黏性地層盾構(gòu)刀盤泥餅崩解特性試驗(yàn)研究

魏力峰，葉來賓，黃際政，劉鵬程，方 勇，*

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518040)

0 引言

我國城市軌道交通建設(shè)現(xiàn)已進(jìn)入加速發(fā)展階段，其中以地鐵建設(shè)尤為突出。盾構(gòu)法作為城市地鐵隧道建設(shè)的常用工法，面對各地區(qū)差異化的地質(zhì)條件，存在諸多技術(shù)難題亟待解決[1]。以黏性地層為例，盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象普遍存在，且會給掘進(jìn)帶來各種困難[2-3]，如刀盤堵塞、刀具偏磨、刀盤轉(zhuǎn)矩過大等，嚴(yán)重影響施工效率。

針對刀盤結(jié)泥餅這一問題，國內(nèi)外學(xué)者從泥餅成因機(jī)制、泥餅防治措施2方面出發(fā)，開展了大量的研究工作。泥餅成因機(jī)制方面，竺維彬等[4]、李志軍等[5]依托工程實(shí)際，指出盾構(gòu)在富含黏土礦物顆粒的地層中掘進(jìn)時(shí)易結(jié)泥餅，并強(qiáng)調(diào)黏土礦物是形成泥餅的物質(zhì)基礎(chǔ)；董祥寬[6]、傅鑫暉等[7]結(jié)合現(xiàn)場施工情況，發(fā)現(xiàn)土艙壓力過高時(shí)未及時(shí)排出的渣土?xí)粩D壓密實(shí)，最終附著在刀盤上形成泥餅，而高土壓掘進(jìn)引起的刀盤局部高溫會加速渣土的燒結(jié)作用；王明勝[8]、李波等[9]結(jié)合開艙檢測結(jié)果，分析指出刀盤中心開口率過小、刀盤噴水及泡沫噴口堵塞等問題是泥餅形成的主要原因。相關(guān)研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，泥餅形成主要涉及到地層地質(zhì)、設(shè)備缺陷及施工控制等方面。為此，Langmaack[10]通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析研究了不同改良劑的地層適應(yīng)性問題，指出渣土改良有利于提高掘進(jìn)效率；鐘長平等[11]、Liu等[12]提出通過加入分散劑可加快土體的分散，進(jìn)而溶解泥餅；賈璐等[13]結(jié)合現(xiàn)場施工情況，指出當(dāng)?shù)侗P僅出現(xiàn)輕微程度結(jié)泥餅時(shí)，可通過沖刷系統(tǒng)用高壓水或泥漿沖洗刀盤；張家年等[14]、王助鋒等[15]依托工程實(shí)際，對盾構(gòu)刀盤刀具配置進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，實(shí)踐表明新制刀盤可在一定程度上減輕結(jié)泥餅問題；鄧如勇[16]對刀盤結(jié)泥餅問題的處置措施進(jìn)行了總結(jié)介紹，并根據(jù)所建立的“梁橋模型”分析設(shè)計(jì)了一種刀盤徑向沖洗裝置。

綜上，目前國內(nèi)外針對刀盤結(jié)泥餅問題的研究多集中在土壤與刀盤的黏附機(jī)制上，對泥餅本身特性的研究很少；研究提出的措施多是如何防止或減輕刀盤結(jié)泥餅，對于已形成泥餅缺少徹底有效的處理方法，且多基于工程經(jīng)驗(yàn)，不具備普遍適應(yīng)性。國內(nèi)各地盾構(gòu)施工如遇到結(jié)泥餅問題，多數(shù)采取開艙人工清除。為避免開艙處理帶來的安全隱患及工期滯后，常通過盾構(gòu)原有泡沫管路向刀盤和土艙中注入分散劑溶液等[17]，此過程涉及泥餅的崩解現(xiàn)象。

崩解試驗(yàn)?zāi)壳爸饕糜谘芯孔匀煌馏w的崩解性，泥餅崩解相關(guān)研究很少。本文以深圳市軌道交通13號線留仙洞站—白芒站區(qū)間軟巖段為背景，通過自行改進(jìn)的崩解儀對不同試驗(yàn)條件下原狀泥餅的崩解特性進(jìn)行研究，分析分散劑溶液及其他影響因素對泥餅崩解特性的影響規(guī)律，并據(jù)此提出化學(xué)分散法處理刀盤泥餅的應(yīng)用建議，以期為解決類似工程問題提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 泥餅崩解機(jī)制

泥餅崩解與巖土體的崩解近似，泥餅可視作較為致密的土塊。注入溶液前，經(jīng)高壓作用，泥餅內(nèi)部顆粒呈片狀，黏土礦物晶片較厚，整體結(jié)構(gòu)多呈現(xiàn)不規(guī)則疊片狀，顆粒間吸力、斥力處于相對平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；溶液經(jīng)噴頭注入后，水分沿泥餅表面孔隙滲入，泥餅內(nèi)部顆粒周圍水膜增厚，顆粒間斥力增大、吸力減小，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)軟化。泥餅崩解作用過程如圖1所示。

圖1 泥餅崩解作用過程

泥餅內(nèi)部的黏土礦物顆粒吸水會產(chǎn)生體積膨脹，并以膨脹壓力的形式作用在周圍非膨脹區(qū)域內(nèi)的顆粒上(見圖1)。由于黏土礦物顆粒在泥餅內(nèi)部分布的非均勻性，膨脹過程中的力學(xué)作用也是不均勻的，這種不均勻的力學(xué)作用將促進(jìn)泥餅內(nèi)部裂隙的發(fā)展。同時(shí)，黏土顆粒的水化作用引起的表層雙電層結(jié)構(gòu)的變化也將削弱泥餅內(nèi)部顆粒在聯(lián)結(jié)部位的強(qiáng)度[18]，泥餅的強(qiáng)度和穩(wěn)定性因此降低，并最終發(fā)生崩解破壞。

Gamble[19]指出巖土體遇水發(fā)生崩解的主要內(nèi)因是巖土體含水率的變化和內(nèi)部水分的遷移。巖土體內(nèi)部膨脹性礦物發(fā)生水化膨脹、水體入侵導(dǎo)致巖土體裂隙或結(jié)構(gòu)缺陷部位因空氣壓縮而產(chǎn)生超張應(yīng)力等也是導(dǎo)致巖土體崩解破壞的重要因素[20-21]。

2 泥餅崩解室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)背景

深圳市軌道交通13號線留仙洞站—白芒站區(qū)間位于深圳市南山區(qū)，區(qū)間隧道沿線地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，左線某施工段盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅問題嚴(yán)重(見圖2)，泥餅主要分布在刀盤中心區(qū)域。由于土艙壓力較高，導(dǎo)致泥餅結(jié)構(gòu)較為致密，高壓水沖洗效果不佳，主要采取帶壓開艙人工處理。

(a) (b) (c) (d)

研究區(qū)間隧道穿越地層為強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層，現(xiàn)場破碎下來的原狀泥餅的測定含水率為11.07%，礦物成分中黏土礦物主要為高嶺石。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究刀盤泥餅的崩解特性及各影響因素對泥餅崩解特性的影響規(guī)律，對不同試驗(yàn)條件下的泥餅試樣進(jìn)行室內(nèi)崩解試驗(yàn)，溶液體積分?jǐn)?shù)、泥餅尺寸、初始含水率、干濕循環(huán)次數(shù)作為主要考察因素。試驗(yàn)溶液由常用的分散劑制備，選用硅酸鈉和六偏磷酸鈉[22]。為使試驗(yàn)結(jié)果有所參照，各組試驗(yàn)前均設(shè)置純水作用下的崩解對照試驗(yàn)。試驗(yàn)分組及具體方案見表1。

表1 試驗(yàn)分組及具體方案

采用崩解量和崩解速度作為泥餅崩解現(xiàn)象的定量描述指標(biāo)。

2.3 試驗(yàn)儀器

標(biāo)準(zhǔn)崩解試驗(yàn)難以保證記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且通過傳統(tǒng)崩解儀的曲面桶身難以觀察試樣變化情況，故在此基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)改進(jìn)了試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法，改進(jìn)后的崩解儀如圖3所示。崩解過程中試樣的質(zhì)量變化由拉力計(jì)測定，崩解量和崩解速度可按式(1)、式(2)計(jì)算。

圖3 改進(jìn)后的崩解儀示意圖

(1)

式中：At為試樣在時(shí)間t時(shí)的崩解量；F0為試驗(yàn)開始時(shí)拉力計(jì)對鏈條頂端的拉力，N；Ft為時(shí)間t時(shí)拉力計(jì)對鏈條頂端的拉力，N；C為未放置泥餅的情況下將不銹鋼網(wǎng)板與鏈條浸入溶液中時(shí)拉力計(jì)的數(shù)值，N，置零后取C=0 N。

(2)

2.4 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)前，需根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案制備所需大小的立方體試樣及試驗(yàn)所需溶液，并將試驗(yàn)儀器各部件連接固定。試驗(yàn)開始后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由軟件同步記錄，試驗(yàn)過程中注意觀察泥餅試樣產(chǎn)生氣泡大小多寡、試樣崩解性狀、溶液渾濁程度、試樣崩解顆粒大小等，待泥餅試樣完全崩解或長時(shí)間不再崩解時(shí)，視作崩解完成。試驗(yàn)流程見圖4。

圖4 崩解試驗(yàn)流程圖

3 泥餅崩解敏感性分析

3.1 分散劑溶液及溶液體積分?jǐn)?shù)對泥餅崩解性的影響

取邊長5 cm的立方體試樣進(jìn)行不同溶液體積分?jǐn)?shù)條件下的泥餅崩解試驗(yàn)。由純水作用下的泥餅崩解試驗(yàn)結(jié)果(見圖5)可知，泥餅試樣的崩解曲線大致呈“S”形，經(jīng)歷崩解開始—崩解發(fā)展—崩解穩(wěn)定3個(gè)階段。試驗(yàn)開始后的12 min，泥餅試樣幾乎不崩解，且存在吸水增重現(xiàn)象；隨著浸水時(shí)間的增長，試樣崩解由開始階段的細(xì)小顆粒脫離發(fā)展為成塊剝落，甚至出現(xiàn)類似“滑坡”的小型整體滑動破壞，直至崩解完成。崩解過程水中產(chǎn)生大量氣泡，未崩解部分較大且含水率較高，測定含水率約為18.91%，接近飽和含水率19.83%。試樣最終崩解量約為0.74，崩解完成所需時(shí)間為59 min，崩解發(fā)展階段的崩解速度多在0.005～0.035 min-1，崩解較為緩慢。

圖5 純水作用下泥餅的崩解曲線

分散劑主要作用于泥餅內(nèi)部的黏土礦物顆粒，可削弱黏土顆粒之間的連接[22]。不同體積分?jǐn)?shù)的分散劑溶液作用下泥餅的崩解試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，試樣的崩解啟動時(shí)間較純水作用下明顯縮短，崩解速度均在試驗(yàn)開始后的5 min內(nèi)達(dá)到最大。對于六偏磷酸鈉溶液，隨著溶液體積分?jǐn)?shù)的提高，泥餅試樣的最終崩解量也相應(yīng)增大，最終崩解量為0.94～0.97，基本可實(shí)現(xiàn)試樣的完全崩解。但此崩解促進(jìn)效果對應(yīng)的溶液體積分?jǐn)?shù)存在閾值，當(dāng)六偏磷酸鈉的體積分?jǐn)?shù)超過4%后，提高溶液體積分?jǐn)?shù)對于泥餅試樣崩解的提升效果有限。

(a)硅酸鈉溶液

但對于硅酸鈉溶液，各體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)的最終崩解量均低于純水作用，且崩解量、崩解速度同溶液體積分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)超過8%后，泥餅試樣幾乎不崩解，這是因?yàn)楣杷徕c與黏土中的高價(jià)金屬離子(或在pH值低于9時(shí))易生成硅酸鈣鎂沉淀或硅膠顆粒，會堵塞顆粒間孔隙并形成化學(xué)膠結(jié)作用[23]；同時(shí)，隨著鈉離子體積分?jǐn)?shù)增加，水化膜變薄，黏土顆粒的水化能力削弱，泥餅崩解受到抑制?？梢姡稚┤芤簩Φ侗P泥餅的作用影響存在適應(yīng)性差異，且與溶液體積分?jǐn)?shù)相關(guān)。

3.2 泥餅尺寸對泥餅崩解性的影響

泥餅尺寸關(guān)系到崩解時(shí)其與溶液的作用面積，會對其崩解規(guī)律產(chǎn)生一定影響。取邊長為3、5、7 cm的立方體試樣進(jìn)行泥餅崩解試驗(yàn)，試驗(yàn)溶液選用4%六偏磷酸鈉。純水作用下和六偏磷酸鈉溶液作用下試驗(yàn)結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 純水作用下不同尺寸泥餅的崩解曲線

圖8 六偏磷酸鈉溶液作用下不同尺寸泥餅的崩解曲線

由圖7可知，邊長3 cm的立方體試樣的崩解量、崩解速度較其他尺寸試樣有明顯提升，最終崩解量約為0.91，最大崩解速度達(dá)0.09 min-1，崩解完成所需時(shí)間僅28 min，未崩解部分的含水率在17.5%～19%，接近飽和含水率。泥餅試樣浸水后，水分的滲入會破壞泥餅表層結(jié)構(gòu)，當(dāng)顆粒間斥力大于引力時(shí)，表層土體將由滲透層轉(zhuǎn)化為崩解層，滲透層則逐漸向泥餅內(nèi)部擴(kuò)散。當(dāng)試樣尺寸較小時(shí)，滲透層擴(kuò)散較快，顆粒間的力學(xué)平衡變化劇烈，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重[18]。隨著泥餅尺寸增大，崩解層轉(zhuǎn)化時(shí)間延長，當(dāng)外部土體完成崩解時(shí)，內(nèi)部土體已接近飽和，水分難以滲入泥餅內(nèi)部，無法再形成新的崩解層，即崩解完成。

對于4%六偏磷酸鈉溶液，泥餅試樣的崩解量隨著尺寸的增大呈小幅縮減，邊長7 cm的立方體試樣的最終崩解量較3 cm減小約10%，可見試樣尺寸增大引起的內(nèi)部含水率接近飽和的問題在分散劑溶液中依然存在。由于試樣尺寸相較泥餅的真實(shí)尺寸要小得多，實(shí)際生產(chǎn)中若采用化學(xué)分散法處理刀盤泥餅，泥餅內(nèi)部含水率因接近飽和而抑制崩解的問題仍舊是普遍存在的。若結(jié)合泥餅形成的預(yù)測手段(如刀盤測溫系統(tǒng))判斷泥餅形成規(guī)模，通過現(xiàn)場應(yīng)用效果來決定分散劑溶液注入時(shí)機(jī)，以盡量減小泥餅尺寸對于分散劑溶液崩解促進(jìn)效果的影響，則可改善化學(xué)分散法處理刀盤泥餅的應(yīng)用效果。

3.3 初始含水率對泥餅崩解性的影響

各地區(qū)刀盤泥餅的干濕情況各異，處理難度也不同。取邊長5 cm的立方體試樣，通過30 ℃恒溫烘箱和水膜轉(zhuǎn)移法，將其含水率控制在0%、2%、5%、8%、11%、14%、18%。純水作用下和六偏磷酸鈉溶液作用下的崩解試驗(yàn)結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 純水作用下不同初始含水率泥餅的崩解曲線

圖10 六偏磷酸鈉溶液作用下不同初始含水率泥餅的崩解曲線

由圖9可以看出，在純水作用下，初始含水率小于5%的泥餅試樣均能實(shí)現(xiàn)完全崩解，完全崩解所需時(shí)間隨初始含水率的提高而延長。初始含水率為18%的泥餅試樣含水率較高，表層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，浸水后表層迅速潰散，直接進(jìn)入發(fā)展階段；但由于其含水率接近飽和，最終崩解量僅為0.178。研究表明[24]，土體浸水后內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞作用的強(qiáng)烈程度與其吸水速度有關(guān)。對于非飽和土而言，其吸水速度與基質(zhì)吸力相關(guān)，基質(zhì)吸力等于孔隙氣壓與負(fù)孔隙水壓之差。泥餅含水率較低時(shí)，水分滲入土體會造成孔隙水壓迅速提升，孔隙內(nèi)氣體以氣泡形式排出，基質(zhì)吸力增大，泥餅試樣的吸水速度增大，浸水后破壞作用也就越強(qiáng)烈。不同含水率泥餅崩解情況如圖11所示。

(a) (b) (c)

由圖10可知，在4%六偏磷酸鈉溶液作用下，初始含水率小于11%的泥餅試樣均能實(shí)現(xiàn)完全崩解，崩解速度在試驗(yàn)開始后的5 min內(nèi)達(dá)到最大。為了整體反映泥餅試樣在純水和4%六偏磷酸鈉溶液中崩解的快慢及難易程度，通過計(jì)算試樣最終崩解量與最終崩解所需時(shí)間的比值得到平均崩解速度。不同初始含水率的泥餅平均崩解速度如圖12所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，泥餅的平均崩解速度隨著初始含水率的減小而明顯提升。在采用分散劑溶液浸泡處理刀盤泥餅前，若結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用效果采取必要措施，將刀盤泥餅的含水率降至5%及以下，可有效提高泥餅處理效率。

圖12 不同初始含水率的泥餅平均崩解速度

3.4 干濕循環(huán)對泥餅崩解性的影響

由前文研究可知，泥餅崩解性對失水非常敏感，烘干則顯然會加快泥餅失水速度，且烘干溫度越高，失水速度越快，巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)性破壞越嚴(yán)重[18]。

為了研究烘干次數(shù)對于泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞的累加效應(yīng)，取邊長5 cm的立方體試樣進(jìn)行不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下的泥餅崩解試驗(yàn)。泥餅試樣通過水膜轉(zhuǎn)移法增濕至20%的含水率，密封保濕24 h后，再由30 ℃恒溫烘箱烘干至恒重，即完成1次干濕循環(huán)，循環(huán)結(jié)束后需將試樣增濕至11%的含水率并靜置48 h，方可進(jìn)行試驗(yàn)。由于此作用主要在泥餅結(jié)構(gòu)破壞本身，無關(guān)所用溶液，故僅使用純水進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 純水作用下不同干濕循環(huán)后泥餅的崩解曲線

由圖13可以看出，經(jīng)過干濕循環(huán)作用后的泥餅試樣在純水中也能實(shí)現(xiàn)完全崩解，所需時(shí)間隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減少。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)大于2次時(shí)，試樣崩解啟動迅速，經(jīng)歷3次干濕循環(huán)作用，試樣完全崩解僅需16 min，最大崩解速度接近0.1 min-1。但當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)大于3次后，干濕循環(huán)次數(shù)的增加對于泥餅崩解速度的提升有限。

干濕循環(huán)過程中，泥餅試樣反復(fù)失水、增濕。失水引起的不均勻收縮會使其產(chǎn)生微裂隙，增濕時(shí)這些微裂隙將自發(fā)地吸附水分子覆蓋裂隙表面，產(chǎn)生楔裂壓力[25]；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，泥餅內(nèi)部裂隙逐漸向縱深擴(kuò)展，泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞加重，但當(dāng)結(jié)構(gòu)破壞到某一程度時(shí)，崩解效果則趨于飽和?？紤]到干濕循環(huán)在常規(guī)盾構(gòu)設(shè)備掘進(jìn)中難以實(shí)現(xiàn)，若對刀盤進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，在刀盤中心區(qū)域等易結(jié)泥餅位置增設(shè)加熱裝置，如焊接溫控電阻絲、利用電熱效應(yīng)等，并經(jīng)預(yù)設(shè)噴頭對刀盤泥餅進(jìn)行增濕，可在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)干濕循環(huán)作用。

4 結(jié)論與建議

1)泥餅的崩解現(xiàn)象主要經(jīng)歷崩解開始—崩解發(fā)展—崩解穩(wěn)定3個(gè)階段。在分散劑溶液作用下，泥餅崩解啟動迅速，崩解開始階段可以忽略不計(jì)。

2)分散劑溶液對刀盤泥餅的作用影響存在適應(yīng)性差異，且與溶液體積分?jǐn)?shù)相關(guān)，崩解促進(jìn)效果對應(yīng)的溶液體積分?jǐn)?shù)存在閾值。工程中若采用化學(xué)分散法處理刀盤泥餅，可通過室內(nèi)崩解試驗(yàn)選出與工程相匹配的分散劑溶液。

3)泥餅尺寸的增大會導(dǎo)致其內(nèi)部含水率接近飽和，使水分或溶液難以進(jìn)入泥餅內(nèi)部，進(jìn)而抑制崩解。若采用化學(xué)分散法處理刀盤泥餅，建議結(jié)合泥餅形成的預(yù)測手段判斷泥餅形成規(guī)模，通過現(xiàn)場應(yīng)用效果來決定分散劑溶液注入時(shí)機(jī)，以盡量減小泥餅尺寸對于分散劑溶液崩解促進(jìn)效果的影響。

4)初始含水率對刀盤泥餅崩解特性的影響顯著，對于含水率較低的地層，可直接使用分散劑溶液處理；含水率較高的地層，建議結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用效果，采取必要措施，將刀盤泥餅的含水率降至5%及以下，以提高泥餅處理效率。

5)干濕循環(huán)會加速刀盤泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞逐漸加重，一般經(jīng)歷3次干濕循環(huán)作用，泥餅處理難度會有所降低。

本文通過自行改進(jìn)的崩解儀，對原狀泥餅進(jìn)行了不同試驗(yàn)條件下的室內(nèi)崩解試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分散劑溶液浸泡的泥餅處理方法的有效性。初始含水率的降低、干濕循環(huán)對于降低泥餅處理難度有積極作用，此過程涉及溫度對于泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，但尚未對此展開研究。因此，將在后續(xù)研究中對泥餅形成溫度及處理溫度的作用影響作進(jìn)一步探討。