連小濤

(中鐵四局集團(tuán)城市軌道交通工程分公司 安徽合肥 230023)

1 引言

土壓平衡盾構(gòu)已經(jīng)成為城市地鐵修建的主要方法，由于盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展，其地層適應(yīng)性也越來越強(qiáng)[1]。土壓平衡盾構(gòu)施工時要求渣土具有較好的流動性、適宜的黏度、低摩擦力和低滲透性[2]。在復(fù)雜地層中掘進(jìn)時，通常使用渣土改良方法來改良渣土的性能以滿足盾構(gòu)施工要求，確保施工順利進(jìn)行，保證工程的安全性。對于黏性土地層通常需要改良劑提供潤滑效果，減少渣土的粘附和堵塞情況。常用的改良劑包括泡沫劑、高分子材料等[3-5]。而對于砂性地層，則需要通過改良來減小渣土對刀盤的磨損，減小渣土的滲透性。常用的改良劑有泡沫、膨潤土、高分子材料等。

各國學(xué)者對渣土改良方法進(jìn)行了大量研究。Miguel P[6]概述了發(fā)泡器的發(fā)泡機(jī)理以及砂土地層的不同渣土改良方式；Lisa Mori[7]等針對標(biāo)準(zhǔn)中砂進(jìn)行渣土物理力學(xué)試驗(yàn)，研究了多個參數(shù)對渣土改良效果的影響；邱龑[8]等人針對富水砂卵石地層進(jìn)行渣土改良研究，通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)及壓縮試驗(yàn)對不同改良劑的效果進(jìn)行對比；葉新宇[9]等人采用室內(nèi)試驗(yàn)以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)驗(yàn)證的方式對泥質(zhì)粉砂巖地層渣土改良技術(shù)進(jìn)行研究，并通過工程驗(yàn)證了渣土改良的效果；郭彩霞[10]等對砂卵石地層進(jìn)行膨潤土和泡沫添加劑現(xiàn)場試驗(yàn)和分析，研究得出膨潤土和泡沫改良能夠降低盾構(gòu)推力、扭矩以及渣溫，還有助于保持土艙壓力；肖超等[11]針對南昌地鐵泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行渣土改良試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，討論了泡沫和膨潤土的改良機(jī)理，以及渣土改良對渣土內(nèi)摩擦角、掌子面壓力、地表沉降的影響。但以往的研究較少涉及礫砂層和泥質(zhì)粉砂巖結(jié)合的渣土改良方法，缺少對類似地層工程案例的研究。因此，針對礫砂層與泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層進(jìn)行渣土改良參數(shù)研究具有重要意義。

南昌市軌道交通3號線主要地質(zhì)條件為礫砂層、風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，穿越上軟下硬地層，地層工程性質(zhì)差異大。南昌地鐵穿越地層裂隙水發(fā)育，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖在施工中的高壓富水條件下易崩解，掘進(jìn)過程中易出現(xiàn)螺旋機(jī)噴涌及土倉保壓困難的問題，施工中采取降低土倉排土量的方式堆積艙內(nèi)土體，從而建立土倉壓力。但此處置方式下刀盤及艙內(nèi)易出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象。可見，南昌地鐵盾構(gòu)施工對渣土改良技術(shù)的需求尤為迫切。

2 工程概況

南昌市軌道交通3號線工程土建施工07合同段位于南昌市老城區(qū)(東湖區(qū)、青山湖區(qū)及高新區(qū))，項(xiàng)目包括三站三區(qū)間，分別為上沙溝站-青山湖西站區(qū)間、青山湖西站、青山湖西站-國威路站區(qū)間、國威路站、國威路站-火炬廣場站區(qū)間、火炬廣場站，區(qū)間左線長3 102.517 m，區(qū)間右線長3 109.109 m。區(qū)間主要在礫砂層和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中穿越，部分地段穿越上軟下硬地層，青山湖西站-國威路站區(qū)間下穿青山湖。由于砂性地層摩擦系數(shù)較大，盾構(gòu)掘進(jìn)中刀盤刀具磨損嚴(yán)重。此外由于區(qū)間穿越地層穩(wěn)定性較差、滲透系數(shù)高且地表水豐富，施工中若處置不當(dāng)極易發(fā)生掌子面塌方、螺旋機(jī)噴涌、地表沉降過大等問題；盾構(gòu)在國威路站-青山湖西站區(qū)間部分穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，土體黏性顆粒含量較高，施工中黏性顆粒粘附在刀盤及刀具上將影響刀具工作狀態(tài)，輕則拖慢施工速度，重則引起刀盤刀具喪失正常工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致施工被迫停止。

本文試驗(yàn)針對該區(qū)間的礫砂層，土體為現(xiàn)場提供的礫砂，將土體烘干后備用，試驗(yàn)前加入清水配成一定含水率的土樣。

3 渣土改良原理

泡沫劑渣土改良就是通過盾構(gòu)機(jī)的泡沫添加設(shè)備向刀盤面板注入添加劑，在刀盤的攪拌下渣土與泡沫劑均勻混合，改善渣土的流動性，降低土體的黏度和摩擦阻力，并改善渣土透水性，進(jìn)而滿足在地層條件較差的情況下盾構(gòu)施工對渣土性能的要求，以保證施工順利進(jìn)行。

從微觀層面來說，渣土改良主要是依靠泡沫對土體的性質(zhì)進(jìn)行改善。氣泡是氣液兩相體系，而盾構(gòu)渣土主要是液固兩相體系，泡沫渣土改良就是通過注入泡沫將渣土改變?yōu)闅庖汗倘辔镔|(zhì)。土體中氣泡的注入能夠減少土顆粒間的接觸，起到分散和潤滑的作用，進(jìn)而減少粘附并降低土體的剪切強(qiáng)度，提高土體的壓縮性能(見圖1)。

圖1 泡沫改良原理

泡沫由發(fā)泡液和壓縮空氣經(jīng)過發(fā)泡裝置產(chǎn)生，常用的發(fā)泡劑性能參數(shù)包括發(fā)泡劑發(fā)泡倍率和半衰期，分別表征發(fā)泡劑的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性。實(shí)際工程中通過盾構(gòu)機(jī)后方的發(fā)泡系統(tǒng)產(chǎn)生泡沫并從刀盤上注入地層。工程中需關(guān)注的泡沫參數(shù)包括泡沫劑使用濃度、泡沫注入率、泡沫發(fā)泡倍率。泡沫注入率(FIR)是指單位體積土體中注入的泡沫體積。

通常泡沫劑使用濃度為2% ～3%，發(fā)泡倍率為10～20，注入率為20% ～80%。常用的改良劑包括膨潤土和泡沫改良劑，其中膨潤土主要用于砂性地層的渣土改良，而泡沫劑則用于黏土地層，在一些情況下也可能綜合使用多種發(fā)泡劑進(jìn)行改良。

4 渣土改良試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 渣土改良試驗(yàn)

通過泡沫劑的基礎(chǔ)試驗(yàn)和針對改良土體的坍落度試驗(yàn)可以表征泡沫劑的性能，評價(jià)渣土改良方法的有效性。

(1)泡沫劑基礎(chǔ)性能試驗(yàn)

泡沫攪拌試驗(yàn)是將配制好的一定濃度的泡沫劑溶液用攪拌機(jī)以一定速度攪拌一定時間，進(jìn)而觀察泡沫的發(fā)泡高度和半衰期。泡沫的發(fā)泡高度即泡沫在燒杯中的高度，通過燒杯刻度讀??；泡沫半衰期是指泡沫體積衰減到攪拌結(jié)束時一半體積的時間。泡沫攪拌試驗(yàn)是評價(jià)發(fā)泡劑性能的較為簡便的方法，可操作性強(qiáng)。本試驗(yàn)采用0.1% ～7%濃度的發(fā)泡劑A和發(fā)泡劑B，分別進(jìn)行攪拌試驗(yàn)，用攪拌機(jī)以2 000 rpm的速度攪拌3 min，記錄攪拌完成時的發(fā)泡高度及各溶液的半衰期。

(2)改良渣土坍落度試驗(yàn)

坍落度試驗(yàn)?zāi)軌蚝喴椎鼐C合評價(jià)渣土的和易性。在試驗(yàn)時，先踩住坍落筒底部，向桶內(nèi)分次加入土體并用搗棒搗實(shí)，然后快速垂直提起坍落筒，量出土體的坍落高度。施工要求的渣土應(yīng)具有一定的塑流性，但流動性不宜過大。通常施工要求的渣土坍落度在10～15 cm之間。

試驗(yàn)所用土體取自南昌地鐵現(xiàn)場礫砂層，在實(shí)驗(yàn)室先將土樣完全烘干，在使用前加入一定量的水混合后形成還原土。烘干后的土樣如圖2所示，土樣級配如圖3所示。

圖2 礫砂土樣

圖3 土樣級配曲線

進(jìn)行坍落度試驗(yàn)前先用泡沫發(fā)生系統(tǒng)制備符合要求的泡沫，將泡沫按試驗(yàn)規(guī)劃的注入率注入土體并均勻攪拌，然后放入坍落筒進(jìn)行坍落度試驗(yàn)。坍落度試驗(yàn)分組見表1。

表1 坍落度試驗(yàn)分組

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

(1)發(fā)泡劑基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)泡劑的半衰期及發(fā)泡高度試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示?？梢钥吹?，發(fā)泡劑A和發(fā)泡劑B濃度低于3%時泡沫半衰期隨濃度的增加而增加，在3%～4%時均達(dá)到半衰期峰值；當(dāng)濃度超過3%后，發(fā)泡劑B的半衰期不斷減小，發(fā)泡劑A的半衰期基本不變，只有小幅增長。結(jié)合半衰期試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性考慮，可以使用3%作為泡沫劑使用濃度。

圖4 發(fā)泡劑半衰期隨濃度變化曲線

圖5 發(fā)泡劑發(fā)泡高度隨濃度變化曲線

從泡沫劑的發(fā)泡高度曲線可以看出，發(fā)泡劑A和B的發(fā)泡能力在濃度達(dá)到1%后基本保持穩(wěn)定，穩(wěn)定后發(fā)泡劑A的發(fā)泡能力略優(yōu)于發(fā)泡劑B。

綜合發(fā)泡劑A和發(fā)泡劑B的泡沫攪拌試驗(yàn)結(jié)果可以得出，泡沫劑的建議使用濃度為3%。發(fā)泡劑A的發(fā)泡能力略優(yōu)于發(fā)泡劑B，實(shí)際改良效果還需要通過坍落度試驗(yàn)來進(jìn)一步探究。

(2)坍落度試驗(yàn)結(jié)果

采用濃度為3%的發(fā)泡劑A、B，發(fā)泡倍率為16，針對含水率為4%的礫砂土樣分別注入不同的泡沫，進(jìn)行坍落度試驗(yàn)。坍落度試驗(yàn)現(xiàn)場見圖6，坍落度隨注入率變化曲線見圖7。

圖6 坍落度試驗(yàn)情況

圖7 坍落度隨泡沫劑注入率變化曲線

可以看出在注入率小于20%時礫砂坍落度較小，坍落筒提起后土樣基本不變化；當(dāng)注入率在20%～40%之間時，坍落度迅速增長。當(dāng)注入率較大時，改良土體出現(xiàn)滲水情況，坍落度過大。

從坍落度隨注入率變化曲線中可以看出，注入率小于20%時土體的坍落度變化不大；在注入率超過20%后，隨著注入率的增大，土樣的坍落度開始迅速增長；當(dāng)注入率超過40%后土體的坍落度基本不再增長。對于發(fā)泡劑A和發(fā)泡劑B，泡沫劑對土體流動性的改良效果都在注入率大于40%后達(dá)到上限。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種發(fā)泡劑對土體坍落度的影響程度相似，在注入率為20% ～30%時能夠使土體的坍落度數(shù)值在10～15 cm范圍；在注入率超過30%后，發(fā)泡劑B的改良效果優(yōu)于發(fā)泡劑A，能夠使土體坍落度繼續(xù)增長到20 cm以上，發(fā)泡劑A改良的土體坍落度最大約為17 cm。

坍落度試驗(yàn)結(jié)果表明，對于兩種發(fā)泡劑，建議的泡沫注入率為20%～30%，兩種發(fā)泡劑對于土體流動性的改良效果相近。

5 結(jié)論

渣土改良技術(shù)能夠有效地改善渣土的物理力學(xué)性能，降低了盾構(gòu)的扭矩和推力，減少刀具磨損和結(jié)泥餅情況，能夠提高施工效率，保證施工的穩(wěn)定性和安全性。本文以南昌地鐵3號線盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，進(jìn)行了發(fā)泡劑基礎(chǔ)性能試驗(yàn)，并針對該區(qū)間的礫砂層進(jìn)行改良渣土坍落度試驗(yàn)，對改良效果進(jìn)行了分析，主要研究結(jié)論如下:

(1)通過發(fā)泡劑基礎(chǔ)性能試驗(yàn)得出，發(fā)泡劑A和發(fā)泡劑B的最佳使用濃度為3%，兩種發(fā)泡劑的基礎(chǔ)性能較為接近。

(2)針對工程所在的礫砂層進(jìn)行改良渣土的坍落度試驗(yàn)。通過試驗(yàn)可以看出，在注入率小于40%時可以提高渣土的流動性，但在注入率大于40%后不再對土體有改良效果。

(3)在試驗(yàn)所用的土樣條件下，建議使用的泡沫注入率為20% ～30%，能夠使渣土的流動性達(dá)到盾構(gòu)掘進(jìn)的要求。