破碎地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良實驗研究

王越

摘要：對于地層中的淺埋段，在實地采取不同類型掘進參數(shù)得到不同類型的渣土進行深入研究，對在不同含水量和不同成分配比下所得到的巖質(zhì)渣土和泡沫劑改良砂質(zhì)的坍塌程度、塑流狀混合物的含水量進行定量研究，通過得到的數(shù)據(jù)深入研究泡沫劑含量和含水量、渣土流動性的關(guān)聯(lián)。實驗大量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)泡沫劑含量為40%，含水量在16%到18%時，改良成效顯著，經(jīng)濟成本最低，收益高。

關(guān)鍵詞：破碎地層 土壤結(jié)構(gòu)改良 土壓平衡盾構(gòu)法 泡沫劑含量

引言：隨著社會經(jīng)濟的進步與人類文明的發(fā)展，地面以下的空間工程也漸漸地得到了重視。就我國當(dāng)前形勢而言，一線城市甚至二線城市大都通過盾構(gòu)施工的方式興建地鐵工程。但是因為不同地區(qū)的土層結(jié)構(gòu)差別較大，通用的土壓平衡盾構(gòu)施工法場遭遇刀盤扭矩太大、姿態(tài)無法調(diào)控、掘進進程遲緩、難以出渣和地表突起、塌陷等困難。該方法掘進時，其前端刀盤尖端旋進土壤，后隔板與掌子面間形成泥土空腔，若土體把土倉覆蓋，其壓力與切削面上的水、土壓力大致相仿，就可以把掌子面穩(wěn)定住，但前提是土壤本身具備良好的塑流性。在施工前必須充塑渣土的流動性，才能夠讓土壤的塑狀流動性提升，進一步使得噴涌量和刀具的磨損速度大幅度降低。

國內(nèi)外學(xué)者為確保該方法的施工能夠適應(yīng)各種情形，進行了海量的科研探索。A，Bezuije等研究工作者模擬了相應(yīng)的壓力效應(yīng)倉，向其中投入了適量氣泡，對于其中混合土的壓縮程度、黏著程度、滲透程度以及空隙間水壓力進行了深刻探索。張明晶等應(yīng)用朱偉教授研制的發(fā)泡劑和發(fā)泡裝置進行發(fā)泡進行土壤改良時發(fā)現(xiàn)，在一定范疇內(nèi)，隨氣泡摻量增加，土體強度不增反減。

一、工程難點

因為地層破碎、隧道埋深淺等原因，開挖土的流動性就會非常低，如果保持高溫的前提下盾構(gòu)機持續(xù)推進壓力，就會導(dǎo)致土倉里排水壓密、固結(jié)，生成泥餅，導(dǎo)致螺旋輸送機管道的擁擠，大大降低刀具工作的效率：同時，如果隧道通過破碎地層，相應(yīng)的裂隙水和承壓水的遍布范疇及水位變動很大，在該地層作業(yè)時，螺旋機排土器的出口處出極易噴涌，這就會讓渣土堆積并導(dǎo)致隧道積水，讓掘進進度停滯不前。

二、渣土改良試驗方案

對于渣土的改良成效的評級系統(tǒng)，其整體綜合性較高，其中改良劑含量以及含水率是兩個非常重要的指標(biāo)。把海量的試驗結(jié)果集成研究，把含水率和改良劑摻量進行針對性對比分析。而渣土改良成效的評判標(biāo)準(zhǔn)一般為其坍塌程度，以此對改良后渣土的流動性進行對比分析。一般而言，對渣土坍塌程度來說含稅量因素干系很大，渣土的黏著程度會因為含水量的提升而降低，而流塑性則會隨之提升而提升。所以，本論文就該地層從不同含水量和不同改良劑摻量兩個層次就渣土的流動性進行了深度探索。

三、渣土樣本提取及其物理性質(zhì)

（一）渣土樣本提取。為具體對不同均質(zhì)地層中不同掘進參數(shù)下的渣土的物理性質(zhì)進行研究分析，在進行盾構(gòu)機掘進時，通必須對相應(yīng)的推力、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行變更，一直等到施工參數(shù)相對平穩(wěn)時，在接收裝置的皮帶末端進行隨機取樣，同時保證密封完整性。為確保盾構(gòu)掘進持續(xù)穩(wěn)定，盾構(gòu)機各掘進參數(shù)必須把控在合適、合理的范疇內(nèi)。因為掘進參數(shù)動態(tài)調(diào)整的本質(zhì)，所以變更的掘進參數(shù)一定會在掘進參數(shù)數(shù)字范圍內(nèi)波動，所以必須進行渣土取樣。

（二）渣土的物理性質(zhì)。把一定量定容量的容器進行編號渣樣同時按次序稱其重量，把容器的重量減去后就能夠得到渣樣的密度。把每一個編號的渣樣濕質(zhì)量進行稱量，而后平置于防水板上，自然風(fēng)干一天之后置于烘箱10小時，爾后得到其干質(zhì)量，就能夠得到渣土的含水率，同理得到每一個編號下的渣土密度及含水率量。取算術(shù)平均值，得到各渣樣平均密度為1.79g/cm³，考慮客觀因素，盾構(gòu)掘進時會向土倉里流進，故得到的含水率較實際含水率高，所以客觀含水率更加毗鄰地層含水率。

四、渣土改良試驗

（一）改良劑的篩選。一般而言，對于土壓平衡盾構(gòu)作業(yè)的主要的渣土改良劑大致包括;水、泡沫劑、膨潤土、高分子聚合物等等，具體而言，泡沫劑改良效果顯而易見，本試驗所應(yīng)用的時南昌某公司的YHP系列泡沫劑，其主要成分包括穩(wěn)定劑。表面活性劑、滲透劑等，本身就是特別有利于盾構(gòu)機作業(yè)的一種渣土改良劑，可以大師幅度提升土壤塑性，其相應(yīng)指標(biāo)參數(shù)也達到相當(dāng)高的水平。

（二）試驗過程及結(jié)果。把含水率為16%作為基準(zhǔn)水平的渣土，調(diào)控泡沫劑溶液的流量，使得混合溶液的濃度為3%，同時調(diào)控氣壓，得到相應(yīng)的泡沫（通過該方法發(fā)泡倍率大于10），其摻雜量以渣土體積為0%為基準(zhǔn)，以20%為分組遞增到60%。如果摻雜量的泡沫不同下，就通過攪拌機把其攪拌完全，結(jié)束后將其分層次灌入坍落度桶里，每一層都通過搗棒由表及里插搗15次左右，最終灌滿后通過刮刀把桶口的渣土勻平。最后把坍落度桶拔出，測量其具體的坍落度，把每一組的數(shù)據(jù)記錄在案。當(dāng)含水率為16%時加減2%，為12%、14%、18%和20%，在根據(jù)上述操作重新實驗。

對每一個分組實行明確實驗同時得到確切的坍落度數(shù)值，把得到的結(jié)論建立含水率、泡沫劑摻雜量和流動性的定量如圖一。

總結(jié)：由上圖可知，當(dāng)渣土樣本的含水率維持于16%～18%時，可以摻入泡沫劑使其達到相對優(yōu)良的流塑狀，其坍落度值區(qū)間范疇維持在180mm～230mm之間，同時渣土里的細微顆粒可以把粗顆粒實現(xiàn)完整囊括，而渣土的保水性能非常強，不易析水，所以渣土能夠維持在近飽和或者飽和狀態(tài)。如果泡沫劑摻雜量維持在40%左右時嗎，對于渣土的改良成效最好，同時可以保證成本低，提升經(jīng)濟效率。