MPa、氣液比為50∶1、泡沫劑體積分?jǐn)?shù)為2%的試驗(yàn)條件下，對(duì)聚合型泡沫劑和對(duì)比用某進(jìn)口泡沫劑的性能進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，并對(duì)泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，篩選出4組性能與對(duì)比泡沫劑相近或更優(yōu)的聚合型泡沫劑配方，其性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 聚合型泡沫劑發(fā)泡和穩(wěn)泡性能Table 2 Foaming and foam stabilizing properties of polymeric foam agents

1.3 室內(nèi)碴土改良試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)碴土顆粒級(jí)配

該聚合型泡沫劑主要針對(duì)砂卵石地層研發(fā)，室內(nèi)試驗(yàn)土樣取自于成都地鐵某工程。試驗(yàn)土樣顆粒粒徑級(jí)配累積曲線如圖1所示。

由圖1可知，粗粒顆粒占比50%以上，圓礫、卵石較多，土樣可壓縮性小、滲透系數(shù)大、可塑性差，符合聚合型泡沫劑改良試驗(yàn)用土要求。

圖1 試驗(yàn)土樣顆粒粒徑級(jí)配累積曲線Fig. 1 Grain gradating curves of soil sample

1.3.2 碴土改良試驗(yàn)

選取以上性能優(yōu)異的4種聚合型泡沫劑進(jìn)行碴土改良試驗(yàn)。每次試驗(yàn)之前，先將土樣烘干，在烘干狀態(tài)下取一定體積的試驗(yàn)土樣，然后按照試驗(yàn)含水率所需水量向土樣中添加水，經(jīng)攪拌均勻后，按照試驗(yàn)所需體積取新制的泡沫倒入土樣再進(jìn)行攪拌，待攪拌均勻后，立即取新拌改良后碴土，對(duì)碴土的坍落度、滲透系數(shù)、內(nèi)摩擦角及容重進(jìn)行分組同步測(cè)試，具體試驗(yàn)方法如下：

1)坍落度。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]中坍落度的試驗(yàn)步驟進(jìn)行。

2)容重(表觀密度)。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]中表觀密度的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

3)滲透系數(shù)。參照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[13]中常水頭滲透試驗(yàn)方法進(jìn)行。

4)內(nèi)摩擦角。碴土內(nèi)摩擦角通過(guò)直剪試驗(yàn)測(cè)試計(jì)算而得。參照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[13]中砂類(lèi)土直剪試驗(yàn)方法進(jìn)行，軸向荷載級(jí)數(shù)設(shè)定約為100、200、300、400 kPa 4級(jí)，另外加上加載試樣蓋和自重部分荷載，剪切速率為0.8 mm/min。

通過(guò)對(duì)比不同改良參數(shù)下各泡沫的碴土改良效果，最終確定了砂卵石地層較優(yōu)的改良參數(shù)范圍為： 碴土初始含水率12%～15%，泡沫注入比30%～40%，泡沫劑體積分?jǐn)?shù)2%～5%。測(cè)試碴土初始含水率12%、泡沫注入比30%、泡沫劑體積分?jǐn)?shù)5%的改良參數(shù)條件下各泡沫劑改良前后碴土的滲透系數(shù)、坍落度、內(nèi)摩擦角及容重，結(jié)果如表3所示。

表3 改良前后碴土的性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Performance of soil before and after conditioning

由表3數(shù)據(jù)可知，相比不加泡沫劑的初始土樣，加入泡沫劑后碴土的性能得到明顯改善，滲透系數(shù)和內(nèi)摩擦角明顯降低，流動(dòng)性變大。在相同改良參數(shù)條件下，自制的4種聚合型泡沫劑對(duì)砂、卵石土的內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)的改善效果比某進(jìn)口泡沫劑更優(yōu)，聚合型泡沫劑對(duì)砂卵石具有更好的止水和減磨作用。從改良前后碴土的坍落度數(shù)據(jù)以及對(duì)碴土的性狀觀測(cè)可以看出，加入泡沫劑改良后的碴土和易性得到明顯改善，碴土的坍落度基本在150 mm左右，碴土顆粒間的黏聚性提高，改良后碴土內(nèi)可見(jiàn)明顯細(xì)小泡沫分布，碴土的蓬松度非常好。綜合碴土性能測(cè)試結(jié)果和碴土性狀觀測(cè)，在自制4種泡沫劑中3#泡沫劑碴土改良效果最佳。

2 聚合型泡沫劑現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在室內(nèi)配制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)研制產(chǎn)品的工程實(shí)際應(yīng)用效果，選用室內(nèi)碴土改良效果最佳的3#聚合型泡沫劑(簡(jiǎn)稱(chēng)PSA)進(jìn)行試產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取成都地鐵3號(hào)線二三期工程土建5標(biāo)龍橋路站至雙鳳橋站區(qū)間(簡(jiǎn)稱(chēng)“龍雙區(qū)間”)右線進(jìn)行。

2.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，試驗(yàn)段屬于川西平原岷江沖積地貌，地形開(kāi)闊平坦，地勢(shì)總體南高北低，局部呈微波狀起伏。盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)表層多為第四系全新統(tǒng)人工填土覆蓋，表層下有沖積層黏性土、粉質(zhì)黏土、砂土及卵石土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖、泥質(zhì)砂巖，區(qū)間隧道范圍內(nèi)砂、卵石土綜合含水層滲透系數(shù)K約為26～28 m/d，為強(qiáng)透水層，水量豐富，對(duì)區(qū)間隧道施工影響大。

試驗(yàn)區(qū)間隧道穿越地層為全斷面砂卵石地層，以〈3-8-3〉密實(shí)狀卵石層為主(卵石含量90%～96%，粒徑為2～10 cm)，局部夾少量漂石(最大粒徑20 cm)，填充物以圓礫、細(xì)砂、中砂為主。

盾構(gòu)在該富水砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，螺旋輸送機(jī)容易出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，造成大粒徑卵石不能被帶出而沉積在土艙底部。大粒徑卵石堆積后產(chǎn)生固結(jié)效應(yīng)，使刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩突然增加，甚至刀盤(pán)被卡死。為減小卵石土的內(nèi)摩擦角和土體的摩擦阻力，獲得良好的流動(dòng)性、流塑性和止水性，進(jìn)行有效的碴土改良非常重要。

2.2 碴土改良系統(tǒng)

試驗(yàn)段施工盾構(gòu)刀盤(pán)面板上共設(shè)計(jì)有6個(gè)碴土改良噴口，其中泡沫噴口(單管單泵)4個(gè)，膨潤(rùn)土噴口2個(gè)。膨潤(rùn)土噴口和泡沫噴口各自獨(dú)立，添加了5路刀盤(pán)噴水口。碴土改良劑為泡沫劑和水，未采用膨潤(rùn)土改良。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

在龍雙區(qū)間右線第262—284環(huán)應(yīng)用了自制聚合型泡沫劑PSA，對(duì)應(yīng)里程為DK11+963.6～YDK11+998.0。在應(yīng)用聚合型泡沫劑PSA掘進(jìn)期間，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)了盾構(gòu)總推力、掘進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩、上部土艙壓力等掘進(jìn)參數(shù)以及泡沫劑消耗量，測(cè)試了改良碴土的容重、坍落度，觀測(cè)了碴土的性狀。為了對(duì)比自制聚合型泡沫劑與其他同類(lèi)泡沫劑的使用效果，對(duì)第262—284環(huán)之前和之后同種地質(zhì)條件下現(xiàn)場(chǎng)使用不同泡沫劑的掘進(jìn)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。其中，第222—246環(huán)現(xiàn)場(chǎng)采用某國(guó)產(chǎn)知名品牌泡沫劑(簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)產(chǎn)Ⅰ”)改良，第247—261環(huán)現(xiàn)場(chǎng)采用某國(guó)外品牌泡沫劑(簡(jiǎn)稱(chēng)“進(jìn)口產(chǎn)品”)改良，第285—309環(huán)現(xiàn)場(chǎng)采用另一國(guó)產(chǎn)知名品牌泡沫劑(簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)產(chǎn)Ⅱ”)改良。

2.3.1 采用不同泡沫劑的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及泡沫劑消耗量對(duì)比分析

為了直觀地對(duì)比自制的泡沫劑與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的其他泡沫劑的使用效果，對(duì)各泡沫劑使用期間盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)以及每環(huán)泡沫劑消耗量取平均值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4所示。

表4 采用不同泡沫劑的盾構(gòu)平均掘進(jìn)參數(shù)及泡沫劑消耗量對(duì)比Table 4 Average tunneling parameters and foam agent consumption of shield tunneling conditioned by different foam agents

由表4結(jié)果可知，自制聚合型泡沫劑PSA的應(yīng)用效果與進(jìn)口泡沫劑相當(dāng)，每環(huán)泡沫劑消耗量更少。相比國(guó)產(chǎn)Ⅰ泡沫劑和國(guó)產(chǎn)Ⅱ泡沫劑，PSA泡沫劑各項(xiàng)指標(biāo)更優(yōu)，且優(yōu)勢(shì)明顯。1)在盾構(gòu)推力方面，使用進(jìn)口產(chǎn)品時(shí)推力值最小，其次是PSA，使用國(guó)產(chǎn)Ⅱ時(shí)推力最大； 2)在盾構(gòu)掘進(jìn)速度方面，使用進(jìn)口產(chǎn)品和PSA時(shí)掘進(jìn)速度較快，達(dá)到55 mm/min以上，滿足施工安全、快速的要求； 3)在刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩方面，PSA和進(jìn)口產(chǎn)品在控制刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、改良碴土性能方面效果相當(dāng)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩較??； 4)在螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩方面，4種泡沫劑相差不大，均在20 kN·m以內(nèi)； 5)在上部土壓方面，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中均保持高壓掘進(jìn)，上部土壓維持在0.15 MPa左右； 6)在每環(huán)泡沫劑消耗量方面，相同工況條件下，PSA消耗量明顯比現(xiàn)場(chǎng)其他種類(lèi)泡沫劑消耗量低，用量最省，經(jīng)計(jì)算每環(huán)可節(jié)省泡沫劑用量9.5%左右，經(jīng)濟(jì)性最好。

2.3.2 改良后碴土性狀對(duì)比分析

為了對(duì)比聚合型泡沫劑PSA和現(xiàn)場(chǎng)其他泡沫劑對(duì)碴土性能的改良效果，對(duì)部分環(huán)號(hào)的碴土進(jìn)行取樣測(cè)試，測(cè)試碴土的坍落度和容重，觀測(cè)碴土的性狀及碴土內(nèi)泡沫的分布情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖2—6所示。

由碴土的性能測(cè)試、碴土性狀觀測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況可以看出：

1)使用聚合型泡沫劑PSA改良后碴土的性狀最好，坍落度大部分在135～195 mm，平均值為156.8 mm，碴土內(nèi)可見(jiàn)大量微細(xì)泡沫，碴土呈黏稠狀，和易性好，且水土不分離，整個(gè)應(yīng)用過(guò)程中未發(fā)生噴碴、噴涌現(xiàn)象。

2)使用國(guó)產(chǎn)Ⅰ和進(jìn)口泡沫劑改良后的碴土坍落度偏大，碴土偏稀，螺旋輸送機(jī)出碴時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)噴碴現(xiàn)象，且出碴不連續(xù)，碴車(chē)內(nèi)碴土出現(xiàn)水土分離現(xiàn)象。

3)使用國(guó)產(chǎn)Ⅱ泡沫劑改良后的碴土偏干，坍落度小，碴土內(nèi)泡沫分布較少，流動(dòng)性較差，碴土改良效果較差。

(a) 坍落度

(b) 容重圖2 不同泡沫劑改良后的碴土坍落度及容重平均值對(duì)比Fig. 2 Average values of slump and bulk densities of soil after conditioned by different foam agents

(a) 第264環(huán)碴土

(b) 第278環(huán)碴土圖3 聚合型泡沫劑PSA改良后碴土照片F(xiàn)ig. 3 Photos of soil conditioned by polymeric foam agent PSA

(a) 第243環(huán)碴土

(b) 第245環(huán)碴土圖4 國(guó)產(chǎn)Ⅰ泡沫劑改良后碴土照片F(xiàn)ig. 4 Photos of soil conditioned by domestic foam agent No. 1

(a) 第247環(huán)碴土

(b) 第257環(huán)碴土圖5 進(jìn)口泡沫劑改良后碴土照片F(xiàn)ig. 5 Photos of soil conditioned by a imported foam agent

(a) 第286環(huán)碴土

(b) 第288環(huán)碴土圖6 國(guó)產(chǎn)Ⅱ泡沫劑改良后碴土照片F(xiàn)ig. 6 Photos of soil conditioned by domestic foam agent No. 2

3 結(jié)論與建議

針對(duì)砂卵石地層特點(diǎn)，配制了聚合型泡沫劑，通過(guò)碴土改良試驗(yàn)對(duì)比各泡沫劑的碴土改良效果，確定了聚合型泡沫劑配方PSA，并在全斷面富水砂卵石地層進(jìn)行了應(yīng)用研究，得到主要結(jié)論如下。

1)通過(guò)大量的室內(nèi)配制試驗(yàn)，篩選出4組發(fā)泡和穩(wěn)泡性能比進(jìn)口泡沫劑性能更優(yōu)的聚合型泡沫劑配方。

2)對(duì)篩選的聚合型泡沫劑進(jìn)行碴土改良試驗(yàn)，利用室內(nèi)試驗(yàn)條件測(cè)試泡沫劑的改良效果，并與進(jìn)口泡沫劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了聚合型泡沫劑對(duì)砂卵石地層的改良作用。改良后碴土的滲透系數(shù)在2×10-5cm/s左右，止水性得到較大提高；內(nèi)摩擦角比改良前降低了4°～10°，減摩作用明顯。

3)對(duì)碴土改良效果最佳配方PSA進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究。試驗(yàn)結(jié)果表明： 同種地質(zhì)條件下，聚合型泡沫劑PSA碴土改良效果與現(xiàn)場(chǎng)使用的進(jìn)口泡沫劑改良效果相當(dāng)，明顯優(yōu)于國(guó)產(chǎn)其他品牌泡沫劑，滿足全斷面富水砂卵石地層盾構(gòu)施工對(duì)碴土改良的要求； 同時(shí)，使用PSA泡沫劑每環(huán)可節(jié)約9.5%左右的材料用量，經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4)聚合型泡沫劑針對(duì)砂層、砂卵石地層研制，對(duì)粗粒土的內(nèi)摩擦角、滲透系數(shù)改良作用顯著，但并不適用于黏性土地層。黏性土地層碴土改良材料需要針對(duì)其地質(zhì)特點(diǎn)再進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)。