泡沫和膨潤土泥漿對改良砂土滲透性的研究*

齊躍軍

(中鐵十八局集團有限公司， 300222， 天津∥工程師)

0 引言

土壓平衡盾構具有施工效率高、掘進速度快、對周邊環(huán)境影響小及施工占地少等優(yōu)點，成為城市地鐵隧道施工的主要機械。其根據土艙壓力反饋調節(jié)螺旋出土和盾構推進速度以維持掌子面水土壓力動態(tài)平衡。盾構掘進過程中的一個關鍵施工步驟，即為如何使刀盤切削下來的土體處于一種低滲透性“塑性流動狀態(tài)”。因此，要對土艙內的渣土采用泡沫、膨潤土泥漿等添加劑進行改良[1]。

土壓平衡盾構在富水砂層中掘進時要求土艙中渣土具有較好的流塑性和均質性，以便能夠無損傳遞盾構千斤頂推力至掌子面，維持水土壓力平衡[2-3]。除了要求渣土具有較好的流塑性和較小的摩擦角外，低滲透性也是非常重要的。當盾構機埋深在地下水位以下且水壓較大時，只有低滲透性的渣土才能均勻地將盾構推力傳遞至掌子面以維持平衡，同時可阻止掌子面水向土艙發(fā)生滲透而引起的噴涌事故發(fā)生[4-5]。因此，為防止噴涌事故發(fā)生，同時考慮管片拼裝盾構停機時間損耗，改良后砂土理想滲透系數至少在90 min內應維持小于10-5m/s[6]。在隧道掘進前可通過試驗段或室內改良試驗確定合理的改良劑配比以實現最佳渣土改良效果，同時可量化渣土改良參數降低砂土滲透性，用于指導現場盾構施工。

目前，國內外眾多學者針對改良后土體滲透性進行了探究。文獻[2]對9種土在不同泡沫注入率(0～65%)下開展?jié)B透試驗，試驗結果表明泡沫對砂性土滲透性改良效果較好，對卵石土和粉土改良效果較差。文獻[4]設計變水頭滲流試驗裝置，研究了改良后渣土滲透系數的時變效應。文獻[5-6]通過常水頭滲透試驗，以泡沫改良土滲水量達到2 L所耗時間來表征泡沫改良土的滲透性，試驗結果表明土體中細顆粒含量越多，改良土的抗?jié)B性越好。文獻[7]提出泡沫能否有效降低渣土的滲透系數，取決于渣土的級配特性，通過改變土的有效粒徑、曲率系數和不均勻系數，對泡沫改良后的渣土進行滲透試驗得出有效粒徑對渣土滲透系數的影響較大，曲率系數和不均勻系數對渣土滲透系數的影響較小。文獻[8]通過常水頭滲透試驗，從砂土級配、泡沫體積分數及泡沫注入率3個方面研究盾構砂性渣土-泡沫混合物滲透系數的變化規(guī)律。文獻[9]通過自行設計的可調壓大型常水頭滲透儀對現場改良渣土進行滲透性評價，結果表明其滲透系數隨著測試時間的增加而降低，在2 h后減為0，原因在于渣土中的細顆粒逐漸被滲流水攜帶至土樣底部而形成完全不透水土體。文獻[10]針對富水圓礫地層，采用CMC(羧甲基纖維素)、膨潤土泥漿和PAM(聚丙烯酰胺溶液)均可有效改善渣土滲透性，且滲透性隨著注入比的增大而增大，泡沫的摻入對泥漿和PAM共同改良渣土的滲透性無影響。文獻[11]推導了盾構機噴涌時掌子面水壓力和滲流量的理論公式，提出了不同城市土層掘進過程中發(fā)生噴涌的臨界條件。

綜上所述，目前許多學者分別對不同地層采用泡沫改良后的土體滲透性進行了大量的試驗研究，但尚未進行不同改良劑對高滲透性、高水壓砂層滲透性影響的試驗研究。本文以南昌地鐵4號線民園路西站—火矩路站區(qū)間為例，對掌子面砂土進行顆粒級配分析，采用泡沫和膨潤土進行改良試驗，通過坍落度試驗、滲透試驗及渣土表觀狀態(tài)，綜合判斷渣土改良效果、抗?jié)B性和量化砂土改良參數的控制指標。

1 工程概況

根據隧道地質縱剖面圖，民園路西站—火矩路站區(qū)間盾構穿越地層為由粗砂和礫砂組成的富水砂層區(qū)，其地層縱剖面圖如圖1所示，砂土物理力學參數如表1所示。隧道埋深5.6～16.2 m，地下水位埋深約4.0～6.0 m，靜水壓力約140～220 kPa。七里站—民園路西站區(qū)間隧道為高滲透性、高水壓砂層，滲透系數約為10-4～10-3m/s，盾構穿越時，螺旋輸送機無法保持正常的壓力梯降，易產生螺旋機出土口噴水、噴砂、噴泥的現象[11]。

圖1 民園路西站—火炬路站區(qū)間地質剖面圖Fig.1 Geological section of Minyuan Road West Station—Huoju Road Station interval

表1 砂土物理力學參數 Tab.1 Physical and mechanical parameters of sand soil

2 渣土改良降低滲透性的機理分析

2.1 改良目的

目前，南昌地鐵車站大部分建設在沿贛江兩岸的I級和II級河流階地中。其中大量區(qū)間隧道穿越富水砂層，使盾構掘進開挖后的渣土具有高透水性，由此容易導致螺旋機噴涌；同時砂土內摩擦角大，容易在土艙頂部形成土拱效應[12]，導致出渣困難、掌子面壓力施加不均勻，因而誘發(fā)地表沉降過大。文獻[13]總結了采用土壓平衡盾構掘進時理想渣土條件(見表2)，渣土改良的主要目的如下：① 降低砂土滲透系數;② 改善砂土流動性;③ 降低砂土內摩擦角;④ 獲得均質流塑性渣土。

表2 土壓平衡盾構理想渣土參數

2.2 微觀機理分析

1) 泡沫改良砂土的微觀機理分析：砂土的滲透系數與顆粒級配、顆粒大小及孔隙率密切相關，砂土中細顆粒含量多，相應的滲透性就會低。文獻[15]把泡沫看成一種土顆粒，在砂土中添加泡沫相當于增加了砂土細顆粒含量，由于泡沫90%是由空氣組成，使砂土孔隙中增加了大量的封閉氣體，這些封閉氣體以泡沫的形式存在，阻斷了砂土孔隙水的滲流通道，達到降低渣土滲透性的目的。泡沫改良砂土后滲透性降低主要原因就是微小泡沫對砂土孔隙的封堵作用。

2) 膨潤土改良砂土的微觀機理分析：膨潤土按交換的陽離子不同分為鈉基和鈣基兩種，目前盾構施工時常使用鈉基膨潤土進行渣土改良，其顆粒晶胞間靠微弱的分子間作用力連接，當與水接觸時，由于晶胞間連接不緊密，水分子可快速進入膨潤土顆粒晶胞之間，促使晶格發(fā)生膨脹，一般膨脹倍數為10～40倍，形成膏脂狀膨潤土泥漿后滲透系數小于10-7m/s，幾乎不透水[16]。在與砂土相互攪拌混合后，可使砂土滲流通道變窄，極大地降低了砂土的滲透系數。

通過泡沫、膨潤土泥漿等不同改良劑組合配比對渣土進行改良，最終可在盾構土艙內形成均質、不透水的流塑性材料，如圖2所示。

3 試驗材料及方法

3.1 砂土配置

本文改良后渣土的滲透性試驗采用的設備是TST-55型滲透儀，土樣尺寸為φ61.8 mm×40 mm。試驗所用砂土取至民園路車站基坑中，深度同盾構掘進掌子面深度，測試土的主要參數包括砂土顆粒級配、含水率及滲透系數。根據《鐵路工程土工試驗規(guī)程》，分別采用震動式篩分機和TST-70型常水頭滲透儀測定砂土顆粒級配及砂土滲透系數。砂土顆粒級配曲線如圖3所示。

圖2 土艙內渣土形成不透水性材料過程Fig.2 Process of impermeable material formed from muck in soil chamber

圖3 砂土顆粒級配曲線Fig.3 Grading curve of sand soil

通過圖3顆粒級配曲線分析可知，該砂土缺失細顆粒組(粒徑<0.075 mm)，在富水砂層中盾構掘進時極易因渣土滲透系數過大而發(fā)生噴涌現象，嚴重時甚至誘發(fā)地表沉降過大。經6次常水頭滲透試驗測得未改良砂土的平均滲透系數為1.143×10-4m/s。

3.2 膨潤土泥漿配置

結合現場調研資料、地層參數及膨潤土本身特性，選擇土與水的質量比為1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10共5種膨潤土泥漿進行泥漿黏度測試及改良試驗。具有一定黏度的膨潤土泥漿可以有效地包裹住大粒徑土顆粒及填充顆粒之間的孔隙，以增強砂土的流動性，減少砂顆粒與刀盤之間的摩擦。但泥漿黏度過大可能會造成泥漿輸送系統的壓力過大，不利于流暢地泵送。對于富水砂層改良，膨潤土泥漿黏度在20～30 mPa·s之間的改良效果較好[17]。為獲得理想黏度對應的膨潤土泥漿土與水的質量比，實驗室采用六度旋轉黏度計進行了5種不同土與水質量比的膨潤土泥漿黏度測試，如圖4所示。

圖4 不同土、水質量比的膨潤土泥漿黏度測試Fig.4 Performance testing of bentonite slurry with different soil-water mass ratio

通過膨潤土泥漿黏度試驗分析得出，膨潤土泥漿土與水的質量比為1∶8 時，符合盾構施工用膨潤土泥漿黏度要求。

3.3 泡沫制備

根據文獻[18]研究，采用泡沫劑溶液濃度為3%發(fā)出的泡沫改良渣土效果理想。實驗室采用的泡沫劑取于施工現場，以確保試驗結果對施工的指導性。將泡沫劑溶液通過發(fā)泡設備制備泡沫。

4 富水砂層改良滲透性試驗

為了測定改良后的砂土是否滿足滲透性及盾構機掘進要求，需要開展不同改良劑對砂土滲透性影響的試驗研究。分別進行單一泡沫改良、單一膨潤土改良、泡沫+膨潤土復合改良及添加聚合物改良等4種試驗，最終確定土壓平衡盾構在富水砂層中掘進的最佳改良劑配比。

4.1 單一泡沫改良滲透性試驗

圖5給出了單一泡沫改良后砂土滲透系數k和坍落度S隨泡沫注入率的變化情況，泡沫注入率區(qū)間為5%～20%，梯度為5%。在泡沫注入率達到15%～20%后，S達到225 mm，此時流動性較大，渣土狀態(tài)接近流態(tài)，不利于螺旋出土器排渣。因此，對于單一泡沫改良富水砂層的滲透性試驗，不研究注入率大于20%。由圖5可見，砂土滲透系數隨著泡沫注入率的增加先急劇下降，之后緩慢下降；S隨著泡沫注入率的增加而增加，在注入率達到15%后，S變化趨于平緩。

綜上所述，泡沫對砂土流動性能夠起到明顯的改善作用，泡沫注入率為10%時S已達到盾構掘進要求；k雖隨著泡沫注入率的增加逐漸減小，但未達到盾構排渣過程中防噴涌要求(k<10-5m/s)。所以，對于富水砂層單一泡沫改良可達到渣土流動性指標，但無法達到渣土抗?jié)B要求。

圖5 渣土k和S隨泡沫注入率的變化曲線Fig.5 Curve of permeability coefficient (k) and slump (S) varying with FIR of muck

4.2 單一膨潤土改良滲透性試驗

圖6給出了單一膨潤土改良后砂土的k、S隨膨潤土注入率的變化情況，注入率區(qū)間為5%～30%，梯度為5%。由圖6可見,砂土k在膨潤土注入率為10%～15%范圍內急劇下降，在15%～30%范圍內緩慢下降;S隨著膨潤土注入率的增加而增加，S在膨潤土注入率為5%～15%內緩慢增加，在15%～25%內急劇增加，在25%～30%內又趨于平緩。當膨潤土注入率達到10%時，k為2.9×10-6m/s，達到渣土抗?jié)B、防噴涌要求;當膨潤土注入率為20%～25%時，渣土S在150～200 mm，砂土才具有較好的流動性。

圖6 渣土k和S隨注入率的變化曲線Fig.6 Curve of permeability coefficient (k) and slump (S) varying with BIR/FIR of muck

綜上所述，對砂土采用單一膨潤土泥漿改良可達到渣土抗?jié)B要求，也可達到流動性要求，但需要較大的注入率，對現場施工配置泥漿而言工作量較大且不經濟。膨潤土泥漿能夠明顯降低砂土滲透系數并達到抗?jié)B要求，對砂土的流動性改善作用不如泡沫，即泡沫對砂土流動性改善起主導作用，膨潤土泥漿對砂土滲透系數改善起主導作用，兩種改良劑之間之間又存在相互促進作用，因此可考慮兩種改良劑對砂土進行復合改良，在滿足流動性和滲透性基礎上確定復合改良配比。

4.3 復合改良滲透性試驗

通過單一泡沫改良砂土試驗分析可知，當泡沫注入率在10%～15%時，渣土對應的S為170～220 mm，滿足盾構掘進中螺旋排渣要求。通過單一膨潤土泥漿改良試驗，當膨潤土泥漿注入率達到10%時已滿足渣土抗?jié)B要求。因此，考慮到兩種改良劑的各自特性及各自單一改良砂土試驗結果，分別對砂土進行了泡沫注入率為10%、膨潤土注入率為10%，泡沫注入率為15%、膨潤土注入率為10%兩組復合改良試驗。2種改良劑配比條件下砂土S及k值如表3所示。

表3 砂土復合改良試驗結果

5 結語

本文主要通過改良后砂土的變水頭滲透試驗及坍落度試驗，探討了泡沫和膨潤土泥漿對砂土滲透性的影響規(guī)律，得出以下結論：

1) 單一泡沫改良時，隨著泡沫注入率的增加，砂土的k值雖有所降低，但達不到盾構掘進時螺旋機渣土抗?jié)B要求；砂土的流動性可得到明顯的改善，在泡沫注入率為10%時，已達到盾構要求的渣土流動性指標。

2) 單一膨潤土泥漿改良時，隨著膨潤土泥漿注入率的增加，砂土的k值明顯降低，在k<10-5m/s時已達到盾構要求的渣土抗?jié)B性性指標；當膨潤土注入率為20%～25%時，才能達到渣土流動性要求。

3) 通過單一泡沫和單一膨潤土泥漿改良試驗可知:僅使用泡沫改良可達到流動性指標但無法達到渣土抗?jié)B指標；僅使用膨潤土泥漿改良可達到渣土抗?jié)B指標，也可達到流動性指標，但需要膨潤土泥漿注入率大于20%。因此，泡沫主要用來改善砂土流動性，膨潤土泥漿主要用來改善砂土的抗?jié)B性。采用泡沫+膨潤土泥漿復合改良時，合理的改良劑配方為：泡沫注入率=10%～15%、膨潤土注入率=10%。此時，在優(yōu)化泡沫和膨潤土泥漿注入率的基礎上既能夠達到渣土抗?jié)B要求，也能夠達到流動性要求。