富水砂卵石地層渣土改良試驗研究*

朱賢宇，雒偉勃

(1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200030；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000)

砂卵石地層盾構(gòu)隧道常采用土壓平衡盾構(gòu)進行開挖，由于砂卵石土的特性，往往會出現(xiàn)渣土流動性差、刀盤易結(jié)餅、刀具磨損量過大等問題，從而影響盾構(gòu)施工的順利進行，不可避免地要對渣土進行改良。邱龑等[1]采用泡沫、膨潤土及高分子聚合物對渣土進行改良，通過滲透試驗、壓縮試驗及電鏡掃描等得出添加劑最佳摻量。蔡輝[2]結(jié)合工程實例總結(jié)了盾構(gòu)在不同砂性地層中掘進采取的渣土改良技術(shù)措施。胡長明等[3]通過采用膨潤土作為改良劑進行室內(nèi)土工試驗，得出膨潤土的最優(yōu)膨化濃度和最優(yōu)膨化時間，通過對比渣土經(jīng)不同配比的膨潤土泥漿改良前后的抗剪強度、滲透性及坍落度，得到了合理的膨潤土濃度及泥漿摻入比。張潤來等[4]針對成都砂卵石地層采用泡沫、膨潤土和聚合物進行改良，進行室內(nèi)坍落度試驗、攪拌試驗和泥漿黏度試驗，確定配合比。許愷等[5]在盾構(gòu)掘進面前方摻加肥皂水、泡沫劑進行現(xiàn)場試驗,通過試驗前后盾構(gòu)施工參數(shù)的反饋分析結(jié)果,確定土體改良最佳方案。江華等[6]采用泡沫和膨潤土對砂卵石地層土體進行改良，再根據(jù)出土量、土壓力、盾構(gòu)推力及刀盤扭矩等參數(shù)的控制情況,及時調(diào)整土體改良劑的注入時間、注入量等參數(shù)。唐益群等[7]對比分析泡沫劑和肥皂水2種不同添加劑對減小盾構(gòu)在砂性土層中的推進阻力及其對改善砂性土層特性的影響。姜厚停等[8]通過試驗研究得到理想改良渣土的添加劑配合比參數(shù)：泡沫注入比為30%,泥漿注入比為10%,最佳坍落度范圍為150～200mm。郭彩霞等[9]通過現(xiàn)場試驗得出采用膨潤土和泡沫作為混合改良添加劑對渣土進行改良，能夠顯著降低盾構(gòu)的推力和扭矩以及渣土溫度。閆鑫等[10]研究泡沫對砂土的改良效果,得到適合土壓平衡盾構(gòu)施工的優(yōu)化泡沫摻入比。

上述文獻對于兩種添加劑的摻入量并沒有達成共識，且對兩種添加劑的改良效果缺少直觀的控制指標。本文通過室內(nèi)坍落度試驗、滲透試驗以及研發(fā)的土體磨蝕試驗，分析不同添加劑摻入比下渣土坍落度、滲透系數(shù)以及土體磨蝕系數(shù)的變化規(guī)律。最后通過刀具的磨損量驗證了上述摻入量下刀具的磨損值在控制范圍之內(nèi)。

1 工程概況

成都地鐵17號線一期工程范圍為易園站(含)—機投鎮(zhèn)站(含)。線路全長約25.76km，其中高架段長約5.5km，路基過渡段長約0.5km，地下段長約19.76km；共設(shè)置車站9座，其中高架站2座，地下站7座。最大站間距6 721m，最小站間距1 397m，平均站間距3 159m。換乘站5座。

全線盾構(gòu)穿越的主要地層為卵石土層。以黃石站—市五醫(yī)院站為例，主要存在②9-2中密砂卵石、③8-1稍密砂卵石、③3-8-2中密砂卵石、③3-8-3密實砂卵石層?；疑?、青灰色、褐黃色，密實，飽和，卵石成分以花崗巖、灰?guī)r、砂巖為主，磨圓度好，分選性差，粒徑60～180mm占75%以上，局部地段見漂石，一般長210～300mm，鉆孔揭示最大直徑約380mm，探坑揭示最大粒徑600mm 以上，其余以中、細砂充填，局部地段含有薄砂層。該層鉆孔皆未見底。卵石土分選性、均勻性差，抗壓強度高，自穩(wěn)性較差，滲透系數(shù)大，透水性強，富水性良好。沿線地下水位隨季節(jié)變化較大，主要為砂土、卵石土中賦存的孔隙潛水。本區(qū)間范圍內(nèi)地下水靜止水位埋深3.800～8.700m，穩(wěn)定水位高程537.030～546.690m，滲透系數(shù)25m/d。

2 渣土改良

2.1 渣土改良目的

為保證土倉內(nèi)渣土能順利排出，渣土需有塑性流動狀態(tài)，即流塑性[11]。渣土改良的目的在于使渣土具有良好的土壓平衡效果，利于穩(wěn)定開挖面，控制地表沉降；提高渣土的不透水性，使渣土具有較好的止水性，從而控制地下水流失；提高渣土的流動性，利于螺旋輸送機排土；防止開挖的渣土粘結(jié)刀盤而產(chǎn)生泥餅；防止螺旋輸送機排土?xí)r出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象；降低刀盤扭矩和螺旋輸送機的扭矩，同時減少對刀具和螺旋輸送機的磨損，從而提高盾構(gòu)機的掘進效率。

2.2 渣土改良控制指標

壓力倉內(nèi)土體的塑性流動狀態(tài)由以下指標進行衡量：坍落度T、抗?jié)B透系數(shù)k，抗剪強度r?，F(xiàn)場施工經(jīng)驗表明，土體的坍落度在10～16cm時，可認為其滿足塑性流動狀態(tài)的要求。在滲透性方面，開挖土體的滲透系數(shù)越小，則對盾構(gòu)施工中“噴涌”防治效果越好。避免盾構(gòu)中“噴涌”問題的發(fā)生要求下，開挖土體的滲透系數(shù)應(yīng)<1.0×10-5cm/s。

土體的抗剪強度對盾構(gòu)開挖及磨耗有直接影響。根據(jù)國內(nèi)外施工經(jīng)驗，開挖土體的抗剪強度應(yīng)<25kPa， 內(nèi)摩擦角應(yīng)<27°。因流塑狀態(tài)下土體的抗剪強度難以測定，直接采用土體磨蝕系數(shù)來衡量。渣土改良控制指標如表1所示。

表1 渣土改良控制指標

3 渣土改良試驗

3.1 試驗內(nèi)容

根據(jù)控制指標，試驗內(nèi)容包括坍落度試驗、滲透試驗、土體磨蝕性試驗。

3.2 土體磨耗試驗裝置及方案設(shè)計

3.2.1土體磨耗試驗裝置

將砂漿攪拌機的3個葉片分別打孔，將螺栓安裝在攪拌機的3個葉片上。攪拌機葉片模擬盾構(gòu)刀盤，螺栓端頭模擬盾構(gòu)刀具。試驗時，將配好的渣土放入攪拌桶內(nèi)，以相同的功率轉(zhuǎn)15min。螺栓試驗前后的質(zhì)量差可以直觀地反映出土體磨蝕性強弱，以此來衡量土體對刀具的磨蝕性大小。

通過稱量鋼塊在試驗前后的質(zhì)量差與土樣質(zhì)量的比值，可求得砂性土磨蝕性試驗的磨蝕性系數(shù)AC值(abrasiveness coefficient)，AC值的大小直觀衡量了砂性土對刀具磨蝕性大小，試驗裝置如圖1所示。計算公式為：

圖1 試驗裝置

(1)

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

3.2.2試驗方案

依托工程為富水砂卵石地層，泡沫劑的體積濃度取3%，發(fā)泡倍率為15，膨潤土配制質(zhì)量比為1∶6。分別按5%,10%,15%不同外摻比加入泡沫劑，按體積外摻比10%，15%，20%加入膨潤土，取9組試樣，分別做坍落度試驗、磨耗試驗及滲透性試驗。

3.3 試驗結(jié)果

坍落度試驗、磨耗試驗及滲透性試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果

3.3.1坍落度試驗

由表2所示試驗結(jié)果可知，摻入膨潤土和泡沫劑可以有效提高土體的坍落度。根據(jù)文獻調(diào)研，渣土改良后坍落度的控制指標為10～15cm，除試驗組1，4，9外，其余各組試驗均滿足渣土改良對坍落度的要求。

采用 SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，得到不同泡沫劑和膨潤土體積摻入比下坍落度的計算公式：

y=0.360V1+0.577V2+0.217

(2)

R2=0.985

(3)

式中：y為坍落度(cm)；V1為泡沫劑體積摻入比(%)；V2為膨潤土體積摻入比(%)。

三維數(shù)據(jù)擬合曲線如圖2所示。

圖2 坍落度試驗三維數(shù)據(jù)擬合曲線

3.3.2滲透性試驗

由表2可以看出，滲透系數(shù)控制在10-5cm/s 數(shù)量級，隨著改良劑摻入比的增加，渣土滲透系數(shù)逐漸減小，其中第3，6，8，9 組試驗滿足控制指標要求。

3.3.3土體磨蝕試驗

由表2可以看出，磨蝕系數(shù)隨著泡沫劑和膨潤土摻入量的增大而減小。采用SPSS統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，得到不同泡沫劑和膨潤土體積摻入比下磨蝕系數(shù)的計算公式：

AC=-0.463V1-0.513V2+25.667

(4)

R2=0.951

(5)

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

磨蝕試驗三維擬合曲線如圖3所示。

圖3 磨蝕試驗三維擬合曲線

由圖3可見，磨蝕系數(shù)隨泡沫劑和膨潤土摻入量的增大而減小。

3.3.4渣土改良合理配比

根據(jù)試驗結(jié)果，采用泡沫劑濃度為3%、體積注入率為15%，膨潤土質(zhì)量比為1∶6、體積注入率為15%進行渣土改良。

4 效果分析

通過對盾構(gòu)掘進右線試驗段 0～210 環(huán)開倉驗證刀具磨耗量來評判渣土改良效果。采用泡沫劑濃度為 3%、體積注入率為 15%，膨潤土質(zhì)量比為1∶6、 體積注入率為15%進行渣土改良。

1)輻條中心滾刀磨損值(見圖4)

圖4 輻條中心滾刀磨損值

由圖4可知,當左線盾構(gòu)掘進至210環(huán)即315m時,輻條中心部位1～20號滾刀磨損值較小，其磨損值為1～3mm，為正常磨損現(xiàn)象，可不換刀。

2)輻條中部滾刀磨損值(見圖5)

圖5 輻條中部滾刀磨損值

由圖5可見，輻條中部滾刀21～40號磨損值基本在正常可控范圍之內(nèi)，其中22，27號滾刀出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，需進行換刀處理，其余刀具可正常掘進。

3)面板邊緣滾刀磨損值(見圖6)

圖6 面板邊緣滾刀磨損值

由圖6可以看出，邊緣滾刀磨損值最大，且49，52～55號刀均出現(xiàn)偏磨情況，偏磨率為37.5%。其余各刀具均在正常磨損范圍內(nèi)，對于出現(xiàn)偏磨的刀具，需進行換刀處理。

因此，渣土改良效果良好，采用上述配合比進行渣土改良，全線左右線均只進行4次開倉驗刀，其開倉驗刀次數(shù)及刀具磨損值均在正?？煽胤秶?/p>

5 結(jié)語

通過渣土改良試驗以及現(xiàn)場刀具磨損分析可以得出以下結(jié)論。

1)對于坍落度而言，其控制指標值為10～16cm，其擬合公式為y=0.360V1+0.577V2+0.217。對于滲透系數(shù)，其控制指標為10-5cm/s 數(shù)量級，土體磨蝕系數(shù)應(yīng)越小越好，其擬合公式為：AC=-0.463V1-0.513V2+25.667。

2)土體的磨蝕系數(shù)AC可以直觀反映渣土對刀具的磨耗程度，渣土改良應(yīng)在土體磨蝕系數(shù)盡可能小的情況下，滿足坍落度和滲透系數(shù)的要求。

3)對于砂卵石地層而言，其渣土改良劑采用泡沫劑濃度為 3%、體積注入率為15%，膨潤土質(zhì)量比為 1∶6、體積注入率為 15% 進行渣土改良。在此配合比之下進行渣土改良，刀具的磨損程度及換刀次數(shù)在可控范圍之內(nèi)。