南昌地鐵礫砂層渣土改良技術試驗研究

連小濤

(中鐵四局集團城市軌道交通工程分公司 安徽合肥 230023)

1 引言

土壓平衡盾構已經成為城市地鐵修建的主要方法，由于盾構施工技術的發展，其地層適應性也越來越強[1]。土壓平衡盾構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]。在復雜地層中掘進時，通常使用渣土改良方法來改良渣土的性能以滿足盾構施工要求，確保施工順利進行，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。

各國學者對渣土改良方法進行了大量研究。Miguel P[6]概述了發泡器的發泡機理以及砂土地層的不同渣土改良方式；Lisa Mori[7]等針對標準中砂進行渣土物理力學試驗，研究了多個參數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行渣土改良研究，通過室內滲透試驗及壓縮試驗對不同改良劑的效果進行對比；葉新宇[9]等人采用室內試驗以及盾構掘進參數驗證的方式對泥質粉砂巖地層渣土改良技術進行研究，并通過工程驗證了渣土改良的效果；郭彩霞[10]等對砂卵石地層進行膨潤土和泡沫添加劑現場試驗和分析，研究得出膨潤土和泡沫改良能夠降低盾構推力、扭矩以及渣溫，還有助于保持土艙壓力；肖超等[11]針對南昌地鐵泥質粉砂巖進行渣土改良試驗和數值計算，討論了泡沫和膨潤土的改良機理，以及渣土改良對渣土內摩擦角、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粉砂巖結合的渣土改良方法，缺少對類似地層工程案例的研究。因此，針對礫砂層與泥質粉砂巖復合地層進行渣土改良參數研究具有重要意義。

南昌市軌道交通3號線主要地質條件為礫砂層、風化泥質粉砂巖，穿越上軟下硬地層，地層工程性質差異大。南昌地鐵穿越地層裂隙水發育，在盾構掘進過程中，中風化泥質粉砂巖在施工中的高壓富水條件下易崩解，掘進過程中易出現螺旋機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土體，從而建立土倉壓力。但此處置方式下刀盤及艙內易出現結泥餅現象。可見，南昌地鐵盾構施工對渣土改良技術的需求尤為迫切。

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(東湖區、青山湖區及高新區)，項目包括三站三區間，分別為上沙溝站-青山湖西站區間、青山湖西站、青山湖西站-國威路站區間、國威路站、國威路站-火炬廣場站區間、火炬廣場站，區間左線長3 102.517 m，區間右線長3 109.109 m。區間主要在礫砂層和強風化泥質粉砂巖中穿越，部分地段穿越上軟下硬地層，青山湖西站-國威路站區間下穿青山湖。由于砂性地層摩擦系數較大，盾構掘進中刀盤刀具磨損嚴重。此外由于區間穿越地層穩定性較差、滲透系數高且地表水豐富，施工中若處置不當極易發生掌子面塌方、螺旋機噴涌、地表沉降過大等問題；盾構在國威路站-青山湖西站區間部分穿越強風化泥質粉砂巖，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，輕則拖慢施工速度，重則引起刀盤刀具喪失正常工作狀態，從而導致施工被迫停止。

本文試驗針對該區間的礫砂層，土體為現場提供的礫砂，將土體烘干后備用，試驗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機的泡沫添加設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，進而滿足在地層條件較差的情況下盾構施工對渣土性能的要求，以保證施工順利進行。

從微觀層面來說，渣土改良主要是依靠泡沫對土體的性質進行改善。氣泡是氣液兩相體系，而盾構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為氣液固三相物質。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，進而減少粘附并降低土體的剪切強度，提高土體的壓縮性能(見圖1)。

圖1 泡沫改良原理

泡沫由發泡液和壓縮空氣經過發泡裝置產生，常用的發泡劑性能參數包括發泡劑發泡倍率和半衰期，分別表征發泡劑的發泡能力和泡沫穩定性。實際工程中通過盾構機后方的發泡系統產生泡沫并從刀盤上注入地層。工程中需關注的泡沫參數包括泡沫劑使用濃度、泡沫注入率、泡沫發泡倍率。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泡劑進行改良。

4 渣土改良試驗與結果分析

4.1 渣土改良試驗

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

(1)泡沫劑基礎性能試驗

泡沫攪拌試驗是將配制好的一定濃度的泡沫劑溶液用攪拌機以一定速度攪拌一定時間，進而觀察泡沫的發泡高度和半衰期。泡沫的發泡高度即泡沫在燒杯中的高度，通過燒杯刻度讀?。慌菽胨テ谑侵概菽w積衰減到攪拌結束時一半體積的時間。泡沫攪拌試驗是評價發泡劑性能的較為簡便的方法，可操作性強。本試驗采用0.1% ～7%濃度的發泡劑A和發泡劑B，分別進行攪拌試驗，用攪拌機以2 000 rpm的速度攪拌3 min，記錄攪拌完成時的發泡高度及各溶液的半衰期。

(2)改良渣土坍落度試驗

坍落度試驗能夠簡易地綜合評價渣土的和易性。在試驗時，先踩住坍落筒底部，向桶內分次加入土體并用搗棒搗實，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。

試驗所用土體取自南昌地鐵現場礫砂層，在實驗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

進行坍落度試驗前先用泡沫發生系統制備符合要求的泡沫，將泡沫按試驗規劃的注入率注入土體并均勻攪拌，然后放入坍落筒進行坍落度試驗。坍落度試驗分組見表1。

表1 坍落度試驗分組

4.2 試驗結果及討論

(1)發泡劑基礎試驗結果

發泡劑的半衰期及發泡高度試驗結果如圖4、圖5所示?？梢钥吹剑l泡劑A和發泡劑B濃度低于3%時泡沫半衰期隨濃度的增加而增加，在3%～4%時均達到半衰期峰值；當濃度超過3%后，發泡劑B的半衰期不斷減小，發泡劑A的半衰期基本不變，只有小幅增長。結合半衰期試驗結果和工程經濟性考慮，可以使用3%作為泡沫劑使用濃度。

圖4 發泡劑半衰期隨濃度變化曲線

圖5 發泡劑發泡高度隨濃度變化曲線

從泡沫劑的發泡高度曲線可以看出，發泡劑A和B的發泡能力在濃度達到1%后基本保持穩定，穩定后發泡劑A的發泡能力略優于發泡劑B。

綜合發泡劑A和發泡劑B的泡沫攪拌試驗結果可以得出，泡沫劑的建議使用濃度為3%。發泡劑A的發泡能力略優于發泡劑B，實際改良效果還需要通過坍落度試驗來進一步探究。

(2)坍落度試驗結果

采用濃度為3%的發泡劑A、B，發泡倍率為16，針對含水率為4%的礫砂土樣分別注入不同的泡沫，進行坍落度試驗。坍落度試驗現場見圖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；當注入率在20%～40%之間時，坍落度迅速增長。當注入率較大時，改良土體出現滲水情況，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；當注入率超過40%后土體的坍落度基本不再增長。對于發泡劑A和發泡劑B，泡沫劑對土體流動性的改良效果都在注入率大于40%后達到上限。從試驗結果可以看出，兩種發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值在10～15 cm范圍；在注入率超過30%后，發泡劑B的改良效果優于發泡劑A，能夠使土體坍落度繼續增長到20 cm以上，發泡劑A改良的土體坍落度最大約為17 cm。

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

5 結論

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

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

(2)針對工程所在的礫砂層進行改良渣土的坍落度試驗。通過試驗可以看出，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到盾構掘進的要求。