泥水盾構(gòu)泥餅分散崩解試驗與應用研究

杜昌言， 朱漢標， 王樹英， 張靜珍

(1. 中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司， 江蘇 南京 211800； 2. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

0 引言

盾構(gòu)在黏性地層中掘進時，渣土容易在剪切摩擦、擠壓固結(jié)、高溫等作用下黏附在刀盤和土艙(氣墊艙)位置，如不及時處理，將會導致盾構(gòu)負荷增大，刀具切削效率降低，盾構(gòu)出渣困難，嚴重影響到盾構(gòu)的施工效率與安全。

當盾構(gòu)在結(jié)泥餅風險地層中掘進時，通常采用的措施包括： 1)優(yōu)化沖刷系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和刀具布置； 2)渣土改良[1-2]； 3)調(diào)整掘進參數(shù)[3]； 4)采用輔助氣壓法掘進； 5)控制泥漿質(zhì)量[4-5]。當盾構(gòu)結(jié)泥餅時，通常采用人工進艙清理和分散劑處理[6]。采用分散劑處理泥餅時，首先需要對盾構(gòu)分散劑的作用效果和適用性進行研究，以選出適宜于當前地層、成本合理且高效的盾構(gòu)分散劑；然后將優(yōu)選的分散劑注入刀盤、土艙(氣墊艙)中，以分散和解除泥餅，保證盾構(gòu)的安全和順利掘進。

國內(nèi)外不少學者對盾構(gòu)分散劑進行了研究。Zumsteg等[7]和田世文[8]均進行了改良劑的浸泡試驗，研究了改良劑對泥塊的作用效果。Oliveira等[9]采用改進的“霍巴特”攪拌器評價了不同改良劑對渣土黏附量的影響。楊益等[10]通過錐體拉拔試驗評價了刀盤在高韌性、硬塑性渣土中的“堵塞”風險及分散劑的改良機制。Liu等[11-12]發(fā)現(xiàn)分散劑降低了土體的Zeta電位，使土粒間總排斥能的峰值增加，總排斥能峰值的增加導致黏土顆粒之間的連接減弱，進而降低了土體的液限和盾構(gòu)結(jié)泥餅風險。Wang等[13]發(fā)現(xiàn)土體黏稠指數(shù)小于1時，黏附強度與法向應力和稠度指數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，分散劑能降低土體黏附強度，進而降低結(jié)泥餅的風險。這些研究大多針對改良劑對土體性質(zhì)的影響研究，如單一分散劑質(zhì)量分數(shù)對土塊的影響，不同改良劑對泥餅黏附特征、圓錐拉拔強度、液塑限、黏附強度的影響等，主要用于盾構(gòu)結(jié)泥餅的風險評價、改良劑的影響特征和參數(shù)的確定。

以往研究中，大多數(shù)在于對比不同類型改良劑(泡沫劑或分散劑等)或者單一改良劑對渣土的影響，少有對不同分散劑的作用效果進行對比、評價。因此，本文提出采用崩解試驗對比不同分散劑的作用效果，采用崩解率和崩解速率對分散劑進行選型，優(yōu)選出最適宜于當前地層的分散劑，并將優(yōu)選的分散劑應用于實際工程，對比應用前后盾構(gòu)掘進參數(shù)的變化，以期為分散劑選型與應用研究提供理論指導。

1 工程概況與水文地質(zhì)

1.1 工程概況

濟南黃河隧道(濟濼路穿黃隧道)位于濟南市中部，北接鵲山片區(qū)、濟北次中心，南接中心城區(qū)主干道濟濼路，隧道采用城市道路與軌道交通同管共建方案，為超大斷面盾構(gòu)法隧道。隧道采用2臺超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)刀盤(見圖1)采用常壓換刀刀盤，直徑15.76 m，開口率46%，刀具347把。盾構(gòu)總長為166 m，最大推力為199 504 kN，最大掘進速度為45 mm/min。

圖1 刀盤結(jié)構(gòu)型式圖

1.2 水文地質(zhì)

盾構(gòu)段隧道埋深26.30～54.60 m，穿越地層主要以粉質(zhì)黏土為主。粉質(zhì)黏土中黏粒質(zhì)量分數(shù)15.5%～45.5%，平均質(zhì)量分數(shù)26.9%，另外多夾砂層及鈣質(zhì)結(jié)核層，其分布不均勻，局部富集成層，地質(zhì)縱斷面如圖2所示。主要穿越土層物理力學參數(shù)如表1所示。由表可見，土體主要處于可塑和硬塑狀態(tài)，塑性指數(shù)10～15，為粉質(zhì)黏土。

盾構(gòu)段主要地表水體為黃河，勘察期間受中上游降雨等影響，水面高程及水量變化不規(guī)律。兩岸地下水埋深1.40～14.30 m，主要受黃河、鵲山水庫、沉砂池、地表水塘、魚塘以及降雨補給，地表水、地下水聯(lián)系緊密，排泄方式為徑流、人工開采及蒸發(fā)等。施工期間承受的最大水壓約0.65 MPa。

圖2 地質(zhì)縱斷面示意圖

表1 土層物理力學參數(shù)

2 室內(nèi)試驗

濟南濟濼路穿黃隧道穿越土體黏稠指數(shù)多在0.5～1.0，具有嚴重和中度結(jié)泥餅風險[14]，分散劑處理是降低結(jié)泥餅風險的方式之一。采用盾構(gòu)分散劑處理泥餅時，泥餅在分散劑作用下解體。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，崩解試驗既能契合分散劑處理的情況，較為直觀地觀察到分散劑作用下泥餅的解體，又能提供崩解率和崩解速率的評價指標，是盾構(gòu)分散劑評價選型的理想試驗方法。

3.1.2 后續(xù)的可擴充性與可移植性原則 系統(tǒng)的設(shè)計采取模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其特點是各模塊的獨立性較強，便于系統(tǒng)的改進、擴充和移植，有利于系統(tǒng)不斷完善。

2.1 試驗材料

試驗采用濟南濟濼路穿黃隧道工程的粉質(zhì)黏土，取自接收井基坑。土體礦物成分以SiO2為主；其次為鈣長石、云母、斜綠泥石、鈉長石和碳酸鈣，黏土礦物成分以云母和斜綠泥石為主。分散劑產(chǎn)品采用字母(A和B)替換產(chǎn)品名稱和各自的供應商，2種分散劑的有效成分如表2和表3所示。

表2 A分散劑成分分析結(jié)果

2.2 試驗方法

采用崩解試驗儀(見圖3)研究分散劑作用下土塊的崩解規(guī)律。崩解試驗儀由玻璃水筒、帶刻度的浮筒以及網(wǎng)板組成。土塊置于懸掛在浮筒的網(wǎng)板上，浮筒懸浮于玻璃水筒的溶液中，試驗時，儀器所受浮力與浮筒上刻度成正比，一定質(zhì)量土體的崩落導致了刻度的變化，由此通過浮筒刻度確定土塊崩解率(見式(1))，結(jié)合作用時間即可得到單位時間內(nèi)崩解率的變化量，定義為崩解速率，計算見式(2)。

表3 B分散劑成分分析結(jié)果

(a) 崩解儀實物 (b) 崩解儀原理

(1)

式中：At為土塊在時間為t時的崩解率，%；Rt為放置土塊t時刻浮筒齊水面處的刻度讀數(shù)；R0為土塊剛開始浸泡時浮筒的瞬時穩(wěn)定讀數(shù)；R初始為未放土塊時齊水面的浮筒讀數(shù)。

(2)

式中：At2為時間為t2時的崩解率，%；At0為時間為t0時的崩解率，%；vt1為時間為t1時的平均崩解速率。

試驗過程中，土塊的邊角先崩解，使土塊形狀趨于圓形[15]，正方形土塊的較多邊角會對土塊崩解初期的影響較大。因此，采用50 mm圓柱形擊實儀(見圖4)來制備圓柱形土塊，土塊高度選擇35 mm。崩解儀中網(wǎng)板孔徑dk和組成土塊的最大粒徑dmax之比dk/dmax<5比較合理[16]，本次試驗網(wǎng)板孔徑dk為10 mm，則重塑土塊由2 mm篩下土體制成。

圖4 擊實儀

試驗步驟如下：

1)將過2 mm篩后的干燥土樣加水至天然含水率(地勘值23.1%)，充分攪拌混合后裝入塑料袋或密封于盛土器中，于陰涼的環(huán)境中靜置不小于12 h，使土樣含水均勻和黏土礦物充分水化。再根據(jù)天然土體的密度和土塊體積稱取相應質(zhì)量的土樣。

3)將土樣等分3次添加到擊實筒中并整平，分層壓實，2層交接面應拉毛，壓實到約定高度后裝填下一層土樣。

4)用推土器從擊實筒內(nèi)推出土塊，測量土塊的體積、質(zhì)量，與約定體積和質(zhì)量的誤差不超過1%。

5)取出崩解儀，往水筒內(nèi)配置相應質(zhì)量分數(shù)的分散劑溶液，測記未加土塊時浮筒上齊水面的刻度數(shù)。再將土塊放在網(wǎng)板中央，網(wǎng)板掛于浮筒下，然后手持浮筒頸端，迅速將土塊浸入分散劑溶液中，開動秒表，穩(wěn)定浮筒同時測記開始時浮筒齊水面處刻度的瞬時穩(wěn)定讀數(shù)。

6)在試驗開始后，每分鐘測記1次浮筒齊水面處的刻度讀數(shù)，并描述各時刻土塊的崩解情況，根據(jù)土塊崩解的快慢，可適當縮短或延長測記的時間間隔。

7)當土塊完全通過網(wǎng)格落下后，試驗結(jié)束。若土塊長期不崩解，應記錄土塊在溶液中的情況。

對2種分散劑進行了崩解試驗，對比其作用效果，考慮到盾構(gòu)施工時分散劑質(zhì)量分數(shù)不宜過大，因此選擇質(zhì)量分數(shù)為0%、1%、2%、4%、6%和8%的分散劑溶液進行試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 純水作用下土塊崩解規(guī)律分析

純水作用下，土塊崩解率與崩解速率隨時間的變化關(guān)系如圖5所示。土塊崩解率隨時間的變化呈“S”形(見圖5(a))，崩解速率隨時間的增大呈3階段變化(見圖5(b))，即先增大然后保持不變最后降低。土體的崩解曲線可以分為浸泡階段、軟化階段、解體階段[15, 17]，可見土體從軟化到崩解需要一定的時間，土塊的崩解由表及里進行。純水作用下，初始崩解較慢，隨著滲透和軟化進一步發(fā)展，崩解速率變大，達到最大崩解速率后，由于土塊未崩解體積的減小，水與土塊作用面積減小，導致崩解速率降低。

(a) 崩解率隨時間的變化

(b) 崩解速率隨時間的變化

純水作用下，土塊的崩解主要是顆粒間黏結(jié)力的降低、礦物吸水膨脹、孔隙中氣壓增大以及水流作用等導致的結(jié)果[18-21]。當采用分散劑處理泥餅時，泥餅的崩解是純水與分散劑共同作用的結(jié)果，分散劑會與土體產(chǎn)生物理化學反應，改變泥餅的崩解特征，進而達到快速分散泥餅的作用效果。

3.2 不同分散劑作用下土塊崩解規(guī)律分析

1)A分散劑對土塊崩解的影響。圖6為不同質(zhì)量分數(shù)A分散劑對土塊崩解的影響。圖6(a)中，相比于純水(質(zhì)量分數(shù)為0%)作用下土塊的崩解，隨著A分散劑作用質(zhì)量分數(shù)的增大，總體崩解時間減小，即A分散劑促進土塊崩解，當質(zhì)量分數(shù)大于4%時總體崩解時間無明顯變化，可知A分散劑作用效果達到最大。圖6(b)為土塊崩解速率隨崩解時間的變化規(guī)律。在A分散劑作用下，土塊崩解速率呈2階段變化，即先快速增大，然后逐漸降低；且隨著A分散劑質(zhì)量分數(shù)的增大，土塊最大崩解速率變大，質(zhì)量分數(shù)達到4%后最大崩解速率差別不大。由圖可知，所用分散劑能快速地與土體產(chǎn)生物理化學反應，不需要長時間的軟化，因此在A分散劑的作用下，土塊快速達到最大崩解速率，隨后由于崩解的進行，未崩解土體體積減小，水土作用面積減小，進而導致崩解速率的降低。

(a)崩解率隨時間的變化

(b)崩解速率隨時間的變化

2)B分散劑對土塊崩解的影響。圖7為不同質(zhì)量分數(shù)B分散劑對土塊崩解的影響，B分散劑的作用效果與A分散劑相似。其中，當B分散劑質(zhì)量分數(shù)達到6%后，總體崩解時間差別不大，B分散劑作用效果達到最大。

(a) 崩解率隨時間的變化

(b) 崩解速率隨時間的變化

2種分散劑作用效果不再隨質(zhì)量分數(shù)變化時，土體總體崩解時間均在26 min左右，土體最大崩解速率均在0.07 min-1左右，可見2種分散劑的最大作用效果相似。當分散劑質(zhì)量分數(shù)為2%和1%時，兩者最大崩解速率相差不大，但是A分散劑總體崩解時間為38 min和42 min，B分散劑總體崩解時間為32 min和37 min，可知B分散劑在較低質(zhì)量分數(shù)下具有更好的作用效果；且相比于A分散劑(19 000 元/t)，B分散劑(13 800 元/t)成本較低。因此，應優(yōu)選B分散劑進行結(jié)泥餅的防治工作。

4 現(xiàn)場應用

室內(nèi)試驗是對盾構(gòu)掘進單一地層進行分散劑對比選型，而盾構(gòu)掘進穿越復雜多變的復合地層時，盾構(gòu)形成的泥餅比試驗泥餅強度高、尺寸大，分散劑處理的時間長。工程應用過程中，應根據(jù)實際情況增大分散劑質(zhì)量分數(shù)和用量，并根據(jù)實際情況延長分散劑的作用時間，以利于泥餅充分崩解。

根據(jù)室內(nèi)試驗優(yōu)選出B分散劑應用于實際工程泥水平衡盾構(gòu)掘進中的泥餅防治。盾構(gòu)從北岸始發(fā)井始發(fā)，當掘進至第675環(huán)左右時，盾構(gòu)穿越土層主要為可塑-硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土，夾雜較多細砂、鈣質(zhì)結(jié)核，地質(zhì)情況較為復雜，導致盾構(gòu)推力、轉(zhuǎn)矩較大，速度、貫入度較小，掘進參數(shù)波動較大，刀盤有較大結(jié)泥餅風險。通過泥水循環(huán)注入的改良劑容易隨著漿液循環(huán)流失，導致作用效果有限。因此，在第685環(huán)管片拼裝完停止泥水循環(huán)，確保開挖面穩(wěn)定的情況下，根據(jù)開挖艙體積約270 m3以及氣墊艙中半艙泥漿體積約200 m3，通過中心沖刷管路分別往開挖艙、氣墊艙中注入4 m3的B分散劑，浸泡24 h，并輔以刀盤間隔正反轉(zhuǎn)動，以分散和消除黏附在刀盤的泥餅，24 h后，恢復泥漿循環(huán)和正常掘進，并監(jiān)測后續(xù)掘進參數(shù)。注入分散劑后，盾構(gòu)推力、掘進速度和貫入度增大，曲線波動變小，盾構(gòu)掘進效率提高(見圖8)。

圖8 分散劑注入前后掘進參數(shù)變化

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

針對分散劑的評價選型，通過崩解試驗對比分析了不同分散劑和分散劑質(zhì)量分數(shù)下粉質(zhì)黏土土塊的崩解特征，并將優(yōu)選的分散劑應用于泥水平衡盾構(gòu)掘進中處理泥餅，驗證了試驗所得數(shù)據(jù)的可行性。主要結(jié)論如下：

1)純水作用下，土塊崩解率隨時間的變化呈“S”形。在分散劑作用下，土塊的崩解是水和分散劑共同作用的結(jié)果。分散劑能與土塊快速產(chǎn)生物理化學反應，使崩解速率迅速達到最大值，隨后崩解速率隨著土塊與分散劑溶液作用面積的減小而減小。

2)分散劑作用下，土塊總體崩解時間明顯減小，當分散劑質(zhì)量分數(shù)達到一定程度后，總體崩解時間基本不變，分散劑的作用效果達到飽和，所選分散劑最大作用效果相似，但B分散劑成本更低。

3)優(yōu)選的分散劑應用于實際工程，提高了盾構(gòu)掘進速度，掘進參數(shù)的波動減小，驗證了評價選型方法的合理性。

5.2 討論

崩解試驗能較好地對比分散劑的作用效果，但試驗自制泥餅與實際工程的泥餅狀態(tài)有別，工程施工時應根據(jù)實際情況選擇分散劑的技術(shù)指標，且分散劑在不同地層存在差異，不同地層應重新進行分散劑選型。