破碎地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良實(shí)驗(yàn)研究

王越

摘要：對(duì)于地層中的淺埋段，在實(shí)地采取不同類型掘進(jìn)參數(shù)得到不同類型的渣土進(jìn)行深入研究，對(duì)在不同含水量和不同成分配比下所得到的巖質(zhì)渣土和泡沫劑改良砂質(zhì)的坍塌程度、塑流狀混合物的含水量進(jìn)行定量研究，通過(guò)得到的數(shù)據(jù)深入研究泡沫劑含量和含水量、渣土流動(dòng)性的關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)大量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)泡沫劑含量為40%，含水量在16%到18%時(shí)，改良成效顯著，經(jīng)濟(jì)成本最低，收益高。

關(guān)鍵詞：破碎地層 土壤結(jié)構(gòu)改良 土壓平衡盾構(gòu)法 泡沫劑含量

引言：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步與人類文明的發(fā)展，地面以下的空間工程也漸漸地得到了重視。就我國(guó)當(dāng)前形勢(shì)而言，一線城市甚至二線城市大都通過(guò)盾構(gòu)施工的方式興建地鐵工程。但是因?yàn)椴煌貐^(qū)的土層結(jié)構(gòu)差別較大，通用的土壓平衡盾構(gòu)施工法場(chǎng)遭遇刀盤扭矩太大、姿態(tài)無(wú)法調(diào)控、掘進(jìn)進(jìn)程遲緩、難以出渣和地表突起、塌陷等困難。該方法掘進(jìn)時(shí)，其前端刀盤尖端旋進(jìn)土壤，后隔板與掌子面間形成泥土空腔，若土體把土倉(cāng)覆蓋，其壓力與切削面上的水、土壓力大致相仿，就可以把掌子面穩(wěn)定住，但前提是土壤本身具備良好的塑流性。在施工前必須充塑渣土的流動(dòng)性，才能夠讓土壤的塑狀流動(dòng)性提升，進(jìn)一步使得噴涌量和刀具的磨損速度大幅度降低。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者為確保該方法的施工能夠適應(yīng)各種情形，進(jìn)行了海量的科研探索。A，Bezuije等研究工作者模擬了相應(yīng)的壓力效應(yīng)倉(cāng)，向其中投入了適量氣泡，對(duì)于其中混合土的壓縮程度、黏著程度、滲透程度以及空隙間水壓力進(jìn)行了深刻探索。張明晶等應(yīng)用朱偉教授研制的發(fā)泡劑和發(fā)泡裝置進(jìn)行發(fā)泡進(jìn)行土壤改良時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定范疇內(nèi)，隨氣泡摻量增加，土體強(qiáng)度不增反減。

一、工程難點(diǎn)

因?yàn)榈貙悠扑?、隧道埋深淺等原因，開(kāi)挖土的流動(dòng)性就會(huì)非常低，如果保持高溫的前提下盾構(gòu)機(jī)持續(xù)推進(jìn)壓力，就會(huì)導(dǎo)致土倉(cāng)里排水壓密、固結(jié)，生成泥餅，導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)管道的擁擠，大大降低刀具工作的效率：同時(shí)，如果隧道通過(guò)破碎地層，相應(yīng)的裂隙水和承壓水的遍布范疇及水位變動(dòng)很大，在該地層作業(yè)時(shí)，螺旋機(jī)排土器的出口處出極易噴涌，這就會(huì)讓渣土堆積并導(dǎo)致隧道積水，讓掘進(jìn)進(jìn)度停滯不前。

二、渣土改良試驗(yàn)方案

對(duì)于渣土的改良成效的評(píng)級(jí)系統(tǒng)，其整體綜合性較高，其中改良劑含量以及含水率是兩個(gè)非常重要的指標(biāo)。把海量的試驗(yàn)結(jié)果集成研究，把含水率和改良劑摻量進(jìn)行針對(duì)性對(duì)比分析。而渣土改良成效的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一般為其坍塌程度，以此對(duì)改良后渣土的流動(dòng)性進(jìn)行對(duì)比分析。一般而言，對(duì)渣土坍塌程度來(lái)說(shuō)含稅量因素干系很大，渣土的黏著程度會(huì)因?yàn)楹康奶嵘档停魉苄詣t會(huì)隨之提升而提升。所以，本論文就該地層從不同含水量和不同改良劑摻量?jī)蓚€(gè)層次就渣土的流動(dòng)性進(jìn)行了深度探索。

三、渣土樣本提取及其物理性質(zhì)

（一）渣土樣本提取。為具體對(duì)不同均質(zhì)地層中不同掘進(jìn)參數(shù)下的渣土的物理性質(zhì)進(jìn)行研究分析，在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，通必須對(duì)相應(yīng)的推力、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行變更，一直等到施工參數(shù)相對(duì)平穩(wěn)時(shí)，在接收裝置的皮帶末端進(jìn)行隨機(jī)取樣，同時(shí)保證密封完整性。為確保盾構(gòu)掘進(jìn)持續(xù)穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)各掘進(jìn)參數(shù)必須把控在合適、合理的范疇內(nèi)。因?yàn)榫蜻M(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整的本質(zhì)，所以變更的掘進(jìn)參數(shù)一定會(huì)在掘進(jìn)參數(shù)數(shù)字范圍內(nèi)波動(dòng)，所以必須進(jìn)行渣土取樣。

（二）渣土的物理性質(zhì)。把一定量定容量的容器進(jìn)行編號(hào)渣樣同時(shí)按次序稱其重量，把容器的重量減去后就能夠得到渣樣的密度。把每一個(gè)編號(hào)的渣樣濕質(zhì)量進(jìn)行稱量，而后平置于防水板上，自然風(fēng)干一天之后置于烘箱10小時(shí)，爾后得到其干質(zhì)量，就能夠得到渣土的含水率，同理得到每一個(gè)編號(hào)下的渣土密度及含水率量。取算術(shù)平均值，得到各渣樣平均密度為1.79g/cm³，考慮客觀因素，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)會(huì)向土倉(cāng)里流進(jìn)，故得到的含水率較實(shí)際含水率高，所以客觀含水率更加毗鄰地層含水率。

四、渣土改良試驗(yàn)

（一）改良劑的篩選。一般而言，對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)作業(yè)的主要的渣土改良劑大致包括;水、泡沫劑、膨潤(rùn)土、高分子聚合物等等，具體而言，泡沫劑改良效果顯而易見(jiàn)，本試驗(yàn)所應(yīng)用的時(shí)南昌某公司的YHP系列泡沫劑，其主要成分包括穩(wěn)定劑。表面活性劑、滲透劑等，本身就是特別有利于盾構(gòu)機(jī)作業(yè)的一種渣土改良劑，可以大師幅度提升土壤塑性，其相應(yīng)指標(biāo)參數(shù)也達(dá)到相當(dāng)高的水平。

（二）試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果。把含水率為16%作為基準(zhǔn)水平的渣土，調(diào)控泡沫劑溶液的流量，使得混合溶液的濃度為3%，同時(shí)調(diào)控氣壓，得到相應(yīng)的泡沫（通過(guò)該方法發(fā)泡倍率大于10），其摻雜量以渣土體積為0%為基準(zhǔn)，以20%為分組遞增到60%。如果摻雜量的泡沫不同下，就通過(guò)攪拌機(jī)把其攪拌完全，結(jié)束后將其分層次灌入坍落度桶里，每一層都通過(guò)搗棒由表及里插搗15次左右，最終灌滿后通過(guò)刮刀把桶口的渣土勻平。最后把坍落度桶拔出，測(cè)量其具體的坍落度，把每一組的數(shù)據(jù)記錄在案。當(dāng)含水率為16%時(shí)加減2%，為12%、14%、18%和20%，在根據(jù)上述操作重新實(shí)驗(yàn)。

對(duì)每一個(gè)分組實(shí)行明確實(shí)驗(yàn)同時(shí)得到確切的坍落度數(shù)值，把得到的結(jié)論建立含水率、泡沫劑摻雜量和流動(dòng)性的定量如圖一。

總結(jié)：由上圖可知，當(dāng)渣土樣本的含水率維持于16%～18%時(shí)，可以摻入泡沫劑使其達(dá)到相對(duì)優(yōu)良的流塑狀，其坍落度值區(qū)間范疇維持在180mm～230mm之間，同時(shí)渣土里的細(xì)微顆粒可以把粗顆粒實(shí)現(xiàn)完整囊括，而渣土的保水性能非常強(qiáng)，不易析水，所以渣土能夠維持在近飽和或者飽和狀態(tài)。如果泡沫劑摻雜量維持在40%左右時(shí)嗎，對(duì)于渣土的改良成效最好，同時(shí)可以保證成本低，提升經(jīng)濟(jì)效率。