一種新型EPB渣土改良相似模型試驗系統及功能驗證*

楊振興，陳 饋，常家東，周建軍，李 偉，張合沛

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.中國中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009；3.洛陽理工學院 機械工程學院，河南 洛陽 471001；4.洛陽九久技術開發有限公司，河南 洛陽 471001)

0 引 言

渣土改良作為提高土壓平衡式盾構(EPB)與地質條件適應性的重要措施，對因開挖土體性質不良所導致的壓力倉內閉塞、結餅、噴涌和開挖面失穩等施工難題具有重要控制作用。因此，對渣土改良外加劑、改良機理和效果、改良配比方案等方面的研究開展廣泛[1-5]。

綜合國內外對渣土改良的研究，可概括為4個方面：1) 外加劑改良復雜巖土體內在機理研究；2) 新型改良劑的研發；3) 改良劑性能及改良土體“塑性流動性”各項特性指標研究；4) 改良土體對EPB掘進控制參數的影響研究[6-8]。目前，由于對改良劑和巖土顆粒相互作用微觀機理的研究還不夠深入，從本質上解釋改良劑作用機理及改良效果的難度較大。魏康林[9]通過3年的土體改良室內試驗研究，從泡沫微觀結構的角度初步解釋了氣泡破滅和消散機理，并定性分析了液膜表面張力對氣泡的穩定性作用；喬國剛[10]借助掃描電子顯微鏡(SEM)開展了紅粘土和砂的微觀結構、礦物組成成分，研究泡沫改良粘土滲透性的微觀機理和氣泡阻水機理等。上述研究成果從微觀角度對土體改良的內在相互作用進行了簡單解釋，但缺乏可靠驗證。

由于渣土改良內在機理的分析難度大，因此國內外更多學者、工程師從室內試驗、現場試驗和工程實踐等角度對改良劑性能、改良劑與地質條件的適應性、改良土體力學特性以及評價指標等方面開展研究。結合當前渣土改良研究重點、難點，筆者首先總結了EPB渣土改良室內試驗的研究方法，然后針對這些研究方法的不足介紹一種新型“EPB渣土改良試驗系統”。

1 EPB渣土改良室內試驗方法

EPB渣土改良試驗是研究土體改良機理、評價土體改良效果的重要手段，也是確定改良劑配比及注入量的重要依據。根據工程要求，渣土改良室內試驗研究一般流程如圖1[11]，研究、評價渣土改良劑及改良性能，優化渣土改良配比方案，通過盾構掘進試驗驗證、反饋、調整。

1.1 渣土改良劑性能試驗方法

為了研究發泡劑的性能，部分學者運用正交試驗、發泡試驗等方法研究發泡劑基本特性及影響因素，開發出性能優良的新型發泡劑，并對發泡劑的性能評價標準提出量化指標[12-14]。朱偉等[15]基于自行設計的室內發泡裝置進行不同濃度發泡劑溶液的發泡試驗，檢測氣泡半衰期，評價氣泡性能，總結出半衰期與發泡劑濃度及發泡倍率的關系，從而獲得發泡劑性能最優配比方案。其研究成果對泡沫改良劑性能研究具有重要的理論價值。目前，通過室內發泡試驗，對改良劑性能的研究已經相當廣泛和深入。

圖1 渣土改良室內試驗流程Fig. 1 Flow chart of soil conditioning tests

為了研究泡沫對渣土的改良效果，部分學者研究渣土改良與地層性質、氣泡添加量等的相關性。盾構施工過程中，氣泡添加量、發泡劑濃度、發泡倍率是控制土體改良的3個重要控制參數。因此，研究土體改良效果的普遍方法是針對特定地層條件，開展不同配比參數下改良土體的力學參數試驗，形成改良土體“塑性流動性”各項特性評價指標。常用評價土體改良效果的室內試驗方法主要采用巖土工程和混凝土的試驗方法，如滲透試驗、壓縮試驗、剪切試驗、坍落度試驗、攪拌試驗、稠度試驗和安定性試驗等[16-17]。馬連叢[18]針對成都富水砂卵石地層盾構施工改良渣土進行了直剪試驗、滲透試驗，確定泡沫劑對土體抗剪強度參數(黏聚力c和內摩擦角φ)、滲透系數的變化影響，從而提出土體改良最佳配比；林鍵等[19]用氣泡半衰期衡量氣泡穩定性，開展改良土體滲透試驗、直剪試驗、壓縮試驗等，針對不同穩定性氣泡對改良土體滲透性、強度、壓縮性以及流動性進行量測，提出氣泡穩定性對提高土體性質的改良效果影響關系；閆鑫等[20]進行大量坍落度試驗、攪拌試驗，從坍落度值、坍落后土體形狀和析水量來評價改良砂卵石土體、砂土的流動性。

目前，由于對土體改良機理的認識不夠明確，業內學者及工程師對改良土體的評價指標認識不盡相同，采用的改良土體性能試驗差別較大，致使力學性能試驗結果復雜。國內外對土壓平衡盾構渣土改良效果仍然沒有統一的評價標準。

考慮渣土改良室內試驗和評價方法并不能真實反映原狀土的特性和施工環境的影響，部分研究人員開始結合盾構施工現場開展渣土改良現場試掘進試驗，以千斤頂推力、刀盤扭矩和螺旋輸送機扭壓等掘進參數的變化反映渣土改良效果[21-22]。江華[23]以北京典型砂卵石地層為背景，開展土體改良現場掘進試驗，提出以場切深指數(FPI)和扭矩切深指數(TPI)的大小及變化規律作為土體改良效果的評價指標；郭彩霞等[24]在盾構掘進現場設立試驗段，對比分析土體改良前及膨潤土和泡沫一定注入比例下掘進參數(刀盤轉速、盾構推力、刀盤扭矩、渣溫、土壓等)的變化情況。

渣土改良現場試驗以盾構掘進參數作為渣土改良評價指標，能真實反映土體改良對盾構掘進的控制影響，結果更可靠，但存在資金投入大、人員協調復雜的弊端。因此，國內很少有盾構工程在盾構正式掘進前開展針對土體改良方案的試掘進專項試驗。

1.2 渣土改良室內相似模型試驗方法

渣土改良室內相似模型試驗是模擬盾構土體改良過程，并能評價土體改良效果的縮尺試驗。

A. BEZUIJEN等[25]于1997年研制出直徑50 cm、高125 cm的模型壓力倉。該模型不僅可模擬盾構推進過程中土倉內壓力分布和抗剪能力，且可對加入泡沫后改良土體的滲透性、壓縮性等進行研究。

P. MIGUEL[26]采用劍橋大學研發的土壓平衡盾構螺旋輸送機縮尺模型進行了土體改良對螺旋輸送機內壓力、扭矩的影響研究，分析了不同泡沫改良土體對螺旋輸送機內壓力的遞減規律。

國內，河海大學朱偉科研團隊[15，27]在2003年根據盾構機的發泡原理，設計了一套可進行室內發泡的裝置，如圖2。

圖2 發泡裝置示意Fig. 2 Layout of foam generator

該裝置利用兩條可控制壓力和流量的系統向發泡槍內注入發泡劑溶液和壓縮空氣，得到不同發泡倍率、發泡劑濃度的穩定氣泡，實現了發泡劑、水、空氣的按比例調配功能。但該裝置僅限于實現對氣泡的定量化控制，不能完成渣土改良及效果評價。

閆鑫等[20]參考國內外試驗經驗，研制了類似的室內發泡裝置，如圖3。該裝置由液壓系統和氣體系統組成，可通過調整氣、液體流量、壓強以及發泡裝置中網格的大小生產不同發泡倍率和穩定性的泡沫。

圖3 發泡裝置示意Fig. 3 Layout of foam generator

目前，國內外可查閱的EPB渣土改良室內相似模型試驗裝置十分有限，且功能單一。國內渣土改良室內試驗裝置僅實現了發泡劑的定量配比、發泡控制及產生所需泡沫等功能，泡沫仍需注入其他容器內攪拌達到改良土體目的。改良土體需通過直剪、滲透和坍落度試驗測定相關指標進行改良效果評價。

為了實現土體改良發泡控制與改良效果評價的功能統一，并考慮盾構掘進參數作為土體改良效果評價參數的可靠性，盾構及掘進技術國家重點實驗室聯合洛陽九久技術開發有限公司、洛陽理工學院共同開發研制了一種EPB渣土改良相似模型試驗系統——EPB渣土改良試驗系統。該系統不僅可控制發泡劑濃度和發泡倍率、生產不同配比泡沫，且能模擬盾構掘進過程，并將泡沫注入土倉，實現土倉內土體改良，同時監測盾構掘進參數變化。

2 EPB渣土改良試驗系統

2.1 系統構成

EPB渣土改良試驗系統主要由主體、控制柜、電控柜、泡沫發生裝置、空壓機、操作平臺組成。主體部分包括：底座、前/后蓋板組件、活塞組件、罐體組件、刀盤組件、刀盤驅動組件、螺旋輸送機、驅動組件及其他附件。該系統外形尺寸(長×寬×高)為6 470 mm×1 600 mm×2 950 mm，組成如圖4。

圖4 EPB渣土改良試驗系統各部分Fig. 4 Main part of EPB soil conditioning experimental system

試驗系統采用內徑Φ為1 200 mm的罐體模擬盾構前盾。罐體內填充渣土模擬地層情況。罐體內刀盤將罐體分割為土倉和改良倉。電機驅動刀盤切削并攪拌土體，模擬盾構掘進切削土體和渣土改良過程。螺旋輸送機倉門控制和輸出渣土模擬盾構排土過程。罐體內允許最大承受壓力為1 MPa。

試驗過程利用4支油缸同步推動活塞前進。油缸推動活塞實現罐體中的土體整體向刀盤處移動，并利用“地層移動，刀盤不動”的反方向作用模擬盾構切削地層過程。土體被刀盤切削后進入改良倉。在改良倉內，刀盤采用變頻電機驅動模擬盾構刀盤正反轉及多種轉速調節，刀盤背面焊接的攪拌棒對渣土進行攪拌。攪拌的同時，泡沫發生裝置將發泡劑、水和壓縮空氣3種介質混合后形成泡沫，通過罐體前段外圓的4個輸入口進入改良倉。改良倉內的渣土與泡沫經充分攪拌混合達到渣土改良的目的。改良后的渣土通過螺旋輸送機輸出。渣土出口位置安裝電動卸料閥門，由液壓缸控制其開口率，從而模擬出土過程。

系統刀盤采用輻條式結構，由4根輻條對稱放置構成，開挖直徑1 190 mm，配置切刀24把。刀盤背面焊接8根攪拌棒，使改良劑與土體充分混合。刀盤結構如圖5。

圖5 刀盤結構示意Fig. 5 Cutterhead of EPB soil conditioning experimental system

泡沫發生裝置由發泡劑站、水控制管路、空氣控制管路、泡沫發生器和支架等部分組成，如圖6。發泡劑站上設置電機帶動螺桿泵，將泡沫劑輸出到泡沫生產系統中。泡沫劑與水按一定比例混合后，再與壓縮空氣按比例混合，然后加入到泡沫發生器中。在泡沫發生器中經充分混合后的泡沫改良劑分4路注入到改良倉內，再由攪拌棒將渣土和改良劑攪拌均勻。泡沫發生裝置的技術參數如表1。

圖6 泡沫發生裝置示意Fig. 6 Layout of foam generator

項目泡沫劑水壓縮空氣工作壓力/MPa0.60.60.6工作流量/(L·min-1)5.020.015.0

為測定土倉內土壓力，罐體前擋板上設置4個土壓傳感器。考慮土倉上、下部壓力的不同和刀盤旋轉攪拌土體導致的土倉前后土壓差異，4個土壓傳感器的布置如圖7。

圖7 壓力傳感器安設位置示意Fig. 7 Layout of pressure sensors

EPB渣土改良試驗系統控制臺不僅可完成泡沫發生裝置對泡沫劑、水、空氣的配比控制及對輸送量、刀盤轉速和轉向、螺旋輸送機開閉狀態及其轉速和轉向、活塞組件推進速度等的實時控制，實現盾構掘進狀態的實時改變，且可實時反饋記錄各項施工參數。控制臺顯示器如圖8。

圖8 控制臺顯示器示意Fig. 8 Control console display

2.2 技術參數

EPB渣土改良試驗系統主要技術參數如表2。

表2 EPB渣土改良試驗系統主要技術參數Table 2 Technical parameters of EPB soilconditioning experimental system

2.3 主要功能

EPB渣土改良試驗系統將縮尺盾構模型與泡沫發生裝置相結合，不僅可開展氣泡性能與影響因素分析和開挖土體改良效果研究，且可模擬EPB盾構掘進的4種狀態過程(敞開式、半土壓平衡模式、土壓平衡模式、過壓掘進模式)。針對松散砂土地層，可模擬“土塞”形成效應、觀察螺旋輸送機“噴涌”現象、添加不同配比泡沫劑、進行渣土改良效果對盾構掘進控制的影響研究。

EPB渣土改良試驗系統主要實現功能如下：

1) 渣土改良劑(泡沫、聚合物等)的按比例加入及注入量的實時控制；

2) 模擬EPB盾構掘進4種狀態，實現刀盤推進及土倉渣土攪拌改良；

3) 模擬螺旋輸送機出土過程及土塞效應實現過程；

4) 模擬EPB盾構帶壓過程，土倉壓力可達1 MPa。

3 功能性試驗

為驗證EPB渣土改良試驗系統的主要功能，進行盾構掘進模擬試驗和渣土改良試驗，提取刀盤推進速度、推力、刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩等相關監測值，通過分析監測值的變化規律，判斷EPB渣土改良試驗系統的實用性。

3.1 盾構掘進模擬

根據EPB渣土改良試驗系統的設計尺寸，確定刀盤推進速度、刀盤轉速、螺旋輸送機轉速的對應關系如式(1)：

(1)

式中：α、β為協調系數；ν1為土體推進速度,mm/min；R1為罐體直徑,mm；r2為螺旋輸送機直徑,mm；n2為螺旋輸送機轉速,r/min；r3為刀盤直徑,mm；n3為刀盤轉速,r/min；l為螺距,mm；h為切刀高程,mm。

稱量0.6 m3的松散砂土倒入罐體內，保證砂土坡腳未到達螺旋輸送機進料口。在保證泡沫發生裝置關閉狀態且土倉與外界聯通的前提下，保持刀盤和螺旋輸送機靜止，啟動液壓站，調整控制臺4個油缸推進旋鈕反復試調油缸液壓。觀察土倉隔板的推進速度與推力的監測數據，如圖9。由此可見，推進速度增大，推進力絕對值也相應增大，推進速度和推進力具有很好的相關性。

圖9 刀盤推進速度與推力絕對值的對應關系Fig. 9 Relationship between speed of cutting disc advancing and absolute value of driving force

從圖9可以看出：刀盤推進速度、總推力絕對值具有很好的相關性，驗證了EPB渣土改良試驗系統的準確性；同時，土體推進系統具有很好的靈敏性、可靠度。

后退土倉隔板，添加松散砂土至1 m3，保證砂土坡腳完全覆蓋螺旋輸送機進料口。保持砂土以4 mm/min的速度前移，開啟攪拌器，調整轉速至1 r/min。開啟螺旋輸送機，調整轉速至5 r/min。刀盤總推力、刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩變化曲線如圖10。

土倉隔板推進速度不變的情況下，總推力絕對值與土倉內砂土含量直接相關，即與螺旋輸送機的排土能力直接相關。當開啟螺旋輸送機，排出土體，土倉隔板推力明顯降低。當關閉螺旋輸送機，土倉隔板推力增加。由于試驗采用松散砂土，因此刀盤扭矩維持在9～17 MPa。

從圖10可以看出：刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩、土倉隔板推進速度、刀盤總推力4個參量相互影響，與現場實踐相吻合；針對不同尺寸盾構機、不同地質條件等，4個參量存在一個平衡關系，保證盾構掘進系統、排渣系統、地層的穩定安全。

基于以上分析可知，通過設計相似模型實驗，EPB渣土改良試驗系統可為現場盾構機掘進的參數設定提供數據支持。

3.3 土體改良試驗

土體改良試驗步驟如下：

1) 稱量1.36 m3的松散砂土倒入罐體內，保證罐體內完全充填；

2) 封閉人工蓋板；

3) 調試液壓系統、泡沫系統能夠正常工作；

4) 調整操作控制臺4個油缸推力旋鈕，通過油缸推動土體隔板以20 mm/min的速度前移；

5) 開啟攪拌器，調整轉速為1 r/min；

6) 打開螺旋輸送機出渣口至開口率100%，刀盤扭矩穩定在6.5 MPa；

7) 開啟螺旋輸送機，調整轉速至5 r/min；

8) 記錄刀盤扭矩、螺旋輸送機的扭矩；

9) 打開泡沫生產系統，參考表3調整泡沫劑、水、壓縮空氣配比，將配比完成的泡沫改良劑以0.011 m3/min(泡沫注入量為切削土體體積的45%～55%，本實驗取55%)注入土倉中，觀察并記錄土倉壓力變化、刀盤扭矩及螺旋輸送機扭矩變化。實驗數據記錄如圖11。

表3 泡沫改良劑配比Table 3 Proportion of foam modifier

圖11 刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩變化曲線Fig. 11 Curve of cutterhead torque and screw conveyor torque

由圖11可以看出：渣土改良后，刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩明顯降低。由此可通過改變泡沫生產系統的泡沫劑、水、壓縮空氣配比獲取不同配比下刀盤和螺旋輸送機扭矩的變化量，為現場的渣土改良提供技術參考。

圖11驗證了利用EPB渣土改良試驗系統中泡沫發生系統研究渣土改良對盾構掘進控制參數影響的可行性。

通過EPB渣土改良試驗系統設計相似模型實驗，不僅可評估改良后渣土的塑流性能，且可評估渣土改良對盾構掘進控制的影響，準確判斷不同配比發泡劑對盾構掘進控制參數的影響。

4 結 論

筆者總結分析了國內外EPB渣土改良的研究現狀以及室內試驗方法，指出研究方法的局限性，從而介紹了一種新型的EPB渣土改良室內試驗設備——EPB渣土改良試驗系統。該系統不僅可實現地層重塑、模擬盾構掘進過程，且能通過泡沫發生裝置按設計配比對渣土進行改良、預測渣土改良對EPB施工控制的影響。

1) 與以往渣土改良室內試驗系統相比，EPB渣土改良試驗系統可按照發泡劑、水、壓縮空氣的不同配比及實時注入量控制渣土改良，同時通過模擬EPB掘進、攪拌、排土過程，評估渣土改良效果對EPB掘進控制的影響。

2) EPB渣土改良試驗系統罐體為全封閉結構，允許內壓為1 MPa，不僅可模擬敞開式、半土壓平衡式掘進過程，且可模擬盾構帶壓掘進過程。

3) 通過“盾構掘進模擬”和“渣土改良試驗”2個功能性試驗，驗證了EPB渣土改良試驗系統的準確性和可靠性。試驗結果完全滿足工程需要。

渣土改良是EPB掘進施工保證開挖面穩定、提高掘進效率的重要工序。渣土改良效果及盾構掘進控制技術直接影響整個工程施工進度和質量。EPB渣土改良試驗系統根據相似理論設計，為研究EPB渣土改良配比與改良性能提供了新的手段，可模擬大直徑EPB施工、危險地層下盾構控制技術等特殊復雜地質條件盾構推進過程，測得采集盾構的最優施工參數，指導施工。

基于EPB渣土改良試驗系統，開展不同工況下渣土改良試驗研究，評價不同改良劑渣土改良效果，將是后續不斷完善和探索的工作。

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