膨潤(rùn)土及黏土用于地鐵盾構(gòu)渣土性能改良的分析與研究

王大永，劉思國(guó)，謝麗霞

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

地鐵工程是國(guó)家級(jí)重大工程，對(duì)于地鐵車站區(qū)間的建設(shè)包括暗挖法、明挖法以及盾構(gòu)法等，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法施工機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，施工期可完全不影響航道通行和地面建筑正常使用，且噪聲和振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境基本無(wú)干擾[1-3]。適宜在不同顆粒條件下的土層中施工，多車道的隧道可做到分期施工，分期運(yùn)營(yíng)，可減少一次性投資。哈爾濱地鐵3號(hào)線區(qū)間段采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，該線路緊鄰松花江，掘進(jìn)土層為富水砂層，一方面盾構(gòu)渣土內(nèi)摩擦角大，流動(dòng)性差，壓縮效應(yīng)不能完全止水；另一方面工程要求作為支撐介質(zhì)的渣土應(yīng)具有良好的塑性變形和軟稠度，及較小的內(nèi)摩擦角和滲透率[4-7]。為保證工程質(zhì)量和進(jìn)度，需對(duì)哈爾濱地鐵3號(hào)線盾構(gòu)渣土進(jìn)行改良。

研究者對(duì)土壓平衡盾構(gòu)黏性渣土改良的研究較多，對(duì)砂性渣土改良方法的研究也取得了一定成果。馬連叢[8]對(duì)界面活性材料（即泡沫）在富水砂卵石土層盾構(gòu)施工渣土改良的效果進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果選擇施工中的最佳配合比，并采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。然而，目前對(duì)富水砂層，特別是北方沿江區(qū)域的富水砂層，地鐵施工中渣土改良的研究及利用廢黏土改良盾構(gòu)渣土的研究較少。

本文針對(duì)哈爾濱地鐵3號(hào)線的實(shí)際施工問(wèn)題，一方面進(jìn)行了采用不同配比的膨潤(rùn)土漿液改良渣土性能的試驗(yàn)研究，另一方面進(jìn)行了利用工程暗挖區(qū)間開(kāi)挖的廢黏土摻加膨潤(rùn)土配制漿液改良渣土性能的試驗(yàn)研究。本項(xiàng)研究為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了技術(shù)參考，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

哈爾濱地鐵建設(shè)中，廣泛采用盾構(gòu)法施工，其中地質(zhì)情況復(fù)雜，包括砂石層，細(xì)砂層，粗砂層，施工難度大，需要各項(xiàng)技術(shù)研究支撐。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際及本次試驗(yàn)主要研究目的，本次試驗(yàn)主要土體改良材料為：1） 鈉基膨潤(rùn)土；2）暗挖區(qū)間開(kāi)挖黏土。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：考慮到工程實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程，沿江區(qū)域盾構(gòu)渣土以細(xì)砂為主，本次土體改良劑以膨潤(rùn)土為主，利用純膨潤(rùn)土改良粉細(xì)砂渣土；利用暗挖區(qū)間開(kāi)挖出黏土（內(nèi)含一定泡沫劑、膨潤(rùn)土）改良細(xì)砂渣土；暗挖區(qū)間開(kāi)挖黏土摻加一定比例膨潤(rùn)土改良其他種類渣土（粉細(xì)砂、細(xì)砂、粗砂）。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 利用純膨潤(rùn)土改良細(xì)砂渣土

利用純鈉基膨潤(rùn)土，通過(guò)調(diào)整不同的膨潤(rùn)土與水等的比例，測(cè)試配制后黏度和比重指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要，膨潤(rùn)土漿液（水土比 =4∶1）、（水土比 =6∶1）黏度分別為105 s、80 s均符合試驗(yàn)要求，詳見(jiàn)表1。在現(xiàn)場(chǎng)主管技術(shù)人員的指導(dǎo)和確認(rèn)下，采用膨潤(rùn)土漿液（水土比 =4∶1）進(jìn)行渣土改良。圖1為現(xiàn)場(chǎng)試配過(guò)程的效果圖，經(jīng)試驗(yàn)最終確認(rèn)配合比，膨潤(rùn)土漿液水土比（質(zhì)量比）=4∶1，渣土改良配合比（體積比）漿土比=1∶8，此時(shí)經(jīng)試拌的渣土黏度較好，出機(jī)狀態(tài)色澤光亮，易帶出機(jī)器，渣土改良效果最好。

表1 膨潤(rùn)土漿液配合比Table 1 Ratio of bentonite

圖1 純膨潤(rùn)土改良渣土配合比：1∶8Fig.1 The mix ratio of improving clay with pure bentonite:1∶8

2.2 利用暗挖區(qū)間開(kāi)挖黏土（內(nèi)含一定量的泡沫劑、膨潤(rùn)土）改良渣土

通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析和成本控制，結(jié)合哈爾濱當(dāng)?shù)氐叵掳低趨^(qū)間土質(zhì)情況，采用從暗挖區(qū)間開(kāi)挖出的黏土進(jìn)行渣土改良，此類渣土量較大且含有一定量的泡沫劑和膨潤(rùn)土，摻配比例如表2，渣土改良配合比如表3所示。經(jīng)試驗(yàn)單純用暗挖區(qū)間的黏土進(jìn)行渣土改良、效果不佳，泥漿多加攪拌后渣土稀不成型，泥漿稍加攪拌后渣土黏性欠佳，不易帶出渣土。

表2 黏土漿液配合比Table 2 Ratio of clay slurry

表3 黏土改良配合比Table 3 Ratio of improving muck

2.3 利用暗挖區(qū)間開(kāi)挖黏土（內(nèi)含一定量的泡沫劑、膨潤(rùn)土）摻膨潤(rùn)土改良渣土

考慮到直接使用黏土改良效果不佳，研究組采取摻加膨潤(rùn)土來(lái)增加改良土的黏性，摻配比例為（黏土∶膨潤(rùn)土 =4∶1）。由于膨潤(rùn)土的性質(zhì)和黏土的含水率稍有不同，配合比只做參考，渣土主要為細(xì)砂，以黏土漿液黏度控制在150 s為控制目標(biāo)。黏土漿液配合比見(jiàn)表4，渣土改良體積比見(jiàn)表5，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知渣土改良比例（體積比）為黏土漿液∶渣土=1∶8。不同比例渣土改良配合比攪拌渣土效果圖見(jiàn)圖2，此時(shí)經(jīng)試拌的渣土黏度較好，出機(jī)狀態(tài)色澤光亮，易帶出機(jī)器，渣土改良效果最好。

表4 開(kāi)挖黏土摻膨潤(rùn)土漿液配合比Table 4 Ratio of excavated clay with bentonite slurry

表5 渣土改良配合比（細(xì)砂）Table 5 Ratio of improving muck(fine sand)

圖2 黏土加膨潤(rùn)土改良渣土：1∶8Fig.2 The improving muck of clay with bentonite：1∶8

2.4 利用暗挖區(qū)間開(kāi)挖黏土（內(nèi)含一定量的泡沫劑、膨潤(rùn)土）摻膨潤(rùn)土改良不同盾構(gòu)渣土

考慮到工程項(xiàng)目為地下富水砂層的盾構(gòu)法施工，研究對(duì)象主要為不同砂層，為開(kāi)展今后盾構(gòu)法施工通過(guò)不同類砂層的渣土改良配合比，開(kāi)展了進(jìn)一步研究。首先選取不同哈爾濱沿江富水區(qū)域的典型砂層：1） 粉細(xì)砂；2） 細(xì)砂；3） 粗砂，對(duì)于粉細(xì)砂，摻加暗挖區(qū)間開(kāi)挖黏土的膨潤(rùn)土漿液配合比，經(jīng)過(guò)適配為表4第3種。渣土改良配合比如表6，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知渣土改良比例（體積比）泥漿∶渣土 =1∶10。此時(shí)經(jīng)試拌的渣土黏度較好，出機(jī)狀態(tài)色澤光亮，易帶出機(jī)器，渣土改良效果最好，見(jiàn)圖3。

表6 渣土改良配合比（粉細(xì)砂）Table 6 Ratio of improving muck（fine powder sand）

圖3 粉細(xì)砂渣土改良Fig.3 Improving muck with fine powder sand

對(duì)于細(xì)砂，摻加開(kāi)挖黏土的膨潤(rùn)土漿液配合比，經(jīng)過(guò)適配為表4第3種。渣土改良配合比如表5，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知渣土改良比例（體積比）泥漿∶渣土=1∶8。對(duì)于粗砂，摻加開(kāi)挖黏土的膨潤(rùn)土漿液配合比，經(jīng)過(guò)適配為表4第3種。渣土改良配合比如表7，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知渣土改良比例（體積比）泥漿∶渣土=1∶4。

表7 粗砂渣土改良配合比Table 7 Ratio of improving muck（coarse sand)

通過(guò)對(duì)比以上不同盾構(gòu)渣土的土質(zhì)情況，并比較在純用膨潤(rùn)土情況下的不同渣土的改良配合比以及摻加黏土后達(dá)到相似改良狀態(tài)下的改良配合比，得到盾構(gòu)施工中的渣土改良配合比如表8。利用膨潤(rùn)土摻加暗挖區(qū)間開(kāi)挖的黏土改良盾構(gòu)渣土?xí)r，改良用黏土漿液配合比（質(zhì)量比）=4∶1，粉細(xì)砂為配合比（體積比）漿土比=1∶10，細(xì)砂渣土改良配合比（體積比）漿土比=1∶8，粗砂為配合比（體積比）漿土比=1∶4，此時(shí)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用需要，具有較好的黏性，易帶出渣土，且出機(jī)狀態(tài)與利用純膨潤(rùn)土進(jìn)行改良效果相似。

表8 摻黏土前后不同渣土改良配合比Table 8 Improved mixing ratio of different slag before and after clay mixing

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際及室內(nèi)模擬進(jìn)行試驗(yàn)研究，并進(jìn)行成本分析得到如下結(jié)論：

利用膨潤(rùn)土摻加暗挖區(qū)間開(kāi)挖的黏土改良盾構(gòu)渣土?xí)r，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用需要，具有較好的黏性，易帶出渣土，且出機(jī)狀態(tài)與利用純膨潤(rùn)土進(jìn)行改良效果相似。摻加廢黏土后的膨潤(rùn)土漿液黏性較好，能夠滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)需要，既節(jié)約了膨潤(rùn)土的使用量，又能夠利用其他施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的廢黏土，得到資源的合理有效利用。

本次研究采用區(qū)間開(kāi)挖廢黏土摻配一定比例膨潤(rùn)土，用于改良地鐵盾構(gòu)施工掘進(jìn)過(guò)程中的渣土，是北方地區(qū)為數(shù)不多的嘗試，并在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中得到了很好的應(yīng)用。通過(guò)摻加黏土改良渣土可以大大節(jié)約項(xiàng)目成本，為今后的盾構(gòu)渣土改良提供一定的參考。