富水卵漂石地層盾構(gòu)隧道泡沫改良碴土試驗(yàn)研究

鐘鳴洋

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

土壓平衡盾構(gòu)在長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)噴涌、閉塞、結(jié)餅、地表沉降等問(wèn)題。對(duì)施工進(jìn)度造成很大的影響，同時(shí)對(duì)盾構(gòu)刀盤刀具造成較大的磨損。

對(duì)于大粒徑富水卵漂石地層而言，盾構(gòu)機(jī)的磨耗和噴涌問(wèn)題尤其嚴(yán)重。本文調(diào)研了大量砂卵石地層的砂卵石分布情況如下。北京地鐵砂卵石地層礫石最大粒徑為400～600 mm，個(gè)別漂石粒徑可達(dá)1 500 mm以上。地層最大含砂率約25 %～40 %不等[1]。地鐵十號(hào)線玉樊區(qū)間卵石粒徑一般為2～10 cm，最大粒徑約為15 cm，細(xì)中砂填充約30 %。局部夾有漂石，漂石含量約20 %以上[2]。北京地鐵9號(hào)線02標(biāo)“科-南”盾構(gòu)區(qū)間，主要穿越卵石的最大粒徑約為380 mm，一般粒徑20～80 mm[3]。蘭州地鐵某段穿越砂卵石的一般粒徑為20～50 mm。偶遇漂石的最大粒徑可達(dá)500 mm該層卵砂石的最大粒徑可達(dá)500 mm，小于2 mm的細(xì)顆粒含量為19.27 %[4]。成都地鐵駟馬橋區(qū)間的稍密實(shí)卵石45 %[5]，中密卵石20 %，卵石含量較高，粒徑一般為3～10 mm。成都人民南三段密實(shí)卵石層含量大于70 %，粒徑為5～8 mm[6]。

本文研究的盾構(gòu)區(qū)間段粒徑60～180 mm為砂卵石，約占75 %，局部見(jiàn)漂石，一般長(zhǎng)度為210～300 mm，鉆孔揭示最大約380 mm，探坑揭示最大粒徑600 mm以上。通過(guò)對(duì)比可以看出此地區(qū)砂卵石地層漂石粒徑大，漂石含量高，部分地段卵石層密實(shí)程度大，透水性強(qiáng)。對(duì)地鐵施工尤其是盾構(gòu)區(qū)間施工影響很大，尤其容易造成卡機(jī)和刀盤的磨損。而目前對(duì)于大粒徑砂卵石地層的砂土改良研究較少，因而十分有必要對(duì)該類型的地層進(jìn)行碴土改良研究。

為保證盾構(gòu)順利推進(jìn)，防止噴涌等現(xiàn)象發(fā)生，必須使碴土成為一種“塑性流動(dòng)狀態(tài)”的土，以保證螺旋排土器順利排出盾構(gòu)機(jī)，及土倉(cāng)內(nèi)的碴土能較好的平衡開(kāi)挖面的水土壓力。

為了使得碴土變成“塑性流動(dòng)狀態(tài)”，應(yīng)對(duì)碴土采取流塑化改良措施，即向開(kāi)挖面、土壓倉(cāng)(必要時(shí)向螺旋輸送機(jī))注入改性材料(泥漿、泡沫、聚合物等)，以促進(jìn)開(kāi)挖面穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)土壓平衡掘進(jìn)，同時(shí)有助于降低機(jī)械摩擦、減小地面沉降、提高掘進(jìn)速度等。首先對(duì)開(kāi)挖面，即刀盤前方土體注入泥漿，向開(kāi)挖面土體注入泥漿后，泥漿包圍在顆粒周圍，形成了一層泥膜，增加了顆粒之間的粘聚力，使得顆粒之間的傳力得到擴(kuò)散，達(dá)到一種泥漿護(hù)壁的效果，有助于穩(wěn)定開(kāi)挖面土體。其次是向土倉(cāng)內(nèi)注入泥漿，通過(guò)刀盤旋轉(zhuǎn)和螺旋機(jī)旋轉(zhuǎn)使泥漿滲入砂性土顆粒之間，增強(qiáng)顆粒之間的作用力，并以較大的泥漿浮力減少顆粒的堆積，形成流塑性狀態(tài)的碴土。最后是通過(guò)膨潤(rùn)土泥漿特殊的潤(rùn)滑性能，可以減輕顆粒與盾構(gòu)機(jī)及其構(gòu)件的摩擦。

本文以某盾構(gòu)隧道工程為依托，通過(guò)碴土改良試驗(yàn)，分析了泡沫劑和膨潤(rùn)土對(duì)卵漂石地層塌落度、滲透系數(shù)以及磨蝕性系數(shù)的影響關(guān)系，給出了依托工程的改良劑配比。為某地鐵區(qū)間段碴土改良中的使用提供理論指導(dǎo)。

1 碴土改良控制指標(biāo)及范圍

塑性流動(dòng)狀態(tài)的土體需要滿足某些指標(biāo)。王國(guó)峰指出要達(dá)到流動(dòng)塑性狀態(tài)需要塌落度達(dá)到10～15 mm，滲透系數(shù)小于1×10-5m/s[1]。趙東杰同樣指出為了防止噴涌發(fā)出，保證盾構(gòu)掘進(jìn)的順利進(jìn)行要求滲透系數(shù)小于1×10-5m/s[2]。 張淑朝指出為保證土壓平衡盾構(gòu)的順利進(jìn)行，需要保證塌落度的范圍在10～15 cm之間[7]。 胡二中指出為了保證土倉(cāng)壓力在地層主被動(dòng)壓力中找到平衡點(diǎn)，需要改善土倉(cāng)碴土的流動(dòng)性，保證碴土的順利排出[8]。 賀少輝指出噴涌的發(fā)生由排土口的水壓力和滲流量共同控制，土體的滲透系數(shù)成為影響噴涌發(fā)生最主要的因素和最敏感的條件[4]。 胡長(zhǎng)明指出碴土改良的成果會(huì)影響土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)速度和掘進(jìn)成本[9]。 郭彩霞等指出，目前關(guān)于碴土改良性能評(píng)價(jià)的的指標(biāo)以塌落度、攪拌實(shí)驗(yàn)、滲透實(shí)驗(yàn)為主[10]。

為使得土壓平衡盾構(gòu)的順利進(jìn)行，選用塌落度、滲透系數(shù)和土體磨蝕系數(shù)作為控制指標(biāo)，控制范圍如表1所示。

表1 控制指標(biāo)及范圍

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 碴土改良劑的選擇

如表2所示，富水卵漂石地層更適合采用膨潤(rùn)土和泡沫劑作為碴土改良劑。

表2 不同碴土改良劑的性質(zhì)

2.1.1 泡沫劑的應(yīng)用

泡沫劑可以使得碴土更加密實(shí)，提高碴土的完整性和致密性，防止富水卵漂石層發(fā)生噴涌。

2.1.2 膨潤(rùn)土的使用

膨潤(rùn)土漿液對(duì)土體的改良作用主要體現(xiàn)在較的潤(rùn)滑及降低抗剪強(qiáng)度，漿液中的膨潤(rùn)土摻量、膨潤(rùn)土漿液的注入率均對(duì)土體改良效果產(chǎn)生影響。一般情況下漿液中膨潤(rùn)土摻量越高，則漿液的質(zhì)量性能越好，相應(yīng)的改良作用也較明顯；漿液注入率越高，則相應(yīng)的改良作用也越大。但摻量不宜過(guò)大，否則會(huì)造成土體的分層離析，不利于盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定。

2.2 碴土改良試驗(yàn)種類

碴土改良試驗(yàn)種類如圖1～圖4所示。

圖1 砂漿攪拌機(jī)土體磨蝕性試驗(yàn)

圖2 刀盤模擬裝置

圖3 塌落度試驗(yàn)

圖4 滲透試驗(yàn)

2.2 塌落度試驗(yàn)

塌落度測(cè)試，先烘干試樣，在和改良劑混合過(guò)后，測(cè)定塌落度，即可。

測(cè)試泡沫改良碴土塌落度試驗(yàn)步驟如下：

(1)將試樣烘干，稱取體積為5.5 L的干試樣，放在一邊。

(2)根據(jù)試樣的重量，量取所需的水的重量。

(3)將干試樣和水混合，測(cè)得含水率ω0。

(4)準(zhǔn)備發(fā)泡溶液。

(5)計(jì)算滿足泡沫注入比所需泡沫的體積。

(6)按照規(guī)定的發(fā)泡倍率，計(jì)算出所需要的發(fā)泡液的體積，并按此體積量取水(忽略發(fā)泡液的體積)。

(7)根據(jù)所需發(fā)泡溶液的濃度，稱取所需發(fā)泡劑的重量。

(8)將水和發(fā)泡劑充分混合均勻。

(9)將發(fā)泡溶液放入發(fā)泡裝置中，生成泡沫。

(10)將泡沫和試樣混合均勻。

(11)試驗(yàn)前將坍落筒的內(nèi)壁用水濕潤(rùn)，防止坍落筒與試樣粘附。

(12)將泡沫改良試樣分三層裝入筒內(nèi)。

(13)按照規(guī)定進(jìn)行塌落度測(cè)試。

(14)清理試驗(yàn)后的碴土，清洗坍落筒，準(zhǔn)備下一次試驗(yàn)。

2.3 滲透系數(shù)試驗(yàn)

檢測(cè)土體添加泡沫劑改良前后的滲透系數(shù)變化是滲透試驗(yàn)的目標(biāo)，以及發(fā)泡率的不同對(duì)土體滲透系數(shù)變化影響，最后得到改良劑對(duì)改良土體止水性的效果評(píng)價(jià)。針對(duì)成都富水砂卵石土層，試驗(yàn)選擇變水頭法，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 滲透系數(shù)測(cè)試儀

滲透系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：A為變水頭管的斷面積(cm2)；L為滲徑，即試樣高度(cm)；t1，t2為分別為測(cè)讀水頭的起始和終止時(shí)間(s)；H1，H2為起始和終止水頭。

2.4 土體磨蝕性試驗(yàn)

磨蝕性普遍是指金屬器具(盾構(gòu)刀具、鉆孔鉆頭等)與巖石或土體作用時(shí)，由于其具有不同的物理和力學(xué)特性而對(duì)金屬器具產(chǎn)生的一定程度的磨損。磨損分主要和次要磨損。主要磨損是指在掘進(jìn)過(guò)程中滾刀、刮刀及刀盤與掌子面直接接觸造成的磨損。次要磨損是指掌子面和被剝落的土體對(duì)刮刀、滾刀側(cè)面、滾刀刀座及螺旋輸送機(jī)造成的非常規(guī)磨損。

2.4.1 LCPC(Laboratoire Central des Ponts et Chaussees)磨蝕性試驗(yàn)

法國(guó)d’Etudes et des Recherches des Charbonages中心發(fā)明的LCPC試驗(yàn)裝置，電機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)土樣中的鋼片(5 mm×25 mm×50 mm)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6所示。該裝置只適用于測(cè)試顆粒粒徑在6.3 mm以下的粉碎巖石顆?；蜃匀煌翗樱ㄟ^(guò)鋼片試驗(yàn)前后的質(zhì)量差與土樣的比值來(lái)確定LCPC磨蝕性系數(shù)來(lái)衡量土體的磨蝕性大小。

圖6 LCPL磨損試驗(yàn)

2.4.2 SAT(Soil Abrasion Test)試驗(yàn)

SAT試驗(yàn)是在挪威科技大學(xué)(Norwegian University of Science and Technology)NTNU 磨損試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，如圖7，鋼盤上放置烘干后土樣，顆粒最大粒徑不超過(guò) 4 mm，剛盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中土樣對(duì)上方的鋼針進(jìn)行研磨，用一段時(shí)間后鋼針損失的質(zhì)量來(lái)反映土樣的磨蝕性。

圖7 SAT試驗(yàn)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)依據(jù)流動(dòng)性、滲透性和土體磨蝕程度作為參考依據(jù)，以防止結(jié)餅，噴涌和刀具磨損。計(jì)算膨潤(rùn)土漿液、泡沫劑與碴土的配比，到達(dá)碴土改良的初始配比，以指導(dǎo)前期盾構(gòu)施工。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：①在施工場(chǎng)地取與隧道所處地質(zhì)條件相同的碴土，②對(duì)膨潤(rùn)土漿液和泡沫劑與碴土的不同配比進(jìn)行試驗(yàn)，③得到膨潤(rùn)土漿液和泡沫劑與碴土的最佳配比。試驗(yàn)主要包括塌落度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、土體磨蝕性試驗(yàn)，如圖1、圖3、圖4所示。

3.1 泡沫劑溶液配比

根據(jù)《南昌軌道交通工程土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)程》，泡沫劑組成應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖土體的顆粒級(jí)配、不均勻系數(shù)、掘進(jìn)速度、掘進(jìn)的推力以及扭矩具體情況進(jìn)行調(diào)整。一般情況下，泡沫溶液可參考如下表3配比所示。

表3 泡沫劑溶液參考配合比

根據(jù)以上試驗(yàn)，可以看出，刀具的磨耗主要可以由相關(guān)材料的質(zhì)量損失來(lái)反映，由此設(shè)計(jì)出相關(guān)的試驗(yàn)裝置。

本文試驗(yàn)裝置采用砂漿攪拌機(jī)，將砂漿攪拌機(jī)的三個(gè)葉片分別打孔，將螺栓安裝在攪拌機(jī)的三個(gè)葉片上。螺栓采用8.8級(jí)六角螺栓(抗拉強(qiáng)度為800 MPa,屈服強(qiáng)度為640 MPa)，重量為7.0 g。攪拌機(jī)葉片模擬盾構(gòu)刀盤見(jiàn)圖，螺栓端頭模擬盾構(gòu)刀具，砂漿攪拌機(jī)見(jiàn)圖1，刀盤模擬裝置見(jiàn)圖2。試驗(yàn)時(shí)，將配好的碴土放入攪拌桶內(nèi)，考慮到泡沫劑的半衰期，螺栓在容器槽中以1 000 r/min的速度旋轉(zhuǎn)15 min，圖1和圖2描繪了在砂土中進(jìn)行磨蝕性試驗(yàn)，螺栓在試驗(yàn)前后發(fā)生了明顯的磨損，螺栓表面被磨平而變得光滑，周邊棱角幾乎被磨平?？梢灶A(yù)見(jiàn)，螺栓的質(zhì)量發(fā)生變化，螺栓試驗(yàn)前后的質(zhì)量差可以直觀地反映出不同土體在不同情況下的磨蝕性強(qiáng)弱，以此來(lái)衡量土體對(duì)刀具的磨蝕性大小。

探察隊(duì)員將包裹搬入肖特拉洞內(nèi)井狀通道，其中有些井狀通道有36層大廈那么高。他們繞過(guò)地下瀑布攀登，沿著水平通道爬行，在黑暗的地下?tīng)I(yíng)地度過(guò)了好幾個(gè)星期，晚上就穿著潮濕的衣服睡覺(jué)。

通過(guò)稱量鋼塊在試驗(yàn)前后的質(zhì)量差與土樣質(zhì)量的比值，可求得砂性土磨蝕性試驗(yàn)的磨蝕性系數(shù)AC值(Abrasiveness Coefficient)，AC值的大小直觀的衡量了砂性土對(duì)刀具磨蝕性大小的，計(jì)算公式為：

式中：AC為磨蝕系數(shù)(g/t);mpb為試驗(yàn)前螺栓質(zhì)量(g);mpa為試驗(yàn)后螺栓質(zhì)量(g);M為土樣質(zhì)量(t)。

3.2 泡沫劑溶液配比

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，依托工程的地質(zhì)條件為富水砂卵石地層，泡沫的體積濃度取3 %，發(fā)泡倍率為15，膨潤(rùn)土配置質(zhì)量比為1∶6。分別按5 %、10 %、15 %不同外摻比加入泡沫，按體積外摻比10 %、15 %、20 %加入膨潤(rùn)土，取10組式樣(加一組空白實(shí)驗(yàn))，分別做塌落度試驗(yàn)、磨耗試驗(yàn)及滲透性試驗(yàn)。

3.2.1 塌落度試驗(yàn)結(jié)果分析

分別取泡沫劑占比5 %、10 %、15 %，膨潤(rùn)土占比10 %、15 %、20 %，得出塌落度土體塌落度隨著泡沫劑和膨潤(rùn)土摻入量的增大而增大，如圖8所示。

圖8 不同試驗(yàn)組下的塌落度

塌落度的控制指標(biāo)為10～16 cm，所以除試驗(yàn)組第一組及第九組外，其余試驗(yàn)組均滿足控制要求。

采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到不同泡沫劑和膨潤(rùn)土體積摻入比下塌落度的計(jì)算式：

y=0.360V1+0.577V2+0.217R2=0.985

式中：y為塌落度；V1為泡沫劑體積摻入比,%；V2為膨潤(rùn)土體積摻入比,%。

3.2.3 滲透系數(shù)試驗(yàn)分析

滲透系數(shù)控制在10-5cm/s數(shù)量級(jí)即小于10-4cm/s ，由圖9可知，隨著改良劑摻入比的增加，碴土滲透系數(shù)逐漸減小，其中第3、6、8、9組試驗(yàn)滿足控制指標(biāo)要求。

圖9 不同試驗(yàn)組下的滲透系數(shù)

3.2.4 磨蝕系試驗(yàn)分析

由圖10可以看出：磨蝕系數(shù)磨蝕系數(shù)隨著泡沫劑和膨潤(rùn)土摻入量的增大而減小不同泡沫劑和膨潤(rùn)土體積參入比下磨蝕系數(shù)的計(jì)算公式：

AC=-0.463V1-0.513V2+25.667

R2=0.951

式中:AC為磨蝕系數(shù),g/t;V1為泡沫劑體積摻入比,%;V2為膨潤(rùn)土體積摻入比,%。

圖10 不同試驗(yàn)組下的磨蝕系數(shù)

3.2.5 合理配比

不同體積摻入比下各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如表4所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果采用泡沫劑濃度為3 %，體積注入率為15 %和膨潤(rùn)土質(zhì)量比為1∶6,體積注入率為15 %進(jìn)行碴土改良。

表4 不同體積摻入比下各組試驗(yàn)總結(jié)

4 結(jié)論

(1)落度土體塌落度隨著泡沫劑和膨潤(rùn)土摻入量的增大而增大。

(2)磨蝕系數(shù)磨蝕系數(shù)隨著泡沫劑和膨潤(rùn)土摻入量的增大而減小。

(3)隨著改良劑摻入比的增加，碴土滲透系數(shù)逐漸減小。

(4)采用泡沫劑濃度為3 %，體積注入率為15 %和膨潤(rùn)土質(zhì)量比為1∶6,體積注入率為15 %進(jìn)行碴土改良。