富水砂卵石地層盾構專用碴土改良劑的研制及應用

彭寶富， 賀雄飛

(1. 成都軌道建設管理有限公司， 四川 成都 610041；2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院， 廣東 廣州 511458)

0 引言

目前，我國所應用的盾構類型主要為土壓平衡式盾構，其適應的地質范圍較為廣泛。土壓平衡盾構施工成功的關鍵在于有效的碴土改良。碴土改良是通過盾構上的專用裝置向刀盤面、土艙或螺旋輸送機內注入改良劑，利用刀盤的旋轉攪拌、土艙攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機旋轉攪拌使改良劑與碴土混合，其主要目的是使盾構切削下來的碴土具有良好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，以滿足盾構在不同地質條件下采用不同掘進模式掘進時均可達到理想的工作狀況[1-2]。

砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層，具有黏聚力小、內摩擦角大、滲透系數大、流動性和穩定性差等特性。盾構在砂卵石地層掘進時，經刀盤切削到土艙中的砂卵石塑流性差，易出現出土困難(閉塞)、噴涌、掘進參數異常且掘進困難、土壓難以建立、設備磨損嚴重等技術問題[3-4]。目前，國內外對碴土改良技術開展了大量研究。文獻[2, 5-8]主要采用試驗方法對已有的改良材料進行應用研究，研究改良材料的性能參數變化對土體的性能影響，給出了改良參數范圍和建議；文獻[9-10]雖有研制新型泡沫劑，但研制的泡沫劑一方面針對性不強，另一方面僅在室內對泡沫劑性能及改良土體效果進行了試驗，未進行工程應用和推廣，其工程應用效果不明。文獻[11]針對北京砂卵石地層研制了泥漿與泡沫劑2種改良劑，并在北京地鐵盾構區間進行了工程應用，泡沫劑應用了400 kg，應用量比較少，從應用效果看未能體現出明顯優勢。

從目前泡沫劑的工程應用情況看，國內現有泡沫劑性能差異較大，適用性不強，對于砂卵石地層，尤其是富水砂卵石地層的改良效果較差。為此，本文針對砂卵石地層特性研制出一種新型高效土壓平衡盾構改良劑，并在全斷面砂卵石地層進行了應用，應用效果與進口同類產品相當，可有效減少和防止該地層土壓平衡盾構施工中堵艙及噴涌事故的發生。

1 聚合型泡沫劑的研制

1.1 聚合型泡沫劑的制備

本文所配制的聚合型泡沫劑主要成分為陰離子表面活性劑A、非離子表面活性劑B,其他成分為穩泡劑C和D、聚合物增效劑E等。首先將陰離子表面活性劑A溶解于水中，然后加入非離子表面活性劑B混溶后，再分別加入穩泡劑C和D，最后加入聚合物增效劑E，充分攪拌溶解后得到無色透明液體，即為聚合型泡沫劑。其主要物理化學指標如表1所示。

表1 聚合型泡沫劑主要物理化學指標Table 1 Main physico-chemical indices of polymeric foam agents

1.2 泡沫劑性能測試

通過自組裝發泡系統，在發泡氣壓為0.5 MPa、氣液比為50∶1、泡沫劑體積分數為2%的試驗條件下，對聚合型泡沫劑和對比用某進口泡沫劑的性能進行發泡試驗，并對泡沫穩定性進行測試，篩選出4組性能與對比泡沫劑相近或更優的聚合型泡沫劑配方，其性能測試結果如表2所示。

表2 聚合型泡沫劑發泡和穩泡性能Table 2 Foaming and foam stabilizing properties of polymeric foam agents

1.3 室內碴土改良試驗

1.3.1 試驗碴土顆粒級配

該聚合型泡沫劑主要針對砂卵石地層研發，室內試驗土樣取自于成都地鐵某工程。試驗土樣顆粒粒徑級配累積曲線如圖1所示。

由圖1可知，粗粒顆粒占比50%以上，圓礫、卵石較多，土樣可壓縮性小、滲透系數大、可塑性差，符合聚合型泡沫劑改良試驗用土要求。

圖1 試驗土樣顆粒粒徑級配累積曲線Fig. 1 Grain gradating curves of soil sample

1.3.2 碴土改良試驗

選取以上性能優異的4種聚合型泡沫劑進行碴土改良試驗。每次試驗之前，先將土樣烘干，在烘干狀態下取一定體積的試驗土樣，然后按照試驗含水率所需水量向土樣中添加水，經攪拌均勻后，按照試驗所需體積取新制的泡沫倒入土樣再進行攪拌，待攪拌均勻后，立即取新拌改良后碴土，對碴土的坍落度、滲透系數、內摩擦角及容重進行分組同步測試，具體試驗方法如下：

1)坍落度。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[12]中坍落度的試驗步驟進行。

2)容重(表觀密度)。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[12]中表觀密度的試驗方法進行。

3)滲透系數。參照JTG E40—2007《公路土工試驗規程》[13]中常水頭滲透試驗方法進行。

4)內摩擦角。碴土內摩擦角通過直剪試驗測試計算而得。參照JTG E40—2007《公路土工試驗規程》[13]中砂類土直剪試驗方法進行，軸向荷載級數設定約為100、200、300、400 kPa 4級，另外加上加載試樣蓋和自重部分荷載，剪切速率為0.8 mm/min。

通過對比不同改良參數下各泡沫的碴土改良效果，最終確定了砂卵石地層較優的改良參數范圍為： 碴土初始含水率12%～15%，泡沫注入比30%～40%，泡沫劑體積分數2%～5%。測試碴土初始含水率12%、泡沫注入比30%、泡沫劑體積分數5%的改良參數條件下各泡沫劑改良前后碴土的滲透系數、坍落度、內摩擦角及容重，結果如表3所示。

表3 改良前后碴土的性能測試結果Table 3 Performance of soil before and after conditioning

由表3數據可知，相比不加泡沫劑的初始土樣，加入泡沫劑后碴土的性能得到明顯改善，滲透系數和內摩擦角明顯降低，流動性變大。在相同改良參數條件下，自制的4種聚合型泡沫劑對砂、卵石土的內摩擦角和滲透系數的改善效果比某進口泡沫劑更優，聚合型泡沫劑對砂卵石具有更好的止水和減磨作用。從改良前后碴土的坍落度數據以及對碴土的性狀觀測可以看出，加入泡沫劑改良后的碴土和易性得到明顯改善，碴土的坍落度基本在150 mm左右，碴土顆粒間的黏聚性提高，改良后碴土內可見明顯細小泡沫分布，碴土的蓬松度非常好。綜合碴土性能測試結果和碴土性狀觀測，在自制4種泡沫劑中3#泡沫劑碴土改良效果最佳。

2 聚合型泡沫劑現場試驗

在室內配制試驗的基礎上，為了進一步檢驗研制產品的工程實際應用效果，選用室內碴土改良效果最佳的3#聚合型泡沫劑(簡稱PSA)進行試產和現場應用試驗。現場試驗選取成都地鐵3號線二三期工程土建5標龍橋路站至雙鳳橋站區間(簡稱“龍雙區間”)右線進行。

2.1 工程地質概況

根據地質勘察報告，試驗段屬于川西平原岷江沖積地貌，地形開闊平坦，地勢總體南高北低，局部呈微波狀起伏。盾構區間內表層多為第四系全新統人工填土覆蓋，表層下有沖積層黏性土、粉質黏土、砂土及卵石土，下伏基巖為白堊系上統灌口組泥巖、泥質砂巖，區間隧道范圍內砂、卵石土綜合含水層滲透系數K約為26～28 m/d，為強透水層，水量豐富，對區間隧道施工影響大。

試驗區間隧道穿越地層為全斷面砂卵石地層，以〈3-8-3〉密實狀卵石層為主(卵石含量90%～96%，粒徑為2～10 cm)，局部夾少量漂石(最大粒徑20 cm)，填充物以圓礫、細砂、中砂為主。

盾構在該富水砂卵石地層掘進時，螺旋輸送機容易出現噴涌現象，造成大粒徑卵石不能被帶出而沉積在土艙底部。大粒徑卵石堆積后產生固結效應，使刀盤轉矩突然增加，甚至刀盤被卡死。為減小卵石土的內摩擦角和土體的摩擦阻力，獲得良好的流動性、流塑性和止水性，進行有效的碴土改良非常重要。

2.2 碴土改良系統

試驗段施工盾構刀盤面板上共設計有6個碴土改良噴口，其中泡沫噴口(單管單泵)4個，膨潤土噴口2個。膨潤土噴口和泡沫噴口各自獨立，添加了5路刀盤噴水口。碴土改良劑為泡沫劑和水，未采用膨潤土改良。

2.3 現場試驗結果及分析

在龍雙區間右線第262—284環應用了自制聚合型泡沫劑PSA，對應里程為DK11+963.6～YDK11+998.0。在應用聚合型泡沫劑PSA掘進期間，現場統計了盾構總推力、掘進速度、刀盤轉矩、螺旋輸送機轉矩、上部土艙壓力等掘進參數以及泡沫劑消耗量，測試了改良碴土的容重、坍落度，觀測了碴土的性狀。為了對比自制聚合型泡沫劑與其他同類泡沫劑的使用效果，對第262—284環之前和之后同種地質條件下現場使用不同泡沫劑的掘進情況進行了統計分析。其中，第222—246環現場采用某國產知名品牌泡沫劑(簡稱“國產Ⅰ”)改良，第247—261環現場采用某國外品牌泡沫劑(簡稱“進口產品”)改良，第285—309環現場采用另一國產知名品牌泡沫劑(簡稱“國產Ⅱ”)改良。

2.3.1 采用不同泡沫劑的盾構掘進參數及泡沫劑消耗量對比分析

為了直觀地對比自制的泡沫劑與現場應用的其他泡沫劑的使用效果，對各泡沫劑使用期間盾構掘進參數以及每環泡沫劑消耗量取平均值進行對比分析，結果如表4所示。

表4 采用不同泡沫劑的盾構平均掘進參數及泡沫劑消耗量對比Table 4 Average tunneling parameters and foam agent consumption of shield tunneling conditioned by different foam agents

由表4結果可知，自制聚合型泡沫劑PSA的應用效果與進口泡沫劑相當，每環泡沫劑消耗量更少。相比國產Ⅰ泡沫劑和國產Ⅱ泡沫劑，PSA泡沫劑各項指標更優，且優勢明顯。1)在盾構推力方面，使用進口產品時推力值最小，其次是PSA，使用國產Ⅱ時推力最大； 2)在盾構掘進速度方面，使用進口產品和PSA時掘進速度較快，達到55 mm/min以上，滿足施工安全、快速的要求； 3)在刀盤轉矩方面，PSA和進口產品在控制刀盤轉矩、改良碴土性能方面效果相當，刀盤轉矩較小； 4)在螺旋輸送機轉矩方面，4種泡沫劑相差不大，均在20 kN·m以內； 5)在上部土壓方面，盾構掘進過程中均保持高壓掘進，上部土壓維持在0.15 MPa左右； 6)在每環泡沫劑消耗量方面，相同工況條件下，PSA消耗量明顯比現場其他種類泡沫劑消耗量低，用量最省，經計算每環可節省泡沫劑用量9.5%左右，經濟性最好。

2.3.2 改良后碴土性狀對比分析

為了對比聚合型泡沫劑PSA和現場其他泡沫劑對碴土性能的改良效果，對部分環號的碴土進行取樣測試，測試碴土的坍落度和容重，觀測碴土的性狀及碴土內泡沫的分布情況。試驗結果如圖2—6所示。

由碴土的性能測試、碴土性狀觀測結果及現場應用情況可以看出：

1)使用聚合型泡沫劑PSA改良后碴土的性狀最好，坍落度大部分在135～195 mm，平均值為156.8 mm，碴土內可見大量微細泡沫，碴土呈黏稠狀，和易性好，且水土不分離，整個應用過程中未發生噴碴、噴涌現象。

2)使用國產Ⅰ和進口泡沫劑改良后的碴土坍落度偏大，碴土偏稀，螺旋輸送機出碴時經常出現噴碴現象，且出碴不連續，碴車內碴土出現水土分離現象。

3)使用國產Ⅱ泡沫劑改良后的碴土偏干，坍落度小，碴土內泡沫分布較少，流動性較差，碴土改良效果較差。

(a) 坍落度

(b) 容重圖2 不同泡沫劑改良后的碴土坍落度及容重平均值對比Fig. 2 Average values of slump and bulk densities of soil after conditioned by different foam agents

(a) 第264環碴土

(b) 第278環碴土圖3 聚合型泡沫劑PSA改良后碴土照片Fig. 3 Photos of soil conditioned by polymeric foam agent PSA

(a) 第243環碴土

(b) 第245環碴土圖4 國產Ⅰ泡沫劑改良后碴土照片Fig. 4 Photos of soil conditioned by domestic foam agent No. 1

(a) 第247環碴土

(b) 第257環碴土圖5 進口泡沫劑改良后碴土照片Fig. 5 Photos of soil conditioned by a imported foam agent

(a) 第286環碴土

(b) 第288環碴土圖6 國產Ⅱ泡沫劑改良后碴土照片Fig. 6 Photos of soil conditioned by domestic foam agent No. 2

3 結論與建議

針對砂卵石地層特點，配制了聚合型泡沫劑，通過碴土改良試驗對比各泡沫劑的碴土改良效果，確定了聚合型泡沫劑配方PSA，并在全斷面富水砂卵石地層進行了應用研究，得到主要結論如下。

1)通過大量的室內配制試驗，篩選出4組發泡和穩泡性能比進口泡沫劑性能更優的聚合型泡沫劑配方。

2)對篩選的聚合型泡沫劑進行碴土改良試驗，利用室內試驗條件測試泡沫劑的改良效果，并與進口泡沫劑進行對比試驗，驗證了聚合型泡沫劑對砂卵石地層的改良作用。改良后碴土的滲透系數在2×10-5cm/s左右，止水性得到較大提高；內摩擦角比改良前降低了4°～10°，減摩作用明顯。

3)對碴土改良效果最佳配方PSA進行了現場應用研究。試驗結果表明： 同種地質條件下，聚合型泡沫劑PSA碴土改良效果與現場使用的進口泡沫劑改良效果相當，明顯優于國產其他品牌泡沫劑，滿足全斷面富水砂卵石地層盾構施工對碴土改良的要求； 同時，使用PSA泡沫劑每環可節約9.5%左右的材料用量，經濟效益明顯，具有廣泛的推廣應用價值。

4)聚合型泡沫劑針對砂層、砂卵石地層研制，對粗粒土的內摩擦角、滲透系數改良作用顯著，但并不適用于黏性土地層。黏性土地層碴土改良材料需要針對其地質特點再進行專項研發。