葉晨立

(福州市城市地鐵有限責(zé)任公司， 福建 福州 350001)

0 引言

土壓平衡盾構(gòu)具有圍巖適應(yīng)性廣、掘進速度快、對環(huán)境影響小的特點，且與泥水平衡盾構(gòu)相比造價較為低廉，因而成為地鐵建設(shè)的首選[1]。然而，受限于土壓平衡盾構(gòu)自身工作原理，在掘進中遇到高水壓、高滲透性的地層時，極易發(fā)生噴涌事故[2]，并且一旦發(fā)生大規(guī)模噴涌，易造成管片襯砌垮塌、隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，不僅威脅施工人員的安全，而且區(qū)間隧道以及施工設(shè)備也將直接報廢，損失難以估量。為防止土壓平衡盾構(gòu)在施工時發(fā)生大規(guī)模噴涌，常常采取一些必要的預(yù)防措施，如在施工過程中進行渣土改良等。

國內(nèi)外學(xué)者對盾構(gòu)施工渣土改良技術(shù)進行了研究。A.Bezuijen等[3]采用模型試驗的方法，通過制作壓力艙模型模擬盾構(gòu)推進，對推進過程中的土壓力分布、剪切力以及注入氣泡后的氣泡砂滲透性、壓縮性、黏滯性等方面進行了研究； S.Quebaud等[4]通過攪拌、坍落度和滲透試驗對土壓平衡盾構(gòu)施工過程中泡沫劑對土體性質(zhì)的影響進行深入研究，并明確了泡沫混合土的滲透性和泡沫添加量有直接關(guān)系； 肖超等[5]采用室內(nèi)試驗的方法，利用泡沫劑與鈣基膨潤土對泥質(zhì)粉砂巖與礫巖渣土進行三軸快剪試驗，研究了該地層條件下2種不同改良劑的改良特性； 劉彤等[6]通過對渣土改良中泡沫劑半衰期與發(fā)泡倍率以及膨潤土泥漿黏度與相對密度隨改良劑質(zhì)量分數(shù)變化的規(guī)律進行分析，并借助現(xiàn)場掘進試驗，研究出該種工程條件下適宜的渣土改良方案； 郭付軍等[7]采用室內(nèi)試驗方法對不同質(zhì)量分數(shù)CMC、PAAS以及PAM典型聚合物溶液進行研究，并采用PAM作為改良介質(zhì)對研究的粗砂試樣進行坍落度、滲透以及直剪試驗，獲取了針對粗砂地層的適宜的PAM聚合液質(zhì)量分數(shù)及注入率； 劉輝等[8]采用現(xiàn)場試驗的方法，分別以膨潤土漿液、泡沫劑、膨潤土+泡沫劑、分散劑進行渣土改良，研究出適合高黏性上軟下硬地層盾構(gòu)掘進的渣土改良劑； 李培楠等[9]以室內(nèi)試驗為基礎(chǔ)，通過對3種渣土改良添加劑與組合材料改良效果進行對比研究，確定了上述材料配比及施工參數(shù)，并利用現(xiàn)場試驗證明所選配比材料對該工程進行渣土改良的有效性。

綜上，以往對砂性土改良研究主要采用室內(nèi)試驗的方法，基于現(xiàn)場試驗的研究相對較少。由于室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗相比，在土體特性、機械設(shè)備等方面存在差異，有一定的局限性，而現(xiàn)場試驗則更符合實際，其研究結(jié)果更具有現(xiàn)實意義。為研究高水壓、高滲透砂性地層土壓平衡盾構(gòu)施工渣土改良配方，本文基于福州地鐵閩江越江段高水壓高滲透砂性地層對土壓平衡盾構(gòu)進行防噴涌渣土改良，選取多種試驗材料，綜合考慮渣土滲透性及和易性，結(jié)合室內(nèi)土工試驗、現(xiàn)場試驗和工程應(yīng)用效果，最終確定渣土改良級配，為類似工程提供一定的參考。

1 改良材料基本特性

1.1 改良材料的選取

福州地鐵閩江越江段盾構(gòu)區(qū)間廣泛分布中砂層，其顆粒級配如表1所示，按照SL237—1999《土工試驗規(guī)程》對自行采購的河沙進行烘干、陰干、篩分后根據(jù)地勘資料所提供的中砂級配配置足量重塑中砂。

表1 中砂顆粒級配

目前使用的添加劑改良材料大致可分為礦物、界面活性劑、高吸水性樹脂、水溶性高分子4大類。國內(nèi)地鐵工程大多采用膨潤土、泡沫劑以及各類高分子材料，其種類及特性如表2所示[10-12]。其中，泡沫劑和膨潤土的配合使用較多，由于成本原因，高分子材料大多在發(fā)生噴涌時應(yīng)急使用。因此，選取幾種代表性的改良材料進行土工試驗，以充分了解各材料的改良性能及特點，為研究渣土改良配方提供理論基礎(chǔ)。

表2改良材料種類及特性

Table 2 Types and characteristics of ground conditioning materials

種類改良材料適用土層主要效果礦物類鈉基膨潤土 砂粒、細礫、礫粒土層 提高流動性,減小內(nèi)摩擦角 水溶性高分子類CMC粉粒、砂粒 增稠,成膜,黏結(jié),保水 界面活性材料泡沫劑 礫粒、卵粒、黏土地層 改善不透水性、流動性,防止粘附 水溶性高分子聚合物聚丙烯酰胺粉粒、砂粒 降低液體間的摩擦阻力

1.2 鈉基膨潤土漿液

結(jié)合調(diào)研資料以及福州地鐵自身情況，選擇土、水質(zhì)量比分別為1∶14、1∶12、1∶10、1∶8、1∶6的膨潤土漿液作為試驗質(zhì)量分數(shù)[13]進行試驗。

不同質(zhì)量分數(shù)膨潤土漿液黏度變化曲線如圖1所示?？芍?對于上述質(zhì)量分數(shù)膨潤土漿液，當膨潤土質(zhì)量分數(shù)小于1∶10時，黏度變化相對平緩； 而當質(zhì)量分數(shù)大于1∶10后，漿液的黏度開始急劇上升。由于盾構(gòu)泵送能力的限制，只能選擇質(zhì)量分數(shù)小于1∶6的漿液； 根據(jù)擬合曲線判斷，最大可行質(zhì)量分數(shù)或略大于1∶8。

Fig. 1 Viscosity curve of bentonite slurry with different mass fractions

對上述質(zhì)量分數(shù)膨潤土漿液按照10∶2的摻加比與重塑砂拌合并加水至飽和，然后測定渣土坍落度，結(jié)果如圖2(a)所示。由圖2(a)可知： 加入膨潤土漿液后，在改善砂土保水性的同時也增加了砂土的坍落度，但膨潤土質(zhì)量分數(shù)變化對坍落度的影響并不顯著。因此，選用中間質(zhì)量分數(shù)1∶10膨潤土漿液按摻加比10∶1、10∶1.5、10∶2、10∶2.5、10∶3加入重塑砂并加水至飽和，然后測定渣土的坍落度，結(jié)果如圖2(b)所示。由圖2(b)可知： 膨潤土漿液摻加比是影響渣土坍落度的主要因素，為滿足渣土和易性要求，主要通過改變漿液的摻量進行控制。

(a) 不同質(zhì)量分數(shù)

(b) 不同摻加比

選擇10∶2作為此步試驗的選用摻加比，使用不同質(zhì)量分數(shù)膨潤土漿液按照此摻加比對重塑砂進行改良并測試渣土的滲透系數(shù)，探究膨潤土漿液質(zhì)量分數(shù)對渣土滲透性的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知： 隨著膨潤土質(zhì)量分數(shù)的增加，渣土的滲透系數(shù)逐漸減小且變化曲線逐漸減緩，但是在可用質(zhì)量分數(shù)范圍內(nèi)渣土的滲透系數(shù)無法滿足小于1×10-5cm/s的要求，因此單獨使用膨潤土對渣土進行改良不可行。

圖3 不同質(zhì)量分數(shù)膨潤土漿液滲透系數(shù)變化曲線

Fig. 3 Permeability coefficient curve of bentonite slurry with different mass fractions

1.3 CMC溶液

分別配置質(zhì)量分數(shù)為2%、6%、8%、10%的CMC溶液，并進行黏度漏斗試驗。2%質(zhì)量分數(shù)CMC溶液的黏度已達到337 s，其余質(zhì)量分數(shù)的CMC溶液更是無法從漏斗流出，其黏度遠遠大于盾構(gòu)的泵送能力范圍。因此，沒有對單獨使用CMC溶液對渣土滲透性與坍落度的影響進行研究的必要性，CMC溶液只有作為渣土改良輔助材料使用的可能性。

1.4 聚丙烯酰胺溶液

根據(jù)聚丙烯酰胺廠家提供的資料，選擇質(zhì)量分數(shù)為1%、2%、3%、4%的聚丙烯酰胺溶液作為試驗質(zhì)量分數(shù)[14]?；静襟E如下。

1)選用黏度最小的質(zhì)量分數(shù)為1%聚丙烯酰胺溶液作為試驗質(zhì)量分數(shù)，按照100∶3、100∶6、100∶9、100∶12的摻加比加入干燥狀態(tài)下的重塑砂并加水至飽和，拌合均勻后測試渣土的坍落度，結(jié)果如圖4(a)所示。由圖4(a)可知： 聚丙烯酰胺具有增大砂土坍落度的性能，且隨著摻加比的增大，砂土的坍落度也隨之增大。分別將質(zhì)量分數(shù)為1%、2%、3%、4%的聚丙烯酰胺溶液按照100∶9的摻加比加入天然狀態(tài)的原狀中砂并加水至飽和，拌合均勻后測試其坍落度，結(jié)果如圖4(b)所示。由圖4(b)可知： 聚丙烯酰胺的質(zhì)量分數(shù)變化對砂土的坍落度產(chǎn)生一定的影響，砂土的坍落度會隨著聚丙烯酰胺質(zhì)量分數(shù)增大而增大。

(a) 不同摻加比

(b) 不同質(zhì)量分數(shù)

2)采用質(zhì)量分數(shù)為1%的聚丙烯酰胺溶液分別按照摻加比100∶3、100∶6、100∶9、100∶12加入天然狀態(tài)下的原狀中砂并加水使其飽和，經(jīng)充分拌合后測試其滲透系數(shù)，結(jié)果如圖5(a)所示。由圖5(a)可知： 砂土滲透性會隨著聚丙烯酰胺質(zhì)量分數(shù)的增大而減小，且當摻加比小于100∶9時，減小幅度基本呈線性； 大于100∶9后，其滲透系數(shù)減小幅度變緩。繼續(xù)選用100∶9的摻加比，分別將質(zhì)量分數(shù)為1%、2%、3%、4%聚丙烯酰胺按此摻加比加入天然狀態(tài)下的原狀中砂，加水飽和并充分拌合后，進行滲透試驗，結(jié)果如圖5(b)所示。由圖5(b)可知： 砂土滲透系數(shù)會隨著聚丙烯酰胺質(zhì)量分數(shù)的增大而減小。但在單獨使用聚丙烯酰胺溶液時，無法令滲透性與和易性2個指標同時滿足要求。

2 渣土改良試驗研究

通過黏度試驗、坍落度試驗、滲透試驗對渣土改良效果進行評估，根據(jù)SL237—1999《土工試驗規(guī)程》、TB 10102—2004《鐵路土工試驗規(guī)程》等中有關(guān)內(nèi)容執(zhí)行試驗。

2.1 膨潤土-CMC混合漿液改良效果分析

2.1.1 膨潤土-CMC混合漿液質(zhì)量分數(shù)初步確定

首先配置出1∶10質(zhì)量分數(shù)的CMC漿液按照砂土與漿液體積比10∶2的摻加比對重塑砂土進行改良，然后進行渣土滲透性測試，測試結(jié)果如表3所示。由試驗結(jié)果可知： CMC溶液對改良渣土滲透性有一定的效果，與膨潤土配合使用具有進一步減小渣土滲透系數(shù)的作用。

(a) 不同摻加比

(b) 不同質(zhì)量分數(shù)

Fig. 5 Permeability coefficient curves of soil improved by polyacrylamide solution

表3 CMC溶液改良渣土滲透系數(shù)

由于CMC材料自身具有增稠性能，因此可選擇低質(zhì)量分數(shù)的CMC作為輔助材料配合膨潤土制作混合漿液。根據(jù)土工試驗結(jié)果，選用黏度較為接近使用上限的1∶8、1∶10質(zhì)量分數(shù)膨潤土漿液配制CMC質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2.5%、5%、7.5%、10%的混合漿液，將混合漿液按照10∶2的摻加比進行拌合后測定砂土滲透系數(shù)。

1∶10、1∶8質(zhì)量分數(shù)膨潤土混合漿液改良中砂滲透系數(shù)結(jié)果如表4所示。由表4可知： 當CMC質(zhì)量分數(shù)≥1%時，2種質(zhì)量分數(shù)的膨潤土-CMC混合漿液均可滿足滲透系數(shù)要求，并且與土工試驗中純膨潤土漿液對渣土的改良效果相比，混合漿液對砂土滲透性的改良效果有顯著提升，由此證實采用膨潤土-CMC混合漿液改良渣土具有一定的可行性。

表4 1∶10、1∶8質(zhì)量分數(shù)膨潤土混合漿液改良中砂滲透系數(shù)

Table 4 Permeability coefficient of medium sand improved by bentonite mixed grout with mass fraction of 1∶10 and 1∶8

CMC質(zhì)量分數(shù)/%1∶10膨潤土混合漿液滲透系數(shù)/(cm/s)1∶8膨潤土混合漿液滲透系數(shù)/(cm/s)17.31×10-66.47×10-62.54.72×10-62.96×10-651.75×10-69.61×10-77.57.69×10-74.15×10-7102.65×10-71.38×10-7

1∶10、1∶8質(zhì)量分數(shù)膨潤土混合漿液改良中砂滲透系數(shù)變化曲線如圖6所示，由圖6可知： 隨CMC質(zhì)量分數(shù)的增大，滲透系數(shù)曲線逐步放緩，改良效果逐漸減弱。根據(jù)上一步試驗可知當膨潤土質(zhì)量分數(shù)為1∶10或1∶8、CMC質(zhì)量分數(shù)為10‰時，已經(jīng)可以滿足滲透系數(shù)的要求，可進一步擴大和細分質(zhì)量分數(shù)范圍。

圖6 1∶10、1∶8質(zhì)量分數(shù)膨潤土-CMC混合漿液滲透系數(shù)變化曲線

Fig. 6 Permeability coefficient curves of medium sand improved by bentonite mixed grout with mass fraction of 1∶10 and 1∶8

2.1.2 膨潤土-CMC混合漿液質(zhì)量分數(shù)細分

為進一步擴大和細分質(zhì)量分數(shù)范圍，選用膨潤土質(zhì)量分數(shù)為8%、9%、10%、11%、12%，CMC質(zhì)量分數(shù)為2.5‰、5‰、7.5‰、10‰的膨潤土-CMC混合漿液進行黏度試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

該工程越江段所使用的土壓平衡盾構(gòu)注射泵的泵送能力約為100 s，因此選用接近泵送能力上限的質(zhì)量分數(shù)11%膨潤土與質(zhì)量分數(shù)2.5‰CMC混合漿液、質(zhì)量分數(shù)10%膨潤土與質(zhì)量分數(shù)5‰CMC混合漿液、質(zhì)量分數(shù)9%膨潤土與質(zhì)量分數(shù)7.5‰CMC混合漿液、質(zhì)量分數(shù)8%膨潤土與質(zhì)量分數(shù)10‰CMC混合漿液作為下一步試驗的試驗質(zhì)量分數(shù)，并按照順序分別標號為質(zhì)量分數(shù)A、質(zhì)量分數(shù)B、質(zhì)量分數(shù)C、質(zhì)量分數(shù)D。

表5不同質(zhì)量分數(shù)CMC混合漿液黏度試驗值

Table 5 Test values of viscosity of CMC mixed grout with different concentrations

膨潤土質(zhì)量分數(shù)/%不同質(zhì)量分數(shù)CMC混合漿液黏度試驗數(shù)據(jù)平均值/s2.5‰5‰7.5‰10‰825.836.450.679.4935.454.486.0109.71044.297.8170.0279.11185.3173.9359.8過稠12171.2327.6過稠過稠

分別將4種質(zhì)量分數(shù)的膨潤土-CMC混合漿液按照10∶1、10∶1.5、10∶2、10∶2.5、10∶3的摻加比加入過飽和狀態(tài)原狀砂中，拌合均勻后，對其進行滲透試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

表6不同質(zhì)量分數(shù)CMC混合漿液滲透系數(shù)試驗值

Table 6 Test values of permeability coefficient of CMC mixed grout with different mass fractions

摻加比不同質(zhì)量分數(shù)CMC混合漿液滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)平均值/(cm/s)質(zhì)量分數(shù)A質(zhì)量分數(shù)B質(zhì)量分數(shù)C質(zhì)量分數(shù)D10∶1 4.59×10-45.29×10-44.16×10-47.16×10-410∶1.56.46×10-54.45×10-57.11×10-57.17×10-510∶2 4.00×10-68.55×10-61.66×10-53.21×10-510∶2.58.31×10-66.41×10-69.04×10-69.59×10-610∶3 7.16×10-64.86×10-67.66×10-68.85×10-6

由表6試驗數(shù)據(jù)可知： 當摻加比大于一定值后，4種質(zhì)量分數(shù)的膨潤土-CMC混合漿液均能使原狀中砂滿足滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s的要求。其中，質(zhì)量分數(shù)B即10%質(zhì)量分數(shù)膨潤土與5‰質(zhì)量分數(shù)CMC的混合漿液效果相對顯著，但其改良效果不及改良飽和砂土?xí)r的效果，究其原因，除漿液質(zhì)量分數(shù)的改變外，可能在混合漿液與砂土混合的過程中，漿液被過飽和狀態(tài)砂土中原有水稀釋，且只有部分改良材料能夠進入砂土骨架結(jié)構(gòu)之中起到實際的改良作用，其余部分則隨著多余的水游離于土顆粒之外，難以使改良材料與土顆粒充分混合，因此，相較飽和砂的改良結(jié)果有所減弱。

根據(jù)上一步的試驗結(jié)果，各質(zhì)量分數(shù)的膨潤土-CMC混合漿液均可在摻加比大于一定數(shù)值后使原狀中砂的滲透系數(shù)滿足要求。因此，繼續(xù)采用上述4種質(zhì)量分數(shù)的膨潤土-CMC混合漿液對過飽和中砂進行改良并進行坍落度試驗，試驗結(jié)果如表7所示。由表7試驗結(jié)果可知： 4種質(zhì)量分數(shù)膨潤土-CMC混合漿液對過飽和中砂坍落度的改良效果并不理想，在這5種摻加比下均無法使過飽和狀態(tài)原狀砂土的坍落度落在10～15 cm。

表7不同質(zhì)量分數(shù)CMC混合漿液改良坍落度試驗值

Table 7 Test values of slump of CMC mixed grout with different mass fractions

摻加比不同質(zhì)量分數(shù)CMC混合漿液改良坍落度試驗數(shù)據(jù)平均值/cm質(zhì)量分數(shù)A質(zhì)量分數(shù)B質(zhì)量分數(shù)C質(zhì)量分數(shù)D10∶1 1.11.21.40.510∶1.51.92.01.60.910∶2 3.53.93.32.810∶2.55.46.65.24.510∶3 6.87.97.36.2

雖然從試驗結(jié)果可以看出隨著摻加比的增大，改良后砂土的坍落度也在慢慢增大，但是在實際施工過程中，所能采用的漿液摻加比是不可能無限制增大的，10∶3的摻加比已經(jīng)是一個很大的值。因此，單獨采用膨潤土-CMC混合漿液進行土體改良難以滿足過飽和狀態(tài)中砂坍落度要求。

2.2 聚丙烯酰胺溶液與膨潤土-CMC混合漿液改良效果分析

2.2.1 聚丙烯酰胺溶液與膨潤土-CMC混合漿液質(zhì)量分數(shù)初步確定

由于單獨采用膨潤土-CMC混合漿液無法滿足過飽和狀態(tài)中砂的坍落度要求，并且通過試驗驗證了聚丙烯酰胺溶液對砂土的滲透性減小作用和坍落度的增大作用； 因此，在膨潤土-CMC混合漿液的基礎(chǔ)上引入聚丙烯酰胺溶液，采用多種材料對過飽和狀態(tài)下的原狀砂進行渣土改良試驗。

通過黏度試驗可知，質(zhì)量分數(shù)大于4%的聚丙烯酰胺溶液黏度將會大于盾構(gòu)泵送上限，因此仍然采用土工試驗中所確定的1%、2%、3%、4%質(zhì)量分數(shù)作為試驗質(zhì)量分數(shù)。同時，由于聚丙烯酰胺對中砂坍落度增大效果明顯，為防止改良后渣土的坍落度過大，首先選用相對較小的100∶3、100∶4、100∶5、100∶6摻加比進行試驗。

膨潤土-CMC混合漿液的質(zhì)量分數(shù)選擇在上一步試驗中效果相對較好的質(zhì)量分數(shù)B作為試驗質(zhì)量分數(shù)。同時，由于膨潤土-CMC混合漿液摻加比也不可過大，因此選用10∶2.5這個較大的摻加比進行試驗。

2.2.2 聚丙烯酰胺溶液與膨潤土-CMC混合漿液質(zhì)量分數(shù)細分

采取以上確定的各材料質(zhì)量分數(shù)與摻加比對過飽和中砂進行改良后，測定其坍落度，試驗結(jié)果如表8所示?？芍?質(zhì)量分數(shù)B膨潤土-CMC混合漿液按照10∶2.5的摻加比與質(zhì)量分數(shù)為3%或4%的聚丙烯酰胺溶液按照摻加比為100∶5配合使用時可滿足過飽和狀態(tài)中砂的坍落度要求。

選用與上一步試驗相同質(zhì)量分數(shù)的膨潤土-CMC混合漿液和聚丙烯酰胺溶液按照相同的摻加比對過飽和中砂進行改良，并測定其滲透系數(shù)，試驗結(jié)果如表9所示?？芍?膨潤土-CMC混合漿液與聚丙烯酰胺溶液一起使用時，可有效改良過飽和原狀砂，使渣土的滲透性與和易性滿足工程要求。

表8不同質(zhì)量分數(shù)聚丙烯酰胺改良坍落度試驗值

Table 8 Test values of slump of polyacrylamide with different mass fractions

摻加比不同質(zhì)量分數(shù)聚丙烯酰胺改良坍落度試驗數(shù)據(jù)平均值/cm1%2%3%4%100∶31.73.03.24.4100∶43.24.66.49.2100∶56.17.011.715.0100∶67.99.316.721.6

表9不同質(zhì)量分數(shù)聚丙烯酰胺滲透系數(shù)試驗值

Table 9 Test values of permeability coefficient of polyacrylamide with different mass fractions

摻加比不同質(zhì)量分數(shù)聚丙烯酰胺滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)平均值/(×10-6cm/s)1%2%3%4%100∶36.436.106.155.88100∶45.555.164.794.38100∶54.703.403.503.11100∶63.552.802.622.09

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)： 在拌合砂土的過程中，先將膨潤土-CMC混合漿液倒入過飽和砂土中并攪拌，可觀察到原本沒過砂土表面的液體呈膨潤土般的褐色； 當加入聚丙烯酰胺溶液攪拌后，褐色液體逐漸減少，攪拌渣土手感也漸漸類似于攪拌黏性土的手感，靜止幾十秒后，渣土表面逐漸滲出少許透明液體，如圖7所示。

根據(jù)聚丙烯酰胺的材料特性推測，可能原因是在聚丙烯酰胺溶液與膨潤土-CMC混合漿液配合使用時，聚丙烯酰胺溶液形成的絮化物將土顆粒、膨潤土微粒、CMC絮化物以及大量的水包裹起來，在減小砂土內(nèi)摩擦角形成類似黏土狀的渣土的同時，還改善了因過量水稀釋而造成的改良材料性能發(fā)揮不理想的情況。

2.3 現(xiàn)場試驗及工程應(yīng)用效果分析

在土壓平衡盾構(gòu)施工過程中，位于螺旋出土器中的渣土起到一個瓶塞作用，其中，滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s是防止渣土噴涌最基本的要求，當水壓增大時，由于高水壓的作用噴涌發(fā)生的可能性會增加，為此必須調(diào)整材料的配比及摻比，將渣土的滲透系數(shù)降到更低，從而保證施工安全。此外，為滿足正常土壓平衡盾構(gòu)施工的需要，渣土的坍落度應(yīng)落在10～15 cm。

出于經(jīng)濟性方面的考慮，先選擇1∶10質(zhì)量分數(shù)膨潤土、5‰質(zhì)量分數(shù)CMC混合漿液按照10∶2.5摻加比配合3%質(zhì)量分數(shù)聚丙烯酰胺溶液按100∶5摻加比對渣土進行改良，漿液配比如表10所示。采用此配比進行施工后，多次在螺旋出土器閘門出渣取樣并進行滲透試驗與坍落度試驗，試驗結(jié)果如表11所示。

(a) 加入聚丙烯酰胺拌合

(b) 靜止1 min后

Fig. 7 Photo of grout mixed with polyacrylamide and that after 1 minute

表10 漿液配比

表11 實際施工渣土取樣試驗結(jié)果

由表11試驗結(jié)果可知： 渣土的滲透系數(shù)相對試驗結(jié)果普遍偏小，而坍落度都普遍偏大，主要是因為土艙內(nèi)含水量并沒有達到施工前的預(yù)測量，相對試驗而言，實際施工中改良材料的外部環(huán)境相對更好； 此外，由于掘進是在砂層中進行的，刀具的損傷較大，為給刀具潤滑降溫，于刀盤前方位置注入泡沫，所以實際滲透系數(shù)偏小、坍落度偏大。施工中渣土情況如圖8所示。

(a) 渣土改良效果

(b) 渣土坍落度測試

在此情況下本可考慮適當減小聚丙烯酰胺溶液的質(zhì)量分數(shù)或用量，但由于不確定前方是否會出現(xiàn)富水地段，且此時螺旋出土器出土工作順暢，渣土保持了較好的塑性和流動性，出于安全考慮，仍然使用此配比對土艙內(nèi)的中砂進行渣土改良作業(yè)。最終，在采取適當?shù)脑粮牧己?，福州市軌道交?號線土建工程07標合同段上藤站—達道站區(qū)間上下行線路于2016年2月依次成功下穿閩江，全程未發(fā)生噴涌及其他事故，并于2016年5月順利完工。

3 結(jié)論與討論

1)鈉基膨潤土、CMC、泡沫劑、聚丙烯酰胺對渣土的滲透性均有較好的改良效果，然而在高水壓高滲透砂性地層中進行掘進時，單獨使用某一種改良材料對渣土進行改良均無法滿足工程的要求。

2)鈉基膨潤土-CMC混合漿液對過飽和狀態(tài)中砂的和易性與滲透性均有一定改良作用，在一定范圍內(nèi)，其改良效果與漿液質(zhì)量分數(shù)以及摻加比呈正相關(guān)；但在可用摻加比范圍內(nèi)，該種混合漿液無法使過飽和狀態(tài)渣土的坍落度滿足工程要求。

3)聚丙烯酰胺溶液與鈉基膨潤土-CMC混合漿液配合使用，對過飽和中砂的和易性以及滲透性具有良好的改良效果，可滿足土壓平衡盾構(gòu)施工要求。

4)針對福州地鐵閩江越江段高水壓高滲透砂性地層，采用1∶10質(zhì)量分數(shù)膨潤土、5‰質(zhì)量分數(shù)CMC混合漿液按照10∶2.5摻加比配合3%質(zhì)量分數(shù)聚丙烯酰胺溶液按100∶5摻加比改良渣土，能夠有效防止噴涌發(fā)生。

在實際施工中，應(yīng)當從盾構(gòu)防噴涌與控制施工造價2方面考慮，針對不同地層情況可采取不同的渣土改良方案。從本文研究結(jié)果可知，當?shù)貙铀^較小、滲透性較小和發(fā)生噴涌風(fēng)險相對較小時，采用適當質(zhì)量分數(shù)鈉基膨潤土漿液即可滿足工程要求； 當?shù)貙铀^與滲透系數(shù)較大時，采用適宜質(zhì)量分數(shù)鈉基膨潤土-CMC混合漿液能夠有效控制噴涌的發(fā)生； 在水頭超過30 m、滲透系數(shù)達到10-2cm/s量級的極端情況下，采用一定質(zhì)量分數(shù)配比的聚丙烯酰胺溶液與鈉基膨潤土-CMC混合漿液配合使用，能夠有效保證施工安全。本文依托工程遇到的最高水頭為40 m，當水頭高于該值時，本文提出的方案需根據(jù)工程實際需求，通過進一步的試驗予以完善。

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