任國(guó)臣 包硯文

(1.同濟(jì)大學(xué),上海 200092； 2.中交隧道工程局有限公司,北京 100102)

0 引言

近年來，隨著國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)化水平的快速提高，地下空間開發(fā)工程正以前所未有的速度和規(guī)模蓬勃發(fā)展。我國(guó)一二線城市大量上馬地鐵工程建設(shè)項(xiàng)目，其中多數(shù)采用盾構(gòu)施工方法。由于我國(guó)各地區(qū)土層性質(zhì)差異巨大，常用的土壓平衡盾構(gòu)施工方法經(jīng)常因不適應(yīng)地層特性而遇到姿態(tài)難以控制、刀盤扭矩過大、掘進(jìn)速度過慢、出渣困難、地表塌陷或隆起等問題[1]。土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，其前端刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體進(jìn)入土倉，刀盤后隔板與掌子面之間形成泥土室，當(dāng)土體充滿土倉后，其壓力與切削面上的水、土壓力基本相同，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定掌子面的作用，這就要求土倉中的土體具有良好的塑流性[2]。為了使得土體達(dá)到適當(dāng)?shù)乃苄粤鲃?dòng)狀態(tài)，施工過程中需要有效改良渣土流動(dòng)性，從而降低噴涌量、降低刀具磨損速度。

為了保證土壓平衡盾構(gòu)施工順利進(jìn)行，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在渣土改良方面進(jìn)行了大量研究。A.Bezuijen等[3]研究制作了模型壓力倉，向壓力艙模型注入氣泡，通過對(duì)砂土與氣泡的混合土的滲透性、壓縮性、黏滯性和孔隙水壓力進(jìn)行了相關(guān)研究。張明晶等[4]采用朱偉教授研制的發(fā)泡劑和發(fā)泡裝置進(jìn)行發(fā)泡，用于土體改良試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)土體強(qiáng)度隨氣泡摻量增加而降低。

1 工程背景

1.1 工程概況

寧高城際軌道交通二期祿口新城南站—銅山站盾構(gòu)區(qū)間，線路自盾構(gòu)井始發(fā)后，向東南前進(jìn)。線路線間距13.5 m～13.6 m。盾構(gòu)區(qū)間起止里程為DK4+350～DK6+740，長(zhǎng)2 390 m(雙延米)，盾構(gòu)區(qū)間最小曲線半徑1 000 m，線路縱斷面大體呈“V”形，以3.015‰,14.45‰,9.9‰下坡至最低點(diǎn)后以16.228‰,28‰上坡，隧道埋深5.8 m～21.4 m。盾構(gòu)區(qū)間主要穿越粉質(zhì)粘土、殘積土、全風(fēng)化凝灰質(zhì)安山巖、強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)安山巖、中等風(fēng)化凝灰質(zhì)安山巖等地質(zhì)層。

1.2 工程難點(diǎn)

由于隧道埋深較淺、地層較為破碎，開挖土缺乏流動(dòng)性，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)壓力的作用和較高的溫度環(huán)境下，在土倉內(nèi)發(fā)生壓密、固結(jié)排水，形成“泥餅”，造成螺旋輸送機(jī)管道堵塞以及刀具工作效率降低；隧道穿越地層破碎，承壓水與裂隙水分布范圍及水量變化較大，在含水量大的地層中工作時(shí)，螺旋機(jī)排土器出口處出現(xiàn)噴涌，導(dǎo)致渣土在土倉中堆積以及隧道內(nèi)積水，影響掘進(jìn)效率。

2 渣土改良試驗(yàn)方案

渣土的改良效果的評(píng)級(jí)體系較為綜合，含水率和改良劑摻量是兩個(gè)重要的影響因素。以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)比分析含水率和改良劑摻量對(duì)渣土狀態(tài)的影響。其中渣土改良效果的評(píng)價(jià)主要根據(jù)渣土的坍落度判斷改良后渣土的流動(dòng)性[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)渣土改良后適宜的坍落度值范圍沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一些專家認(rèn)為坍落度100 mm～150 mm較為合適，也有一些專家認(rèn)為120 mm～200 mm較為合適[6]。

通常情況下含水率對(duì)渣土坍落度試驗(yàn)的影響很大，渣土粘聚力隨含水率增大而減小，流塑性隨含水率增大而增大。因此文中對(duì)該地層從不同含水率和不同改良劑摻量角度對(duì)渣土的流動(dòng)性進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

3 渣土取樣及物理性質(zhì)

3.1 渣土取樣

為了分析在相對(duì)均質(zhì)的地層中不同掘進(jìn)參數(shù)下渣土顆粒的物理性質(zhì)，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，通過調(diào)整推力、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)，待施工參數(shù)穩(wěn)定后，在輸送皮帶末端隨機(jī)取樣并做好密封措施。為了保證盾構(gòu)掘進(jìn)正常，盾構(gòu)機(jī)各掘進(jìn)參數(shù)需要控制在一定范圍之內(nèi)。由于掘進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化特性，因此改變的掘進(jìn)參數(shù)會(huì)在擬定的掘進(jìn)參數(shù)附近浮動(dòng)，取樣參數(shù)見表1。

表1 取樣參數(shù)表

3.2 渣土物理性質(zhì)

通過取固定容量的容器，將每編號(hào)渣樣依次并稱取重量，去掉容器重量后算得渣樣密度。通過稱量每編號(hào)渣樣濕質(zhì)量，然后平置于防水板上自然風(fēng)干1 d后放入烘箱10 h，烘干后稱取干質(zhì)量，算得渣土含水率，各編號(hào)密度及含水率如表2所示。

經(jīng)計(jì)算，各渣樣平均密度為1.79 g/cm3，由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會(huì)流向土倉內(nèi)，因此測(cè)得含水率高于實(shí)際含水率，實(shí)際含水率應(yīng)接近地層含水率。

表2 各渣樣密度與含水率表

4 渣土改良試驗(yàn)

4.1 改良劑選擇

土壓平衡盾構(gòu)施工主要的渣土改良方法有加水、膨潤(rùn)土、高分子聚合物和泡沫劑等，其中泡沫劑是較為合適的改良添加劑，本次試驗(yàn)選擇使用南昌某公司YHP系列土壤改良泡沫劑，其成分主要為表面活性劑、穩(wěn)定劑、滲透劑等，是專門針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在隧道施工中的一種輔助材料，能有效改良土壤塑性，具體技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 泡沫劑技術(shù)指標(biāo)

4.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

按含水率16%配置平均級(jí)配的渣土，通過控制泡沫劑溶液流量(混合溶液濃度為3%)和控制氣壓的方法得到泡沫(發(fā)泡倍率為10倍以上)，其摻量分別為渣土體積的0%,20%,40%,60%。在不同摻量的泡沫下，用攪拌機(jī)將渣土充分?jǐn)嚢?，攪拌結(jié)束后分層灌入坍落度桶內(nèi)，每層用搗棒由外向內(nèi)插搗15次，灌滿后用刮刀將桶口渣土刮平。拔出坍落度桶，測(cè)其坍落度，記錄數(shù)據(jù)。在含水率16%下加減2%，分別為12%,14%,18%,20%。再按上述兩步進(jìn)行操作。

對(duì)每組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拍照并量取坍落度值，試驗(yàn)過程如圖1～圖3所示，所得結(jié)果建立含水率與流動(dòng)性關(guān)系及泡沫劑摻量與流動(dòng)性關(guān)系如圖4，圖5所示。

從圖1中可知，在泡沫劑摻量一定時(shí)，渣樣含水率越高，渣樣的坍落度值越大。其中渣樣含水率從12%增加到14%時(shí)，渣樣坍落度值增加較為緩慢；含水率從14%增加到16%時(shí)，渣樣的坍落度值迅速增加；之后隨著含水率的增加，渣樣坍落度值增加速率再次放緩。同時(shí)渣樣泡沫劑摻量達(dá)到40%之后，泡沫劑摻量增加，渣樣坍落度值差異逐漸變小。

從圖2中可知，在渣樣含水率較小的情況下(含水率為12%,14%)，泡沫劑摻量的增加，渣土坍落度值迅速增加。含水率為12%時(shí)，渣樣坍落度值從41 mm增加到179 mm；含水率為14%時(shí)，渣樣坍落度值從64 mm增加到176 mm。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 mm,202 mm,216 mm增加到220 mm,239 mm,239 mm。同時(shí)也能看出，渣樣含水率在16%時(shí)，隨著泡沫劑摻量的增加，渣樣坍落度值出現(xiàn)明顯差異，即含水率到達(dá)16%之后，渣樣坍落度值增加幅度迅速減小。

5 結(jié)語

渣樣含水率在16%～18%時(shí)，渣樣通過摻入泡沫劑能達(dá)到較好的流塑狀態(tài)，此時(shí)渣土坍落度值范圍在180 mm～230 mm，并且渣土中細(xì)顆粒能很好的將粗顆粒進(jìn)行包裹，渣土的保水性較好，不析水，渣土接近飽和狀態(tài)。而泡沫劑摻量摻入40%左右時(shí)改良效果最佳，能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。