周慶國(guó)

(中鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610000)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)因具有施工速度快、安全系數(shù)高及對(duì)地面影響小的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為各大城市區(qū)間隧道的主要施工方法。土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，其前端刀盤旋轉(zhuǎn)切削地層，切削下的圍巖進(jìn)入土艙。為了維持掌子面穩(wěn)定，并保證渣土的持續(xù)運(yùn)出，土艙內(nèi)泥土理想狀態(tài)應(yīng)為塑性流動(dòng)狀態(tài)[1]。施工過(guò)程中為有效改善渣土流動(dòng)性、降低噴涌量并減少刀具磨損，有必要開(kāi)展不同地層渣土物理性質(zhì)及改良技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地層的渣土改良技術(shù)進(jìn)行了一些研究。張立泉[2]針對(duì)無(wú)水砂層確定了渣土改良的配合比和合理參量； 唐卓華等[3]針對(duì)富水砂層盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良得出了適合該地層的渣土改良劑的合理配比； 周用攀[4]針對(duì)卵石地層得出了盾構(gòu)施工的合理泡沫和泥漿摻入比; 肖超等[5]針對(duì)泥質(zhì)粉砂地層土壓平衡盾構(gòu)渣土的FIR理論計(jì)算值進(jìn)行了修正； R.Zumsteg等[6]研究了渣土的類型和不同壓力對(duì)泡沫改良渣土的影響。土壓平衡盾構(gòu)對(duì)復(fù)合地質(zhì)的適應(yīng)性是一個(gè)比較復(fù)雜的綜合性技術(shù)，而渣土改良是保證掘進(jìn)過(guò)程中的關(guān)鍵手段。目前，大多數(shù)土壓平衡盾構(gòu)主要采用添加膨潤(rùn)土泥漿、泡沫劑及聚合物等材料和方法對(duì)渣土進(jìn)行改良[7]，但在應(yīng)用中缺乏相應(yīng)地層土體性質(zhì)的試驗(yàn)依據(jù)和實(shí)踐來(lái)統(tǒng)一指導(dǎo)施工。本文針對(duì)成都地鐵10號(hào)線一期土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)工程中穿越的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化復(fù)合地層和中等風(fēng)化復(fù)合地層，在盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)中針對(duì)不同掘進(jìn)參數(shù)采取渣土試樣，進(jìn)行渣土取樣物理性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)渣土顆粒密度、顆粒級(jí)配和顆粒幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)，定量分析地層條件對(duì)渣土物理性質(zhì)的影響，通過(guò)研究不同配比的泡沫劑改良砂質(zhì)、巖質(zhì)渣土后塑流狀混合物的含水率、坍落度等指標(biāo)，確定了最優(yōu)泡沫劑摻量，開(kāi)展級(jí)配方程對(duì)顆粒級(jí)配和幾何參數(shù)的適用性分析，結(jié)合掘進(jìn)參數(shù)與地層條件，提出基于地層及掘進(jìn)參數(shù)的渣土改良施工參數(shù)的量化方法，形成較為完整的基于復(fù)合地層的土壓平衡盾構(gòu)的渣土性質(zhì)試驗(yàn)方法和改良技術(shù)。

1 工程概況

成都地鐵10號(hào)線一期線路全長(zhǎng)10.5 km，全為地下線，最大站間距為2.836 km，最小站間距為1.028 km，平均站間距為1.826 km。最小曲線半徑為400 m。其中，沈家橋站—金航路南站區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間右線起止點(diǎn)里程為YCK4+293.046～YCK7+154.413，區(qū)間全長(zhǎng)為2 852.367 m；盾構(gòu)區(qū)間左線起止點(diǎn)里程為ZCK4+363.446～ZCK7+197.228，短鏈長(zhǎng)為2.556 m,區(qū)間全長(zhǎng)為2 831.226 m。本段沿線下伏的白堊系灌口組(K2g)紫紅色、褐紅色泥巖，大多數(shù)地段為中等風(fēng)化，風(fēng)化呈短柱狀，個(gè)別地段有全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖層揭露，風(fēng)化呈土狀、碎塊狀。巖層具有易軟化、崩解、強(qiáng)度急劇降低的特點(diǎn)，盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中多次遇到噴涌，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性十分不利。巖土層的工程特征及水文特征統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 巖土層的工程特征及水文特征統(tǒng)計(jì)表Table 1 Engineering characteristics of rock and soil layers and statistics of hydrological characteristics

2 全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化復(fù)合地層渣土物理性質(zhì)

2.1 顆粒的級(jí)配特征

按篩孔大小排列順序逐個(gè)將渣樣過(guò)篩，篩孔孔徑依次為37.5、26.5、19、16、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。計(jì)算分計(jì)篩余百分率、累計(jì)篩余百分率和各號(hào)篩的質(zhì)量通過(guò)百分率，并繪制級(jí)配曲線。渣土的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

各編號(hào)渣樣粗、細(xì)顆粒含量統(tǒng)計(jì)如表2所示，有效推力和刀盤轉(zhuǎn)速與粗顆粒含量關(guān)系如圖2所示。

由圖2可以看出： 1)在相同的盾構(gòu)推力下，刀盤轉(zhuǎn)速越大，渣土粗顆粒含量越少； 2)盾構(gòu)推力從10 000 kN增加到12 000 kN，粗顆粒含量在刀盤轉(zhuǎn)速為1.4 r/min和1.5 r/min時(shí)，含量減少超過(guò)了10%； 3)在刀盤轉(zhuǎn)速達(dá)到1.6 r/min時(shí)，粗顆粒含量趨于相同，都接近50%; 4)在相同的刀盤轉(zhuǎn)速下，隨著盾構(gòu)推力的增加，渣土粗顆粒含量也隨之增多; 5)盾構(gòu)推力在9 500 kN和12 000 kN時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速?gòu)?.5 r/min增加到1.6 r/min時(shí)，粗顆粒含量減少量小于5%； 6)推力在10 000 kN時(shí)，同樣的等級(jí)刀盤轉(zhuǎn)速提升，渣土粗顆粒含量降低將近20%; 7)在高刀盤轉(zhuǎn)速下，隨著盾構(gòu)推力的增加，渣土粗顆粒含量逐漸趨于50%。

2.2 級(jí)配方程分析

目前為止，關(guān)于巖土顆粒物質(zhì)幾何參數(shù)分布累計(jì)曲線的數(shù)學(xué)表述具有相異的適用范圍。W.B.Fuller等[8]根據(jù)試驗(yàn)提出的一種理想級(jí)配即最大密度曲線，認(rèn)為參數(shù)級(jí)配曲線越接近拋物線時(shí)，其密度越大，如式(1)所示。

圖1 渣土的顆粒級(jí)配曲線圖Fig. 1 Grain gradation curves of residual soil

表2 渣樣粗、細(xì)顆粒含量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of coarse and fine particle content of slag sample

圖2 有效推力和刀盤轉(zhuǎn)速與粗顆粒含量關(guān)系圖

Fig. 2 Relationships among effective thrust, cutter rolling speed and coarse particle content

(1)

式中：P為粒徑為d的顆粒的通過(guò)質(zhì)量百分率；dmax為最大粒徑。

基于分形理論，A.N.Talbot等[9]提出一種級(jí)配方程，如式(2)所示。

(2)

式中D為分形維數(shù)。

根據(jù)式(2)，在研究最大密度時(shí)，A.N.Talbot等[9]則認(rèn)為，實(shí)際礦料的級(jí)配應(yīng)允許有一定的波動(dòng)，如式(3)所示。

(3)

式中：n為級(jí)配指數(shù)，一般n取0.3～0.6 時(shí)，有較好的密實(shí)度； 當(dāng)n=0.5 時(shí)即為W.B.Fuller等[8]提出的最大密度曲線。

P.K.Swamee等[10]提出了天然泥砂的級(jí)配曲線方程，如式(4)所示。

(4)

式中:m為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中泥砂級(jí)配曲線中間段變化斜率；n為漸變系數(shù)(或稱為擬合系數(shù))；d*為(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中)級(jí)配曲線的中間段直線的延長(zhǎng)線與P=100%的橫坐標(biāo)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粒徑。

以1號(hào)渣樣為例，對(duì)渣樣篩分?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)用上述公式進(jìn)行擬合，擬合發(fā)現(xiàn)Swamee級(jí)配曲線方程擬合效果最好，擬合結(jié)果如圖3所示。各編號(hào)渣樣的擬合參數(shù)值及相關(guān)系數(shù)如表3所示。

圖3 渣樣顆粒級(jí)配實(shí)測(cè)值與擬合值對(duì)比

Fig. 3 Comparison between fitted values and measured values of particle size grading of slag

表3 各編號(hào)渣樣的擬合參數(shù)值及相關(guān)系數(shù)Table 3 Fitting parameters and correlation coefficients of various numbered slag samples

3 全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化復(fù)合地層渣土改良技術(shù)試驗(yàn)研究

3.1 渣土改良方式比較

目前在國(guó)內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫和膨潤(rùn)土是使用最為廣泛的2種外加劑，但膨潤(rùn)土作為外加劑需要制泥設(shè)備，成本較高，且膨潤(rùn)土泥漿適用于細(xì)料含量少的中粗砂土、砂礫土、卵石漂石地層等，不適于本工程進(jìn)行渣土改良。采用泡沫改良渣土適合任何土層[11-12]，故本工程采用YHP系列土壤改良泡沫潤(rùn)滑劑，該泡沫劑是由多種表面活性劑、穩(wěn)定劑、強(qiáng)化劑及滲透劑等復(fù)配而成的，是專門針對(duì)盾構(gòu)在隧道施工中的一種輔助材料，能有效改良土壤塑性。

3.2 渣土改良混合物流動(dòng)性分析

3.2.1 渣土改良混合物最優(yōu)流動(dòng)性

國(guó)內(nèi)外利用對(duì)渣土改良試驗(yàn)中坍落度值范圍的選取來(lái)評(píng)價(jià)渣土狀態(tài)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。V.Raffaele等[13]通過(guò)試驗(yàn)研究得出坍落度為120～225 mm的改良土體效果較好，而S.Jancsecz等[14]通過(guò)試驗(yàn)研究卻得出坍落度為200～250 mm時(shí)較好?；谝陨蠈W(xué)者的研究并結(jié)合盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)，綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，坍落度控制在180～220 mm時(shí)更適合盾構(gòu)施工。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)每組進(jìn)行試驗(yàn)拍照并量取坍落度值，并將每組試驗(yàn)所得照片匯總，如圖4所示。

(a)W=12%, (b)W=12%, (c)W=12%, (d)W=12%, (e)W=12%,

FER=0%, FER=20%, FER=40%, FER=60%, FER=0%,

T=41 mmT=93 mmT=154 mmT=179 mmT=64 mm

(f)W=14%, (g)W=14%, (h)W=14%, (i)W=16%, (j)W=16%,

FER=20%, FER=40%, FER=60%, FER=0%, FER=20%,

T=101 mmT=158 mmT=176 mmT=185 mmT=201 mm

(k)W=16%, (l)W=16%, (m)W=18%, (n)W=18%, (o)W=18%,

FER=40%, FER=60%, FER=0%, FER=20%, FER=40%,

T=215 mmT=220 mmT=202 mmT=221 mmT=230 mm

(p)W=18%, (q)W=20%, (r)W=20%, (s)W=20%, (t)W=20%,

FER=60%, FER=0%, FER=20%, FER=40%, FER=60%,

T=239 mmT=216 mmT=229 mmT=238 mmT=239 mm

圖4坍落度試驗(yàn)

Fig. 4 Slump test

對(duì)每次改良渣樣的坍落度值進(jìn)行量測(cè)，可以得到含水率與渣土流動(dòng)性關(guān)系，如圖5所示。泡沫摻量與渣土流動(dòng)性關(guān)系如圖6所示。

圖5 含水率與渣土流動(dòng)性關(guān)系

Fig. 5 Relationships between water content and residual soil fluidity

圖6 泡沫摻量與渣土流動(dòng)性關(guān)系

Fig. 6 Relationships between foam content and residual soil fluidity

由圖5可以看出: 1)在泡沫摻量一定時(shí)，渣樣含水率越高，渣樣的坍落度值越大； 2)渣樣含水率從12%增加到14%時(shí)，渣樣坍落度值增加較為緩慢； 3)含水率從14%增加到16%時(shí)，渣樣的坍落度值迅速增加； 4)隨著含水率的增加，渣樣坍落度值增加速率又放緩。同時(shí)由圖6可以看出： 渣樣泡沫摻量達(dá)到40%之后，泡沫摻量增加，渣樣坍落度值差異逐漸變小。

由圖6可以看出: 1)在渣樣含水率較小的情況下(含水率為12%、14%)，泡沫摻量增加，渣土坍落度值迅速增加； 2)含水率為12%時(shí)，渣樣坍落度值從41 mm增加到179 mm； 3)含水率為14%時(shí)，渣樣坍落度值從64 mm增加到176 mm； 4)隨著含水率的進(jìn)一步增大，渣樣坍落度值增幅非常緩慢，含水率為16%、18%、20%時(shí)，渣樣坍落度值分別從185、202、216 mm增加到220、239、239 mm。同時(shí)由圖5可以看出： 渣樣含水率為16%時(shí)，隨著泡沫摻量從0%增加到60%，渣樣坍落度值出現(xiàn)明顯差異，即含水率達(dá)到16%之后，渣樣坍落度值增加幅度迅速減小。

由圖4—6可知: 渣樣含水率為16%～18%時(shí)，渣樣通過(guò)摻入泡沫能達(dá)到較好的流塑狀態(tài)，此時(shí)渣土坍落度值為180～230 mm，并且渣土中細(xì)顆粒能很好地將粗顆粒進(jìn)行包裹，渣土的保水性較好，不析水，渣土接近飽和狀態(tài); 2)泡沫摻量為40%左右時(shí)改良效果最佳。

4 中等風(fēng)化復(fù)合地層渣土物理性質(zhì)

4.1 渣土顆粒級(jí)配

將盾構(gòu)隧道不同掘進(jìn)參數(shù)下，取得的盾構(gòu)巖渣分別裝樣，稱取每份試樣不少于50 kg，共取得11份試樣。參照破碎、較破碎地層中渣樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，取套篩包含粒徑分別為37.5、26.5、19、16、9.5、4.75 mm。每個(gè)試樣分別過(guò)篩，得到顆粒級(jí)配曲線，如圖7所示。

圖7 渣土顆粒級(jí)配曲線示意圖Fig. 7 Sketch of curves of particle gradation of residual soil

由圖7可以看出: 1)粒徑在37.5 mm以上渣土顆粒含量為10%～20%； 2)粒徑在4.75～36.5 mm的渣土顆粒含量基本為70%～80%； 3)粒徑小于4.75 mm的渣土顆粒含量基本上低于5%。

渣土顆粒級(jí)配的有效推力分級(jí)如圖8所示?？梢钥闯? 1)在相應(yīng)的有效推力下，刀盤轉(zhuǎn)速分別從1.75 r/min增大到2.00 r/min、從1.79 r/min增大到1.98 r/min、從1.69 r/min增加到2.00 r/min，都表現(xiàn)出渣土顆粒逐漸偏細(xì); 2)在有效推力為6 800 kN時(shí)，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增大，渣土顆粒在19 mm粒徑以上的顆粒含量相對(duì)減少，渣土顆粒在19 mm粒徑以下的顆粒含量相對(duì)增多; 3)當(dāng)盾構(gòu)有效推力為 8 050 kN時(shí)，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加，渣土顆粒級(jí)配曲線之間的差異變小。即在大致相同的地層下，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)有效推力維持穩(wěn)定，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加，掘出的渣土顆粒偏細(xì)。當(dāng)有效推力足夠大時(shí)，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的變化，渣土各粒徑含量差異將減小。

(a) 有效推力為6 000 kN

(b) 有效推力為6 800 kN

(c) 有效推力為7 000 kN

(d) 有效推力為8 050 kN圖8 渣土顆粒級(jí)配的有效推力分級(jí)示意圖

Fig. 8 Sketch of effective thrust classification of particle size gradation

渣土顆粒級(jí)配的刀盤轉(zhuǎn)速分級(jí)如圖9所示。

(a) 刀盤轉(zhuǎn)速為1.68 r/min

(b) 刀盤轉(zhuǎn)速為1.95 r/min

(c) 刀盤轉(zhuǎn)速為2.0 r/min圖9 渣土顆粒級(jí)配的刀盤轉(zhuǎn)速分級(jí)示意圖

Fig. 9 Sketch of cutter rolling speed grading of residue particle gradation

由圖9可以看出: 1)刀盤轉(zhuǎn)速分別為1.68、1.95、2.00 r/min時(shí)，隨著盾構(gòu)有效推力的變化，渣土顆粒級(jí)配發(fā)生變化; 2)在一定的刀盤轉(zhuǎn)速下，盾構(gòu)有效推力增加，渣土顆粒級(jí)配曲線偏上，即渣土顆粒相對(duì)偏細(xì); 3)在一定的刀盤轉(zhuǎn)速下，渣土顆粒級(jí)配與盾構(gòu)有效推力的變化幅度相關(guān); 4)盾構(gòu)有效推力變化幅度越大，顆粒級(jí)配曲線差異越大; 5)有效推力增加幅度為1 150、600、2 050 kN，其中增幅為600 kN的渣土顆粒級(jí)配曲線中小于某孔徑比率的最大差值低于5%，而其他2組最大差值分別為 14.6%和8%。從最大差值中也能看出： 刀盤轉(zhuǎn)速相對(duì)較大時(shí)，隨著盾構(gòu)有效推力的變化，渣土顆粒之間的差異在縮小。

4.2 渣土顆粒幾何特征

4.2.1 試樣照片拍攝

試驗(yàn)中共取得11份試樣。將每份試樣均分成10小份后標(biāo)記裝袋，然后將每小份試樣均勻攤鋪于一張1 m×1 m的白紙上。攤鋪后試樣如圖10所示。本試驗(yàn)采用顆粒(孔隙)及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)(PCAS)對(duì)拍攝所得的巖渣照片進(jìn)行處理，進(jìn)而對(duì)盾構(gòu)巖渣參數(shù)進(jìn)行定量化分析研究。

圖10 試樣攤鋪效果圖Fig. 10 Effect of sample paving

4.2.2 試樣照片的圖像處理

本試驗(yàn)采用南京大學(xué)開(kāi)發(fā)的PCAS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)已被運(yùn)用于巖土體裂隙、孔隙、頁(yè)巖氣孔隙和礦物顆粒等定量識(shí)別和結(jié)構(gòu)分析研究領(lǐng)域，也可應(yīng)用于材料、生物等領(lǐng)域。最小和最大Feret直徑如圖11所示。PCAS系統(tǒng)的幾何測(cè)量原理如圖12所示。

圖11 最小和最大Feret直徑Fig. 11 Minimum and maximum Feret diameters

4.2.3 巖渣幾何參數(shù)定量化分析

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的選取直接影響掘進(jìn)產(chǎn)生巖渣的幾何性質(zhì)[15]。通過(guò)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)巖渣幾何參數(shù)分布累計(jì)曲線影響的定量研究，來(lái)準(zhǔn)確描述巖渣幾何參數(shù)分布情況，實(shí)現(xiàn)了在全粒徑范圍內(nèi)渣土顆粒主要幾何參數(shù)分布的定量表示。通過(guò)對(duì)工程中巖渣試樣的顆粒幾何參數(shù)累積曲線形態(tài)的研究，從而提出適用性方程。對(duì)同一種土處于不同掘進(jìn)參數(shù)下，盾構(gòu)巖渣幾何參數(shù)累積曲線分別采用式(1)—(4)進(jìn)行擬合，研究結(jié)果表明，式(4)較其他方程更具有普遍適用性。PCAS系統(tǒng)對(duì)本試驗(yàn)照片圖像處理原理如圖12所示。

(a) 巖渣原照片

(b) 二值化后巖渣照片

(c) PCAS系統(tǒng)自動(dòng)讀出各巖渣顆粒參數(shù)圖12 PCAS系統(tǒng)對(duì)本試驗(yàn)照片圖像處理原理

Fig. 12 Principle of image processing for photos by PCAS system

根據(jù)對(duì)11組試樣幾何參數(shù)的擬合結(jié)果，巖渣長(zhǎng)度、寬度、周長(zhǎng)、面積4個(gè)參數(shù)進(jìn)行擬合效果最佳，而面積/周長(zhǎng)參數(shù)以指數(shù)函數(shù)模型擬合精度最高。巖渣試樣長(zhǎng)度參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)如表4所示。巖渣試樣寬度參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)如表5所示。巖渣試樣周長(zhǎng)參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)如表6所示。巖渣試樣面積參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)如表7所示。巖渣試樣面積/周長(zhǎng)參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)如表8所示。

表4 巖渣試樣長(zhǎng)度參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)表Table 4 Fitting equation and parameters of cumulative curve of length parameter of rock slag specimens

表5 巖渣試樣寬度參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)表Table 5 Fitting equation and parameters for cumulative curve of width parameter of rock slag specimens

表6 巖渣試樣周長(zhǎng)參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)表Table 6 Fitting equation and parameters for accumulative curve of perimeter parameters of rock slag specimens

表7 巖渣試樣面積參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)表Table 7 Fitting equation and parameters for cumulative curve of area parameter of rock slag specimens

表8 巖渣試樣面積/周長(zhǎng)參數(shù)累積曲線擬合方程及參數(shù)表Table 8 Fitting equation and parameters for cumulative curve of area/perimeter parameters of rock slag specimens

5 中等風(fēng)化復(fù)合地層渣土改良技術(shù)試驗(yàn)研究

根據(jù)渣土粒徑統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果： 較完整地層中粒徑為37.5 mm以上渣土顆粒含量為10%～20%；粒徑為4.75～36.5 mm的渣土顆粒含量基本為70%～80%；粒徑小于4.75 mm的渣土顆粒含量基本上低于5%。通過(guò)坍落度指標(biāo)表征渣土流塑性不再適用。攪拌試驗(yàn)是利用盾構(gòu)渣土改良混合物流塑性量測(cè)裝置模擬刀盤和攪拌翼板對(duì)渣土的攪拌過(guò)程，評(píng)價(jià)改良土體的攪拌性能和粘附性，為研究刀盤轉(zhuǎn)矩、螺旋排土器轉(zhuǎn)矩的影響因素提供了一種直觀有效的試驗(yàn)手段[16]。

摻水量對(duì)渣土混合物攪拌轉(zhuǎn)矩的影響如圖13所示?？梢钥闯觯?1)在較完整地層的渣樣中加入一定量的水進(jìn)行土體改良，在前期土體的攪拌轉(zhuǎn)矩較高且變化很?。?2)當(dāng)摻水量超過(guò)2%時(shí)攪拌轉(zhuǎn)矩下降，下降速率加快，混合物流動(dòng)性增強(qiáng)； 3)當(dāng)摻水量達(dá)到8%，土體的攪拌轉(zhuǎn)矩下降速率開(kāi)始減小，并逐漸趨于穩(wěn)定； 4)總體上渣樣的攪拌轉(zhuǎn)矩減少量較低，水對(duì)渣土混合物攪拌轉(zhuǎn)矩的影響較小。

圖13 摻水量對(duì)渣土混合物攪拌轉(zhuǎn)矩的影響

Fig. 13 Effect of water content on mixing torque of residual soil mixture

摻泡沫對(duì)渣土轉(zhuǎn)矩的影響如圖14所示。可以看出： 1)在渣土中加入一定量的泡沫進(jìn)行土體改良，在前期土體的攪拌轉(zhuǎn)矩有一定的增大； 2)在泡沫劑加入比為3%左右的時(shí)候，土體的攪拌功率增加到最大值； 3)當(dāng)泡沫摻量超過(guò)6%時(shí)，攪拌轉(zhuǎn)矩開(kāi)始迅速下降； 4)當(dāng)泡沫摻量達(dá)到9%之后，攪拌轉(zhuǎn)矩變化很小，說(shuō)明此時(shí)泡沫摻量的增加對(duì)渣土改良的作用不大。所以，泡沫劑能夠顯著降低對(duì)渣土混合物的攪拌轉(zhuǎn)矩。

圖14 摻泡沫對(duì)渣土轉(zhuǎn)矩的影響Fig. 14 Effect of foam on torque of residual soil

6 結(jié)論與討論

渣土改良技術(shù)可有效地降低盾構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和推力，減輕設(shè)備部件磨損，對(duì)提高效率、降低工程造價(jià)有著決定性作用。通過(guò)反復(fù)進(jìn)行渣土性質(zhì)試驗(yàn)和研究渣土改良技術(shù)，有效降低了螺旋輸送機(jī)出土口地下水噴涌對(duì)上覆地層變形的影響并得到了如下結(jié)論。

1)Swamee級(jí)配曲線方程對(duì)渣土顆粒級(jí)配的擬合效果較好，能比不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)等參數(shù)更好地對(duì)不同渣樣顆粒級(jí)配進(jìn)行區(qū)分。

2)富水渣樣(重力含水率16%～18%)在泡沫劑發(fā)泡后的體積摻入量為40%時(shí)，土中細(xì)顆粒能很好地將粗顆粒進(jìn)行包裹，渣土的保水性較好，不析水，改良后的渣土混合物坍落度值為180～230 mm，達(dá)到較好的流塑狀態(tài)。

3)級(jí)配方程實(shí)現(xiàn)了在全粒徑范圍內(nèi)渣土顆粒主要幾何參數(shù)分布的定量表示，可用于顆粒流與離散元的建模及反分析，以及通過(guò)建立方程系數(shù)與掘進(jìn)參數(shù)、地層參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)方程指導(dǎo)渣土改良的精細(xì)化、定量化施工。

4)較完整地層巖渣的長(zhǎng)度、寬度、周長(zhǎng)、面積等參數(shù)利用Swamee級(jí)配曲線方程進(jìn)行擬合效果最佳，而面積/周長(zhǎng)參數(shù)以指數(shù)函數(shù)模型擬合精度最高。

在成都地鐵10號(hào)線一期區(qū)間盾構(gòu)隧道掘進(jìn)中，采用以上成果方法指導(dǎo)施工無(wú)較大噴涌現(xiàn)象發(fā)生，保證了盾構(gòu)安全、連續(xù)、快速掘進(jìn)，可為今后類似工程提供參考和借鑒。將本文的試驗(yàn)結(jié)果與前人的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比，可以驗(yàn)證計(jì)算方法的可行性，但對(duì)于多層土體掘進(jìn)過(guò)程，還需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)并進(jìn)一步修正。

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