粉質(zhì)黏土層土壓平衡盾構(gòu)施工中的渣土改良技術(shù)*

易鵬程 陳志敏 張常書

(1.蘭州交通大學土木工程學院,730070,蘭州；2.中鐵十八局集團有限公司,300222,天津∥第一作者,碩士研究生)

盾構(gòu)機在不同地層中掘進時會遇到諸多問題，其中渣土改良是一個重要難題。文獻[1-8]對此進行了針對性研究，做出了諸多貢獻。然而這些研究針對粗顆粒砂類土與施工技術(shù)的改良研究較多，對細顆粒軟黏性土的改良研究較少，而且渣土改良效果的評價指標較為單一。本文以廣州地鐵盾構(gòu)粉質(zhì)黏土地層為背景，基于地層物理力學參數(shù)分析，采用泡沫劑渣土改良方案，結(jié)合坍落度、滲透系數(shù)、黏聚力及內(nèi)摩擦角等多個指標來評價渣土的改良成果，并通過現(xiàn)場試驗段的施工參數(shù)驗證，得到了較準確、合理的改良參數(shù)，為相似地質(zhì)條件下的工程施工提供參考。

1 盾構(gòu)穿越地層的土樣物理力學特性

廣州地鐵21號線盾構(gòu)施工段的主要穿越層為粉質(zhì)黏土層。該地層受季節(jié)性降雨影響較大，故在施工中的失水地面沉降、盾構(gòu)刀盤“結(jié)餅”及螺旋輸送機閉塞等問題尤為突出。

地層物理力學特性參數(shù)(液塑限、顆粒級配及滲透系數(shù)等)的有效分析是控制施工參數(shù)的依據(jù)，也是渣土改良的關(guān)鍵。試驗得到的粉質(zhì)黏土層土樣物理力學參數(shù)如圖1、表1及表2所示。

表2 土樣物理力學特性參數(shù)

圖1 顆粒級配曲線圖

表1 土樣顆粒分析試驗記錄

通過分析地層土體參數(shù)得出：①土體細顆粒占總質(zhì)量的70%以上，塑性指數(shù)為15.02，是級配良好的粉質(zhì)黏土；②土樣中粉質(zhì)黏土的平均液性指數(shù)為0.33，在0.25～0.75范圍內(nèi)，呈可塑狀態(tài)，但可塑性差;③滲透系數(shù)值為4.26×10-5cm/s，高于盾構(gòu)施工要求的10-5量級以下。因此，對開挖土艙內(nèi)渣土進行改良，保證其良好流塑性，是施工中的重點。

2 粉質(zhì)黏土渣土改良試驗及效果評價

根據(jù)試樣土體物理力學參數(shù)，結(jié)合改良劑的適用范圍，選擇泡沫劑作為渣土改良劑，根據(jù)改良劑自身評價來確定最優(yōu)改良劑質(zhì)量濃度，并進行不同摻入比的渣土改良試驗。

2.1 改良劑的性能評價

泡沫改良劑的性能主要由發(fā)泡倍率和半衰期兩個評價指標來衡量[7]。評價指標與泡沫劑質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖2及圖3所示。

圖2 泡沫劑溶液的最大發(fā)泡倍率與質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線

圖3 泡沫劑的半衰期試驗曲線

分析圖2可知：隨著泡沫劑質(zhì)量分數(shù)的增加，發(fā)泡倍率先迅速增加后慢慢穩(wěn)定；當質(zhì)量分數(shù)低于4%時，發(fā)泡率增大效果明顯。由圖3可知：隨著泡沫劑質(zhì)量分數(shù)的增加，半衰期先增加、后降低，最后趨于穩(wěn)定；當質(zhì)量分數(shù)為3%時，半衰期達臨界點，最大半衰期為10.5 min；當質(zhì)量分數(shù)低于3%時，半衰期增長迅速；當質(zhì)量分數(shù)高于3%時，半衰期逐漸降低；當質(zhì)量分數(shù)高于5%時，半衰期穩(wěn)定在9.5 min左右。由上述性能評價可知，當泡沫劑質(zhì)量分數(shù)為3%時，其泡沫劑整體性能較佳。故本次改良試驗的泡沫劑采用質(zhì)量分數(shù)為3%的配比。

2.2 渣土改良試驗結(jié)果分析

將泡沫劑與渣土按不同摻入比混合，可分析渣土的抗?jié)B性能、抗剪強度特性及塌落度的變化，進而得到較佳渣土改良參數(shù)。

2.2.1 坍落度試驗

文獻[9]的研究結(jié)果表明，當渣土的坍落度為150 mm左右時，改良渣土具有良好的流塑性。泡沫劑摻入比λ不同時的坍落度試驗結(jié)果如表3所示。

通過表3分析可知：當λ=20%時，坍落度為145，渣土改良效果最佳。考慮到實際盾構(gòu)施工情況，粉質(zhì)黏土的最優(yōu)坍落度范圍為140～160 mm，泡沫劑最佳摻入比為20%～25%。

表3 λ不同時的渣土坍落度試驗結(jié)果

2.2.2 抗剪試驗

開挖掌子面及土倉土體的抗剪強度是盾構(gòu)順利掘進的重要影響因素。本文通過室內(nèi)直剪試驗測定粉質(zhì)黏土在不同λ下的渣土抗剪強度力學參數(shù)，如圖4～6所示。

圖4 不同λ下的S值曲線

由圖4可知：當λ為15%～20%時，渣土抗剪強度S變化明顯，改良作用效果顯著；當λ>25%時，S變較穩(wěn)定，變化較緩。由此可見λ為20%～25%比較合適。

由圖5可知，c變化趨勢同抗剪強度曲線類似，最優(yōu)為20%～25%，改良后c可降低30%左右。

圖5 不同λ下的c變化曲線

由圖6可得，當λ<20%時，φ隨λ的增加降低明顯；λ>20%時，φ雖降低卻趨于穩(wěn)定。λ=20%為轉(zhuǎn)折點，此時φ值較改良前φ低了近40%。

圖6 不同λ下的φ變化曲線

通過抗剪強度相關(guān)參數(shù)對比分析發(fā)現(xiàn)，合理摻入泡沫劑能大幅降低渣土的抗剪力學性能，對防止刀盤結(jié)泥餅、改善渣土的流塑性具有很好的效果。

2.3.3 滲透試驗

土倉渣土的滲透系數(shù)k是維持開挖面穩(wěn)定的重要因素之一。當k低于1×10-5cm/s量級時，開挖面能很好滿足盾構(gòu)施工要求。λ不同時的改良渣土滲透試驗k變化曲線如圖7所示。

圖7 不同λ下的k變化曲線

結(jié)合圖7得：λ=20%為改良效果的轉(zhuǎn)折點；λ<20%時，k增長明顯，改良效果顯著；λ>20%時，k略有降低，改良狀態(tài)已達到理想狀態(tài)要求。

經(jīng)分析，粉質(zhì)黏土λ最優(yōu)值為20%左右。結(jié)合工程實際情況及試驗改良效果對比結(jié)果，確定適合于粉質(zhì)黏土的λ最優(yōu)范圍為20%～25%。

3 渣土改良現(xiàn)場效果評價

3.1 施工現(xiàn)場泡沫劑應(yīng)用參數(shù)

由于施工過程中的泡沫劑改良效果受到發(fā)泡系統(tǒng)及土體松散性等因素的影響，故單一的室內(nèi)試驗結(jié)果不能直接應(yīng)用到施工現(xiàn)場，需計算在施工現(xiàn)場每推進1環(huán)消耗的泡沫劑體積Vg：

(1)

式中：

Pa——大氣壓；

N——施工時的泡沫劑溶液發(fā)泡率；

Pt——土倉壓力；

K——泡沫劑溶液質(zhì)量分數(shù)；

D——盾構(gòu)開挖直徑；

L——每環(huán)管片寬度；

ξ——土體的松散系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，取Pt=0.14 MPa，D=6 m，N=15 ，L=1.5 m，K=3%，ξ=1.25，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，得到施工現(xiàn)場的Vg，如表4所示。

表4 施工現(xiàn)場的Vg

3.2 改良參數(shù)的現(xiàn)場合理性評價

為評價渣土改良參數(shù)的合理性，在相關(guān)地層盾構(gòu)試驗段，對比分析粉質(zhì)黏土(含砂率<10%)地層改良前后施工參數(shù)(掘進速度、刀盤扭矩、出渣量等)的變化規(guī)律，如表5及圖8～12所示。

表5 現(xiàn)場泡沫改良劑用量

圖8 Pt隨掘進環(huán)數(shù)的變化曲線

結(jié)合表5分析可知：由于粉質(zhì)黏土的含水率存在不均勻分布，故渣土改良λ最優(yōu)值的現(xiàn)場值與理論計算值存在差異，但差異不大；如含水量高，則λ相對減小，反之則相反。

由圖8可知：在未改良段Pt不穩(wěn)定，其變化幅度達±0.08 MPa；在改良段，Pt基本穩(wěn)定在0.16 MPa左右，變化范圍縮小到±0.03 MPa。

由圖9可知：在未改良段，刀盤扭矩基本在2.1 MNm左右，最大值達2.3 MNm，且刀盤磨損變形嚴重；在改良段，泡沫劑作用明顯，刀盤扭矩逐漸減小后穩(wěn)定為1.5 MNm左右，較未改良前減小約0.6 MNm。

圖9 刀盤扭矩隨掘進環(huán)數(shù)的變化曲線

由圖10及11可知，在未改良段，掘進速度為30 mm/min，出渣量為3 m3/環(huán)；在改良段，掘進速度提升為40 mm/min，出渣量穩(wěn)定保持在4 m3/環(huán)以上。可見，改良效果明顯。

圖10 掘進速度隨掘進環(huán)數(shù)的變化曲線

圖11 出渣量隨掘進環(huán)數(shù)的變化曲線

由圖12可以看出，總推力在未改良段和改良段變化明顯：在未改良段，總推力基本在1.7×104kN左右；在改良段，土倉壓力能夠合理地平穩(wěn)掌子面應(yīng)力，總推力基本穩(wěn)定在1.2×104～1.4×104kN，達到盾構(gòu)施工要求的1.4×104kN以下。

圖12 總推力隨掘進環(huán)數(shù)的變化曲線

4 結(jié)語

本文依托廣州地鐵盾構(gòu)下穿粉質(zhì)黏土層項目，對粉質(zhì)黏土進行渣土改良試驗，得到泡沫劑最優(yōu)質(zhì)量濃度、最優(yōu)摻入比范圍及相關(guān)渣土性能參數(shù)，推導了施工現(xiàn)場泡沫劑應(yīng)用參數(shù)，并通過現(xiàn)場試驗驗證了現(xiàn)場應(yīng)用參數(shù)的合理性。主要結(jié)論如下：

1) 發(fā)泡劑的發(fā)泡倍率和半衰期性能指標隨質(zhì)量分數(shù)變化而變化，較佳質(zhì)量分數(shù)為3%～4%。

2) 粉質(zhì)黏土改良的λ最優(yōu)值約為20%，最優(yōu)坍落度為145 mm。結(jié)合實際施工情況，渣土改良的坍落度最優(yōu)范圍為140～160 mm，λ最優(yōu)范圍為20%～25%。

3) 渣土物理力學性能受泡沫劑影響明顯。改良渣土的S、c、φ及K隨λ的增大呈降低趨勢。λ超過最優(yōu)值時，性能參數(shù)變化趨于穩(wěn)定。

4) 現(xiàn)場試驗段試驗結(jié)果表明，采用泡沫劑改良后的渣土能較好地達到理想流塑狀態(tài)。刀盤總推力有效降低，并穩(wěn)定在1.2×104～1.4×104kN；刀盤扭矩穩(wěn)定保持在1.5 MNm左右；掘進速度穩(wěn)定保持在40 mm/min左右，出渣量達4 m3/環(huán)以上；渣土改良后，Pt穩(wěn)定在0.16 MPa左右，變化范圍縮小到±0.03 MPa。

土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)控制是一個動態(tài)平衡的過程。盾構(gòu)在不同地層、埋深的地質(zhì)條件下施工可能遇到的問題不盡相同，及時做好記錄監(jiān)測及渣土分析是渣土改良的有效途徑。