富水卵漂石地層盾構隧道泡沫改良碴土試驗研究

2020-11-16 08:49:32鐘鳴洋

四川建筑 2020年5期

鐘鳴洋

(西南交通大學，四川成都 610031)

土壓平衡盾構在長距離掘進時，可能會出現噴涌、閉塞、結餅、地表沉降等問題。對施工進度造成很大的影響，同時對盾構刀盤刀具造成較大的磨損。

對于大粒徑富水卵漂石地層而言，盾構機的磨耗和噴涌問題尤其嚴重。本文調研了大量砂卵石地層的砂卵石分布情況如下。北京地鐵砂卵石地層礫石最大粒徑為400～600 mm，個別漂石粒徑可達1 500 mm以上。地層最大含砂率約25 %～40 %不等[1]。地鐵十號線玉樊區間卵石粒徑一般為2～10 cm，最大粒徑約為15 cm，細中砂填充約30 %。局部夾有漂石，漂石含量約20 %以上[2]。北京地鐵9號線02標“科-南”盾構區間，主要穿越卵石的最大粒徑約為380 mm，一般粒徑20～80 mm[3]。蘭州地鐵某段穿越砂卵石的一般粒徑為20～50 mm。偶遇漂石的最大粒徑可達500 mm該層卵砂石的最大粒徑可達500 mm，小于2 mm的細顆粒含量為19.27 %[4]。成都地鐵駟馬橋區間的稍密實卵石45 %[5]，中密卵石20 %，卵石含量較高，粒徑一般為3～10 mm。成都人民南三段密實卵石層含量大于70 %，粒徑為5～8 mm[6]。

本文研究的盾構區間段粒徑60～180 mm為砂卵石，約占75 %，局部見漂石，一般長度為210～300 mm，鉆孔揭示最大約380 mm，探坑揭示最大粒徑600 mm以上。通過對比可以看出此地區砂卵石地層漂石粒徑大，漂石含量高，部分地段卵石層密實程度大，透水性強。對地鐵施工尤其是盾構區間施工影響很大，尤其容易造成卡機和刀盤的磨損。而目前對于大粒徑砂卵石地層的砂土改良研究較少，因而十分有必要對該類型的地層進行碴土改良研究。

為保證盾構順利推進，防止噴涌等現象發生，必須使碴土成為一種“塑性流動狀態”的土，以保證螺旋排土器順利排出盾構機，及土倉內的碴土能較好的平衡開挖面的水土壓力。

為了使得碴土變成“塑性流動狀態”，應對碴土采取流塑化改良措施，即向開挖面、土壓倉(必要時向螺旋輸送機)注入改性材料(泥漿、泡沫、聚合物等)，以促進開挖面穩定，實現土壓平衡掘進，同時有助于降低機械摩擦、減小地面沉降、提高掘進速度等。首先對開挖面，即刀盤前方土體注入泥漿，向開挖面土體注入泥漿后，泥漿包圍在顆粒周圍，形成了一層泥膜，增加了顆粒之間的粘聚力，使得顆粒之間的傳力得到擴散，達到一種泥漿護壁的效果，有助于穩定開挖面土體。其次是向土倉內注入泥漿，通過刀盤旋轉和螺旋機旋轉使泥漿滲入砂性土顆粒之間，增強顆粒之間的作用力，并以較大的泥漿浮力減少顆粒的堆積，形成流塑性狀態的碴土。最后是通過膨潤土泥漿特殊的潤滑性能，可以減輕顆粒與盾構機及其構件的摩擦。

本文以某盾構隧道工程為依托，通過碴土改良試驗，分析了泡沫劑和膨潤土對卵漂石地層塌落度、滲透系數以及磨蝕性系數的影響關系，給出了依托工程的改良劑配比。為某地鐵區間段碴土改良中的使用提供理論指導。

1 碴土改良控制指標及范圍

塑性流動狀態的土體需要滿足某些指標。王國峰指出要達到流動塑性狀態需要塌落度達到10～15 mm，滲透系數小于1×10-5m/s[1]。趙東杰同樣指出為了防止噴涌發出，保證盾構掘進的順利進行要求滲透系數小于1×10-5m/s[2]。張淑朝指出為保證土壓平衡盾構的順利進行，需要保證塌落度的范圍在10～15 cm之間[7]。胡二中指出為了保證土倉壓力在地層主被動壓力中找到平衡點，需要改善土倉碴土的流動性，保證碴土的順利排出[8]。賀少輝指出噴涌的發生由排土口的水壓力和滲流量共同控制，土體的滲透系數成為影響噴涌發生最主要的因素和最敏感的條件[4]。胡長明指出碴土改良的成果會影響土壓平衡盾構的掘進速度和掘進成本[9]。郭彩霞等指出，目前關于碴土改良性能評價的的指標以塌落度、攪拌實驗、滲透實驗為主[10]。

為使得土壓平衡盾構的順利進行，選用塌落度、滲透系數和土體磨蝕系數作為控制指標，控制范圍如表1所示。

表1 控制指標及范圍

2 實驗方法

2.1 碴土改良劑的選擇

如表2所示，富水卵漂石地層更適合采用膨潤土和泡沫劑作為碴土改良劑。

表2 不同碴土改良劑的性質

2.1.1 泡沫劑的應用

泡沫劑可以使得碴土更加密實，提高碴土的完整性和致密性，防止富水卵漂石層發生噴涌。

2.1.2 膨潤土的使用

膨潤土漿液對土體的改良作用主要體現在較的潤滑及降低抗剪強度，漿液中的膨潤土摻量、膨潤土漿液的注入率均對土體改良效果產生影響。一般情況下漿液中膨潤土摻量越高，則漿液的質量性能越好，相應的改良作用也較明顯；漿液注入率越高，則相應的改良作用也越大。但摻量不宜過大，否則會造成土體的分層離析，不利于盾構開挖面的穩定。

2.2 碴土改良試驗種類

碴土改良試驗種類如圖1～圖4所示。

圖1 砂漿攪拌機土體磨蝕性試驗

圖2 刀盤模擬裝置

圖3 塌落度試驗

圖4 滲透試驗

2.2 塌落度試驗

塌落度測試，先烘干試樣，在和改良劑混合過后，測定塌落度，即可。

測試泡沫改良碴土塌落度試驗步驟如下：

(1)將試樣烘干，稱取體積為5.5 L的干試樣，放在一邊。

(2)根據試樣的重量，量取所需的水的重量。

(3)將干試樣和水混合，測得含水率ω0。

(4)準備發泡溶液。

(5)計算滿足泡沫注入比所需泡沫的體積。

(6)按照規定的發泡倍率，計算出所需要的發泡液的體積，并按此體積量取水(忽略發泡液的體積)。

(7)根據所需發泡溶液的濃度，稱取所需發泡劑的重量。

(8)將水和發泡劑充分混合均勻。

(9)將發泡溶液放入發泡裝置中，生成泡沫。

(10)將泡沫和試樣混合均勻。

(11)試驗前將坍落筒的內壁用水濕潤，防止坍落筒與試樣粘附。

(12)將泡沫改良試樣分三層裝入筒內。

(13)按照規定進行塌落度測試。

(14)清理試驗后的碴土，清洗坍落筒，準備下一次試驗。

2.3 滲透系數試驗

檢測土體添加泡沫劑改良前后的滲透系數變化是滲透試驗的目標，以及發泡率的不同對土體滲透系數變化影響，最后得到改良劑對改良土體止水性的效果評價。針對成都富水砂卵石土層，試驗選擇變水頭法，試驗裝置如圖5所示。

圖5 滲透系數測試儀

滲透系數按下式計算：

式中：A為變水頭管的斷面積(cm2)；L為滲徑，即試樣高度(cm)；t1，t2為分別為測讀水頭的起始和終止時間(s)；H1，H2為起始和終止水頭。

2.4 土體磨蝕性試驗

磨蝕性普遍是指金屬器具(盾構刀具、鉆孔鉆頭等)與巖石或土體作用時，由于其具有不同的物理和力學特性而對金屬器具產生的一定程度的磨損。磨損分主要和次要磨損。主要磨損是指在掘進過程中滾刀、刮刀及刀盤與掌子面直接接觸造成的磨損。次要磨損是指掌子面和被剝落的土體對刮刀、滾刀側面、滾刀刀座及螺旋輸送機造成的非常規磨損。

2.4.1 LCPC(Laboratoire Central des Ponts et Chaussees)磨蝕性試驗

法國d’Etudes et des Recherches des Charbonages中心發明的LCPC試驗裝置，電機通過皮帶帶動土樣中的鋼片(5 mm×25 mm×50 mm)轉動，如圖6所示。該裝置只適用于測試顆粒粒徑在6.3 mm以下的粉碎巖石顆粒或自然土樣，通過鋼片試驗前后的質量差與土樣的比值來確定LCPC磨蝕性系數來衡量土體的磨蝕性大小。

圖6 LCPL磨損試驗

2.4.2 SAT(Soil Abrasion Test)試驗

SAT試驗是在挪威科技大學(Norwegian University of Science and Technology)NTNU 磨損試驗的基礎上發展而來的，如圖7，鋼盤上放置烘干后土樣，顆粒最大粒徑不超過 4 mm，剛盤轉動的過程中土樣對上方的鋼針進行研磨，用一段時間后鋼針損失的質量來反映土樣的磨蝕性。

圖7 SAT試驗

3 試驗數據結果及分析

本次試驗依據流動性、滲透性和土體磨蝕程度作為參考依據，以防止結餅，噴涌和刀具磨損。計算膨潤土漿液、泡沫劑與碴土的配比，到達碴土改良的初始配比，以指導前期盾構施工。具體實驗步驟為：①在施工場地取與隧道所處地質條件相同的碴土，②對膨潤土漿液和泡沫劑與碴土的不同配比進行試驗，③得到膨潤土漿液和泡沫劑與碴土的最佳配比。試驗主要包括塌落度試驗、滲透試驗、土體磨蝕性試驗，如圖1、圖3、圖4所示。

3.1 泡沫劑溶液配比

根據《南昌軌道交通工程土壓平衡盾構施工技術規程》，泡沫劑組成應根據開挖土體的顆粒級配、不均勻系數、掘進速度、掘進的推力以及扭矩具體情況進行調整。一般情況下，泡沫溶液可參考如下表3配比所示。

表3 泡沫劑溶液參考配合比

根據以上試驗，可以看出，刀具的磨耗主要可以由相關材料的質量損失來反映，由此設計出相關的試驗裝置。

本文試驗裝置采用砂漿攪拌機，將砂漿攪拌機的三個葉片分別打孔，將螺栓安裝在攪拌機的三個葉片上。螺栓采用8.8級六角螺栓(抗拉強度為800 MPa,屈服強度為640 MPa)，重量為7.0 g。攪拌機葉片模擬盾構刀盤見圖，螺栓端頭模擬盾構刀具，砂漿攪拌機見圖1，刀盤模擬裝置見圖2。試驗時，將配好的碴土放入攪拌桶內，考慮到泡沫劑的半衰期，螺栓在容器槽中以1 000 r/min的速度旋轉15 min，圖1和圖2描繪了在砂土中進行磨蝕性試驗，螺栓在試驗前后發生了明顯的磨損，螺栓表面被磨平而變得光滑，周邊棱角幾乎被磨平。可以預見，螺栓的質量發生變化，螺栓試驗前后的質量差可以直觀地反映出不同土體在不同情況下的磨蝕性強弱，以此來衡量土體對刀具的磨蝕性大小。

探察隊員將包裹搬入肖特拉洞內井狀通道，其中有些井狀通道有36層大廈那么高。他們繞過地下瀑布攀登，沿著水平通道爬行，在黑暗的地下營地度過了好幾個星期，晚上就穿著潮濕的衣服睡覺。

通過稱量鋼塊在試驗前后的質量差與土樣質量的比值，可求得砂性土磨蝕性試驗的磨蝕性系數AC值(Abrasiveness Coefficient)，AC值的大小直觀的衡量了砂性土對刀具磨蝕性大小的，計算公式為：

式中：AC為磨蝕系數(g/t);mpb為試驗前螺栓質量(g);mpa為試驗后螺栓質量(g);M為土樣質量(t)。