泥水盾構泥餅分散崩解試驗與應用研究

杜昌言， 朱漢標， 王樹英， 張靜珍

(1. 中鐵十四局集團大盾構工程有限公司， 江蘇 南京 211800； 2. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

0 引言

盾構在黏性地層中掘進時，渣土容易在剪切摩擦、擠壓固結、高溫等作用下黏附在刀盤和土艙(氣墊艙)位置，如不及時處理，將會導致盾構負荷增大，刀具切削效率降低，盾構出渣困難，嚴重影響到盾構的施工效率與安全。

當盾構在結泥餅風險地層中掘進時，通常采用的措施包括： 1)優化沖刷系統、攪拌系統和刀具布置； 2)渣土改良[1-2]； 3)調整掘進參數[3]； 4)采用輔助氣壓法掘進； 5)控制泥漿質量[4-5]。當盾構結泥餅時，通常采用人工進艙清理和分散劑處理[6]。采用分散劑處理泥餅時，首先需要對盾構分散劑的作用效果和適用性進行研究，以選出適宜于當前地層、成本合理且高效的盾構分散劑；然后將優選的分散劑注入刀盤、土艙(氣墊艙)中，以分散和解除泥餅，保證盾構的安全和順利掘進。

國內外不少學者對盾構分散劑進行了研究。Zumsteg等[7]和田世文[8]均進行了改良劑的浸泡試驗，研究了改良劑對泥塊的作用效果。Oliveira等[9]采用改進的“霍巴特”攪拌器評價了不同改良劑對渣土黏附量的影響。楊益等[10]通過錐體拉拔試驗評價了刀盤在高韌性、硬塑性渣土中的“堵塞”風險及分散劑的改良機制。Liu等[11-12]發現分散劑降低了土體的Zeta電位，使土粒間總排斥能的峰值增加，總排斥能峰值的增加導致黏土顆粒之間的連接減弱，進而降低了土體的液限和盾構結泥餅風險。Wang等[13]發現土體黏稠指數小于1時，黏附強度與法向應力和稠度指數呈指數關系，分散劑能降低土體黏附強度，進而降低結泥餅的風險。這些研究大多針對改良劑對土體性質的影響研究，如單一分散劑質量分數對土塊的影響，不同改良劑對泥餅黏附特征、圓錐拉拔強度、液塑限、黏附強度的影響等，主要用于盾構結泥餅的風險評價、改良劑的影響特征和參數的確定。

以往研究中，大多數在于對比不同類型改良劑(泡沫劑或分散劑等)或者單一改良劑對渣土的影響，少有對不同分散劑的作用效果進行對比、評價。因此，本文提出采用崩解試驗對比不同分散劑的作用效果，采用崩解率和崩解速率對分散劑進行選型，優選出最適宜于當前地層的分散劑，并將優選的分散劑應用于實際工程，對比應用前后盾構掘進參數的變化，以期為分散劑選型與應用研究提供理論指導。

1 工程概況與水文地質

1.1 工程概況

濟南黃河隧道(濟濼路穿黃隧道)位于濟南市中部，北接鵲山片區、濟北次中心，南接中心城區主干道濟濼路，隧道采用城市道路與軌道交通同管共建方案，為超大斷面盾構法隧道。隧道采用2臺超大直徑泥水平衡盾構施工，盾構刀盤(見圖1)采用常壓換刀刀盤，直徑15.76 m，開口率46%，刀具347把。盾構總長為166 m，最大推力為199 504 kN，最大掘進速度為45 mm/min。

圖1 刀盤結構型式圖

1.2 水文地質

盾構段隧道埋深26.30～54.60 m，穿越地層主要以粉質黏土為主。粉質黏土中黏粒質量分數15.5%～45.5%，平均質量分數26.9%，另外多夾砂層及鈣質結核層，其分布不均勻，局部富集成層，地質縱斷面如圖2所示。主要穿越土層物理力學參數如表1所示。由表可見，土體主要處于可塑和硬塑狀態，塑性指數10～15，為粉質黏土。

盾構段主要地表水體為黃河，勘察期間受中上游降雨等影響，水面高程及水量變化不規律。兩岸地下水埋深1.40～14.30 m，主要受黃河、鵲山水庫、沉砂池、地表水塘、魚塘以及降雨補給，地表水、地下水聯系緊密，排泄方式為徑流、人工開采及蒸發等。施工期間承受的最大水壓約0.65 MPa。

圖2 地質縱斷面示意圖

表1 土層物理力學參數

2 室內試驗

濟南濟濼路穿黃隧道穿越土體黏稠指數多在0.5～1.0，具有嚴重和中度結泥餅風險[14]，分散劑處理是降低結泥餅風險的方式之一。采用盾構分散劑處理泥餅時，泥餅在分散劑作用下解體。經調研發現，崩解試驗既能契合分散劑處理的情況，較為直觀地觀察到分散劑作用下泥餅的解體，又能提供崩解率和崩解速率的評價指標，是盾構分散劑評價選型的理想試驗方法。

3.1.2 后續的可擴充性與可移植性原則 系統的設計采取模塊化的結構設計，其特點是各模塊的獨立性較強，便于系統的改進、擴充和移植，有利于系統不斷完善。

2.1 試驗材料

試驗采用濟南濟濼路穿黃隧道工程的粉質黏土，取自接收井基坑。土體礦物成分以SiO2為主；其次為鈣長石、云母、斜綠泥石、鈉長石和碳酸鈣，黏土礦物成分以云母和斜綠泥石為主。分散劑產品采用字母(A和B)替換產品名稱和各自的供應商，2種分散劑的有效成分如表2和表3所示。

表2 A分散劑成分分析結果

2.2 試驗方法

采用崩解試驗儀(見圖3)研究分散劑作用下土塊的崩解規律。崩解試驗儀由玻璃水筒、帶刻度的浮筒以及網板組成。土塊置于懸掛在浮筒的網板上，浮筒懸浮于玻璃水筒的溶液中，試驗時，儀器所受浮力與浮筒上刻度成正比，一定質量土體的崩落導致了刻度的變化，由此通過浮筒刻度確定土塊崩解率(見式(1))，結合作用時間即可得到單位時間內崩解率的變化量，定義為崩解速率，計算見式(2)。

表3 B分散劑成分分析結果

(a) 崩解儀實物 (b) 崩解儀原理

(1)

式中：At為土塊在時間為t時的崩解率，%；Rt為放置土塊t時刻浮筒齊水面處的刻度讀數；R0為土塊剛開始浸泡時浮筒的瞬時穩定讀數；R初始為未放土塊時齊水面的浮筒讀數。

(2)

式中：At2為時間為t2時的崩解率，%；At0為時間為t0時的崩解率，%；vt1為時間為t1時的平均崩解速率。

試驗過程中，土塊的邊角先崩解，使土塊形狀趨于圓形[15]，正方形土塊的較多邊角會對土塊崩解初期的影響較大。因此，采用50 mm圓柱形擊實儀(見圖4)來制備圓柱形土塊，土塊高度選擇35 mm。崩解儀中網板孔徑dk和組成土塊的最大粒徑dmax之比dk/dmax<5比較合理[16]，本次試驗網板孔徑dk為10 mm，則重塑土塊由2 mm篩下土體制成。

圖4 擊實儀

試驗步驟如下：

1)將過2 mm篩后的干燥土樣加水至天然含水率(地勘值23.1%)，充分攪拌混合后裝入塑料袋或密封于盛土器中，于陰涼的環境中靜置不小于12 h，使土樣含水均勻和黏土礦物充分水化。再根據天然土體的密度和土塊體積稱取相應質量的土樣。

3)將土樣等分3次添加到擊實筒中并整平，分層壓實，2層交接面應拉毛，壓實到約定高度后裝填下一層土樣。

4)用推土器從擊實筒內推出土塊，測量土塊的體積、質量，與約定體積和質量的誤差不超過1%。

5)取出崩解儀，往水筒內配置相應質量分數的分散劑溶液，測記未加土塊時浮筒上齊水面的刻度數。再將土塊放在網板中央，網板掛于浮筒下，然后手持浮筒頸端，迅速將土塊浸入分散劑溶液中，開動秒表，穩定浮筒同時測記開始時浮筒齊水面處刻度的瞬時穩定讀數。

6)在試驗開始后，每分鐘測記1次浮筒齊水面處的刻度讀數，并描述各時刻土塊的崩解情況，根據土塊崩解的快慢，可適當縮短或延長測記的時間間隔。

7)當土塊完全通過網格落下后，試驗結束。若土塊長期不崩解，應記錄土塊在溶液中的情況。

對2種分散劑進行了崩解試驗，對比其作用效果，考慮到盾構施工時分散劑質量分數不宜過大，因此選擇質量分數為0%、1%、2%、4%、6%和8%的分散劑溶液進行試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 純水作用下土塊崩解規律分析

純水作用下，土塊崩解率與崩解速率隨時間的變化關系如圖5所示。土塊崩解率隨時間的變化呈“S”形(見圖5(a))，崩解速率隨時間的增大呈3階段變化(見圖5(b))，即先增大然后保持不變最后降低。土體的崩解曲線可以分為浸泡階段、軟化階段、解體階段[15, 17]，可見土體從軟化到崩解需要一定的時間，土塊的崩解由表及里進行。純水作用下，初始崩解較慢，隨著滲透和軟化進一步發展，崩解速率變大，達到最大崩解速率后，由于土塊未崩解體積的減小，水與土塊作用面積減小，導致崩解速率降低。

(a) 崩解率隨時間的變化

(b) 崩解速率隨時間的變化

純水作用下，土塊的崩解主要是顆粒間黏結力的降低、礦物吸水膨脹、孔隙中氣壓增大以及水流作用等導致的結果[18-21]。當采用分散劑處理泥餅時，泥餅的崩解是純水與分散劑共同作用的結果，分散劑會與土體產生物理化學反應，改變泥餅的崩解特征，進而達到快速分散泥餅的作用效果。

3.2 不同分散劑作用下土塊崩解規律分析

1)A分散劑對土塊崩解的影響。圖6為不同質量分數A分散劑對土塊崩解的影響。圖6(a)中，相比于純水(質量分數為0%)作用下土塊的崩解，隨著A分散劑作用質量分數的增大，總體崩解時間減小，即A分散劑促進土塊崩解，當質量分數大于4%時總體崩解時間無明顯變化，可知A分散劑作用效果達到最大。圖6(b)為土塊崩解速率隨崩解時間的變化規律。在A分散劑作用下，土塊崩解速率呈2階段變化，即先快速增大，然后逐漸降低；且隨著A分散劑質量分數的增大，土塊最大崩解速率變大，質量分數達到4%后最大崩解速率差別不大。由圖可知，所用分散劑能快速地與土體產生物理化學反應，不需要長時間的軟化，因此在A分散劑的作用下，土塊快速達到最大崩解速率，隨后由于崩解的進行，未崩解土體體積減小，水土作用面積減小，進而導致崩解速率的降低。

(a)崩解率隨時間的變化

(b)崩解速率隨時間的變化

2)B分散劑對土塊崩解的影響。圖7為不同質量分數B分散劑對土塊崩解的影響，B分散劑的作用效果與A分散劑相似。其中，當B分散劑質量分數達到6%后，總體崩解時間差別不大，B分散劑作用效果達到最大。

(a) 崩解率隨時間的變化

(b) 崩解速率隨時間的變化

2種分散劑作用效果不再隨質量分數變化時，土體總體崩解時間均在26 min左右，土體最大崩解速率均在0.07 min-1左右，可見2種分散劑的最大作用效果相似。當分散劑質量分數為2%和1%時，兩者最大崩解速率相差不大，但是A分散劑總體崩解時間為38 min和42 min，B分散劑總體崩解時間為32 min和37 min，可知B分散劑在較低質量分數下具有更好的作用效果；且相比于A分散劑(19 000 元/t)，B分散劑(13 800 元/t)成本較低。因此，應優選B分散劑進行結泥餅的防治工作。

4 現場應用

室內試驗是對盾構掘進單一地層進行分散劑對比選型，而盾構掘進穿越復雜多變的復合地層時，盾構形成的泥餅比試驗泥餅強度高、尺寸大，分散劑處理的時間長。工程應用過程中，應根據實際情況增大分散劑質量分數和用量，并根據實際情況延長分散劑的作用時間，以利于泥餅充分崩解。

根據室內試驗優選出B分散劑應用于實際工程泥水平衡盾構掘進中的泥餅防治。盾構從北岸始發井始發，當掘進至第675環左右時，盾構穿越土層主要為可塑-硬塑狀態的粉質黏土，夾雜較多細砂、鈣質結核，地質情況較為復雜，導致盾構推力、轉矩較大，速度、貫入度較小，掘進參數波動較大，刀盤有較大結泥餅風險。通過泥水循環注入的改良劑容易隨著漿液循環流失，導致作用效果有限。因此，在第685環管片拼裝完停止泥水循環，確保開挖面穩定的情況下，根據開挖艙體積約270 m3以及氣墊艙中半艙泥漿體積約200 m3，通過中心沖刷管路分別往開挖艙、氣墊艙中注入4 m3的B分散劑，浸泡24 h，并輔以刀盤間隔正反轉動，以分散和消除黏附在刀盤的泥餅，24 h后，恢復泥漿循環和正常掘進，并監測后續掘進參數。注入分散劑后，盾構推力、掘進速度和貫入度增大，曲線波動變小，盾構掘進效率提高(見圖8)。

圖8 分散劑注入前后掘進參數變化

5 結論與討論

5.1 結論

針對分散劑的評價選型，通過崩解試驗對比分析了不同分散劑和分散劑質量分數下粉質黏土土塊的崩解特征，并將優選的分散劑應用于泥水平衡盾構掘進中處理泥餅，驗證了試驗所得數據的可行性。主要結論如下：

1)純水作用下，土塊崩解率隨時間的變化呈“S”形。在分散劑作用下，土塊的崩解是水和分散劑共同作用的結果。分散劑能與土塊快速產生物理化學反應，使崩解速率迅速達到最大值，隨后崩解速率隨著土塊與分散劑溶液作用面積的減小而減小。

2)分散劑作用下，土塊總體崩解時間明顯減小，當分散劑質量分數達到一定程度后，總體崩解時間基本不變，分散劑的作用效果達到飽和，所選分散劑最大作用效果相似，但B分散劑成本更低。

3)優選的分散劑應用于實際工程，提高了盾構掘進速度，掘進參數的波動減小，驗證了評價選型方法的合理性。

5.2 討論

崩解試驗能較好地對比分散劑的作用效果，但試驗自制泥餅與實際工程的泥餅狀態有別，工程施工時應根據實際情況選擇分散劑的技術指標，且分散劑在不同地層存在差異，不同地層應重新進行分散劑選型。