低濃度聚合物水溶液在土壓平衡盾構(gòu)渣土改良中的實(shí)踐應(yīng)用

王國(guó)義 張雄偉

摘?要：筆者分析了土壓平衡盾構(gòu)施工所需達(dá)到的低內(nèi)摩擦角、低滲透率流塑狀態(tài)的理想渣土，提出理想渣土應(yīng)具有高抗水分散性和高保水率的特性。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)定性分析采用低濃度陰離子1600萬分子量的聚丙烯酰胺和5000分子量的聚丙烯酰納混合水溶液對(duì)渣土進(jìn)行綜合改良，可以達(dá)到塑性狀態(tài)的理想渣土。提出刀盤前方注入泡沫，刀盤前方中心、土艙中心和土艙上方加入聚合物水溶液的綜合渣土改良方法，降低盾構(gòu)結(jié)泥餅和噴涌的概率。此渣土改良方法成功應(yīng)用于成都軌道交通19號(hào)線二期工程，低濃度聚合物水溶液渣土改良方法可在全國(guó)范圍內(nèi)推廣。

關(guān)鍵詞：理想渣土;高抗水分散性;高保水率;聚丙烯酰胺;聚丙烯酸鈉;成功應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U455.43??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Practical?application?of?low?concentration?polymer?aqueous?solution?in?slag?improvement?of?earth?pressure?balance?shield

Wang?Guoyi1?Zhang?Xiongwei2

1.China?Power?Construction?Chengdu?Construction?Investment?Co.，Ltd.?SichuanChengdu?610212;

2.China?Water?Conservancy?and?hydropower?Fifth?Engineering?Bureau?Co.，Ltd.?SichuanChengdu?610066

Abstract：In?this?paper，the?ideal?slag?with?low?internal?friction?angle?and?low?permeability?is?analyzed，and?it?is?proposed?that?the?ideal?slag?should?have?the?characteristics?of?high?water?resistance?dispersion?and?high?water?retention?rate.According?to?the?qualitative?analysis?of?laboratory?test，the?ideal?residue?in?plastic?state?can?be?achieved?by?using?the?mixed?water?solution?of?low?concentration?anions?16?million?molecular?weight?polyacrylamide?and?5000?molecular?weight?polyacrylamide?sodium.A?comprehensive?muck?improvement?method?with?polymer?water?solution?is?added?to?the?front?of?the?cutter?head，the?center?of?the?cutter?head，the?center?of?the?cutterhead?and?the?soil?tank?to?reduce?the?probability?of?mud?cake?and?gushing.This?method?has?been?successfully?applied?to?the?second?phase?project?of?Chengdu?rail?transit?line?19，and?can?be?popularized?in?the?whole?country.

Keywords：ideal?residue;high?resistance?to?water?dispersion;high?water?retention?rate;polyacrylamide;sodium?polyacrylate;successful?application

近年來，盾構(gòu)法憑借其安全、可靠、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于各大城市地鐵。土壓平衡盾構(gòu)由于占地面積小、設(shè)備相對(duì)便宜、施工進(jìn)度快、施工成本低等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)在盾構(gòu)選型上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，大部分地層都選用土壓平衡盾構(gòu)，只有盾構(gòu)穿越江河時(shí)才會(huì)選用泥水平衡盾構(gòu)。土壓平衡盾構(gòu)施工最難處理的問題是盾構(gòu)土艙內(nèi)結(jié)泥餅。只要盾構(gòu)結(jié)泥餅，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)推力大、掘進(jìn)速度慢、掘進(jìn)超方等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成較大安全事故。為防止盾構(gòu)結(jié)泥餅，眾多盾構(gòu)專家、學(xué)者進(jìn)行了研究。傅鑫暉等[1]從區(qū)間隧道的地質(zhì)條件、盾構(gòu)機(jī)刀盤的開口率、刀具的啟動(dòng)扭矩與復(fù)合地層不同土層強(qiáng)度變化較大的矛盾、土艙長(zhǎng)時(shí)間充填黏性土、渣土改良及掘進(jìn)模式等五個(gè)方面分析了泥餅形成的原因和機(jī)理，并提出了防止泥餅形成的施工措施。賀雄飛等[2]針對(duì)黏性土層研制專用分散型泡沫劑DCA，并成功應(yīng)用于高液限、強(qiáng)塑性黏性土地層盾構(gòu)區(qū)間。宋上明等[3]采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，得出昆明地區(qū)礫砂復(fù)合地層渣土較佳坍落度為13～18cm，每環(huán)泡沫原液用量20L，注水量8m3。連小濤[4]認(rèn)為泡沫渣土改良技術(shù)是保證施工安全、順利進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。在試驗(yàn)所有土樣條件下，建議施工時(shí)使用的泡沫注入率為20%～30%。鐘小春等[5]以廣州地鐵21號(hào)線復(fù)合地層為依托，認(rèn)為粉質(zhì)黏土層的含量在30%～70%之間時(shí)，渣土能夠達(dá)到良好的塑性流動(dòng)狀態(tài)。粉質(zhì)黏土層的含量超過70%時(shí)，存在結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。眾多專家、學(xué)者認(rèn)為土壓平衡盾構(gòu)結(jié)泥餅是多因素造成的，黏土層含量多容易結(jié)泥餅，聚合物水溶液可防噴涌，但容易造成結(jié)泥餅。

筆者對(duì)砂和黏土兩種土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，通過分別加入水或低濃度聚合物水溶液的渣土定性分析渣土的保水率、抗水分散性等特性，指出加入低濃度聚合物水溶液的渣土比加入水的渣土更具有良好的抗水分散性、高保水率的特性。此渣土既不容易被水稀釋（造成噴涌），渣土內(nèi)水也不容易流失（造成結(jié)泥餅），并對(duì)加入渣土改良劑的位置進(jìn)行了分析并提出明確意見。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，取得良好效果。

1?土壓平衡盾構(gòu)理想渣土

土壓平衡盾構(gòu)噴涌和結(jié)泥餅是由多種因素造成的，但主要原因還是渣土改良不好導(dǎo)致的。如果渣土改良不好，無論刀盤、地層如果變化，還是會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌或結(jié)泥餅。現(xiàn)對(duì)理想渣土進(jìn)行定性分析，從而找到既不容易噴涌也不容易結(jié)泥餅的渣土改良方法。

1.1?現(xiàn)今理想渣土的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)今普遍認(rèn)知是土壓平衡盾構(gòu)理想渣土要達(dá)到低內(nèi)摩擦角、低滲透率的流塑狀態(tài)，坍落度達(dá)到15～22cm（如圖1、圖2）。黏性土很容易達(dá)到此種狀態(tài)，但由于含黏性顆粒過多，容易結(jié)泥餅。砂和卵石無法達(dá)到流塑狀態(tài)，需要注入膨潤(rùn)水泥漿（細(xì)顆粒），使之盡量達(dá)到流塑狀態(tài)。滲透系數(shù)大的砂和砂卵石地層需要加入一定量的聚合物，防止噴涌，但容易造成結(jié)泥餅。

1.2?理想渣土的水壓力

渣土的流塑狀態(tài)實(shí)際上是流動(dòng)狀態(tài)，此狀態(tài)下渣土含有強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水和一定數(shù)量的自由水。當(dāng)渣土的內(nèi)摩擦角很小時(shí)，渣土的壓力傳遞遞減率很低，很容易造成噴涌。筆者[610]對(duì)開挖面微小單元體幾何尺寸分析，計(jì)算出周邊圓弧形刀盤開挖面每一個(gè)點(diǎn)的無變形的平衡壓力值，并且提出土艙內(nèi)經(jīng)改良的渣土壓力達(dá)到此值，才是達(dá)到真正的土壓平衡，同時(shí)提出了水土壓力的統(tǒng)一計(jì)算方法。但土艙內(nèi)理想渣土壓力土壓力（有效應(yīng)力）和水壓力（中和應(yīng)力）占比未進(jìn)行分析。

為對(duì)理想渣土的水土壓力占比和改良渣土的滲透率進(jìn)行研究，特設(shè)計(jì)一鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置（如圖3）。將改良后的黏性土理想渣土加入試驗(yàn)裝置內(nèi)，上面加蓋板密封，在蓋板上通過千斤頂加力對(duì)渣土進(jìn)行擠壓，模擬土艙壓力。在加壓狀態(tài)下，理想渣土中的水經(jīng)試驗(yàn)裝置一側(cè)的濾水布進(jìn)入水壓表中，通過水壓表測(cè)量固定壓力下的理想渣土水壓力值。千斤頂?shù)膲毫p去水壓力就是土壓力值。經(jīng)試驗(yàn)匯總?cè)绫?。

通過表1可以看出，在加壓狀態(tài)條件下，理想渣土的壓力幾乎全部是水壓力，無土壓力。其原因在于，流塑狀態(tài)的理想渣土本身含有一定量的自由水，同時(shí)理想渣土在壓力作用下，弱結(jié)合水也會(huì)轉(zhuǎn)化為自由水，壓力的傳遞是通過自由水進(jìn)行傳遞的，因此流塑狀態(tài)下的渣土壓力幾乎全是水壓力，幾乎無土壓力。

1.3?理想渣土內(nèi)水的流失

通過上述試驗(yàn)可知，土艙內(nèi)理想渣土壓力幾乎全部是水壓力，盾構(gòu)開挖面原狀土有土壓力和水壓力，當(dāng)渣土水壓力值大于開挖面原狀土水壓力值時(shí)（盾構(gòu)掘進(jìn)中一般都是這種狀態(tài)），土艙內(nèi)渣土的自由水將向原狀土中滲透，渣土中水將流失。筆者模擬理想渣土加壓，自由水流失（如圖4）。當(dāng)壓力足夠大時(shí)，渣土中的弱結(jié)合水全部轉(zhuǎn)化為自由水流失，渣土直接擠壓為固體，渣土固結(jié)。

1.4?理想渣土標(biāo)準(zhǔn)

土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中同時(shí)加入渣土改良劑對(duì)其進(jìn)行改良，以達(dá)到理想渣土狀態(tài)。但由于土艙內(nèi)渣土水壓力大于前方開挖面原狀土的水壓力，渣土內(nèi)水將流失。但由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中一直在加入改良劑（其中主要成分為水），土艙內(nèi)的渣土含水率是有保障的。但當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)停止時(shí)，土艙內(nèi)渣土中水將繼續(xù)向開挖面原狀土內(nèi)流失，渣土中水減少，當(dāng)再次掘進(jìn)時(shí)可能會(huì)造成泥餅的產(chǎn)生，這也是盾構(gòu)停機(jī)過久再次掘進(jìn)渣土較干的原因。當(dāng)土艙內(nèi)渣土較少，壓力較低，開挖面原狀土水壓較大時(shí)，原狀土水將向土艙內(nèi)匯集，如果渣土滲透率大，外部水侵入渣土中，也會(huì)造成盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌。因此，理想渣土應(yīng)該具有低內(nèi)摩擦角、低滲透率、高抗水分散性和高保水率的特性。

2?土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)分析

2.1?渣土改良劑的選取

土壓平衡盾構(gòu)渣土改良材料一般有泡沫、膨潤(rùn)土（細(xì)顆粒）泥漿、聚合物水溶液等。盾構(gòu)掘進(jìn)中加入的渣土改良材料一般是泡沫和膨潤(rùn)土泥漿、泡沫和水或泡沫和聚合物水溶液兩種材料。通過上述試驗(yàn)可知，理想渣土的低滲透率特性通過泡沫或增加細(xì)顆粒是無法滿足的，需要加入一種黏稠性材料才能達(dá)到高抗水分散性和高保水率的特性。在壓力狀態(tài)下改良的渣土外部水不容易侵入、內(nèi)部水不容易流失，才能達(dá)到既不容易噴涌、也不容易結(jié)泥餅的理想渣土狀態(tài)。

筆者通過大量的定性試驗(yàn)并查找相關(guān)資料，尋求在加入泡沫的同時(shí)，加入化學(xué)材料水溶液（如聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、植物膠、黃原膠、減水劑、瓜爾豆膠等的水溶液），能夠達(dá)到所需理想渣土的狀態(tài)，最終選定了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉相混合的水溶液。

利用低濃度聚丙烯酰胺水溶液呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在渣土顆粒間通過機(jī)械的、物理的、化學(xué)的作用將渣土顆粒聚合在一起，渣土內(nèi)大部分水以弱結(jié)合水形態(tài)存在于渣土中。由于低濃度聚丙烯酰胺水溶液呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，渣土外部的水不容易侵入渣土內(nèi)（渣土不會(huì)被稀釋，不會(huì)造成噴涌），渣土內(nèi)部的水不容易流失（壓力狀態(tài)下失水量少，不會(huì)造成結(jié)泥餅）。低濃度聚丙烯酸鈉水溶液在渣土顆粒表面形成吸附層，使顆粒表面的電荷增加，提高形成立體阻礙的顆粒間的排斥力，同時(shí)渣土顆粒表面形成雙電層結(jié)構(gòu)，使雙電層厚度增加，顆粒間因靜電斥力而遠(yuǎn)離，對(duì)渣土顆粒間具有良好的分散性能，顆粒間不容易黏結(jié)，可降低渣土結(jié)泥餅的概率。低濃度的聚丙烯酰胺水溶液和低分子量低濃度的聚丙烯酸鈉水溶液都能使渣土體系均勻，懸浮性能增加，渣土不分層，土艙內(nèi)渣土均勻。

2.2?渣土改良劑的定性試驗(yàn)

通過對(duì)砂和黏性土樣品分別加入水或聚合物（1600萬分子量陰離子聚丙烯酰胺，5000分子量聚丙烯酸鈉）混合水溶液進(jìn)行定性分析。

2.2.1?砂的定性試驗(yàn)

砂加水后容易分層（如圖5）為砂沉淀，砂加入聚合物水溶液中自由水轉(zhuǎn)化為弱結(jié)合水，不容易分層（如圖6），渣土體系均勻。

加水的砂上方加水，水很容易侵入原渣土中（如圖7），加聚合物水溶液的砂上方加水，上方水無法侵入原渣土中（如圖8）。加聚合物水溶液的砂抗水分散性明顯優(yōu)于加水的砂。

加水砂和加聚合物水溶液的砂在同種加壓條件下，加聚合物水溶液的砂（如圖9）的失水率稍低于加水的砂（如圖10）。

2.2.2?黏性土的定性試驗(yàn)

黏性土加水和加聚合物水溶液如果坍落度相同，加聚合物水溶液的量明顯多于加水的量，聚合物將自由水轉(zhuǎn)化為渣土中的弱結(jié)合水（如圖11）。

黏性土加水和加聚合物水溶液在同種坍落度條件下抗水分散性基本相同（如圖12）。

加水的黏性土和加聚合物水溶液的黏性土在同種加壓條件下（如圖13），加聚合物水溶液的黏性土（如圖14）的失水率明顯好于加水的黏性土（如圖15）。

2.2.3?渣土改良劑的作用分析

從試驗(yàn)觀察、加壓失水試驗(yàn)、加水稀釋試驗(yàn)可以得出如下定性結(jié)果：在理想坍落度值相等條件下無論是砂還是黏性土加入聚合物水溶液渣土的含水量要高于只加水的渣土含水量，隨著聚合物濃度的增加，加入的水溶液量增加。加壓時(shí)間與重力相同條件下，加入聚合物水溶液的渣土失水量要低于只加水的渣土失水量。加入聚合物水溶液的渣土抗水分散性明顯好于只加水的渣土抗水分散性。加入聚合物水溶液的渣土均勻性明顯優(yōu)于只加水渣土，尤其是砂渣土樣品更突出。通過定性試驗(yàn)可以得出最終結(jié)論：加入聚合物水溶液的渣土抗水分散性和保水率明顯優(yōu)于只加水的渣土，加入聚合物水溶液的渣土達(dá)到塑性狀態(tài)也不會(huì)結(jié)泥餅。塑性狀態(tài)渣土一定程度上也降低了盾構(gòu)噴涌的概率。

渣土坍落度相等條件下，由于不同地質(zhì)、不同聚合物加入的量會(huì)有所不同。因此，此試驗(yàn)只進(jìn)行定性分析，不再進(jìn)行定量分析。筆者只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉的混合水溶液，使改良后的渣土達(dá)到高抗水分散性和高保水率的塑性狀態(tài)。理論上聚合物的濃度越高，加入聚合物水溶液的量越多，渣土的弱結(jié)合水含量越多，越不容易結(jié)泥餅。聚合物水溶液的濃度要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3?土壓平衡盾構(gòu)渣土改良位置優(yōu)化與實(shí)踐應(yīng)用

土壓平衡盾構(gòu)結(jié)泥餅位置一般發(fā)生在土艙中心（土艙中心一般無攪拌裝置）。為保證渣土改良均勻，防止結(jié)泥餅，優(yōu)化方案如下：刀盤前方按常規(guī)注入泡沫，刀盤前方中心、土艙中心和土艙最上方三個(gè)位置注入聚合物水溶液，注入量采用變頻泵控制，注入速度與量可調(diào)并可顯示，方便盾構(gòu)機(jī)操作手根據(jù)渣土狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整。成都軌道交通19號(hào)線二期工程約14臺(tái)盾構(gòu)采用泡沫和聚合物水溶液的綜合渣土改良方法，渣土達(dá)到理想的塑性狀態(tài)（如圖16、圖17），盾構(gòu)掘進(jìn)過程中基本未發(fā)生噴涌和結(jié)泥餅現(xiàn)象，使用效果良好。使用聚合物水溶液配比如表2。

結(jié)語(yǔ)

（1）理想渣土標(biāo)準(zhǔn)是低內(nèi)摩擦角、低滲透率、高抗水分散性和高保水率的塑性狀態(tài)。

（2）泡沫與低濃度聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉混合水溶液的綜合渣土改良方法能夠降低盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌、結(jié)泥餅的概率。

（3）優(yōu)化渣土改良位置，注入速度與量可調(diào)才能保證達(dá)到理想渣土狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅鑫暉，莫濤，張晨，等.復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)泥餅成因及預(yù)防措施[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2020，16（增刊2）：864.

[2]賀雄飛，張迅，李治國(guó)，等.盾構(gòu)施工新型防結(jié)泥餅泡沫劑的研制與應(yīng)用[J].隧道建設(shè)（中英文），2019，39（6）：925.

[3]宋上明，李志軍，陳先智，等.昆明地區(qū)礫砂復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良技術(shù)[J].施工技術(shù)，2019，48（10）：112.

[4]連小濤.南昌地鐵礫砂層渣土改良技術(shù)試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2020（4）：14.

[5]鐘小春，張洋，張露露，等.復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)壓力艙渣土改良研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，37（2）：24.

[6]王國(guó)義，王婷雯.盾構(gòu)平衡壓力理論計(jì)算與應(yīng)用技術(shù)[J].山西建筑，2020，46（6）：1.

[7]王國(guó)義，蔣宗全.飽和土有效應(yīng)力原理下的水土壓分算和合算的統(tǒng)一計(jì)算[J].山西建筑，2020，46（11）：4.

[8]王國(guó)義，蔣宗全.談太沙基有效應(yīng)力原理的是是非非[J].隧道建設(shè)（中英文），2020，40（增刊2）：45.

[9]王國(guó)義，蔣宗全.再談新飽和土應(yīng)力原理與水土壓力的統(tǒng)一計(jì)算[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（增刊1）：302.

[10]王國(guó)義.新飽和土有效應(yīng)力原理下的地下建筑浮力計(jì)算[J].山西建筑，2021，47（6）：62.

作者簡(jiǎn)介：王國(guó)義（1974—?），男，遼寧葫蘆島人，本科，正高級(jí)工程師，現(xiàn)從事盾構(gòu)技術(shù)與管理工作。