土壓平衡盾構通用型渣土改良技術研究

摘 要：為解決城市地鐵土壓平衡盾構施工中經常出現的結泥餅、噴涌等重大安全隱患問題。本文對不同地質環境下的渣土滲透系數、內摩擦角、渣土保水率和渣土抗水分散等進行試驗研究，并系統分析改良后渣土內摩擦角變化、抗剪強度變化、不同壓強下渣土含水量變化、改良后渣土滲透系數變化以及抗水分散性變化。本文提出低濃度陰離子1600萬分子量的聚丙烯酰胺溶液和5000分子量聚丙烯酸鈉溶液具有良好的渣土改良效果，能適應所有盾構施工地層，其中聚丙烯酰胺是最好的改良劑，針對不同地質環境提出了土壓平衡盾構通用型最優改良方案及改良劑最佳配比。

關鍵詞：城市地鐵；渣土改良；通用型；土壓平衡；盾構施工

中圖分類號：U 45" " 文獻標志碼：A

土壓平衡盾構廣泛應用于城市地鐵施工中，我國各地城市地鐵所處的水文地質及穿越的地下環境極其復雜多變，因此盾構在掘進中會出現掘進姿態難以控制、刀盤磨損嚴重、盾構扭矩過大、刀盤泥餅、隧道超挖、地表沉降過大等一系列復雜問題。因此，很多學者對此進行相應研究，例如：劉霆宇等[1]進行土壓平衡盾構改良渣土坍落度試驗，吉力此且等[2]針對大粒徑卵石地層土壓平衡盾構施工提出了渣土改良最優方案，崔燦[3]針對富水砂層土壓平衡盾構渣土改良進行試驗研究，并提出了相應改良方案，王樹英等[4]針對富水礫砂地層提出了渣土改良措施，黃逢源等[5]針對富水復合地層土壓平衡盾構渣土改良進行試驗研究，齊飛等[6]對土壓平衡盾構砂卵石渣土改良效果進行研究等。目前渣土改良的研究成果主要針對某一特定的地質環境，不具有通用性，因此為了找到可適用于不同地質環境的土壓平衡盾構渣土改良最佳方案，本文對不同地質環境下的渣土進行改良試驗研究，并提出了不同地質環境下的土壓平衡盾構改良試驗理論及最優改良方案的相關參數，為類似工程研究、設計以及施工提供借鑒。

1 試驗材料

為了解決土壓平衡盾構施工中渣土可能結泥餅或者噴涌的問題，本試驗在渣土合適塌落度區間內對不同改良劑配比進行改良，并選出最佳的渣土改良劑及其配比，以此使改良后的渣土既能防結泥餅又能防噴涌，從而更好地滿足施工現場要求。

純砂：主要礦物組成為石英、云母、長石等，經實測內摩擦角為35.9°。

砂卵石：卵石體積占比30%的砂卵石，砂卵石主要礦物組成為石英、云母、長石等，經實測內摩擦角為38.6°。

粉碎的泥巖：試驗所用的泥巖是經過粉碎后細化的泥巖，泥巖內摩擦角為45.8°，松散體黏聚力為18.7kPa。

砂卵石＋泥巖（復合地層）：盾構施工開挖面一半砂卵石一半泥巖，它是兩種土樣的結合，所選用泥巖內摩擦角為45.8°，松散體黏聚力為18.7kPa，砂土內擦角為38.6°。

聚丙烯酰胺：聚丙烯酰胺為陰離子型絮凝劑，少量摻入后即可對渣土起到增稠、保水等作用，按分子量可分為低分子量型、高分子量型。

聚丙烯酸鈉：將聚丙烯酸鈉作為陰離子增稠劑和保水劑。采用5000分子量的聚丙烯酸鈉。

CMC：羧甲基纖維素（CMC）。

膨潤土：膨潤土為蒙脫石礦物。選用鈉基膨潤土。

水：選用的水為四川省成都市的自來水。

2 試驗方法及試驗過程

2.1 試驗方法

根據有關文獻及工程經驗，滲透系數、內摩擦角、渣土保水率和渣土抗水分散對渣土結泥餅指標和噴涌指標影響最大，因此對其進行相應試驗。

2.1.1 渣土滲透系數測定方法

渣土的滲透率：通過滲透系數反應，滲透系數越大則透水性越強，由于渣土改良后滲透率都會降低，因此采用變水頭法（砂卵石、泥巖，泥巖和砂卵石混合）測定渣土的滲透系數，從而判斷其滲透率。

2.1.2 渣土內摩擦角測定方法

可以通過抗剪強度線的斜率求得渣土的內摩擦角，因此可采用直接剪切試驗求得內摩擦角。

2.1.3 渣土保水率測定方法

測定渣土的保水率包括2個參數指標：同種坍落度條件下不同改良方法渣土的含水率；同種坍落度、對渣土施加壓力相等（渣土水要流失）、一定時間條件下，渣土中剩余的含水率與渣土水的流失率。用烘干法測定土的含水率。

2.1.4 渣土抗水分散性測定方法

通過自制的抗沖刷性能測試裝置（圖1），測量渣土經過不同流速的水沖刷后的殘余質量。該水槽設置了一個進水口和一個出水口，并在進水口設置微型水泵以控制水流速度。在水流穩定后，將500g渣土直接倒入離出水口約30cm的槽底。在出水口的水流不再渾濁后，測定留在槽底的渣土質量，其與初始渣土質量的比值則為漿液的沖刷質量殘留率。將流速分別控制為0.1m/s、0.2m/s和0.3m/s。

2.2 試驗過程

試驗過程主要包括確定合理塌落度區間，配制渣土改良劑，配制泡沫劑，混合攪拌均勻后進行直剪試驗，保水率試驗，變水頭試驗。

2.2.1 確定合理塌落度區間

土壓平衡盾構安全快速施工的關鍵是土倉內的土體能夠形成“流塑性狀態”，即開挖后的土體具有較好的和易性、較低的剪切性以及較大的抗滲性，使掌子面能夠保持穩定且渣土能夠順利排出。

根據現場試驗并查閱相關文獻，確定合理塌落度區間為10～15cm。改良后，泥巖的塌落度為12cm。

2.2.2 配置渣土改良劑

試驗采用的渣土改良劑有1600萬分子量聚丙烯酰胺溶液、5000分子量聚丙烯酸鈉溶液、CMC溶液，膨潤土。將前3種聚合物采用相同自身濃度和相同摻入質量比進行對比試驗。配置步驟如下。①在高精度天平上放一張白紙并去皮，在上面稱量0.1g、0.2g、0.3g改良劑溶質。并準備2L清水。②混合上述改良劑溶劑和清水，并且攪拌均勻，對應質量比分別為50g∶1t、100g∶1t、150g∶1t。③配置改良劑溶液。配制低濃度陰離子1600萬分子量聚丙烯酰胺溶液，質量分別比為50g∶1t、100g∶1t、150g∶1t；配制5000分子量聚丙烯酰鈉溶液，質量比分別為50g∶1t、100g∶1t、150g∶1t；配制CMC溶液，質量比分別為50g∶1t、100g∶1t、150g∶1t。

取渣土試樣8.9kg～9.6kg，按照相應按照5%、7.5%、10%的質量濃度依次加入改良劑溶液。考慮及時使用泡沫劑能保證功效，因此在配制好其余材料后立即使用泡沫發生設備產生體積濃度3%、發泡倍率為15的泡沫劑溶液。試驗采用膨潤土與水的比例為1∶4（質量比例），摻入改良劑溶液濃度為7.5%的改良渣土與聚合物改良渣土形成對照。

2.2.3 直剪試驗

采用ZJ型應變式控制直剪儀測定改良后的渣土內摩擦角。

2.2.4 保水率試驗

保水率試驗測試裝置利用直剪儀加載系統、盛樣盒進行試驗，JC101電熱鼓風干燥箱對土樣進行烘干試驗。

2.2.5 滲透試驗

將盛有改良后渣土的環刀套入護筒，裝好各部位止水圈。將試樣上下透水石和濾紙按先后順序裝好，蓋上頂蓋，擰緊頂部螺絲，不得漏水漏氣。同時將裝好試樣的滲透儀進水口與水頭裝置（測壓管）相連。注意及時向測壓管中補充水源，補水時，關閉進水口。

在向試樣滲透前，由底部排氣嘴出水，排除底部空氣，排至排氣嘴無氣泡時，關閉排氣嘴，水自下向上滲流，由頂部出水管排水。

在不大于200cm水頭作用下，靜置一段時間，待出水管有水溢出后即可開始測定。

3 試驗結果分析

3.1 改良后渣土內摩擦角變化分析

試驗分別對純砂、砂卵石、泥巖、復合土層4種盾構土層先后加入泡沫劑和改良劑，包括1600萬分子量聚丙烯酰胺溶液、5000分子量聚丙烯酸鈉溶液、CMC溶液，膨潤土，如圖2～圖6所示。分析試驗數據可知，當加入的聚合物是1600萬分子量聚丙烯酰胺時，若改良劑摻入質量比不變，則隨著改良劑質量比由50g∶1t增至100g∶1t，再到150g∶1t，改良后渣土的內摩擦角會逐漸變小。若改良劑質量比不變，則改良劑摻入率增加，由5%到7.5%，再到10%，改良后渣土的內摩擦角也會逐漸變小。試驗表明，加入改良劑能夠使渣土內摩擦角變小。

當加入的聚合物是5000分子量聚丙烯酸鈉時，若改良劑摻入質量比不變，則隨著改良劑質量比由50g∶1t增至100g∶1t，再到150g∶1t，改良后渣土的內摩擦角會逐漸變小。若改良劑濃度不變，則改良劑摻入率增加，由5%到7.5%，再到10%，改良后渣土的內摩擦角也會逐漸變小。試驗表明，加入5000分子量聚丙烯酸鈉改良劑后，也能夠使渣土內摩擦角變小。

當加入的聚合物是CMC時，若改良劑摻入質量比不變，則隨著改良劑質量比由50g∶1t增至100g∶1t，再到150g∶1t，改良后渣土的內摩擦角會有變小的趨勢，但是幅度很小。若改良劑質量比不變，則改良劑摻入率增加，由5%到7.5%，再到10%，改良后渣土的內摩擦角也會有變小的趨勢但是幅度很小。說明CMC溶液的改良效果并不明顯。

由圖2可知，在純砂土層中改良渣土，隨著改良劑濃度增加，CMC溶液改良的渣土內摩擦角變化極小，聚丙烯酰胺溶液改良的渣土內摩擦角，先急劇變小后緩慢變小，且變小較為顯著；聚丙烯酸鈉溶液改良的渣土內摩擦角逐漸變小，且變小較為顯著。

由圖3可知，在砂卵石土層中改良渣土，隨著改良劑濃度增加，CMC溶液改良的渣土內摩擦角變化極小，聚丙烯酰胺溶液改良的渣土內摩擦角，逐漸變小且變化幅度明顯；聚丙烯酸鈉溶液改良的渣土內摩擦角逐漸變小且變化幅度明顯。

由圖4可知，在泥巖土層中改良渣土，隨著改良劑濃度增加，CMC溶液改良的渣土內摩擦角變化極小，聚丙烯酰胺溶液改良的渣土內摩擦角，先急劇變小后緩慢變小；聚丙烯酸鈉溶液改良的渣土內摩擦角先急劇變小后緩慢變小。

由圖5可知，在復合土層中改良渣土，隨著改良劑濃度增加，CMC溶液改良的渣土內摩擦角變化極小，聚丙烯酰胺溶液改良的渣土內摩擦角，先急劇變小后緩慢變小，且變小較為顯著；聚丙烯酸鈉溶液改良的渣土內摩擦角先急劇變小后緩慢變小，且變小較為顯著。

由圖6可知，當對比相同土層，相同濃度，相同改良劑摻入質量比時，各聚合物改良下渣土的內摩擦角變化（以質量比50g∶1t，改良劑摻入率5%為例），此時聚丙烯酰胺改良后渣土內摩擦角為28.9°，聚丙烯酸鈉改良后渣土內摩擦角為33.41°，CMC改良后渣土內摩擦角為35.7°。施工現場常用的膨水比為1∶6、摻入率7.5%的膨潤土，改良后渣土內摩擦角為33.5°，試驗表明聚丙烯酰胺改良效果＞聚丙烯酸鈉改良效果＞膨潤土改良效果＞CMC溶液改良效果，隨著聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉的濃度或改良劑摻入質量比變大，改良的效果愈發明顯。

3.2 改良后渣土抗剪強度變化分析

改良劑摻入率為5%，摻入質量比為50g∶1t，膨潤土則選取摻入率為7.5%，膨潤土與水的比例為1∶4（質量比例）來繪制不同改良劑下純砂、砂卵石、泥巖土層、復合土層在加壓過程中抗剪強度變化曲線。結果如圖7～圖10所示。

分析抗剪強度變化曲線可以得出，隨著正應力增加，改良后渣土的抗剪強度增加，改良后渣土的抗剪強度-正應力變化曲線近似為一條直線，符合土的抗剪強度變化基本規律。

抗剪強度變化曲線的斜率k值為改良后渣土的內摩擦角的正切值，而縱截距則表示該改良后渣土的黏聚力，以純砂土層抗剪強度變化曲線為例，由圖7～圖 10可知聚丙烯酰胺改良后渣土內摩擦角＜聚丙烯酸鈉改良后渣土內摩擦角＜膨潤土改良后渣土內摩擦角＜CMC改良后渣土內摩擦角，即在同一濃度，同一摻入質量比，同一土層情況下，聚丙烯酰胺溶液改良效果＞聚丙烯酸鈉溶液＞膨潤土＞CMC溶液，而砂卵石，泥巖，復合土層變壞規律與純砂石土層一致，所得結論也一致。

由圖7可知，在純砂土層中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線在其他方案的上方，即CMC溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線斜率最大，聚丙烯酰胺溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線斜率最小。

由圖8可知，在砂卵石土層中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線位于其他方案的上方，即CMC溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線斜率最大，聚丙烯酰胺溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線斜率最小。

由圖9可知，在泥巖土層中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線位于其他方案的上方，即CMC溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線斜率最大，聚丙烯酰胺溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線斜率最小。

由圖10可知，在復合土層中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線位于其他方案的上方，即CMC溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線斜率最大，聚丙烯酰胺溶液改良后渣土抗剪強度變化曲線斜率最小。

在不同土層中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪強度均表現最佳，聚丙烯酰胺溶液改良方案較差，同時CMC溶液渣土改良在不同土層中的表現情況說明其最適應泥巖土層。抗剪強度越低，表明改良后渣土在達到一定正應力后，容易剪破，從而不容易結泥餅。試驗表明聚丙烯酰胺溶液改良后最不容易結泥餅，其次是聚丙烯酸鈉和膨潤土，最次是CMC溶液。

3.3 不同壓強下渣土含水量變化分析

試驗分別對純砂、砂卵石、泥巖、復合地層4種盾構渣土先后加入泡沫和改良劑，改良劑包括膨潤土、1600萬分子量聚丙烯酰胺溶液、5000分子量聚丙烯酸鈉溶液、CMC溶液。分別測定其在0kPa、200kPa、300kPa、400kPa壓強下的含水量。

試驗結果分析可知，低濃度陰離子1600萬分子量的聚丙烯酰胺和低濃度陰離子5000分子量的聚丙烯酸鈉具有良好的渣土改良效果，能夠顯著提高4種渣土的保水率。1600萬分子量的聚丙烯酰胺和低陰離子濃度5000分子量的聚丙烯酸鈉能適應砂土、砂卵石、泥巖、復合土層4種試驗地層；而CMC改良劑的改良效果則不如上述兩種聚合物。在改良劑濃度和改良劑摻入質量比不變的前提下，不同渣土含水量在加壓過程中的變化規律幾乎一致。表現為壓強越大，渣土含水量越低，且隨著壓強越來越大，含水量降低幅度也越來越小。4種渣土在1600萬分子量聚丙烯酰胺水溶液改良后，在豎向加壓荷載下都擁有最高的含水量。并且在1600萬分子量聚丙烯酰胺水溶液改良后，隨著壓強增加，含水量降低幅度都最小。說明1600萬分子量聚丙烯酰胺水溶液改良劑改良渣土后，渣土在豎向加壓下具有更好的保水率。同樣可以分析其他3種改良劑對于渣土保水率改良的效果從好到壞依次是聚丙烯酸鈉水溶液、膨潤土、CMC水溶液。

3.4 改良后渣土滲透系數變化分析

滲透系數是評價土體滲透性的直接指標，降低土體的滲透性可以阻止地下水的大量進入，從而降低噴涌的可能性，有利于維持土倉與開挖面的壓力平衡。

試驗結果顯示當加入的聚合物是1600萬分子量聚丙烯酰胺時。若改良劑摻入質量比不變，則隨著改良劑質量比由50g∶1t增至100g：1t，再到150g∶1t，改良后渣土的滲透系數會逐漸變小。若改良劑質量比不變，則改良劑摻入率加大，由5%增至7.5%，再到10%，改良后渣土的滲透系數也會逐漸變小。試驗表明加入改良劑后，能夠減少渣土滲透系數。

3.5 改良后渣土抗水分散性變化分析

在同等流速條件下，改良后的渣土在一定時間內的流失質量越大，越容易噴涌。為使渣土不易噴涌，試驗分別對純砂、砂卵石、泥巖以及復合地層4種盾構渣土先后加入泡沫＋改良劑，改良劑包括膨潤土、1600萬分子量聚丙烯酰胺溶液、5000分子量聚丙烯酸鈉溶液、CMC溶液，分別測定其在0.1m/s、0.2m/s和0.3m/s的不同流速條件下的渣土質量殘留率，以選擇適合不同渣土的改良劑及其配比。

在相同土層，相同改良劑，相同流速的情況下，以聚丙烯酰胺溶液為例。改良后泥巖的質量殘留率＞改良后復合土的質量殘留率＞改良后砂石土的質量殘留率＞改良后砂卵石土的質量殘留率，表明聚丙烯酰胺溶液濃度和摻入質量比一定的情況下，聚丙烯酰胺溶液對泥巖的改良效果＞復合土層＞砂石＞砂卵石。聚丙烯酸鈉溶液變化規律同聚丙烯酰胺溶液一致，兩者都是優良的改良劑，能夠適應所有的施工地層。

4 結論

低濃度陰離子1600萬分子量的聚丙烯酰胺溶液和5000分子量聚丙烯酸鈉溶液具有良好的渣土改良效果，能夠使渣土的內摩擦角變小，并減少滲透系數，隨著濃度增加或者摻入質量比變大，改良效果越明顯，能適應所有盾構施工地層，其中，聚丙烯酰胺是最好的改良劑。

在同種塌落度、同一濃度、同一摻入質量比的條件下，聚合物改良劑對泥巖的改良效果＞半砂卵石+半泥巖＞純砂＞砂卵石，理想渣土狀態：適當內摩擦角、低滲透率、高抗水分散性和高保水率的塑性狀態。

本文針對土壓平衡盾構提出了通用型渣土改良方案及改良劑最佳配比。純砂地層取體積濃度3%、發泡倍率為15泡沫劑+質量比50g∶1t、改良劑摻入率為7.5%低濃度陰離子1600萬分子量的聚丙烯酰胺溶液作為最佳配比；砂卵石地層取體積濃度3%、發泡倍率為15泡沫劑+質量比50g∶1t、改良劑摻入率為5%低濃度陰離子1600萬分子量的聚丙烯酰胺溶液作為最佳配比；泥巖地層取體積濃度3%、發泡倍率為15泡沫劑+質量比50g∶1t、改良劑摻入率為10%低濃度陰離子1600萬分子量的聚丙烯酰胺溶液作為最佳配比；復合地層取體積濃度3%、發泡倍率為15泡沫劑+質量比50g∶1t、改良劑摻入率為7.5%低濃度陰離子1600萬分子量的聚丙烯酰胺溶液作為最佳配比。

參考文獻

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