土壓平衡盾構高黏土礦物渣土改良技術

2018-10-09 01:53:48韓月旺HANYuewang

建筑機械化 2018年8期

韓月旺/HAN Yue-wang

（鄭州地鐵集團有限公司，河南鄭州 450016）

渣土改良作為土壓平衡盾構掘進關鍵工序之一，對于提高掘進施工效率、降低能耗、保證安全起著非常重要的作用，特別是在復雜地層條件下掘進[1～3]。通常情況下由盾構刀盤切削下來未改良的渣土，其傳遞壓力的能力差、止水性差、流動性差，嚴重影響施工進度，危害施工安全。

為了提高土壓平衡盾構的掘進效率，必須對刀盤切削下來的不良渣土進行改良，保證渣土具有理想的流塑性。盾構渣土改良劑主要有膨潤土泥漿、泡沫劑和高分子聚合物等。國內外對渣土改良進行了一定的研究。Daniele[4～5]基于加工的特殊裝置模擬分析了螺旋輸送機和土艙，采用泡沫劑改良了意大利Voltri地層、Sillano地層和Monte Morello地層的渣土，通過以泡沫添加比（FIR）和含水率作為變量，分析在不同變量下渣土的性能差異。Luca[6]提出一種新的方法來測試渣土的滲透性，將不同比例的泡沫添加到火山灰巖渣土中并測試其滲透性，以此分析了泡沫添加比（FIR）對渣土滲透性的影響。Zumsteg[7]采用不同類型的渣土在不同壓力下進行改良試驗，研究了渣土的種類和壓力的大小對泡沫改良渣土的影響。但上述研究中針對高黏土礦物渣土改良技術的研究較少。本文依托工程為南昌市軌道交通1號線，針對南昌地區高粘土礦物渣土，盾構未改良渣土性能較差的特點，采用改良劑對高黏土礦物渣土進行改良試驗，并測試改良后渣土的性能。

1 工程概況

南昌地鐵1號線中子區間工程（中山西路站至子固路站）區間掘進地層主要為泥質粉砂巖，其呈紫紅色，遇水容易軟化變形，中厚層狀構造，基本質量等級為Ⅳ級。

表1 改良地層的物理參數

采用X射線衍射儀對泥質粉砂巖渣土進行物相分析，獲得其礦物成分。通過分析渣土的礦物成分可知：粘土礦物含量較大，其中高嶺石占總礦物組成的27.8%，微斜長石11.1%，伊利石、蒙脫石分別占8.3%和4.4%，鈉長石1.6%。研究表明高嶺石、伊利石、蒙脫石等粘土礦物是導致盾構刀盤結泥餅的主要原因，其中蒙脫石和伊利石影響最大。

2 渣土改良的機理

土壓平衡盾構施工中渣土被改良后，盾構的掘進效能和適用性得到顯著的提高，主要有以下優點。

1）能改善盾構開挖速率，降低刀盤扭矩和刀盤切削地層的能耗。

2）起到潤滑的作用，降低刀盤面板和刀具的磨損。

3）降低渣土的滲透性和粘結性，從而降低盾構施工發生噴涌和刀盤結泥餅的風險。

4）提高渣土的流塑性，改善螺旋輸送機出土的效率。

在盾構掘進過程中改良劑一般是通過刀盤面板、土艙隔板和螺旋輸送機上的噴口注入，再和渣土混合在一起。一般認為改良的渣土達到理想狀態最好，所謂理想狀態的渣土是具有相對較高的細顆粒、較好的流塑性、傳遞性和較低的滲透性。

在進行渣土改良試驗之前，先需確定改良劑的類型。渣土改良劑的確定主要是根據現場渣土的工程地質特點和改良劑改良渣土機理來決定。我國土壓平衡盾構施工過程中最常見的改良劑為泡沫和膨潤土泥漿。不同改良劑改良渣土的機理不同。對于泡沫改良渣土，泡沫添加到渣土中后，渣土由氣、水和固體的三相體轉變為氣、水、泡沫和固體的四相體，改良后渣土的物理力學性能發生較大的改變。

首先渣土改良后泡沫填充在渣土的孔隙中，阻斷了孔隙水流動的通道，降低渣土的孔隙率和滲透性，從而提高了渣土的止水性。其次，泡沫劑溶液能起到潤滑的作用，其吸附在渣土的表面，能減小渣土間的摩擦性。再次，泡沫在渣土顆粒中能充當軸承的作用，能進一步降低渣土的摩擦性，改善渣土的流塑性。最后泡沫充填到渣土中后，能降低渣土顆粒間的接觸面積，從而減小渣土的粘聚力。

對于膨潤土泥漿改良渣土，渣土被膨潤土泥漿改良后，其物理力學性能變化較大。首先膨潤土泥漿注入后，其會充填渣土顆粒間的間隙，而膨潤土泥漿本身為不透水材料，從而達到降低渣土滲透系數的目的。其次，膨潤土泥漿與渣土混合后，會以泥膜的形式吸附在渣土顆粒四周，其減小了渣土顆粒間的摩擦力，提高了粘聚力，從而改善了渣土的流塑性，保證了渣土連續不斷被螺旋輸送機排出。再次，膨潤土泥漿的潤滑作用能防止粗顆粒渣土卡住刀盤或刀具。最后在盾構掘進過程中膨潤土泥漿不斷從刀盤面板噴口噴出，并滲透到開挖面前方一段距離，形成具有一定強度的泥餅，這個泥餅相當于一個隔水層，阻止開挖面前方地下水滲入土艙，從而降低噴涌發生的概率，保證了開挖面穩定性。

3 渣土改良試驗

3.1 渣土改良評價方法

對于改良渣土的評價，國內外沒有統一的方法，但絕大多數是采用坍落度指標作為評價方法。部分學者認為經過改良之后渣土的坍落度為10～15cm時效果較好，但也有學者提出坍落度為12～20cm時最佳。將坍落度作為渣土改良評價指標時，能較好的反應渣土的流塑性，且操作簡單，但其存在一定的問題。隨著泡沫的添加，坍落度雖達到要求時，可能會出現離析的現象，泡沫漂浮在水上，這樣的渣土明顯不符合要求。意大利學者Daniele Peila提出采用坍落度作為評價指標的同時，也應當參考渣土的外觀來判斷改良的效果，綜合分析得到的結果比較合理?；谝陨戏治觯疚慕Y合坍落度與改良后渣土的狀態來評價渣土改良試驗。

3.2 泡沫劑性能

為選用合適的泡沫劑進行改良試驗，現采用A、B、C3種泡沫劑進行發泡實驗和消散實驗，通過對實驗結果的分析選用其中性能最好的泡沫劑。

3種改良劑濃度控制在3%左右。在實際盾構掘進過程中，打泡壓力通?？刂圃?.2～0.3MPa之間。為使實驗符合盾構掘進情況，試驗中壓力也設置在0.2～0.3MPa之間。對選取的泡沫劑分別進行發泡試驗，記錄發泡率。

由結果可知所采用的發泡劑的發泡率均大于10倍。泡沫A、泡沫B、泡沫C發泡率分別為16倍、20倍、36倍，其中泡沫劑C的發泡率達到36倍，在3種發泡劑中最高，發泡性能優于其他兩組，泡沫劑A性能最差。

為比較發泡實驗所產生的泡沫的穩定性，同時進行泡沫消散試驗，得到泡沫消散曲線（圖1）。

圖1 泡沫消散曲線

國內外研究表明[8]泡沫半衰期大于5min時滿足施工要求。泡沫半衰期即指泡沫體積消散一半經歷的時間。通過對3種泡沫進行半衰期試驗，獲得了其半衰期時間，分別為5min、13min以及大于18min?？梢钥闯?種泡沫的半衰期均大于5min，能滿足施工要求。其中泡沫劑A半衰期最短，泡沫劑B次之，而泡沫劑C產生的泡沫消散最慢。C泡沫劑的穩定性最好。綜合考慮改良劑使用性能和經濟性，本試驗選用泡沫劑B作為樣本。