富水砂層地鐵盾構隧道渣土混合改良的流塑性與滲透性

鄭選榮 劉 瑩 丁鵬程 李 鵬 郭 峰 陸宏朝 李軍鋒

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院, 710054, 西安; 2.中鐵北京工程局集團有限公司, 230088, 合肥)

西安富水砂層具有黏聚力小、顆粒間摩阻力大、含水率高等特點,在盾構掘進過程中,易出現刀盤扭矩過大、刀盤卡死、刀具損壞等問題[1],因此渣土改良必不可少。文獻[2]分析了渣土粒徑對渣土改良的影響。文獻[3]通過泡沫改良渣土,得出砂土的理想坍落度為150～200 mm。文獻[4]通過研究發現顆粒大小是影響砂土改良效果的重要因素。文獻[5]以泡沫和膨潤土泥漿作為改良劑改良砂土地層。文獻[6]通過室內試驗,探究各種改良劑單獨或共同作用下對富水圓礫地層的改良效果。文獻[7]研究膨潤土泥漿與泡沫的注入體積配比間的交互影響。

上述研究大多采用一種土樣作為渣土改良的試驗土樣,缺乏對不同土層渣土改良效果的對比研究,且考慮不同含水率對渣土改良效果的影響研究也較少。本文以西安地鐵16號線(以下簡稱“16號線”)一期區間工程為依托,研究了不同渣土含水率對泡沫改良渣土效果的影響,以及膨潤土泥漿與泡沫共同作用對中砂、礫砂兩類地層渣土改良效果的影響。

1 工程概況

16號線某隧道區間主要穿越地層為〈2-5-3〉中砂和〈2-7-3〉礫砂,且〈2-5-3〉中砂、〈2-7-3〉礫砂地層粒徑大于2 mm的體積分數分別占3.8%、28.7%。16號線某隧道區間部分地質剖面圖見圖1。區間地下水主要為孔隙潛水,水位穩定埋深為11.0～16.2 m,含水率豐富,滲透性強。

圖1 16號線某隧道區間部分地質剖面圖

2 改良劑調配試驗

2.1 泡沫調配試驗

本次試驗采用攪拌法發泡,發泡液來自廣州隧吉有限公司,分別配置發泡液質量分數為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%。測量不同質量分數發泡液所產生泡沫的半衰期和發泡倍率,結果見圖2—圖3。

圖2 泡沫的半衰期-發泡液質量分數關系曲線

從圖2—圖3可以看出:泡沫半衰期隨著發泡液質量分數的增加呈現先增大后減小的趨勢,而發泡倍率隨著質量分數的增大一直增大。究其原因為:隨著發泡液質量分數的增加,泡沫延展性變好,產生的泡沫體積變大,數量變多,造成液膜稀釋,使得泡沫提前消散;另外泡沫數量過多時,也會導致泡沫連通而形成多邊形泡沫,泡沫穩定性變差,使得其易破滅。發泡液的質量分數為3%,半衰期為12.4 min,發泡倍率為14.7。

圖3 泡沫的發泡倍率-發泡液質量分數關系曲線

2.2 膨潤土泥漿調配試驗

本次泥漿試驗通過測試膨潤土泥漿黏度來評價其性能。試驗采用馬氏漏斗黏度計測量膨潤土泥漿黏度。膨潤土取用洋縣天順膨潤土有限公司生產的納基膨潤土,膨潤土、水的質量分數(以下簡稱“泥水比”)分別設為1∶10,1∶9,1∶8,1∶7,1∶6,對膨潤土膨化24 h,期間每隔4 h采用馬氏漏斗測量各泥水比下的泥漿黏度。膨潤土泥漿黏度-膨化時間關系曲線如圖4所示。從圖4可以看出:膨潤土泥漿黏度隨時間的增加不斷增加,并在16 h后趨于穩定。根據工程經驗,泥漿膨化黏度在35 s以上,能達到盾構施工需求。泥水比1∶8的膨潤土泥漿黏度為50 s,故本試驗采用泥水比1∶8的膨潤土泥漿作為試驗泥漿配比。

圖4 膨潤土泥漿黏度-膨化時間關系曲線

3 渣土改良試驗實施及分析

3.1 重塑土樣的配置

由文獻[4]可知,顆粒級配是影響渣土改良的主要因素之一,而不均勻系數Cu和曲率系數Ca是影響顆粒級配的主要參數。本次重塑土樣的選取以Cu和Ca為切入點,針對現場盾構穿越區段,對地勘資料內砂層土樣的Cu和Ca進行大量總結歸納后,發現該區段的中砂、礫砂多為Cu<5或Ca<1的顆粒級配不良砂。選取中砂、礫砂中最具代表性試樣的顆粒級配參數配置重塑土樣。重塑土樣中的中砂、礫砂顆粒級配曲線如圖5所示。每次試驗配土質量為10 kg。

圖5 重塑土樣中中砂、礫砂的顆粒級配曲線

3.2 泡沫改良試驗

根據有關泡沫改良機理[6]可知,泡沫改良渣土性能不僅與泡沫本身性能有關,還與渣土的孔隙比、含水率有關。泡沫改良渣土主要通過將泡沫注入渣土孔隙中,以起到潤滑、止水的效果,進而改善渣土的流塑性和滲透性。同時渣土含水率的不同,也會影響泡沫改良渣土的效果。為探究不同含水率對泡沫改良渣土性能的影響,本文以中砂為例,通過改變土樣含水率,觀測不同FIR(泡沫注入率)下坍落度和滲透系數的變化趨勢,分析含水率對泡沫改良渣土的影響。

渣土不同含水率下中砂坍落度-FIR的關系曲線如圖6所示。從圖6可以看出:中砂坍落度隨FIR的增加呈現非線性增長;當含水率為2.5%,FIR小于10%時,泡沫對渣土流塑性的改良效果微乎其微,究其原因為渣土內部自由水體積分數不足,導致泡沫液膜中水分被土體顆粒吸收,液膜變相稀釋,從而加速泡沫破裂,導致泡沫改良的效果不佳;當含水率為10%時,渣土出現析水、析泡現象,從而導致其流塑性過大。由此可見,單獨采用泡沫改良渣土的情況下,中砂坍落度受含水率影響波動較大,泡沫單獨作用對富水砂層渣土的流塑性改良效果不佳。

圖6 渣土不同含水率下中砂坍落度-FIR的關系曲線

渣土不同含水率下滲透系數-FIR的關系曲線如圖7所示。從圖7可以看出:當含水率為2.5%,由于土樣中水分不足,導致渣土的滲透性能微乎其微;當含水率分別為5.0%、7.5%,FIR小于15%時,渣土的滲透系數隨FIR增加迅速降低;當FIR大于15%,含水率分別為5.0%、7.5%時,FIR分別從25%、15%兩個節點開始,滲透系數隨FIR的增加不降反增,究其原因為,渣土含水率較高的條件下,當FIR較大時,泡沫會被自由水裹挾流出,大量泡沫在注入試樣后析出,析出的泡沫伴隨著水和細顆粒流出,導致土體內部形成細微的涌水通道,降低了土體的保水能力和黏聚能力;當含水率達到10%時,土樣含水率較大,渣土內自由水體積分數較高,渣土內孔隙幾乎被自由水填充,導致泡沫改良渣土效果不佳,注入泡沫后,泡沫會被自由水裹挾流出,起不到改良效果。

圖7 渣土不同含水率下中砂滲透系數-FIR的關系曲線

綜上所述,泡沫單獨改良富水砂層的效果不佳。

3.3 泡沫、膨潤土泥漿混合改良試驗

3.3.1 坍落度試驗及結果分析

本次試驗通過坍落度試驗來檢測渣土的流塑性。坍落度試驗所用的重塑土樣按第3.1節中的顆粒級配曲線配置。采用膨潤土泥漿和泡沫作為改良劑,改良劑配比按第2章中的調試結果配置。泥水比取1∶8,BIR(膨潤土泥漿注入比)分別取5%、10%和15%。泡沫質量分數采用3%;FIR設定從15%開始增加,每次增加梯度為5%,加至40%。為控制試驗變量,方便后續與礫砂進行對比分析,中砂、礫砂的含水率均設定為10%,且采用相同的FIR和BIR。

經泡沫、膨潤土泥漿混合改良后,中砂和礫砂的坍落度-FIR的關系曲線見圖8—圖9。從圖8—圖9可以看出:中砂、礫砂的坍落度隨FIR的增加呈非線性增大;在相同改良劑配比下,改良劑對中砂坍落度的效果比礫砂好,如FIR為30%,BIR為10%時,中砂和礫砂的坍落度分別為189 mm和159 mm。由此可見,不同BIR下都能得到符合渣土流塑性的改良配比,因此需通過滲透試驗可進一步篩選得出渣土最優改良方案。

圖8 混合改良后中砂的坍落度-FIR的關系曲線

圖9 混合改良后礫砂的坍落度-FIR的關系曲線

3.3.2 滲透試驗及結果分析

為防止螺旋運輸機噴涌,維持掌子面穩定,渣土滲透性是其中不容忽視的一項指標。本文采用自制變水頭滲透儀來測量渣土的滲透性。該儀器的主體是1個內徑為200 mm,厚度為10 mm,高度為650 mm的有機玻璃筒,試驗柱上部連接空氣壓縮機和調壓裝置,如圖10所示。

圖10 自制變水頭滲透儀

試驗前對自制變水頭滲透儀的密封性進行檢驗,檢驗其是否有漏水、漏氣現象。在保證氣密性良好的情況下,向儀器內分層填土,并對土層振搗擊實,從儀器內上部注入比土層面高約10 cm的水,封閉儀器,打開空氣壓縮機,增加氣壓至90 kPa并維持恒定,打開排水閥,記錄排水量,最后求得滲透系數。改良后中砂、礫砂的滲透系數-FIR的關系曲線見圖11—圖12。

圖11 混合改良后中砂的滲透系數-FIR的關系曲線

圖12 混合改良后礫砂的滲透系數-FIR的關系曲線

從圖11—圖12可以看出:改良后中砂、礫砂的滲透系數總體上都隨著FIR的增加而減小;部分中砂、礫砂的滲透系數在FIR增加到一定值時,呈現不降反增的趨勢。究其原因為:隨著BIR的增大,渣土空隙被自由水、膨潤土泥漿,以及土中細顆粒填充的空間越多,導致泡沫滲入土體空隙越困難,當FIR增加到一定程度后,泡沫會被自由水裹挾流出,析出的泡沫伴隨著水和細小顆粒形成小的涌水通道,從而出現析水、析泡的現象,降低了試驗土樣的保水能力和黏聚力,導致渣土滲透性能不降反增。

結合混合改良渣土的坍落度試驗和滲透試驗,在考慮經濟成本和施工需求的前提下,得出中砂改良的最佳配比為:BIR為10%,FIR為20%～25%;礫砂改良的最佳配比為:BIR為10%,FIR為30%～40%。膨潤土泥漿地摻入量可根據實際進行適當調整。

4 實際工程應用

在實際盾構掘進施工中,采用膨潤土泥漿、泡沫混合改良的方案,即采用泥水比1/8、發泡液質量分數3%的改良劑對富水砂層進行改良。采用本次渣土改良試驗配比前后的盾構刀盤扭矩、轉速等參數隨管片環號變化曲線如圖13所示。由圖13可以看出:在渣土原始配比下掘進時,刀盤扭矩約為3 500 kNm,刀盤轉速為1.5 r/min;渣土改良后,刀盤扭矩大多約為2 600 kNm,刀盤轉速為1.6 r/min。由此可見,改良后刀盤扭矩明顯降低,刀盤轉速有所提升,且均能維持穩定。盾構的推進速度亦維持在40～50 mm/min范圍內,盾構每環出土量約為50～60 m3,各項推進參數基本正常,表明渣土改良效果總體較好。結合圖1可知,該混合改良配比對該區段渣土改良有顯著的效果。

圖13 改良前后刀盤扭矩和轉速-管片環號變化曲線

5 結語

1) 針對富水砂層宜采用泡沫、膨潤土泥漿混合改良。當發泡液質量分數3%,膨潤土泥漿泥水比為1∶8時,泡沫的半衰期為12.4 min,發泡倍率為14.7倍,膨潤土泥漿黏度為50 s,可見改良劑性能均滿足需求。

2) 采用泡沫單獨改良渣土,能有效改善渣土的流塑性,但其受含水率的影響較大。當渣土含水率較高時,砂層易出現析水、析泡現象,導致渣土的滲透系數不降反增。

3) 本文缺乏不同渣土含水率對泡沫、膨潤土泥漿混合改良效果的影響分析,后續可對此展開深入研究。對渣土的變級配問題研究不深,渣土級配不同對其改良的影響亦是后續研究的重點。