土壓平衡盾構用泡沫劑改良無水細砂層試驗研究

王明杰 王德乾 李 博 謝宇飛 斯芳芳

(1.北京中鐵新材料技術有限公司 北京 102600；2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600；3.中鐵物資集團有限公司 北京 100143)

1 引言

盾構施工中常會遇到黏土層[1－2]、砂層、砂卵石層[3－4]和上軟下硬地層等多種地層。其中砂層包括無水砂層、無水砂卵石地層、富水砂層以及富水砂卵石地層。例如北京是無水砂層和砂卵石層的典型代表，成都是富水砂層和砂卵石層的典型代表[5－7]。土壓平衡盾構機在砂層掘進中，會遇到刀盤扭矩過大、刀具磨損嚴重和“噴涌”等施工難題[8]。這些難題輕則引起刀盤刀具磨損嚴重，提高施工成本，施工延期；重則引起掌子面塌陷，導致地基下沉，甚至造成較大施工安全事故[9]。因此，施工時必須對盾構施工渣土進行有效改良，確保盾構機安全掘進。

據文獻調研，在寧句線句容站至東句盾構井區間施工過程中，柏春林[10]研究了分散型泡沫劑和水改良渣土前后扭矩的變化，改良前后刀盤扭矩分別為3 200～4 000 kN·m、2 000～2 500 kN·m，下降37.5%左右。在長春地鐵二號線西延線施工過程中，李樹忱等[11]研究了在盾構刀盤處加入自制的改良劑進行渣土改良，改良后刀盤扭矩降低約26.4%。在西安地鐵一號線二期施工過程中，王彥臻[12]研究了膨潤土和泡沫改良砂層，改良后刀盤扭矩下降15.2%。以上施工案例中，改良后扭矩降低量明顯不同，究其原因，是因為目前施工單位相關人員對改良劑產品種類的選擇、性能參數的設定和改良劑的注入量不了解，施工時靠經驗進行調整，并沒有試驗數據和技術理論指導。

為了研究改良劑加入盾構渣土前后扭矩的變化情況，中鐵五院聯合紹興市吉達儀器設備有限公司設計研制出一臺專用于在實驗室模擬盾構施工渣土改良的扭矩測試儀。

本文選擇一種河砂模擬盾構施工所遇到的無水細砂層，研究其經過改良劑改良前后的扭矩、坍落度等變化規律，為盾構施工所遇到的無水細砂層渣土改良提供技術參考。

2 試驗材料和設備

試驗材料包括河砂、水和自制盾構泡沫劑。試驗設備如表1所示。

表1 __試驗設備

河砂進場前經過新標準工程直徑為1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm的砂石網進行篩選后得到河砂的級配曲線，如圖1所示。試驗進行前將河砂進行干燥處理，得到無水河砂，待用。

圖1 細砂級配曲線

自制盾構泡沫劑是實驗室研制的專用于盾構施工渣土改良用的產品，實驗室選用和盾構施工相同的3%的水溶液進行渣土改良。試驗用水為自來水。

渣土改良扭矩測試儀是一臺實驗室專門用于模擬盾構施工中刀盤切削土層的扭矩測試儀器。該儀器通過數字調速系統調節攪拌槳的轉速來模擬刀盤對土層的切削，通過動態扭矩傳感器進行實時扭矩變化值的監控，最終通過監控軟件自動生成扭矩隨時間的變化曲線。

發泡裝置是一套專門用于實驗室模擬盾構施工中泡沫劑發泡的試驗設備。該設備通過一定壓力、一定流量的實驗室自制盾構泡沫劑的水溶液與一定壓力、一定流量的壓縮空氣在發泡槍相遇，并在充滿蜂窩狀發泡材料的發泡槍中進行發泡，獲得泡孔均勻、發泡率高、穩泡性好的泡沫。

半衰期測試裝置是專門用于測試盾構泡沫劑經發泡之后形成的泡沫穩定性的儀器，如圖2所示。

圖2 半衰期測試裝置

3 評價指標

3.1 盾構泡沫劑評價指標

盾構泡沫劑在土壓平衡盾構施工中最重要評價指標為發泡性和穩泡性。

發泡倍率(ER)是表征盾構泡沫劑發泡性的技術參數。計算公式為:

式中:Vf為泡沫體積；Vl為發泡劑溶液體積。

半衰期是表征盾構泡沫劑經發泡裝置所發泡沫穩定性的技術參數，其測試方法:

將衰落桶置于電子天平上，歸零；用衰落桶盛滿發泡裝置剛生成的泡沫，并啟動秒表，同時迅速將其置于電子天平上，測出泡沫的質量；然后再迅速將其置于三腳架上，衰落桶底部為燒杯和電子天平，滴入燒杯中的泡沫劑水溶液的質量為衰落桶內泡沫質量一半時所用的時間，即為半衰期，用t1/2表示，單位為min。

3.2 河砂流塑性評價指標

渣土流塑性參照表征混凝土流動性的指標——坍落度。坍落度在一定程度上反映了土體的流塑性，但難以反映盾構渣土的整體改良狀態[16]。因此，課題組研制了渣土改良扭矩測試儀模擬盾構施工中刀盤扭矩的變化，并提出“渣土扭矩”指標與坍落度協同表征盾構渣土改良效果[13]。

喬國剛[14]等的研究成果中提到盾構施工渣土經泡沫劑改良后的坍落度最佳范圍為10～16 cm。商躍峰[15]在研究成果中總結出盾構渣土經泡沫劑和高分子聚合物改良后的變化規律。坍落度低于14 cm時河砂塑性太強，流動性太差，導致渣土難以排出；高于17 cm時河砂流動性太強，塑性太差，導致掌子面難以穩定，不利于施工順利進行，故改良無水河砂的坍落度最佳范圍為14～17 cm。

坍落度試驗參照?混凝土結構工程施工及驗收規范?(GB 50204—2002)規定，參考朱傳新[17]在坍落度試驗的具體試驗步驟進行。

4 河砂改良試驗

4.1 不同質量的水對河砂改良前后的扭矩影響

首先稱取10 kg河砂置于攪拌缸內，設定攪拌轉速為10 r/min，待攪拌槳葉下降至最底端時，開始試驗，曲線平穩后，再加入一定質量的水，待扭矩值穩定后，得到三個階段的扭矩變化趨勢，如圖3a所示，其中曲線①、②、③分別為未加入水時、加入水后、改良后河砂的扭矩曲線。

不同質量的水改良河砂后所得到的扭矩曲線如圖3所示，坍落度如圖4所示。

圖3 不同質量水改良10 kg河砂扭矩曲線

圖4 不同質量水改良10 kg河砂后河砂形態

由圖3可知，200 g水改良河砂后扭矩由5 N·m升高到9 N·m，改良后扭矩升高比例為80%；同理，400 g、600 g、2 000 g水改良河砂后扭矩升高比例分別為110%、200%、40%。 由圖4 可知，200 g、400 g、600 g水改良河砂后的坍落度分別為7、7、9 cm。2 000 g水改良后的河砂已喪失塑性。

綜上所述，水作為改良劑改良河砂并沒有降低渣土在改良時的扭矩，反而使得扭矩增大；當加入過量水后，河砂將完全喪失塑性，渣土形態極差。因此，盾構施工中遇到無水砂層時，杜絕使用單一的水作為改良劑。

4.2 不同質量的泡沫作為改良劑對河砂扭矩影響

試驗操作步驟見4.1，其中改良劑為3%自制泡沫劑的水溶液，采用中鐵五院自制泡沫發生裝置進行發泡，發泡參數如表2所示。

表2 發泡倍率為22.7的盾構泡沫劑發泡參數

在同一發泡倍率下采用200、400和600 g泡沫改良河砂后得到的扭矩曲線和渣土形態如圖5所示。

圖5 不同質量泡沫改良河砂后河砂扭矩曲線與形態

由圖5可知，200 g泡沫改良河砂后扭矩由5.5 N·m降到了3.5 N·m，降低比例為36.4%；同理，400、600 g泡沫改良河砂后扭矩降低比例分別為50%、54.5%，坍落度分別為14、23、23 cm。綜上所述，泡沫作為改良劑改良河砂明顯降低了其扭矩。綜合考慮泡沫改良后的河砂扭矩降低值與坍落度的協同，當盾構發泡劑發泡倍率為22時，使用200 g泡沫改良10 kg河砂，效果較優。

4.3 不同發泡倍率的泡沫對河砂扭矩影響

試驗操作步驟見4.2，發泡參數如表3所示。

表3 不同發泡倍率的盾構泡沫劑發泡參數

發泡倍率分別為10.5、15.2和22.7的泡沫改良河砂后所得到的扭矩曲線和渣土形態如圖6所示。

由圖6可知，發泡倍率為10.5的200 g泡沫改良河砂后扭矩由7.5 N·m降至7 N·m，降低比例為6.7%；同理，發泡倍率為15.2、22.7的200 g泡沫改良河砂后扭矩降低比例分別為30%、36.4%。坍落度分別為14、15、14 cm。將不同發泡倍率的泡沫與對應改良后的渣土扭矩降低比例制圖，如圖7所示。

圖6 不同發泡倍率的泡沫改良后河砂扭矩曲線與形態

圖7 200 g不同發泡倍率泡沫改良10 kg河砂扭矩降低比例

由圖7可知，河砂經發泡倍率分別為10.5、15.2、22.7的泡沫改良后的扭矩分別降低了6.7%、30%、36.4%。當發泡倍率由10.5增至15.2，扭矩降低程度(4.3倍)高于由15.2增至22.7(1.2倍)，即隨著發泡倍率逐漸增大，扭矩降低百分比增大緩慢。因此，建議使用發泡倍率為15左右的泡沫改良無水細砂層，渣土改良狀態好，符合實際施工需求。

4.4 河砂質量與泡沫使用量的關系

試驗操作步驟見4.2，使用發泡倍率為15的泡沫分別改良10、15和20 kg河砂，使用泡沫量分別為200、290和400 g，發泡參數如表4所示。

表4 發泡倍率為15的盾構泡沫劑發泡參數

所得到的扭矩曲線圖和河砂形態如圖8所示。

圖8 不同比例的泡沫和河砂改良后河砂扭矩曲線與形態

由圖8可知，發泡倍率為15的200 g泡沫改良10 kg河砂后使扭矩由5.5 N·m降到3.5 N·m，降低比例為36.4%；同理，290 g∶15 kg扭矩降低比例為52.6%；400 g∶20 kg扭矩降低比例為65.1%。坍落度分別為14、14、15.5 cm。

由扭矩改良曲線推測改良不同質量的河砂所用的泡沫質量存在一定的線性關系，泡沫質量和河砂質量之間的關系如圖9所示。

圖9 泡沫質量與河砂質量關系曲線

由圖9可知，河砂質量與改良用的泡沫消耗量的比例屬于線性擬合:y＝20x，即每10 kg無水河砂需要0.2 kg泡沫進行改良。結合上述試驗結果可知，隨著細砂的增多，泡沫用量按照公示比例增大，10、15、20 kg的無水河砂改良后的扭矩值分別降低36.4%、52.6%、65.1%。其改良渣土坍落度分別為14、14、15.5 cm，均有較好的流塑性。 因此，該擬合曲線合理。

5 結論與建議

本文通過渣土扭矩改良測試儀模擬盾構施工過程中使用泡沫劑改良河砂流塑性，使其扭矩降低，達到減小對刀盤的磨損，降低施工成本的目的，針對這一研究，得出以下結論:

(1)水不能作為單一改良劑改良無水砂土層，泡沫是改良無水砂土層的有效改良劑。當盾構泡沫劑發泡倍率小于15時，改良效果不穩定；發泡倍率大于20時，扭矩緩慢下降。發泡倍率為15～20時，渣土改良效果最好。

(2)泡沫改良無水河砂時，泡沫使用量與無水河砂比例大約為20 g∶1 kg，坍落度在14～16 cm之間，渣土具有很好的流塑性，此時渣土改良后扭矩下降值高達36.4%。

(3)建議在盾構施工中參照泡沫使用量與改良無水細砂質量比例擬合曲線進行參數調配，以達到合理降低刀盤掘進過程中的扭矩，降低泡沫的消耗量，維持掌子面的穩定性，使盾構施工可以順利高效進行的目的。