盾構施工新型防結泥餅泡沫劑的研制與應用

賀雄飛， 張 迅， 李治國， 徐敬賀

(1. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道局集團有限公司隧道結構智能監(jiān)控與維護重點實驗室， 廣東 廣州 511458； 3. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458；4. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著我國經濟持續(xù)發(fā)展，城市交通得到加速發(fā)展，但城市交通地上資源利用空間越來越少，應轉而向地下空間發(fā)展，因此，地鐵建設已經成為城市發(fā)展的重點。土壓平衡盾構法依靠其機械化程度高、施工速度快、對地面交通影響小且適用地層范圍較大等優(yōu)點，已經廣泛應用于地鐵隧道修建。該工法成功的關鍵是將開挖面切削下來的土體在壓力艙內調整成一種“流塑性狀態(tài)”[1-3]，避免壓力艙內發(fā)生結餅、成拱、噴涌等而引起開挖面失穩(wěn)；但土壓平衡盾構在可塑、硬塑狀的黏土類地層，黏土質砂土地層，泥巖，泥質粉砂巖，母巖為花崗巖的殘積土層，全風化巖層和強風化巖層等地層中掘進時，易自刀盤中心位置向四周逐步在刀盤面和土艙內壁形成泥餅[4]，堵塞刀盤開口，加重盾構刀盤和刀具的負荷，降低施工效率。此外，刀盤泥餅與土艙中隔板的長時間摩擦，會導致中隔板等位置的溫度快速升高，引起回轉中心橡膠密封件性能下降，威脅盾構施工的安全[5]。“結泥餅”問題一直是盾構法施工領域未能完全解決的一大難題，始終困擾著行業(yè)施工人員。

目前，國內外學者和工程技術人員對黏性土地層碴土改良技術開展了大量研究，但主要集中在工藝方面，對材料的研發(fā)極少。文獻[6]針對長株潭城際鐵路淺埋高黏性上軟下硬不良地層，提出優(yōu)化碴土改良參數(shù)的方案；文獻[7-8]針對南昌地鐵上軟下硬地層進行了碴土改良試驗研究，提出該地層條件下預防結泥餅的碴土改良參數(shù)建議；文獻[9-11]分別針對硬塑粉質黏土、武漢老黏土等黏性土地層開展碴土改良方法及掘進參數(shù)選取研究；文獻[12]在理論方面分析了細粒土造成結泥餅、盾構卡死的主要原因，提出了評價土“黏性”參數(shù)的試驗方法和調整黏性性能的操作方法。文獻[13-14]研制了新型泡沫劑，但研制的泡沫劑針對性不強，僅在室內對泡沫劑性能及改良土體效果進行了試驗，未進行工程應用和推廣，其工程應用效果不明。

目前國產的泡沫劑性能差異較大，穩(wěn)定性、滲透性較差，對于黏性礦物含量較高、易結泥餅的黏性土地層的改良效果差，而對于該類特殊地層的碴土改良，還主要依賴于國外產品，施工成本高。針對現(xiàn)有技術的不足，本文研制了一種能夠顯著降低碴土的黏附性，減少碴土對刀盤的黏附和堵塞，提高碴土的流塑性且降低能耗的防結泥餅高效改良劑——分散型泡沫劑DCA，并在強風化泥巖夾砂卵石復合地層，砂質黏土層和強、全風化花崗巖等地層進行應用和推廣研究。

1 分散型泡沫劑的配制及性能測試

1.1 分散型泡沫劑的配制

本文所配制的分散型泡沫劑主要成分為陰離子表面活性劑A、非離子表面活性劑B,其他成分為穩(wěn)泡劑C和D、抗黏添加劑E等。首先將陰離子表面活性劑A溶解于水中，然后加入非離子表面活性劑B混溶后，再分別加入穩(wěn)泡劑C和D，最后加入抗黏添加劑E，充分攪拌溶解后得無色透明液體，即為分散型泡沫劑。其主要物理化學指標見表1。

表1 分散型泡沫劑主要物理化學指標

1.2 泡沫劑性能測試

泡沫的性能主要由半衰期和發(fā)泡率2個指標衡量。半衰期為氣泡衰變破滅到一半質量時所需的時間，發(fā)泡率是指一定體積的發(fā)泡劑溶液所發(fā)出的氣泡體積與發(fā)泡劑溶液體積的比值。根據(jù)盾構現(xiàn)場施工實際情況，發(fā)泡系統(tǒng)發(fā)出泡沫到與土體混合改良，有一定的時間間隔，約2～3 min，滿足盾構施工的氣泡還需滿足5 min內氣泡基本不消散的要求，故本文還測試了泡沫5 min消泡率，即泡沫形成至5 min時泡沫衰變破滅的質量與泡沫質量的百分比。本試驗參照歐洲的測量標準[15],通過自組裝發(fā)泡系統(tǒng)在同一發(fā)泡參數(shù)(泡沫劑質量分數(shù)為2%、氣液比為50)條件下對分散型泡沫劑及對比用泡沫劑——某進口泡沫劑的半衰期、發(fā)泡率及5 min消泡率進行了測量，篩選出5組性能比對比泡沫劑更優(yōu)的分散型泡沫劑配方，其性能測試結果見表2。

表2分散型泡沫劑對比某進口泡沫劑發(fā)泡和穩(wěn)泡性能

Table 2 Foaming and foam stabilizing performance of dispersible foam agent

泡沫劑類型發(fā)泡倍率5min消泡率/%半衰期/min分散型泡沫劑1#450.38232#381.53213#350.28234#380.30225#440.4022某進口泡沫劑404.2520

1.3 室內碴土改良試驗

1.3.1 試驗土樣物理指標

分散型泡沫劑針對黏粒含量高、存在結泥餅風險的黏性土地層研發(fā)。試驗土樣取自于深圳地鐵7號線工地，土樣物理指標見表3。

表3 試驗土樣物理指標

由表3可知，試驗土樣屬高液限、強塑性黏土，黏附性特別強，具有極高的結泥餅風險，符合分散型泡沫劑的改良地層特性。

1.3.2 碴土改良試驗

選取以上性能優(yōu)異的5組分散型泡沫劑進行碴土改良試驗。每次試驗之前，先取土樣烘干，在烘干狀態(tài)下取一定體積的試驗土樣；然后按照試驗含水率所需水量向土樣中添加水，攪拌均勻后，按照試驗所需體積取新制的泡沫倒入土樣后進行攪拌；再次攪拌均勻后，立即取新拌改良后碴土進行性能測試并記錄碴土黏附攪拌臂的情況，并對碴土的流動度、表觀密度進行分組同步測試。碴土流動度參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》[16]試驗步驟進行，其中跳桌跳動次數(shù)為10次。碴土表觀密度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[17]中表觀密度的試驗方法進行。

通過對比不同改良參數(shù)下各泡沫的碴土改良效果，最終確定深圳粉質黏土地層優(yōu)化改良參數(shù)范圍為：泡沫劑質量分數(shù)為2%～5%，泡沫發(fā)泡倍率為25，碴土初始含水率為35%～39%，泡沫注入比為40%～50%。測試泡沫劑質量分數(shù)5%、含水率35%、泡沫注入比50%的改良參數(shù)條件下各泡沫劑改良后碴土的性能，觀測碴土對攪拌臂的黏附情況，試驗結果如表4和圖1所示。

表4粉質黏土改良前后性能參數(shù)及性狀

Table 4 Properties of silty clay before and after conditioning

泡沫劑類型流動度/mm表觀密度/(g/cm3)黏附情況無泡沫劑(原土)121.41.38嚴重分散型泡沫劑1#135.61.29明顯,泡沫較少2#125.21.31明顯,泡沫較少3#137.41.30明顯,泡沫較少4#161.21.14輕微,泡沫明顯5#150.01.28輕微,泡沫明顯某進口泡沫劑148.71.27一般,泡沫明顯

由表4和圖1可知，分散型泡沫劑中1#—3#泡沫劑對碴土的改良效果欠佳，碴土黏附較多； 4#—5#泡沫劑改良效果較好，碴土中可見明顯泡沫分布，碴土流動度更大，較對比用的某進口泡沫劑的使用效果更優(yōu)； 從碴土流動性及黏附情況的相關性來看，碴土流動度在155 mm左右時，碴土的黏附性較小。

(a) 改良前原土(含水率35%)

(b) 1#泡沫劑改良碴土

(c) 2#泡沫劑改良碴土

(d) 3#泡沫劑改良碴土

(f) 5#泡沫劑改良碴土

圖1不同泡沫劑粉質黏土改良前后碴土性狀及黏附情況

Fig. 1 Characteristics and adhesion of silty clay before and after conditioning by different foam agents

2 分散型泡沫劑DCA的現(xiàn)場應用

在室內配制試驗的基礎上，為進一步檢驗研制產品的工程實際應用效果，選用室內碴土改良效果最佳且性價比最高的4#分散型泡沫劑(簡稱DCA)進行試產和現(xiàn)場應用。現(xiàn)場應用試驗在成都地鐵7號線12標成都理工大學站至成華大道站區(qū)間(簡稱“成成區(qū)間”)左線及成華大道站至崔家店站區(qū)間(簡稱“成崔區(qū)間”)右線進行。

2.1 工程地質特點

根據(jù)地質勘查報告，成成區(qū)間左線試驗段主要地層為強風化泥巖，上覆1層極薄的密實砂卵石土，存在較高的結泥餅風險；成崔區(qū)間右線試驗段掘進斷面主要以粉質黏土和砂土為主，部分區(qū)段含有砂卵石和少量泥巖。圖2為具體地質剖面圖。

(a) 成成區(qū)間左線

(b) 成崔區(qū)間右線

圖2試驗段地質剖面圖

Fig. 2 Geological profile of test section

通過對2個應用段土質取樣送檢、測試其黏粒含量及塑性指標(結果見表5)可知，應用段黏性礦物蒙脫石含量為5%以上，黏粒含量為19%左右，塑性指數(shù)約為12.0，根據(jù)液塑限定名為粉質黏土層，盾構在掘進過程中易結泥餅，符合分散型泡沫劑的應用地層特點。

表5 應用段土層黏粒含量及塑性指標

2.2 碴土改良系統(tǒng)

試驗段所用盾構的刀盤面板上共設計有5個碴土改良噴口，其中膨潤土噴口2個，泡沫噴口3個(單管單泵)。膨潤土噴口和泡沫噴口各自獨立且可以互換，并添加5路刀盤噴水口。試驗區(qū)間碴土改良主要采用泡沫劑和水進行改良。

2.3 現(xiàn)場應用概況

現(xiàn)場應用段分為2段： 1)分散型泡沫劑DCA在成成區(qū)間左線應用段為第487—503環(huán)，應用段前第460—486環(huán)和應用段后第504—519環(huán)使用某進口泡沫劑。2)分散型泡沫劑DCA在成崔區(qū)間右線應用段為第165—230環(huán)，應用段前第135—164環(huán)和應用段后第231—246環(huán)使用某國產泡沫劑；其中，應用段第195—218環(huán)穿越河流橋樁，工況發(fā)生變化，不計入統(tǒng)計對比。

為檢驗分散型泡沫劑改良效果，在應用新型泡沫劑DCA掘進期間，現(xiàn)場測試的主要技術指標包括盾構推力、掘進速度、刀盤轉矩、螺旋輸送機轉矩、泡沫劑消耗量和改良碴土的坍落度、表觀密度等，并取樣觀測碴土的性狀，同時與同種地質條件下現(xiàn)場使用的其他泡沫劑的改良效果進行對比分析。

2.4 現(xiàn)場應用結果與對比分析

2.4.1 不同泡沫劑掘進參數(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場記錄應用段內各環(huán)掘進參數(shù)與泡沫劑消耗量(見圖3和圖4)，以不同類型泡沫劑為對象，計算各項參數(shù)平均值(見表6和表7)。

由圖3—4和表6—7可知，分散型泡沫劑DCA改良碴土效果良好，平均總推力和刀盤轉矩值更小，掘進效率更高，速度更快。DCA各項掘進參數(shù)與現(xiàn)場使用的某進口泡沫劑相當，明顯優(yōu)于國產同類泡沫劑產品效果，滿足強風化泥巖地層及砂卵石夾泥巖復合地層盾構施工對碴土改良的要求；相比國內外其他泡沫劑，自制分散型泡沫劑每環(huán)消耗量更少，經濟性顯著。

(a) 總推力

(b) 刀盤轉矩

(c) 掘進速度

(d) 螺旋輸送機轉矩

(e) 泡沫劑消耗量

Fig. 3 Tunneling parameters and foam consumption of different foam agents at left line of Chengdu Univerisity of Technology Station to Chenghua Avenue Station

(a) 總推力

(b) 刀盤轉矩

(c) 掘進速度

(d) 螺旋輸送機轉矩

(e) 泡沫劑消耗量

Table 6 Average values of tunneling parameters and foam consumption at left line of Chengdu Univerisity of Technology Station to Chenghua Avenue Station

泡沫劑類型環(huán)數(shù)總推力/kN刀盤轉矩/(kN·m)掘進速度/(mm/min)螺旋輸送機轉矩/(kN·m)泡沫劑消耗量/(kg/環(huán))DCA1716410373853.123.656.2某進口泡沫劑3617156379548.723.266.4

表7 成崔區(qū)間右線應用段掘進參數(shù)與泡沫劑消耗量平均值

2.4.2 不同泡沫劑碴土改良性狀分析

在分散型泡沫劑以及對比用泡沫劑應用期間，現(xiàn)場取碴土進行坍落度和表觀密度測定，測試結果平均值見表8和表9。觀測各泡沫劑改良碴土性狀如圖5和圖6所示。

表8成成區(qū)間左線應用段改良后碴土性狀對比

Table 8 Comparison of soil properties of modified soil at left line of Chengdu Univerisity of Technology Station to Chenghua Avenue Station

泡沫劑類型坍落度/mm表觀密度/(kg/m3)DCA1621662.91某進口泡沫劑1461679.28

表9成崔區(qū)間右線應用段改良后碴土性狀對比

Table 9 Comparison of soil properties of modified soil at right line of Chenghua Avenue Station to Cuijiadian Station

泡沫劑坍落度/mm表觀密度/(kg/m3)DCA1361813.73某國產泡沫劑1321872.30

由表8—9和圖5—6可知：自制分散型泡沫劑DCA改良后碴土的改良效果最佳。碴土呈流塑性，碴土內可見大量微細泡沫均勻分布，蓬松度非常好，碴土在螺旋輸送機皮帶上鋪展良好，未見球狀碴土出現(xiàn)，出碴順暢。在分散型泡沫劑整個應用過程中，盾構未出現(xiàn)結泥餅和掘進參數(shù)突變的情況。

2.5 現(xiàn)場應用效果評價

在相同工況、同種地質條件下，自制分散型泡沫劑DCA碴土改良效果與現(xiàn)場使用的某進口泡沫劑相當，產品性能優(yōu)于國內外同類產品，能夠有效控制盾構掘進總推力和刀盤轉矩的大小，達到理想掘進狀態(tài)，有效預防了盾構在強風化泥巖、粉質黏土及砂卵石夾泥巖復合地層盾構泥餅的形成；且經濟優(yōu)勢明顯，相比現(xiàn)場用其他泡沫劑，自制分散型泡沫劑每環(huán)可節(jié)省10%～15%的材料用量，具有廣泛的推廣應用價值。

(a) 手抓碴土

(b) 碴車內碴土

(c) 碴土坍落度測試

(a) 某進口泡沫劑改良碴土

(b) 某國產泡沫劑改良碴土

Fig. 6 Characteristics of soil conditioned by other foam agents on site

3 結論與建議

本文針對黏性土的特點研制了分散型泡沫劑DCA，通過現(xiàn)場應用，統(tǒng)計了應用期間及應用前后盾構掘進參數(shù)，并與相同工況條件下現(xiàn)場其他泡沫劑應用情況進行對比，對泡沫劑改良效果進行了分析。

1)通過大量的室內配制試驗，篩選出5組穩(wěn)泡性能比某進口泡沫劑更優(yōu)的分散型泡沫劑配方。

2)通過對篩選的分散型泡沫劑進行碴土改良試驗，利用室內試驗條件測試泡沫劑的改良效果，并與某進口泡沫劑進行對比試驗，驗證分散型泡沫劑對粉質黏土的抗黏改良作用。選取性價比最佳的4#分散型泡沫劑，作為防結泥餅改良劑——分散型泡沫劑DCA配方。

3)現(xiàn)場應用試驗表明： 同種地質條件下，分散型泡沫劑DCA改良碴土效果與現(xiàn)場使用的某進口泡沫劑相當，明顯優(yōu)于國產同類泡沫劑改良效果，滿足強風化泥巖、粉質黏土及砂卵石夾泥巖復合地層盾構施工對碴土改良的要求；同時，使用DCA泡沫劑每環(huán)可節(jié)約10%～15%的材料用量，經濟效益明顯，具有廣泛的推廣應用價值。

分散型泡沫劑DCA主要針對黏性土地層研發(fā)，對粉質黏土、砂質黏土、泥巖等黏粒含量較高地層的分散、防結泥餅效果明顯，但不適用于全斷面砂層、卵石地層，典型砂卵石地層的碴土改良材料建議針對其地質特點進行專項研發(fā)。