泡沫和膨潤(rùn)土泥漿對(duì)改良砂土滲透性的研究*

齊躍軍

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 300222， 天津∥工程師)

0 引言

土壓平衡盾構(gòu)具有施工效率高、掘進(jìn)速度快、對(duì)周邊環(huán)境影響小及施工占地少等優(yōu)點(diǎn)，成為城市地鐵隧道施工的主要機(jī)械。其根據(jù)土艙壓力反饋調(diào)節(jié)螺旋出土和盾構(gòu)推進(jìn)速度以維持掌子面水土壓力動(dòng)態(tài)平衡。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵施工步驟，即為如何使刀盤(pán)切削下來(lái)的土體處于一種低滲透性“塑性流動(dòng)狀態(tài)”。因此，要對(duì)土艙內(nèi)的渣土采用泡沫、膨潤(rùn)土泥漿等添加劑進(jìn)行改良[1]。

土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)時(shí)要求土艙中渣土具有較好的流塑性和均質(zhì)性，以便能夠無(wú)損傳遞盾構(gòu)千斤頂推力至掌子面，維持水土壓力平衡[2-3]。除了要求渣土具有較好的流塑性和較小的摩擦角外，低滲透性也是非常重要的。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)埋深在地下水位以下且水壓較大時(shí)，只有低滲透性的渣土才能均勻地將盾構(gòu)推力傳遞至掌子面以維持平衡，同時(shí)可阻止掌子面水向土艙發(fā)生滲透而引起的噴涌事故發(fā)生[4-5]。因此，為防止噴涌事故發(fā)生，同時(shí)考慮管片拼裝盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間損耗，改良后砂土理想滲透系數(shù)至少在90 min內(nèi)應(yīng)維持小于10-5m/s[6]。在隧道掘進(jìn)前可通過(guò)試驗(yàn)段或室內(nèi)改良試驗(yàn)確定合理的改良劑配比以實(shí)現(xiàn)最佳渣土改良效果，同時(shí)可量化渣土改良參數(shù)降低砂土滲透性，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)改良后土體滲透性進(jìn)行了探究。文獻(xiàn)[2]對(duì)9種土在不同泡沫注入率(0～65%)下開(kāi)展?jié)B透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明泡沫對(duì)砂性土滲透性改良效果較好，對(duì)卵石土和粉土改良效果較差。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)變水頭滲流試驗(yàn)裝置，研究了改良后渣土滲透系數(shù)的時(shí)變效應(yīng)。文獻(xiàn)[5-6]通過(guò)常水頭滲透試驗(yàn)，以泡沫改良土滲水量達(dá)到2 L所耗時(shí)間來(lái)表征泡沫改良土的滲透性，試驗(yàn)結(jié)果表明土體中細(xì)顆粒含量越多，改良土的抗?jié)B性越好。文獻(xiàn)[7]提出泡沫能否有效降低渣土的滲透系數(shù)，取決于渣土的級(jí)配特性，通過(guò)改變土的有效粒徑、曲率系數(shù)和不均勻系數(shù)，對(duì)泡沫改良后的渣土進(jìn)行滲透試驗(yàn)得出有效粒徑對(duì)渣土滲透系數(shù)的影響較大，曲率系數(shù)和不均勻系數(shù)對(duì)渣土滲透系數(shù)的影響較小。文獻(xiàn)[8]通過(guò)常水頭滲透試驗(yàn)，從砂土級(jí)配、泡沫體積分?jǐn)?shù)及泡沫注入率3個(gè)方面研究盾構(gòu)砂性渣土-泡沫混合物滲透系數(shù)的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[9]通過(guò)自行設(shè)計(jì)的可調(diào)壓大型常水頭滲透儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)改良渣土進(jìn)行滲透性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明其滲透系數(shù)隨著測(cè)試時(shí)間的增加而降低，在2 h后減為0，原因在于渣土中的細(xì)顆粒逐漸被滲流水?dāng)y帶至土樣底部而形成完全不透水土體。文獻(xiàn)[10]針對(duì)富水圓礫地層，采用CMC(羧甲基纖維素)、膨潤(rùn)土泥漿和PAM(聚丙烯酰胺溶液)均可有效改善渣土滲透性，且滲透性隨著注入比的增大而增大，泡沫的摻入對(duì)泥漿和PAM共同改良渣土的滲透性無(wú)影響。文獻(xiàn)[11]推導(dǎo)了盾構(gòu)機(jī)噴涌時(shí)掌子面水壓力和滲流量的理論公式，提出了不同城市土層掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生噴涌的臨界條件。

綜上所述，目前許多學(xué)者分別對(duì)不同地層采用泡沫改良后的土體滲透性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，但尚未進(jìn)行不同改良劑對(duì)高滲透性、高水壓砂層滲透性影響的試驗(yàn)研究。本文以南昌地鐵4號(hào)線民園路西站—火矩路站區(qū)間為例，對(duì)掌子面砂土進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，采用泡沫和膨潤(rùn)土進(jìn)行改良試驗(yàn)，通過(guò)坍落度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)及渣土表觀狀態(tài)，綜合判斷渣土改良效果、抗?jié)B性和量化砂土改良參數(shù)的控制指標(biāo)。

1 工程概況

根據(jù)隧道地質(zhì)縱剖面圖，民園路西站—火矩路站區(qū)間盾構(gòu)穿越地層為由粗砂和礫砂組成的富水砂層區(qū)，其地層縱剖面圖如圖1所示，砂土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道埋深5.6～16.2 m，地下水位埋深約4.0～6.0 m，靜水壓力約140～220 kPa。七里站—民園路西站區(qū)間隧道為高滲透性、高水壓砂層，滲透系數(shù)約為10-4～10-3m/s，盾構(gòu)穿越時(shí)，螺旋輸送機(jī)無(wú)法保持正常的壓力梯降，易產(chǎn)生螺旋機(jī)出土口噴水、噴砂、噴泥的現(xiàn)象[11]。

圖1 民園路西站—火炬路站區(qū)間地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section of Minyuan Road West Station—Huoju Road Station interval

表1 砂土物理力學(xué)參數(shù) Tab.1 Physical and mechanical parameters of sand soil

2 渣土改良降低滲透性的機(jī)理分析

2.1 改良目的

目前，南昌地鐵車(chē)站大部分建設(shè)在沿贛江兩岸的I級(jí)和II級(jí)河流階地中。其中大量區(qū)間隧道穿越富水砂層，使盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖后的渣土具有高透水性，由此容易導(dǎo)致螺旋機(jī)噴涌；同時(shí)砂土內(nèi)摩擦角大，容易在土艙頂部形成土拱效應(yīng)[12]，導(dǎo)致出渣困難、掌子面壓力施加不均勻，因而誘發(fā)地表沉降過(guò)大。文獻(xiàn)[13]總結(jié)了采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)理想渣土條件(見(jiàn)表2)，渣土改良的主要目的如下：① 降低砂土滲透系數(shù);② 改善砂土流動(dòng)性;③ 降低砂土內(nèi)摩擦角;④ 獲得均質(zhì)流塑性渣土。

表2 土壓平衡盾構(gòu)理想渣土參數(shù)

2.2 微觀機(jī)理分析

1) 泡沫改良砂土的微觀機(jī)理分析：砂土的滲透系數(shù)與顆粒級(jí)配、顆粒大小及孔隙率密切相關(guān)，砂土中細(xì)顆粒含量多，相應(yīng)的滲透性就會(huì)低。文獻(xiàn)[15]把泡沫看成一種土顆粒，在砂土中添加泡沫相當(dāng)于增加了砂土細(xì)顆粒含量，由于泡沫90%是由空氣組成，使砂土孔隙中增加了大量的封閉氣體，這些封閉氣體以泡沫的形式存在，阻斷了砂土孔隙水的滲流通道，達(dá)到降低渣土滲透性的目的。泡沫改良砂土后滲透性降低主要原因就是微小泡沫對(duì)砂土孔隙的封堵作用。

2) 膨潤(rùn)土改良砂土的微觀機(jī)理分析：膨潤(rùn)土按交換的陽(yáng)離子不同分為鈉基和鈣基兩種，目前盾構(gòu)施工時(shí)常使用鈉基膨潤(rùn)土進(jìn)行渣土改良，其顆粒晶胞間靠微弱的分子間作用力連接，當(dāng)與水接觸時(shí)，由于晶胞間連接不緊密，水分子可快速進(jìn)入膨潤(rùn)土顆粒晶胞之間，促使晶格發(fā)生膨脹，一般膨脹倍數(shù)為10～40倍，形成膏脂狀膨潤(rùn)土泥漿后滲透系數(shù)小于10-7m/s，幾乎不透水[16]。在與砂土相互攪拌混合后，可使砂土滲流通道變窄，極大地降低了砂土的滲透系數(shù)。

通過(guò)泡沫、膨潤(rùn)土泥漿等不同改良劑組合配比對(duì)渣土進(jìn)行改良，最終可在盾構(gòu)土艙內(nèi)形成均質(zhì)、不透水的流塑性材料，如圖2所示。

3 試驗(yàn)材料及方法

3.1 砂土配置

本文改良后渣土的滲透性試驗(yàn)采用的設(shè)備是TST-55型滲透儀，土樣尺寸為φ61.8 mm×40 mm。試驗(yàn)所用砂土取至民園路車(chē)站基坑中，深度同盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面深度，測(cè)試土的主要參數(shù)包括砂土顆粒級(jí)配、含水率及滲透系數(shù)。根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》，分別采用震動(dòng)式篩分機(jī)和TST-70型常水頭滲透儀測(cè)定砂土顆粒級(jí)配及砂土滲透系數(shù)。砂土顆粒級(jí)配曲線如圖3所示。

圖2 土艙內(nèi)渣土形成不透水性材料過(guò)程Fig.2 Process of impermeable material formed from muck in soil chamber

圖3 砂土顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Grading curve of sand soil

通過(guò)圖3顆粒級(jí)配曲線分析可知，該砂土缺失細(xì)顆粒組(粒徑<0.075 mm)，在富水砂層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)極易因渣土滲透系數(shù)過(guò)大而發(fā)生噴涌現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至誘發(fā)地表沉降過(guò)大。經(jīng)6次常水頭滲透試驗(yàn)測(cè)得未改良砂土的平均滲透系數(shù)為1.143×10-4m/s。

3.2 膨潤(rùn)土泥漿配置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料、地層參數(shù)及膨潤(rùn)土本身特性，選擇土與水的質(zhì)量比為1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10共5種膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行泥漿黏度測(cè)試及改良試驗(yàn)。具有一定黏度的膨潤(rùn)土泥漿可以有效地包裹住大粒徑土顆粒及填充顆粒之間的孔隙，以增強(qiáng)砂土的流動(dòng)性，減少砂顆粒與刀盤(pán)之間的摩擦。但泥漿黏度過(guò)大可能會(huì)造成泥漿輸送系統(tǒng)的壓力過(guò)大，不利于流暢地泵送。對(duì)于富水砂層改良，膨潤(rùn)土泥漿黏度在20～30 mPa·s之間的改良效果較好[17]。為獲得理想黏度對(duì)應(yīng)的膨潤(rùn)土泥漿土與水的質(zhì)量比，實(shí)驗(yàn)室采用六度旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行了5種不同土與水質(zhì)量比的膨潤(rùn)土泥漿黏度測(cè)試，如圖4所示。

圖4 不同土、水質(zhì)量比的膨潤(rùn)土泥漿黏度測(cè)試Fig.4 Performance testing of bentonite slurry with different soil-water mass ratio

通過(guò)膨潤(rùn)土泥漿黏度試驗(yàn)分析得出，膨潤(rùn)土泥漿土與水的質(zhì)量比為1∶8 時(shí)，符合盾構(gòu)施工用膨潤(rùn)土泥漿黏度要求。

3.3 泡沫制備

根據(jù)文獻(xiàn)[18]研究，采用泡沫劑溶液濃度為3%發(fā)出的泡沫改良渣土效果理想。實(shí)驗(yàn)室采用的泡沫劑取于施工現(xiàn)場(chǎng)，以確保試驗(yàn)結(jié)果對(duì)施工的指導(dǎo)性。將泡沫劑溶液通過(guò)發(fā)泡設(shè)備制備泡沫。

4 富水砂層改良滲透性試驗(yàn)

為了測(cè)定改良后的砂土是否滿足滲透性及盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)要求，需要開(kāi)展不同改良劑對(duì)砂土滲透性影響的試驗(yàn)研究。分別進(jìn)行單一泡沫改良、單一膨潤(rùn)土改良、泡沫+膨潤(rùn)土復(fù)合改良及添加聚合物改良等4種試驗(yàn)，最終確定土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)的最佳改良劑配比。

4.1 單一泡沫改良滲透性試驗(yàn)

圖5給出了單一泡沫改良后砂土滲透系數(shù)k和坍落度S隨泡沫注入率的變化情況，泡沫注入率區(qū)間為5%～20%，梯度為5%。在泡沫注入率達(dá)到15%～20%后，S達(dá)到225 mm，此時(shí)流動(dòng)性較大，渣土狀態(tài)接近流態(tài)，不利于螺旋出土器排渣。因此，對(duì)于單一泡沫改良富水砂層的滲透性試驗(yàn)，不研究注入率大于20%。由圖5可見(jiàn)，砂土滲透系數(shù)隨著泡沫注入率的增加先急劇下降，之后緩慢下降；S隨著泡沫注入率的增加而增加，在注入率達(dá)到15%后，S變化趨于平緩。

綜上所述，泡沫對(duì)砂土流動(dòng)性能夠起到明顯的改善作用，泡沫注入率為10%時(shí)S已達(dá)到盾構(gòu)掘進(jìn)要求；k雖隨著泡沫注入率的增加逐漸減小，但未達(dá)到盾構(gòu)排渣過(guò)程中防噴涌要求(k<10-5m/s)。所以，對(duì)于富水砂層單一泡沫改良可達(dá)到渣土流動(dòng)性指標(biāo)，但無(wú)法達(dá)到渣土抗?jié)B要求。

圖5 渣土k和S隨泡沫注入率的變化曲線Fig.5 Curve of permeability coefficient (k) and slump (S) varying with FIR of muck

4.2 單一膨潤(rùn)土改良滲透性試驗(yàn)

圖6給出了單一膨潤(rùn)土改良后砂土的k、S隨膨潤(rùn)土注入率的變化情況，注入率區(qū)間為5%～30%，梯度為5%。由圖6可見(jiàn),砂土k在膨潤(rùn)土注入率為10%～15%范圍內(nèi)急劇下降，在15%～30%范圍內(nèi)緩慢下降;S隨著膨潤(rùn)土注入率的增加而增加，S在膨潤(rùn)土注入率為5%～15%內(nèi)緩慢增加，在15%～25%內(nèi)急劇增加，在25%～30%內(nèi)又趨于平緩。當(dāng)膨潤(rùn)土注入率達(dá)到10%時(shí)，k為2.9×10-6m/s，達(dá)到渣土抗?jié)B、防噴涌要求;當(dāng)膨潤(rùn)土注入率為20%～25%時(shí)，渣土S在150～200 mm，砂土才具有較好的流動(dòng)性。

圖6 渣土k和S隨注入率的變化曲線Fig.6 Curve of permeability coefficient (k) and slump (S) varying with BIR/FIR of muck

綜上所述，對(duì)砂土采用單一膨潤(rùn)土泥漿改良可達(dá)到渣土抗?jié)B要求，也可達(dá)到流動(dòng)性要求，但需要較大的注入率，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工配置泥漿而言工作量較大且不經(jīng)濟(jì)。膨潤(rùn)土泥漿能夠明顯降低砂土滲透系數(shù)并達(dá)到抗?jié)B要求，對(duì)砂土的流動(dòng)性改善作用不如泡沫，即泡沫對(duì)砂土流動(dòng)性改善起主導(dǎo)作用，膨潤(rùn)土泥漿對(duì)砂土滲透系數(shù)改善起主導(dǎo)作用，兩種改良劑之間之間又存在相互促進(jìn)作用，因此可考慮兩種改良劑對(duì)砂土進(jìn)行復(fù)合改良，在滿足流動(dòng)性和滲透性基礎(chǔ)上確定復(fù)合改良配比。

4.3 復(fù)合改良滲透性試驗(yàn)

通過(guò)單一泡沫改良砂土試驗(yàn)分析可知，當(dāng)泡沫注入率在10%～15%時(shí)，渣土對(duì)應(yīng)的S為170～220 mm，滿足盾構(gòu)掘進(jìn)中螺旋排渣要求。通過(guò)單一膨潤(rùn)土泥漿改良試驗(yàn)，當(dāng)膨潤(rùn)土泥漿注入率達(dá)到10%時(shí)已滿足渣土抗?jié)B要求。因此，考慮到兩種改良劑的各自特性及各自單一改良砂土試驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)砂土進(jìn)行了泡沫注入率為10%、膨潤(rùn)土注入率為10%，泡沫注入率為15%、膨潤(rùn)土注入率為10%兩組復(fù)合改良試驗(yàn)。2種改良劑配比條件下砂土S及k值如表3所示。

表3 砂土復(fù)合改良試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)改良后砂土的變水頭滲透試驗(yàn)及坍落度試驗(yàn)，探討了泡沫和膨潤(rùn)土泥漿對(duì)砂土滲透性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1) 單一泡沫改良時(shí)，隨著泡沫注入率的增加，砂土的k值雖有所降低，但達(dá)不到盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)螺旋機(jī)渣土抗?jié)B要求；砂土的流動(dòng)性可得到明顯的改善，在泡沫注入率為10%時(shí)，已達(dá)到盾構(gòu)要求的渣土流動(dòng)性指標(biāo)。

2) 單一膨潤(rùn)土泥漿改良時(shí)，隨著膨潤(rùn)土泥漿注入率的增加，砂土的k值明顯降低，在k<10-5m/s時(shí)已達(dá)到盾構(gòu)要求的渣土抗?jié)B性性指標(biāo)；當(dāng)膨潤(rùn)土注入率為20%～25%時(shí)，才能達(dá)到渣土流動(dòng)性要求。

3) 通過(guò)單一泡沫和單一膨潤(rùn)土泥漿改良試驗(yàn)可知:僅使用泡沫改良可達(dá)到流動(dòng)性指標(biāo)但無(wú)法達(dá)到渣土抗?jié)B指標(biāo)；僅使用膨潤(rùn)土泥漿改良可達(dá)到渣土抗?jié)B指標(biāo)，也可達(dá)到流動(dòng)性指標(biāo)，但需要膨潤(rùn)土泥漿注入率大于20%。因此，泡沫主要用來(lái)改善砂土流動(dòng)性，膨潤(rùn)土泥漿主要用來(lái)改善砂土的抗?jié)B性。采用泡沫+膨潤(rùn)土泥漿復(fù)合改良時(shí)，合理的改良劑配方為：泡沫注入率=10%～15%、膨潤(rùn)土注入率=10%。此時(shí)，在優(yōu)化泡沫和膨潤(rùn)土泥漿注入率的基礎(chǔ)上既能夠達(dá)到渣土抗?jié)B要求，也能夠達(dá)到流動(dòng)性要求。