富水砂卵石地層渣土改良試驗研究*

朱賢宇，雒偉勃

(1.中交第三航務工程局有限公司，上海 200030；2.中交第三航務工程局有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000)

砂卵石地層盾構隧道常采用土壓平衡盾構進行開挖，由于砂卵石土的特性，往往會出現渣土流動性差、刀盤易結餅、刀具磨損量過大等問題，從而影響盾構施工的順利進行，不可避免地要對渣土進行改良。邱龑等[1]采用泡沫、膨潤土及高分子聚合物對渣土進行改良，通過滲透試驗、壓縮試驗及電鏡掃描等得出添加劑最佳摻量。蔡輝[2]結合工程實例總結了盾構在不同砂性地層中掘進采取的渣土改良技術措施。胡長明等[3]通過采用膨潤土作為改良劑進行室內土工試驗，得出膨潤土的最優膨化濃度和最優膨化時間，通過對比渣土經不同配比的膨潤土泥漿改良前后的抗剪強度、滲透性及坍落度，得到了合理的膨潤土濃度及泥漿摻入比。張潤來等[4]針對成都砂卵石地層采用泡沫、膨潤土和聚合物進行改良，進行室內坍落度試驗、攪拌試驗和泥漿黏度試驗，確定配合比。許愷等[5]在盾構掘進面前方摻加肥皂水、泡沫劑進行現場試驗,通過試驗前后盾構施工參數的反饋分析結果,確定土體改良最佳方案。江華等[6]采用泡沫和膨潤土對砂卵石地層土體進行改良，再根據出土量、土壓力、盾構推力及刀盤扭矩等參數的控制情況,及時調整土體改良劑的注入時間、注入量等參數。唐益群等[7]對比分析泡沫劑和肥皂水2種不同添加劑對減小盾構在砂性土層中的推進阻力及其對改善砂性土層特性的影響。姜厚停等[8]通過試驗研究得到理想改良渣土的添加劑配合比參數：泡沫注入比為30%,泥漿注入比為10%,最佳坍落度范圍為150～200mm。郭彩霞等[9]通過現場試驗得出采用膨潤土和泡沫作為混合改良添加劑對渣土進行改良，能夠顯著降低盾構的推力和扭矩以及渣土溫度。閆鑫等[10]研究泡沫對砂土的改良效果,得到適合土壓平衡盾構施工的優化泡沫摻入比。

上述文獻對于兩種添加劑的摻入量并沒有達成共識，且對兩種添加劑的改良效果缺少直觀的控制指標。本文通過室內坍落度試驗、滲透試驗以及研發的土體磨蝕試驗，分析不同添加劑摻入比下渣土坍落度、滲透系數以及土體磨蝕系數的變化規律。最后通過刀具的磨損量驗證了上述摻入量下刀具的磨損值在控制范圍之內。

1 工程概況

成都地鐵17號線一期工程范圍為易園站(含)—機投鎮站(含)。線路全長約25.76km，其中高架段長約5.5km，路基過渡段長約0.5km，地下段長約19.76km；共設置車站9座，其中高架站2座，地下站7座。最大站間距6 721m，最小站間距1 397m，平均站間距3 159m。換乘站5座。

全線盾構穿越的主要地層為卵石土層。以黃石站—市五醫院站為例，主要存在②9-2中密砂卵石、③8-1稍密砂卵石、③3-8-2中密砂卵石、③3-8-3密實砂卵石層。灰色、青灰色、褐黃色，密實，飽和，卵石成分以花崗巖、灰巖、砂巖為主，磨圓度好，分選性差，粒徑60～180mm占75%以上，局部地段見漂石，一般長210～300mm，鉆孔揭示最大直徑約380mm，探坑揭示最大粒徑600mm 以上，其余以中、細砂充填，局部地段含有薄砂層。該層鉆孔皆未見底。卵石土分選性、均勻性差，抗壓強度高，自穩性較差，滲透系數大，透水性強，富水性良好。沿線地下水位隨季節變化較大，主要為砂土、卵石土中賦存的孔隙潛水。本區間范圍內地下水靜止水位埋深3.800～8.700m，穩定水位高程537.030～546.690m，滲透系數25m/d。

2 渣土改良

2.1 渣土改良目的

為保證土倉內渣土能順利排出，渣土需有塑性流動狀態，即流塑性[11]。渣土改良的目的在于使渣土具有良好的土壓平衡效果，利于穩定開挖面，控制地表沉降；提高渣土的不透水性，使渣土具有較好的止水性，從而控制地下水流失；提高渣土的流動性，利于螺旋輸送機排土；防止開挖的渣土粘結刀盤而產生泥餅；防止螺旋輸送機排土時出現噴涌現象；降低刀盤扭矩和螺旋輸送機的扭矩，同時減少對刀具和螺旋輸送機的磨損，從而提高盾構機的掘進效率。

2.2 渣土改良控制指標

壓力倉內土體的塑性流動狀態由以下指標進行衡量：坍落度T、抗滲透系數k，抗剪強度r?，F場施工經驗表明，土體的坍落度在10～16cm時，可認為其滿足塑性流動狀態的要求。在滲透性方面，開挖土體的滲透系數越小，則對盾構施工中“噴涌”防治效果越好。避免盾構中“噴涌”問題的發生要求下，開挖土體的滲透系數應<1.0×10-5cm/s。

土體的抗剪強度對盾構開挖及磨耗有直接影響。根據國內外施工經驗，開挖土體的抗剪強度應<25kPa， 內摩擦角應<27°。因流塑狀態下土體的抗剪強度難以測定，直接采用土體磨蝕系數來衡量。渣土改良控制指標如表1所示。

表1 渣土改良控制指標

3 渣土改良試驗

3.1 試驗內容

根據控制指標，試驗內容包括坍落度試驗、滲透試驗、土體磨蝕性試驗。

3.2 土體磨耗試驗裝置及方案設計

3.2.1土體磨耗試驗裝置

將砂漿攪拌機的3個葉片分別打孔，將螺栓安裝在攪拌機的3個葉片上。攪拌機葉片模擬盾構刀盤，螺栓端頭模擬盾構刀具。試驗時，將配好的渣土放入攪拌桶內，以相同的功率轉15min。螺栓試驗前后的質量差可以直觀地反映出土體磨蝕性強弱，以此來衡量土體對刀具的磨蝕性大小。

通過稱量鋼塊在試驗前后的質量差與土樣質量的比值，可求得砂性土磨蝕性試驗的磨蝕性系數AC值(abrasiveness coefficient)，AC值的大小直觀衡量了砂性土對刀具磨蝕性大小，試驗裝置如圖1所示。計算公式為：

圖1 試驗裝置

(1)

式中：AC為磨蝕系數(g/t)；mpb為試驗前螺栓質量(g)；mpa為試驗后螺栓質量(g)；M為土樣質量(t)。

3.2.2試驗方案

依托工程為富水砂卵石地層，泡沫劑的體積濃度取3%，發泡倍率為15，膨潤土配制質量比為1∶6。分別按5%,10%,15%不同外摻比加入泡沫劑，按體積外摻比10%，15%，20%加入膨潤土，取9組試樣，分別做坍落度試驗、磨耗試驗及滲透性試驗。

3.3 試驗結果

坍落度試驗、磨耗試驗及滲透性試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果

3.3.1坍落度試驗

由表2所示試驗結果可知，摻入膨潤土和泡沫劑可以有效提高土體的坍落度。根據文獻調研，渣土改良后坍落度的控制指標為10～15cm，除試驗組1，4，9外，其余各組試驗均滿足渣土改良對坍落度的要求。

采用 SPSS 軟件對數據進行擬合，得到不同泡沫劑和膨潤土體積摻入比下坍落度的計算公式：

y=0.360V1+0.577V2+0.217

(2)

R2=0.985

(3)

式中：y為坍落度(cm)；V1為泡沫劑體積摻入比(%)；V2為膨潤土體積摻入比(%)。

三維數據擬合曲線如圖2所示。

圖2 坍落度試驗三維數據擬合曲線

3.3.2滲透性試驗

由表2可以看出，滲透系數控制在10-5cm/s 數量級，隨著改良劑摻入比的增加，渣土滲透系數逐漸減小，其中第3，6，8，9 組試驗滿足控制指標要求。

3.3.3土體磨蝕試驗

由表2可以看出，磨蝕系數隨著泡沫劑和膨潤土摻入量的增大而減小。采用SPSS統計分析軟件對數據進行擬合，得到不同泡沫劑和膨潤土體積摻入比下磨蝕系數的計算公式：

AC=-0.463V1-0.513V2+25.667

(4)

R2=0.951

(5)

式中：AC為磨蝕系數(g/t)；V1為泡沫劑體積摻入比(%)；V2為膨潤土體積摻入比(%)。

磨蝕試驗三維擬合曲線如圖3所示。

圖3 磨蝕試驗三維擬合曲線

由圖3可見，磨蝕系數隨泡沫劑和膨潤土摻入量的增大而減小。

3.3.4渣土改良合理配比

根據試驗結果，采用泡沫劑濃度為3%、體積注入率為15%，膨潤土質量比為1∶6、體積注入率為15%進行渣土改良。

4 效果分析

通過對盾構掘進右線試驗段 0～210 環開倉驗證刀具磨耗量來評判渣土改良效果。采用泡沫劑濃度為 3%、體積注入率為 15%，膨潤土質量比為1∶6、 體積注入率為15%進行渣土改良。

1)輻條中心滾刀磨損值(見圖4)

圖4 輻條中心滾刀磨損值

由圖4可知,當左線盾構掘進至210環即315m時,輻條中心部位1～20號滾刀磨損值較小，其磨損值為1～3mm，為正常磨損現象，可不換刀。

2)輻條中部滾刀磨損值(見圖5)

圖5 輻條中部滾刀磨損值

由圖5可見，輻條中部滾刀21～40號磨損值基本在正常可控范圍之內，其中22，27號滾刀出現偏磨現象，需進行換刀處理，其余刀具可正常掘進。

3)面板邊緣滾刀磨損值(見圖6)

圖6 面板邊緣滾刀磨損值

由圖6可以看出，邊緣滾刀磨損值最大，且49，52～55號刀均出現偏磨情況，偏磨率為37.5%。其余各刀具均在正常磨損范圍內，對于出現偏磨的刀具，需進行換刀處理。

因此，渣土改良效果良好，采用上述配合比進行渣土改良，全線左右線均只進行4次開倉驗刀，其開倉驗刀次數及刀具磨損值均在正常可控范圍。

5 結語

通過渣土改良試驗以及現場刀具磨損分析可以得出以下結論。

1)對于坍落度而言，其控制指標值為10～16cm，其擬合公式為y=0.360V1+0.577V2+0.217。對于滲透系數，其控制指標為10-5cm/s 數量級，土體磨蝕系數應越小越好，其擬合公式為：AC=-0.463V1-0.513V2+25.667。

2)土體的磨蝕系數AC可以直觀反映渣土對刀具的磨耗程度，渣土改良應在土體磨蝕系數盡可能小的情況下，滿足坍落度和滲透系數的要求。

3)對于砂卵石地層而言，其渣土改良劑采用泡沫劑濃度為 3%、體積注入率為15%，膨潤土質量比為 1∶6、體積注入率為 15% 進行渣土改良。在此配合比之下進行渣土改良，刀具的磨損程度及換刀次數在可控范圍之內。