西安地鐵盾構隧道含砂黃土地層渣土改良試驗研究

盧 艷

（西安市地下鐵道有限責任公司運營分公司，陜西西安 710018）

0 引言

含砂黃土地層是西安地區典型的地層特性。在西安地鐵前期施工過程中，土壓平衡盾構在黃土地層中掘進時具有較好的適應性，然而西安地鐵 1 號線二期工程張后區間土壓平衡盾構在砂質地層中掘進時，卻不能很好地適應。因此，盾構穿越含砂黃土地層的渣土改良研究顯得尤其重要。

在渣土改良方面，已有國內外學者做了大量的研究。X. Borghi[1]結合實際工程得出，通過氣泡改良渣土，可以有效減小刀盤扭矩和螺旋輸送機扭矩，降低刀具磨損，有效控制土倉壓力；A. Bezuijen[2]在泡沫改良砂土后，通過壓力倉模型對渣土的滲透系數、壓縮性和孔隙壓力等的變化情況進行研究；S. Quebaud[3]在對氣泡的特性進行充分研究的基礎上，通過坍落度試驗、滲透試驗和攪拌試驗對泡沫改良混合土的性質進行研究，確定了泡沫改良砂卵石的最優配合比；張明晶[4]在對盾構施工常見故障總結的基礎上，開發研制出可以有效防治閉塞發生的泡沫，并在實際應用中得到了較好的效果；唐益群[5]等在盾構穿越砂土層時，分別在砂土中摻入泡沫劑、肥皂水進行改良，試驗研究表明，泡沫劑和肥皂水可以很好地保持工作面動態平衡，有效控制地表沉降，減小刀盤扭矩以及降低刀盤和刀具的磨損。

以上渣土改良研究中，主要采用泡沫對渣土進行改良，雖然能夠達到很好的改良效果，但是泡沫改良成本高，從經濟性出發會增加改良成本。單一采用膨潤土泥漿對渣土進行改良，所需膨潤土泥漿量大，常常受制于制漿設備的生產能力，并且還需進一步確定適合砂土改良的膨潤土泥漿配合比和摻入比等參數。本文依托西安地鐵1號線二期工程，從經濟性和改良含砂黃土地層渣土效果出發，對適合含砂黃土砂層的渣土改良劑進行試驗研究。

1 試驗方案

1.1 試驗目的和內容

1.2 試驗工況設計

根據試驗目的及相關渣土改良的評價標準，試驗工況設計如下。

（1）工況 1。分別配制質量比為 1 ∶ 6、1 ∶ 8、1 ∶ 10、1 ∶ 12、1 ∶ 14 等 5 種不同濃度的納基膨潤土泥漿，通過測試泥漿黏度隨時間的變化，得出鈉基膨潤土的最優泥漿配合比和最佳膨化時間。

（2）工況 2。將工況1得到的最佳配合比泥漿（已達到最佳膨化時間）與砂土分別以 1 ∶ 10、1.5 ∶ 10、2 ∶ 10、2.5 ∶ 10、3 ∶ 10 的比例進行混合，并充分攪拌。分別測定改良前后砂土的各項指標，對比原狀和 5 種不同比例改良后渣土的指標，最后依據經濟性和改良效果，得出膨潤土泥漿改良砂土最佳體積比。

2 試驗數據分析

2. 1 膨潤土黏度試驗

按照工況 1 選取施工現場所采用的鈉基膨潤土，配制 5 種不同濃度膨潤土泥漿，分別對其膨化 24 h 后找出改良效果最優的泥漿濃度比和相應的最佳膨化時間（馬氏漏斗黏度計為標準狀態：946mL，26±0.5 s）。試驗結果圖1所示，由圖1數據可以得出：

圖1 不同濃度下鈉基膨潤土黏度隨時間變化曲線

（1）按照工況 1 配置的 5 種不同濃度膨潤土泥漿黏度均隨時間推移而增長，當泥漿攪拌時間在 16 h 后，黏度趨于穩定；

（2）當泥漿濃度小于 1 ∶ 10 時，泥漿黏度相對較低，對砂土進行改良時可能會達不到預期目的；

（3）當泥漿黏度大于 1 ∶ 10 時，泥漿黏度很大，對砂土進行改良雖然能夠達到較好的改良效果，但是會增加施工成本。

由以上實驗數據分析可見，以 1 ∶ 10 的泥漿濃度進行改良，其改良效果和經濟性最優，并且泥漿最佳膨化時間為 18～20 h。

綜上所述，本實驗成功構建了LncRNA-GHET1過表達胃癌細胞株 MGC803，為進一步研究 LncRNA-GHET1基因過表達對胃癌細胞增殖、侵襲及轉移等行為學的影響奠定重要基礎。

2. 2 坍落度試驗

坍落度是用來檢驗混凝土拌合物施工和易性的量化指標，其中包括拌合物的保水性、流動性和黏聚性。坍落度試驗從施工現場取得砂土，按照試驗設計，加入不同比例的膨潤土泥漿，對改良前后的砂土分別進行坍落度測試，試驗數據如表1所示。從表1可以看出：

表1 不同體積配合比改良砂土坍落度mm

（1）原狀砂土坍落度很小，僅為 5mm，反映出其流動性很差，不能滿足下穿盾構施工對渣土的要求；

（2）采用與砂土體積比小于或大于 2 ∶ 10 的膨潤土泥漿改良砂土后，渣土的坍落度均不能滿足施工要求。當體積比為 2 ∶ 10 時，改良后砂土的坍落度為 142mm，滿足盾構施工對渣土 100～150mm 最佳坍落度的要求。

2.3 滲透性試驗

西安地區含砂黃土層改良后渣土的滲透系數量級要求 10-5cm/s。表2給出了改良渣土滲透系數試驗數據，由表2數據可以看出：

表2 不同體積配合比改良砂土滲透系數 cm/s

（1）原狀砂土的滲透系數為 3.08×10-2cm/s，不滿足 10-5cm/s 量級要求。改良后砂土的滲透系數大幅度下降，滲透系數數量級均達到了 10-5cm/s，且滲透系數隨泥漿加入量加大而減小。

（2）采用 5 種不同體積比的膨潤土改良后，滲透系數數量級均達到了 10-5cm/s，但數值差別不大。

由以上滲透性試驗數據可見，在現有膨潤土改良渣土的前提下，從降低“噴涌”發生概率的角度，綜合考慮經濟性和改良效果，采用泥漿與砂土體積比為 2 ∶ 10 最佳。此外，增大壓力倉和螺旋排土器的長度、減小壓力倉和螺旋排土器的直徑，也可以在一定程度上降低“噴涌”發生的概率。

2. 4 直剪試驗

分別取原狀砂土和按不同比例膨潤土泥漿改良后土體的 5 個試樣進行直剪試驗，得到內摩擦角和黏聚力關系曲線如圖2和圖3所示。由圖2、圖3試驗數據可以看出：

圖2 渣土改良后內摩擦角與泥漿砂土體積比關系曲線

圖3 渣土改良后黏聚力與泥漿砂土體積比關系曲線

（1）原狀砂土摩擦角較大，抗剪強度較高，當鈉基膨潤土泥漿按照不同體積比加入到砂土中進行改良以后，渣土的抗剪強度均有不同程度的降低。

（2）土體的內摩擦角隨膨潤土泥漿加入量的增加而減小，黏聚力隨膨潤土泥漿加入量的增加而上升。其中，當膨潤土泥漿與砂土體積比為 2 ∶ 10 時，砂土內摩擦角降低了 5.4°，為 25.8°，能夠滿足改良后土體內摩擦角小于 27°的要求；黏聚力增加了 9.7 kPa，為10.6 kPa，滿足土體黏聚力小于 25 kPa 的要求。

（3）當膨潤土泥漿與砂土體積比為 2.5 ∶ 10 時，砂土的內摩擦角降低的趨勢和黏聚力變大的趨勢均減緩。

由以上直剪試驗數據可見，從改良效果和經濟性出發，膨潤土泥漿與砂土體積比采用 2 ∶ 10 較為合理。

3 渣土改良效果進一步優化

圖4 和圖5給出了西安地鐵 1 號線二期工程張后區間掘進過程中，刀盤扭矩和掘進速度與渣土改良添加劑關系監測數據。從圖4和圖5可以看出：

圖4 刀盤扭矩與改良劑關系圖

圖5 掘進速度與改良劑關系圖

（1）在未對砂土進行改良直接掘進時，盾構掘進一直比較困難，主要表現在刀盤扭矩偏大且不穩定、掘進速度較慢等；

（2）當采用質量比為 1 ∶ 10、添加量為 20% 的鈉基膨潤土泥漿進行渣土改良后，掘進刀盤扭矩降低效果明顯，掘進速度有一定的提升但依然較慢，不能滿足下穿既有出入段線隧道“快速”的要求；

（3）在采用膨潤土改良掘進 10 環之后，開始向刀盤前方均勻注入 5% 的清水，同時采用膨潤土泥漿和體積分數 3%、發泡倍率為 16 倍、添加量為 5% 的泡沫溶液進行改良，可以基本滿足下穿既有隧道盾構勻速高效掘進、快速通過的要求。盾構掘進每環改良劑使用量如表3所示。

表3 每環渣土所需改良劑

4 結論及建議

（1）通過配制 5 種不同鈉基膨潤土泥漿進行實驗，從改良效果和經濟性出發，選擇泥漿濃度為 1 ∶ 10 進行渣土改良，泥漿最佳膨化時間為 18～20 h。

（2）采用鈉基膨潤土泥漿對砂土進行改良，改良后渣土滲透性顯著降低，內摩擦角降低，黏聚力增大，施工和易性和流動性滿足施工要求。膨潤土泥漿與砂土體積比以 2 ∶ 10 為宜。

（3）采用體積分數 3%、發泡倍率為 16 倍、外摻量為 5% 的泡沫溶液和膨潤土泥漿，并向刀盤前方注入 5%的清水對砂土進行改良后，在降低刀盤扭矩、提高盾構掘進效率上效果明顯，并且出土量得到控制，土倉壓力穩定，可以滿足穿越施工的要求。

[1]Xavier Borghi. Soil conditioning for clay soil[J].Tunnels and Tunneling International，2003（4）.

[2]A. Benzuijen, P.E.schaminee, J.A.Kleinjan. Additive testing for earth pressure balance shields [C]//. 12th Eur.Confon. on Soil Mechanics and Geotech Engineering.Amsterdam∶ Jun. 1999.

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