林 富 志

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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富水砂卵石層渣土改良試驗(yàn)研究

林 富 志

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

渣土改良是盾構(gòu)在富水砂卵石層中掘進(jìn)改善渣土特性行之有效的方法，可以使盾構(gòu)切削下來的渣土具有好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，進(jìn)而減少盾構(gòu)機(jī)的過度磨損，且其良好的渣土改良效果可以使扭矩保持在一個(gè)正常范圍，能夠提高掘進(jìn)效率，有效控制出土量，盡量避免因超方導(dǎo)致的沉降超限和塌方事故。以成都富水砂卵石層為基礎(chǔ)，采用膨潤土基泥漿和高分子聚合物對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工開挖土體進(jìn)行改良試驗(yàn)，并對(duì)采用膨潤土和不同種類、不同比例的高分子聚合物效果進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，研究出比較合理的膨潤土和高分子聚合物的種類及配比。

富水砂卵石層；渣土改良；聚合物；試驗(yàn)

1 概 述

隨著中國地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)中被普遍運(yùn)用，是目前地鐵建設(shè)中最常用的機(jī)械化技術(shù)，其良好機(jī)械性能的發(fā)揮離不開效果良好的渣土改良技術(shù)。鑒于不同城市地鐵隧道建設(shè)中地層條件的多樣性，在某一地層中渣土改良的效果至關(guān)重要。

魏康林[1]闡述了盾構(gòu)施工中采用泡沫和膨潤土改良的微觀機(jī)理，為后續(xù)添加劑的研究提供了理論依據(jù)。姜厚停等[2]研究了以砂卵石地層為對(duì)象，采用泡沫和膨潤土對(duì)砂卵石進(jìn)行改良，分析得出添加劑的配比并給出了坍落度的范圍。Jancsecz等[3]和Williamson 等[4]對(duì)砂土進(jìn)行了改良，也給出了坍落度的范圍。

在盾構(gòu)施工中采用添加劑對(duì)渣土進(jìn)行改良的時(shí)間較短，基本上所有的經(jīng)驗(yàn)都來自于具體施工中的摸索，對(duì)添加劑的種類和用量缺少系統(tǒng)性和深入性的研究。地層的不同，添加劑種類的選取和用量亦會(huì)不同，適應(yīng)不同地層的方案配比也會(huì)有很大差異。

成都砂卵石地層抗剪能力差，摩擦角大，具有塑流性差的特點(diǎn)，根據(jù)這些特性，在盾構(gòu)掘進(jìn)范圍地層內(nèi)取同種砂卵石進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)添加不同配比添加劑的改良土進(jìn)行了坍落度試驗(yàn)和黏度試驗(yàn)，筆者對(duì)改良效果進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，分析了各種方案具有的優(yōu)缺點(diǎn)并不斷優(yōu)化了配比方案。

2 渣土改良試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)砂卵石的特性。

該地層主要為中密砂卵石地層，大粒徑卵石含量較高，粒徑3 cm以上的卵石含量在50%左右。為保證坍落度試驗(yàn)效果，將粒徑3 cm以上的砂卵石去除，對(duì)剩余砂卵石土的級(jí)配進(jìn)行了分析，砂卵石土顆粒級(jí)配見圖1。

試驗(yàn)所用的砂卵石土為原狀土，由卵石和砂構(gòu)成，每次試驗(yàn)取原狀土9 L，含水率為5%。

圖1 試驗(yàn)砂卵石土顆粒級(jí)配曲線圖

(2)試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)目的是采用低濃度膨潤土基泥漿，通過添加高分子聚合物的方法增加泥漿的黏度和保水性，在保證改良效果的情況下降低施工成本。

試驗(yàn)采用施工中比較常用的兩種高分子聚合物PAM(聚丙烯酰胺)和CMC(羧甲基纖維素)，并與單獨(dú)使用膨潤土基泥漿進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，設(shè)計(jì)方案分為4種：

方案一：膨潤土基泥漿；

方案二：膨潤土基泥漿+PAM(聚丙烯酰胺)；

方案三：膨潤土基泥漿+CMC(羧甲基纖維素)；

方案四：泡沫添加劑。

試驗(yàn)內(nèi)容見表1。

表1 試驗(yàn)內(nèi)容表

(3)具體的實(shí)施方法。

試驗(yàn)采用鈉基膨潤土。泡沫采用盾構(gòu)施工專用泡沫劑，在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)泡制得，泡沫劑的性能指標(biāo)是發(fā)泡倍率和半衰期，效果理想的發(fā)泡濃度為3%～4%。本次試驗(yàn)選用的發(fā)泡劑濃度為3%，發(fā)泡倍率為18，半衰期為8 min。

4種試驗(yàn)方案如下：

方案一：泥漿濃度分別取10%、11%、12.5%、14.3%、16.7%、20%(即 土 水 質(zhì) 量 比 分 別 為1∶10、1∶9、1∶8、1∶7、1∶6、1∶5)，注入率分別取15%、20%、25%(即分別為1.35 L、1.8 L、2.25 L)，進(jìn)行配對(duì)試驗(yàn)，共18組。

方案二：預(yù)配濃度為1‰的PAM溶液，添加量取0.2 L、0.3 L、0.4 L、0.5 L，膨潤土溶液注入量取20%，即1.8 L，濃度取12.5%、14.3%、16.7%、20%，進(jìn)行配對(duì)試驗(yàn)，共16組。

方案三：分別取CMC0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g，膨潤土溶液注入量取20%，即1.8 L，濃度取12.5%、14.3%、16.7%、20%，進(jìn)行配對(duì)試驗(yàn)，共16組。

方案四：土體含水率分別選取3%、5%、7.5%和10%，泡沫注入10%，每次增加5%，至達(dá)到滿意的改良效果為止。

(4)渣土改良試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

坍落度試驗(yàn)主要是為了評(píng)價(jià)改良土體的塑流性、坍落形狀及析水情況。具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：①坍落度值范圍為160～240 mm；②坍落形狀呈圓錐形對(duì)稱；③無明顯析水。

攪拌試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：攪拌電流較小，攪拌葉片上附著土體較少。

3 土體改良試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)膨潤土基泥漿改良試驗(yàn)結(jié)果。

通過試驗(yàn)得到的不同泥漿濃度的粘度值如圖2中(a)所示，泥漿的表觀粘度和塑性粘度均隨泥漿濃度的增大而增大。泥漿濃度在超過14.3%后，其表觀粘度開始迅速增長。泥漿黏度過大，不利于泵送，增加了施工難度。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知泥漿黏度在12.5～22.5 pa·s之間，即泥漿濃度在10%～14.3%之間比價(jià)合理。保水性與泥漿中的黏土顆粒含量有關(guān)，塑性黏度低會(huì)出現(xiàn)析水現(xiàn)象。

圖2中(b)和(c)是不同注入率下泥漿濃度與電流和坍落度的關(guān)系。①攪拌電流隨泥漿濃度的增加而增加，增幅在變小，隨注入量的增加而減小。注入率為15%時(shí)，攪拌電流遠(yuǎn)大于20%和25%時(shí)的電流，而注入率為20%和25%時(shí)卻相差不大。②注入率為20%和25%時(shí)，兩者低泥漿濃度時(shí)坍落度值相差較小，高泥漿濃度時(shí)差別明顯，坍落度隨泥漿濃度呈先緩慢增大后迅速減小的趨勢(shì)，在泥漿濃度為14.3%時(shí)達(dá)到最大。注入率為15%時(shí)改良效果不理想，坍落度值不符合標(biāo)準(zhǔn)。

由分析可知，高濃度低注入量的泥漿黏度大，流動(dòng)性差，改良效果不理想；低濃度高注入量的泥漿保水性差，容易析水，改良效果同樣不理想；泥漿濃度和注入量匹配時(shí)，會(huì)如同圖3中的形狀，改良效果理想，具有良好的塑流性。

綜上所述，泥漿濃度為14.3%時(shí)坍落度值與濃度12.5%時(shí)的值相差不大，改良效果比較理想。從成本上考慮，泥漿濃度為12.5%(土∶水質(zhì)量比為1∶8)，泥漿注入量取20%，為膨潤土泥漿改良的理想配比。

(a)膨潤土泥漿粘度指標(biāo)示意圖

(b)膨潤土泥漿濃度與攪拌電流關(guān)系圖

(c)膨潤土泥漿濃度與坍落度關(guān)系圖圖2 試驗(yàn)指標(biāo)和參數(shù)關(guān)系圖(膨潤土基泥漿)

圖3 膨潤土泥漿改良效果圖

(2)膨潤土基泥漿+PAM改良試驗(yàn)結(jié)果。

如圖4所示，分析圖4中(a)和(b)可知：對(duì)于同一泥漿濃度，攪拌電流隨PAM溶液添量的增加而減少，趨勢(shì)減弱，添加量為0.5 L時(shí)，電流趨于平穩(wěn)，這是因?yàn)槿芤褐械乃謱?duì)泥漿的稀釋；對(duì)于同一添加量，攪拌電流隨泥漿濃度的變大呈先減小后增大的趨勢(shì)，泥漿濃度為12.5%時(shí)達(dá)到低點(diǎn)。由圖4(c)和(d)可知：對(duì)于同一泥漿濃度，坍落度隨PAM溶液添加量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，在添加量為0.4 L時(shí)最大；對(duì)于同一PAM溶液添加量，坍落度隨泥漿濃度的增加而變小。以上分析說明，PAM的添加量存在一個(gè)限值，超過限值則改良效果會(huì)變差。

泥漿濃度為11.1%和10%時(shí)，泥漿的保水性差，加入PAM溶液后的泥漿體系的粘度值如圖4(e)和(f)所示，泥漿體系的表觀粘度呈先減小后增大的趨勢(shì)；塑性粘度變化不大，達(dá)到0.4 L時(shí)有變大的趨勢(shì)，保水性有所提高。

通過試驗(yàn)分析得知：泥漿低濃度時(shí)，加入PAM改良效果比較明顯，改良土體達(dá)到比較理想的狀態(tài)。

綜上所述，泥漿濃度為10%，注入率為20%(即1.8 L)時(shí)，PAM溶液(1‰)添加比為22%(0.4 L)，為PAM最優(yōu)配比。

(3)膨潤土基泥漿+CMC改良試驗(yàn)結(jié)果。

如圖5所示，分析圖5中(a)和(b)可知：對(duì)于同一泥漿濃度，攪拌電流隨CMC添加量的增加而增大；對(duì)于同一CMC添加量，攪拌電流隨泥漿濃度的增加呈先緩慢增加后迅速增大的趨勢(shì)，泥漿濃度低，攪拌電流值增幅小。分析圖5中(c)和(d)可知：泥漿濃度高時(shí)，坍落度隨CMC添加量呈遞減的趨勢(shì)；濃度低時(shí)，坍落度呈先大后小趨勢(shì)；對(duì)于同一CMC添加量，坍落度隨泥漿濃度的增加而遞減，表明CMC在泥漿濃度較高時(shí)對(duì)土體的粘度和摩擦系數(shù)敏感性高，CMC的添加量亦存在一個(gè)限值，超過限值，改良效果會(huì)變差。

泥漿濃度為11.1%和10%時(shí)，泥漿體系的粘度值見圖5(e)和(f)，泥漿體系的表觀粘度和塑性粘度基本不變，但當(dāng)其添加量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)有變大的趨勢(shì)，保水性提高。

通過試驗(yàn)分析得知，泥漿低濃度時(shí)，加入CMC改良效果比較明顯，改良土體達(dá)到比較理想的狀態(tài)。

圖4 試驗(yàn)指標(biāo)和參數(shù)關(guān)系圖(膨潤土基泥漿+PAM)

圖5 試驗(yàn)指標(biāo)和參數(shù)關(guān)系圖(膨潤土基泥漿+CMC)

綜上所述，當(dāng)泥漿濃度為10%，注入率為20%(即1.8 L)時(shí)，CMC添加量為0.3 g，為CMC最優(yōu)配比。

(4)泡沫劑改良試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 試驗(yàn)指標(biāo)和參數(shù)關(guān)系圖(泡沫)

由圖6可以看出：含水率不變，攪拌電流隨FIR(泡沫注入比)的增大呈先迅速遞減后減緩的趨勢(shì)，坍落度隨FIR的增加呈先迅速增加后減緩的趨勢(shì)，說明泡沫的添加可以降低土體的摩擦系數(shù)。

通過數(shù)據(jù)分析可知：泡沫注入量不夠時(shí)，土體流動(dòng)性差，易坍塌；泡沫注入量過多時(shí)，泡沫會(huì)析出；增大土體含水率，泡沫最佳注入比變小，利用率有所提高；土體含水率超過一定值后，泡沫改良土體效果不明顯。

綜上所述，使用泡沫對(duì)土體進(jìn)行改良受含水率的影響大；含水率為3%時(shí)，最佳FIR為30%～40%；含水率為5%時(shí)，最佳FIR為25%～30%；含水率為7.5%時(shí)，最佳FIR為15%～20%。

4 添加不同改良劑取得的改良效果

通過對(duì)以上4種方案進(jìn)行比較分析得知：僅使用膨潤土泥漿進(jìn)行改良，泥漿濃度為12.5%，注入量為20%時(shí)為理想配比。泥漿濃度過大，黏度會(huì)增大，將造成泵送困難，也不利于螺旋輸送機(jī)出土。相對(duì)而言，單獨(dú)使用膨潤土改良用量大且效果不佳。

膨潤土泥漿濃度低時(shí)，可以通過添加高分子聚合物改善土體的保水性和粘度。PAM試驗(yàn)的最優(yōu)配比為：泥漿濃度為10%(注入率為20%，即1.8 L)、PAM溶液(1‰)添加量為0.4 L； CMC試驗(yàn)的最優(yōu)配比為：泥漿濃度為10%(注入率為20%，即1.8 L)、CMC添加量為0.3 g。在膨潤土泥漿中添加高分子聚合物溶液，土體特性發(fā)生明顯變化，滲透性減小，保水性明顯提高，塑流性好。通過計(jì)算得出PAM、CMC在泥漿中的質(zhì)量體積比分別為0.18 g/L和0.17 g/L，消耗量幾乎相同，但購買PAM的價(jià)格要高于CMC。因此，考慮成本因素，CMC作為添加劑的方案成為渣土改良的最優(yōu)方案。

泡沫劑的使用能減少土體摩擦系數(shù)，改善土體保水性，但泡沫劑的使用與土體的含水率有較大的關(guān)系，含水率越低，泡沫注入比會(huì)增大。

由此可知：每種改良材料的使用均有利弊，針對(duì)砂卵石這種特殊地層，找出兩者之間的最優(yōu)配比，在工程施工中具有重要的意義，能夠在低成本的情況下達(dá)到渣土改良的理想效果。

5 結(jié) 語

通過對(duì)上述4種試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)僅使用膨潤土基泥漿，在其濃度較低時(shí)，土體保水性差；加入高分子聚合物后，土體保水性明顯提高。

(2)在低濃度膨潤土泥漿中添加CMC，改良后的土體塑流性好且成本低。

(3)膨潤土和高分子聚合物的使用都要適量，過量會(huì)增加改良土體的摩擦系數(shù)和粘聚力。

(4)添加泡沫劑可減小土體的摩擦系數(shù)，提高其保水性，泡沫劑的添加與土體的含水率關(guān)系明顯，含水率增加，注入率變小。當(dāng)含水率超過限值時(shí)，改良效果不明顯，有析水現(xiàn)象出現(xiàn)。

[1] 魏康林. 土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機(jī)理分析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2007,29(1):73-77.

[2] 姜厚停,龔秋明,杜修力. 卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工土體改良試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(2)2:284-292.

[3] JANCSECZ S, KRAUSE R, LANGMAACK L. Advantages of soil conditioning in shield tunnelling: experiences of LRTS Izmir[C]// Proceedings of International Congress on Challenges for the 21st Century. Balkema, 1999: 865-875.

[4] WILLIAMSON G E, TRAYLOR M T, HIGUCHI M. Soil conditioning for EPB shield tunneling on the south bay ocean outfall[C]// Proceedings of RETC Rapid Exaction and Tunneling Conference, 1999: 897-925.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-28

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1001-2184(2016)06-0015-05

林富志(1983-)，男，山東棲霞人，主任，工程師，碩士，從事地鐵施工技術(shù)與管理工作.