大粒徑卵石地層土壓平衡盾構施工的渣土改良

吉力此且 路軍富 王國義

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室， 610059， 成都； 2.四川開放大學高職院， 610073， 成都；3.中電建成都建設投資有限公司， 610212， 成都∥第一作者， 副教授， 博士研究生)

土壓平衡盾構在大粒徑卵石地層中掘進時，土倉內容易結泥餅，特別在富水地層中掘進時，容易誘發噴涌現象而導致地表沉降、塌方，進而使盾構主驅動損壞，造成工程停工等重大經濟損失和重大安全事故[1-2]。因此，研究和探討大粒徑卵石地層土壓平衡盾構施工結泥餅的防治問題[3]，進行有效渣土改良，對于確保土壓平衡盾構在大粒徑卵石地層中的施工安全、實現高效掘進，具有極其重要的意義。

近年來，國內外專家和學者對渣土改良進行了大量的室內試驗以及現場試驗的研究。室內試驗獲得的渣土改良參數多未能充分考慮現場施工因素的影響，無法適應現場變化萬千的施工條件，故難以推廣應用[4]。現場試驗得到的渣土改良參數過于依賴經驗，控制較粗糙，隨意性較大，難以形成嚴謹、成系統的渣土改良標準體系，對于指導類似工程施工缺乏系統的理論支撐[5]。

本文以位于大粒徑砂卵石地層的成都地鐵18號線一期工程(以下稱為“18號線”)為研究對象，通過一系列室內外試驗對理想渣土的各項指標進行測定，獲得適用于大粒徑砂卵石地層的土壓平衡盾構渣土改良指標。

1 渣土改良試驗方案

1.1 試驗渣土的選擇

18號線的盾構穿越地層區域原狀土的顆粒級配見圖1。根據試驗方案和地層情況，實驗室的試驗渣土由不同粒徑的砂和卵石配制而成。根據級配曲線將試驗用的現場渣土歸整為A類和B類。其中：A類土的顆粒級配見圖2，每次試驗取20 kg渣土，相應渣土體積約為9L，初始含水率取3%；B類土的顆粒組成和顆粒級配曲線由原狀土剔除粒徑大于40 mm的顆粒得到，顆粒級配見圖3，每次試驗取20 kg渣土，體積約10 L，初始含水率取5%。

圖1 18號線的盾構穿越地層原狀土顆粒級配曲線Fig.1 Particle grading curve of undisturbed soil in shieldcrossing stratum of Line 18

圖2 A類試驗土級配曲線Fig.2 Grading curve of class A test soil

圖3 B類試驗土級配曲線Fig.3 Grading curve of class B test soil

1.2 試驗目的及改良材料方案

通過試驗，分析泡沫、膨潤土基泥漿及高分子聚合物等改良材料在大粒徑卵石層渣土改良中的作用。通過觀測上述改良材料在不同組合情況下的泥漿黏度、坍落度，以及攪拌試驗等得到的攪拌難易程度、內摩擦角、黏聚力、和易性及流塑狀態，推出達到最佳渣土改良效果的改良材料組合及配比。結合渣土改良材料的特性及工程實踐經驗，本文選擇膨潤土泥漿、膨潤土泥漿+PAM(高分子聚合物聚丙稀酰胺)、膨潤土泥漿+CMC(酸甲基纖維素)、泡沫劑、膨潤土泥漿+泡沫劑等5種改良材料組合方案進行試驗研究。

1.3 渣土改良試驗方法

1) 實驗室發泡裝置[4-5]。本次所用的改良試驗泡沫主要通過自制泡沫制造裝置獲得。由相關研究可知，合理的泡沫劑質量分數為3%～4%[4-5]。本試驗所用泡沫劑的質量分數取3%，經過檢測所獲得的發泡倍率是18，而半衰期為8 min。

2) 攪拌試驗。利用攪拌機的攪拌過程來模擬土壓平衡盾構壓力倉中的土體攪拌過程，進而評價所巖石的改良劑對土體改良的效果；通過控制攪拌機的攪拌電流的變化來控制和調整渣土改良劑的摻入量。

3) 坍落度試驗。每批次做3組平行坍落度試驗，并取坍落度平均值對渣土流塑狀態進行初步評定。

4) 黏度測定。本研究中，黏度以泥漿作相對運動時的內摩擦阻力來表示。黏度可劃分為表觀黏度和塑性黏度。表觀黏度又稱有效黏度，指在某一剪切速率下，剪切應力與剪切速率的比值。塑性黏度是漿液流動時固相顆粒之間、固相顆粒與周圍漿液之間，以及液相分子間的內摩擦作用總反映，反映了液體黏滯力的大小。本研究使用六速旋轉黏度計來測量土樣的表觀黏度及塑性黏度。

2 試驗結果分析

2.1 膨潤土泥漿方案渣土改良試驗

由圖4可見，泥漿的塑性黏度及表觀黏度均隨泥漿質量分數的提升而提升。但當膨潤土泥漿質量分數超過14.3%后，泥漿的表觀黏度迅速增加，若泥漿黏度過大，則現場泵送困難，不適合盾構施工。由工程經驗及本試驗結果可知，泥漿黏度為12.5 ～22.5 MPa，即泥漿質量分數為10.0%～14.3%，泥漿狀態較為理想。

圖4 膨潤土泥漿黏度指標Fig.4 Viscosity index of bentonite slurry

由圖5可看出，攪拌電流隨泥漿質量分數的提升而提升。當摻入率的數值達到15%時，電流數值要遠遠超過摻入率是20%以及25%情況下的電流，但摻入率處于20%～25%時電流數值近似相等。由圖6可見，坍落度隨泥漿質量分數的提升而下滑。當膨潤土泥漿質量分數為14.3%時，坍落度最大。

圖5 膨潤土泥漿質量分數與攪拌電流關系圖Fig.5 Relationship between bentonite slurryconcentration and mixing current

圖6 膨潤土泥漿質量分數與坍落度關系圖Fig.6 Relationship between bentonite slurryconcentration and slump

2.2 膨潤土泥漿+PAM方案渣土改良試驗

觀察圖7及圖8可得出，當泥漿質量分數相同的情況下，其攪拌電流會伴隨PAM溶液摻入量的增加出現下滑，當PAM溶液摻入量達到0.5 L時，攪拌電流基本不變；坍落度伴隨PAM溶液摻入量的提升展現出先增加后減少的趨勢，且PAM溶液摻入量為0.4 L時坍落度最大。觀察圖9及圖10可得出，當PAM溶液摻入量達到指定數值時，攪拌電流會伴隨泥漿質量分數的提升而呈現出先減少后增加的趨勢，且當泥漿質量分數為12.5%時攪拌電流最小。

圖7 PAM溶液(1‰)摻入量與攪拌電流關系圖Fig.7 Relationship between addition amount of PAMsolution (1 ‰) and mixing current

圖8 PAM溶液(1.0‰)摻入量與坍落度的關系圖Fig.8 Relationship between addition amount of PAMsolution (1‰) and slump

圖9 泥漿質量分數與攪拌電流關系圖Fig.9 Relationship between slurry concentration andmixing current

圖10 泥漿質量分數與坍落度的關系圖Fig.10 Relationship between mud concentration and slump

由上述分析的結果可看出，如PAM溶液摻入量過大，其改良效果會下滑。故有PAM溶液最佳摻入量，可使渣土改良效果最優。

考慮PAM溶液摻入泥漿時有稀釋作用，故對PAM溶液質量分數為1.5‰和2.0‰的溶液進行對比，泥漿質量分數選取保水性最差的土水比為1∶10的泥漿進行試驗。得到的試驗結果如圖11、圖12所示。

由圖11可見，當PAM溶液質量分數為1.0‰時，攪拌電流會伴隨溶液摻入量的增加而下滑；當PAM溶液質量分數為1.5‰時，攪拌電流會隨溶液摻入量的增加而呈現出先下滑后增加的趨勢；當PAM溶液質量分數為2‰時，攪拌電流會隨溶液摻入量的增加而增加。

圖11 PAM溶液摻入量與攪拌電流的關系圖Fig.11 Relationship between PAM solution addition andmixing current

圖12 PAM溶液摻入量與坍落度的關系圖Fig.12 Relationship between PAM solutionaddition and slump

泥漿質量分數為11.1%和10%時，泥漿的保水性較差。測得加入PAM溶液后的泥漿黏度如圖13及圖14所示。改良后泥漿內部的表觀黏度呈現出先下滑后提升的趨勢；塑性黏度最開始保持不變，當摻入量達0.4L后，塑性黏度有所增加，泥漿保水性也隨之得到了一定的改善。

圖13 泥漿質量分數為11.1%時的泥漿黏度值Fig.13 Viscosity value of mud system with mudconcentration 11.1%

2.3 膨潤土泥漿+CMC方案渣土改良試驗

分析圖15、圖16可知，在泥漿的質量分數一定的情況下，增加CMC摻入量時，攪拌電流也隨之增大。泥漿質量分數較高時，坍落度隨CMC摻入量的增加而減小；泥漿質量分數較低時，坍落度隨CMC摻入量的增加呈現先增大然后再減小的變化。

圖14 泥漿質量分數為10%時的泥漿黏度Fig.14 Viscosity value of mud system with mudconcentration 10%

圖15 CMC摻入量與攪拌電流關系圖Fig.15 Relationship between CMC addition andstirring current

圖16 CMC摻入量與坍落度關系圖Fig.16 Relationship between CMC addition and slump

分析圖17、 圖18可知，當CMC摻入量保持不變時，隨著泥漿質量分數的增加，攪拌電流先緩慢增大，而后快速增大;在泥漿質量分數較低時，攪拌電流值變化不明顯;坍落度隨泥漿質量分數的增加

圖17 泥漿質量分數與攪拌電流關系圖Fig.17 Relationship between mud concentration andmixing current

圖18 泥漿質量分數與坍落度關系圖Fig.18 Relationship between mud concentration and slump

而減小。可見，在泥漿質量分數較高時，CMC對渣土的黏度和摩擦系數影響較大，且CMC摻入量存在最優值。若CMC摻入量超過最優值，則渣土改良效果反而不佳。由試驗結果,泥漿質量分數為10%時改良效果最佳。

當泥漿質量分數為11.1%和10.0%時，測得摻入CMC溶液后的泥漿體系的黏度值，見圖19、圖20。分析可知，改良后泥漿的表觀黏度和塑性黏度起初基本不變，在CMC溶液摻入量達到一定量時變大，進而提高了泥漿的保水性。

圖19 泥漿質量分數為10.0%時的泥漿體系黏度值Fig.19 Mud mass fraction 10%, viscosity value ofmud system

圖20 泥漿質量分數為11.1%時的泥漿體系黏度值Fig.20 Mud mass fraction 11.1%, viscosity value ofmud system

2.4 泡沫劑方案渣土改良試驗

分析圖21可知，基于特定的含水率，若增加了FIR(泡沫摻入率)值，攪拌電流先迅速減小，然后趨于基本不變的趨勢。這說明用泡沫劑進行渣土改良可明顯降低渣土摩擦系數。但FIR超過某一限值后，渣土摩擦系數不再變小。分析圖22可知：若泡沫劑注入過多，則泡沫析出，土體流塑性反而會不佳；隨渣土含水率變大，泡沫最佳摻入比變小，泡沫利用率有所增加；當渣土含水率過多時，泡沫劑改良渣土效果又會不佳。在不同渣土含水率下，只有泡沫劑摻入率適中，才能使改良效果較理想，使渣土達到較好的流塑狀態。

圖21 FIR與電流的關系圖Fig.21 Relationship between FIR and current

圖22 FIR與坍落度關系圖Fig.22 Relationship between FIR and slump

2.5 膨潤土泥漿+泡沫劑方案渣土改良試驗

通過圖23、圖24可知：在泥漿摻入量一定時，增加FIR后，坍落度會先快速增大，隨后增幅減緩；攪拌電流則隨FIR的增加，先快速減少，再維持基本不變的狀態。這說明：泡沫劑能有效減小渣土顆粒之間的摩擦力；當FIR超過一定限值后，土體顆粒間隙被泡沫填滿，泡沫劑不再起改良作用。由試驗結果還可得知,當FIR一定時，攪拌電流隨泥漿摻入量增加呈先增大后減小變化。當泥漿摻入率為8%時，攪拌電流達到最小，說明此時的泥漿摻入量是合理的。

圖23 FIR與電流的關系圖Fig.23 Relationship between FIR and current

圖24 FIR與坍落度關系圖Fig.24 Relationship between FIR and slump

3 結語

通過對成都地區大粒徑砂卵石地層土壓平衡盾構渣土進行改良試驗，并進行系統分析，提出適應于成都地區大粒徑砂卵石地層中施工的土壓平衡盾構渣土改良最優方案是質量分數為10%膨潤土泥漿加泡沫劑，或含有聚合物的膨潤土泥漿。