陳先智， 成 勇， 楊小龍， 劉 飛， 胡欽鑫， 劉朋飛

(1. 中鐵開發(fā)投資集團有限公司， 云南 昆明 650118； 2. 中鐵五局集團有限公司城市軌道交通工程分公司，湖南 長沙 410205； 3. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

0 引言

土壓平衡盾構(gòu)作為一種在軟土地層中施工速度快、安全性高的施工機械，在城市地鐵的建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。當土壓平衡盾構(gòu)在富水圓礫地層中掘進時，會出現(xiàn)刀具磨損大、土艙溫度高和噴涌等問題。特別是當?shù)叵滤桓?、土層中細粒含量低時，水極易從地層中攜帶著細小的泥砂由螺旋輸送機出渣口噴出，從而造成噴涌。輕微的噴涌會導致渣土和水在盾構(gòu)管片拼裝作業(yè)區(qū)淤積，影響盾構(gòu)正常施工； 嚴重的噴涌會造成水土流失，導致較大的地表沉降甚至掌子面失穩(wěn)。因此，盾構(gòu)在該類地層中掘進時，渣土不僅需具有一定塑流性以保證渣土順利排出，還需具有較好的抗?jié)B性以防止噴涌發(fā)生。在盾構(gòu)掘進過程中，向盾構(gòu)刀盤前方、土艙和螺旋輸送機中注入改良劑提高渣土塑流性和降低渣土滲透性是保證盾構(gòu)安全掘進的最有效手段[1-2]。

目前，許多國內(nèi)外學者對渣土改良技術(shù)進行了研究。在改良渣土塑流性方面，Peila等[3]采用坍落度試驗評價泡沫改良渣土塑流性，發(fā)現(xiàn)隨著渣土中粗粒含量增多，合理改良參數(shù)范圍縮小。葉新宇等[4]依托南昌泥質(zhì)粉砂巖地層開展渣土改良試驗工作，得出理想改良狀態(tài)下渣土的坍落度為170～200 mm。Vinai等[5]通過螺旋輸送機排土試驗，得出泡沫改良砂土的理想坍落度為150～200 mm。在改良渣土滲透性方面，Huang等[6]研究了不同渣土粒徑對改良渣土的滲透性影響規(guī)律。Budach等[7]考慮盾構(gòu)拼裝管片和其他因素，認為改良渣土滲透系數(shù)需保持在10-5m/s以下至少90 min，并對不同級配泡沫改良渣土進行常水頭試驗，結(jié)果表明泡沫能夠降低渣土滲透系數(shù)至原狀土的1/10～1/100。Quebaud等[8]通過常水頭滲透試驗測試改良砂土的滲透性，發(fā)現(xiàn)發(fā)泡率較小的泡沫對砂土滲透性的改良更加明顯。王海波等[9]采用等效粒徑的方法研究砂土級配和泡沫改良砂土的滲透性，發(fā)現(xiàn)隨著等效粒徑的增大，滲透系數(shù)隨時間變化越快，即泡沫-砂土的敏感性更高。申興柱等[10]依托深圳地鐵進行膨潤土泥漿改良砂土試驗，發(fā)現(xiàn)相同注入比的情況下，渣土的滲透系數(shù)隨著泥漿和羧甲基纖維素(CMC)體積分數(shù)的增大而降低。賀少輝等[11]和張淑朝等[12]設(shè)計了改良渣土防噴涌性能試驗裝置，研究蘭州砂卵石地層高水壓條件下盾構(gòu)掘進改良渣土抗?jié)B性的定量試驗?zāi)M與測試方法，發(fā)現(xiàn)砂卵石原狀土樣因為滲透系數(shù)過大，在試驗中無法形成有效壓力，采用泡沫和膨潤土泥漿綜合改良可顯著改善渣土抗水擊穿能力。

通過分析國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，國外主要針對泡沫改良渣土的各項物理指標進行研究和機制探討，而國內(nèi)的研究雖包含泡沫、膨潤土和高分子聚合物，但大多為針對某個具體工程進行改良試驗研究，試驗結(jié)果難以運用到其他工程中。因此，為解決土壓平衡盾構(gòu)在昆明地鐵富水圓礫地層中掘進時的噴涌問題，采用膨潤土泥漿、高分子聚合物和泡沫作為改良材料，開展室內(nèi)渣土改良試驗，分析改良后的圓礫渣土塑流性和滲透性，根據(jù)試驗結(jié)果確定合適的改良劑添加比，以期為類似地層的盾構(gòu)施工提供參考。

1 試驗介紹

1.1 試驗材料

試驗采用在昆明地鐵4號線某車站基坑開挖出的圓礫土作為試驗材料，通過篩分和滲透試驗分析，發(fā)現(xiàn)圓礫中主要含礫石(2 mm

盾構(gòu)施工中常用的改良劑主要有水、表面活性劑、黏土礦物和聚合物。水的作用是增加渣土的塑流性，并減小刀具摩擦；泡沫能夠降低渣土的滲透性，增強渣土的塑流性，減小對刀具的磨損；膨潤土泥漿和聚合物溶液均為具有一定黏度的流體，可較好地填充渣土的孔隙，對渣土滲透性具有較為顯著的改良效果。泡沫在粗粒含量大的地層中改良效果差，渣土含水率過高易導致孔隙中的泡沫破活性劑具有較強的減磨作用，且泡沫可防止聚合物過度使用導致的結(jié)泥餅問題。因此，擬采用泡沫、膨潤土泥漿和聚合物3種改良劑相結(jié)合的方案改良渣土，其中羧甲基纖維素(CMC)的主要作用是增加泥漿黏度，而聚丙烯酰胺(PAM)主要是通過絮凝作用連接顆粒土，增加渣土塑流性。

采用鈉基膨潤土配置泥漿，當泥漿黏度較低時，添加CMC增稠。12 h熟化后合格泥漿的指標為： 馬氏黏度80 s以上，密度為1.06～1.23 g/cm3，同時膠體率達到96%以上。泥漿黏度試驗結(jié)果見表1(泥漿配比為質(zhì)量比)，可見泥漿黏度隨著時間的增長明顯增大，當膨化時間為12 h時，泥漿黏度趨于穩(wěn)定。當無CMC摻入，配比從1∶5增大至1∶4時，泥漿12 h黏度從34 s增大至62 s；當配比增大至1∶3時，泥漿黏度過大，使用馬氏黏度計測量時泥漿無法下滲，無法測量。當配比為1∶5的泥漿摻入4%的CMC時，相比無CMC摻入的泥漿，12 h黏度從34 s提高至88 s；配比為1∶4的泥漿摻入1%的CMC時，相比無CMC摻入的泥漿，12 h黏度從62 s提高至104 s。泥漿膠體率都較高，不易離析。配比為1∶4(1%CMC)泥漿質(zhì)量優(yōu)于1∶5(4% CMC)泥漿，CMC造價遠大于膨潤土泥漿，因此改良試驗采用泥漿配比為1∶3和1∶4(1%CMC)。

采用非分散型泡沫劑，溶液體積分數(shù)為3%，在300 kPa壓力下的發(fā)泡倍率為20，半衰期為6 min 55 s，滿足土壓平衡盾構(gòu)施工要求。PAM溶液體積分數(shù)為5‰，密度為1.01 g/cm3，馬氏黏度為48 s。

1.2 試驗方法

先采用坍落度試驗(坍落筒見圖2)研究改良渣土的塑流性，主要開展膨潤土泥漿和PAM作為主要改良劑時對含水率(ω)為20%(飽和)渣土塑流性的影響試驗；然后，在確定好泥漿和PAM改良參數(shù)的前提下，研究泡沫作為輔助改良劑時對改良渣土塑流性的影響。主要試驗步驟如下： 將定量水和烘干土樣在攪拌桶內(nèi)混合200 s，待土樣與水混合均勻后再倒入改良劑均勻攪拌120 s，將混合后渣土分3層裝入坍落筒內(nèi)，在5 s內(nèi)沿豎直方向勻速將坍落筒緩慢提起，記錄坍落度值和改良渣土表觀特性。

圖2 坍落筒

采用大型滲透儀(見圖3)研究改良后渣土滲透系數(shù)時變特征。滲透儀直徑為30 cm，高70 cm(制樣高度為60 cm)，可測量d85≤6 cm的試樣(d85為小于該粒徑的試樣含量占總質(zhì)量85%的粒徑)。根據(jù)現(xiàn)場施工地質(zhì)水文勘測報告，隧道所在位置的水頭高度為25 m左右，因此將滲透試驗水頭高度確定為25 m。根據(jù)工程經(jīng)驗和文獻調(diào)研，本文所研究地層的改良渣土的滲透性合適的標準為滲透系數(shù)能夠維持在1×10-5m/s以下至少90 min[7]。

圖3 大型滲透儀

滲透試驗步驟如下： 1)將水壓力調(diào)至指定壓力后關(guān)閉進水閥門，然后將改良渣土分3層填入滲透儀中，渣土的攪拌方法與坍落度試驗相同，同時打開溢流堰供水開關(guān)蓄水； 2)第19 min時打開溢流堰給水管開關(guān)給滲透儀通水； 3)試樣橫截面積為A，試驗過程中記錄不同時刻的土樣高度l、試樣頂部水頭高度P1、底部水頭高度P2和Δt時間內(nèi)的滲流量Q，且假設(shè)水在渣土中的滲透服從達西定律，通過式(1)計算得到滲透系數(shù)k。一般情況下，滲透系數(shù)測試頻率為30～60 min/次，當滲流量出現(xiàn)明顯變化時，測試頻率為20 min/次。

(1)

2 渣土塑流性測試

2.1 泥漿注入比對改良渣土塑流性的影響

膨潤土泥漿注入比(BIR)對改良渣土坍落度影響試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知： 在相同BIR下，配比為1∶3的泥漿改良效果優(yōu)于配比為1∶4(1%CMC)的泥漿，但二者總體差別不大； 對于飽和渣土(ω=20%)，當BIR=10%時，由于泥漿被渣土中的水稀釋后直接析出，坍落后渣土呈散粒狀，不具有流動性；當BIR=25%時，雖然坍落度值和BIR=10%時相近，但從表觀狀態(tài)看，渣土具有很強的流動性；繼續(xù)增大BIR，渣土均具有很強的流動性，坍落度均在25 cm范圍波動。

圖4 BIR對改良渣土坍落度影響曲線圖

2.2 PAM對改良渣土塑流性的影響

PAM具有吸水絮凝的作用，可改善流動性過大的渣土，使其具有一定塑流性。在膨潤土泥漿改良后的渣土中摻入PAM進行坍落度試驗，試驗結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知，坍落度隨著PAM注入比(PIR)的增大而降低，渣土逐漸具有一定塑流性； 當泥漿配比為1∶3，PIR=12.5%(或泥漿配比為1∶4，PIR=7.5%)時，渣土出現(xiàn)析水現(xiàn)象；當泥漿配比為1∶3，PIR=15%(或泥漿配比1∶4，PIR=23.75%)時，渣土具有較強塑流性，但流動性差。過量的PAM和泥漿改良渣土混合后會導致渣土失去流動性，造成該現(xiàn)象的原因是： 適當?shù)腜AM使泥漿絮凝變得濃稠，渣土塑流性增強，但過量的PAM會導致泥漿中土顆粒絮凝成團甚至板結(jié)，渣土失去流動性。

(a) BIR=10%

(b) BIR=25%

(c) BIR=50%

Fig. 5 Effect of BIR on surface properties of conditioned soil (with slurry ratio of 1∶3)

圖6 PAM對改良渣土坍落度影響曲線圖

2.3 泡沫對改良渣土塑流性的影響

在富水地層中使用泡沫改良劑時，渣土中的水會加大泡沫液膜壓力致使泡沫破滅，使其無法起到填充渣土孔隙的作用。但泡沫中的表面活性劑具有較好的潤滑效果，能有效減少刀盤、刀具磨損。選用符合塑流性要求的渣土注入泡沫，研究泡沫對PAM和泥漿共同改良渣土塑流性的影響，泡沫注入比(FIR)為20%～40%，試驗結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知： 渣土的坍落度值隨FIR增大幾乎無變化，渣土塑流性不受泡沫影響。

(a) PIR=3.75%

(b) PIR=8.75%

(c) PIR=15%

圖7 PAM對改良渣土表觀特性的影響(泥漿配比1∶3，BIR=25%)

Fig. 7 Effect of PAM on surface properties of conditioned soil (with slurry ratio of 1∶3 and BIR of 25%)

圖8 泡沫對改良渣土坍落度影響曲線圖

綜上所述，單獨采用泥漿或CMC泥漿混合液改良圓礫土時，渣土的塑流性變化不大；采用PAM與泥漿相結(jié)合的改良方法能夠一定程度上降低圓礫土的坍落度，使渣土的塑流性增強，但當PAM注入量較大時，將使水土分離，造成渣土析水，塑流性變差；隨著泡沫注入量的增加，泥漿改良圓礫土的坍落度值基本不發(fā)生變化，表明在塑流性方面泡沫對圓礫土的作用效果有限。

(a) FIR=0%

(b) FIR=20%

(c) FIR=40%

圖9泡沫對改良渣土表觀特性的影響(泥漿配比1∶3,BIR=25%,PIR=6.25%)

Fig. 9 Effect of foam on surface properties of conditioned soil (with slurry ratio of 1∶3, BIR of 25% and PIR of 6.25%)

3 渣土滲透試驗

3.1 泥漿對渣土滲透性影響

1)配比1∶4(1%CMC)泥漿改良飽和圓礫渣土滲透系數(shù)時變曲線如圖10所示。由圖可知，當BIR=5%時，渣土滲透系數(shù)從2.6×10-4m/s開始下降，第120 min時下降至1.98×10-4m/s后趨于穩(wěn)定；當BIR=10%時，渣土初始滲透系數(shù)為8.8×10-5m/s，第90 min滲透系數(shù)下降至4.4×10-5m/s后穩(wěn)定；當BIR=25%時，渣土初始滲透系數(shù)降低至1.38×10-7m/s，在約135 min后出水管停止出水，渣土滲透系數(shù)為0 m/s。

2)配比1∶3泥漿改良飽和圓礫渣土滲透系數(shù)時變曲線如圖11所示。由圖可知，與配比1∶4(1%CMC)類似，當BIR=5%時，渣土初始滲透系數(shù)為1.59×10-4m/s，第120 min后滲透系數(shù)穩(wěn)定在1.16×10-4m/s； 當BIR=10%時，渣土初始滲透系數(shù)為3.72×10-5m/s，試驗開始后60 min，滲透系數(shù)穩(wěn)定在2.19×10-5m/s；當BIR=15%、25%時，渣土初始滲透系數(shù)降低至0 m/s后，出水管停止出水。

綜上所述，泥漿改良渣土滲透系數(shù)呈先下降后平穩(wěn)的變化趨勢，這是由于泥漿先以漿液形式填充在渣土孔隙中起到止水作用，當水壓力加載后，壓力使泥漿中的水濾失固結(jié)形成的致密堵水結(jié)構(gòu)導致滲透系數(shù)隨著時間降低，當泥漿固結(jié)完成后，滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定。泥漿配比與BIR對初期滲透系數(shù)和穩(wěn)定滲透系數(shù)的影響曲線如圖12所示。由圖可知，渣土改良后初期和穩(wěn)定時的滲透系數(shù)均隨著BIR的增大而降低，相同BIR的情況下，配比1∶3的泥漿改良渣土初期滲透系數(shù)和穩(wěn)定滲透系數(shù)均低于配比1∶4(1%CMC)的泥漿改良渣土，說明渣土滲透系數(shù)隨著孔隙中填充膨潤土分子量的增大而降低。

圖10改良飽和圓礫渣土滲透系數(shù)時變曲線(泥漿配比1∶4,1%CMC)

Fig. 10 Time-history permeability coefficient curves of conditioned saturated gravel (with slurry ratio of 1∶4 and CMC of 1%)

圖11改良飽和圓礫渣土滲透系數(shù)時變曲線(泥漿配比1∶3)

Fig. 11 Time-history permeability coefficient curves of conditioned saturated gravel muck (with slurry ratio of 1∶3)

3.2 PAM溶液對渣土滲透性影響

PIR對渣土滲透系數(shù)影響的時變曲線如圖13所示。由圖可知，渣土滲透系數(shù)隨著PIR的增大而減小，PAM改良后渣土滲透系數(shù)隨著時間基本無變化。PIR=10%時，渣土滲透系數(shù)為1×10-4m/s；PIR=20%時，渣土滲透系數(shù)降低至為3.8×10-5m/s；PIR=30%時，渣土滲透系數(shù)降低至1.04×10-5m/s；PIR增大至40%后，渣土滲透系數(shù)降低至7.07×10-6m/s。由此可見，PAM主要起到填充土顆粒的孔隙以堵塞滲流通道的作用，堵塞作用隨著PIR的增大而增強。

圖12泥漿配比與BIR對初期滲透系數(shù)和穩(wěn)定滲透系數(shù)的影響曲線圖

Fig. 12 Influence curves of slurry ratio and BIR on initial permeability coefficient and steady permeability coefficient

圖13 PIR對渣土滲透系數(shù)影響的時變曲線圖

Fig. 13 Time-history curves of influence of PIR on permeability coefficient

3.3 PAM溶液對泥漿改良渣土滲透性影響

PAM對不同BIR下改良渣土滲透系數(shù)影響的時變曲線如圖14所示。由圖14(a)可知，在BIR比較低的情況下，渣土的滲透系數(shù)隨著PIR的增大而顯著降低。當PIR=20%時，滲透系數(shù)降低至10-6m/s量級；無PAM注入時，渣土滲透系數(shù)先降低后趨于平緩；當PAM注入后，渣土滲透系數(shù)隨時間變化較小，這是由于BIR較小，少量PAM就使泥漿中的土顆粒全部絮凝，加速在壓力下的固結(jié)，因此滲透系數(shù)下降過程在PAM注入后不明顯。由圖14(b)可知，由于未注入PAM時的渣土初始滲透系數(shù)已經(jīng)很低，PAM的注入對滲透性影響較小。

3.4 泡沫對泥漿和PAM共同改良渣土的滲透性影響

泡沫對不同泥漿和PAM共同改良渣土滲透系數(shù)影響的時變曲線如圖15所示。由圖可知，泡沫注入對渣土的滲透性系數(shù)幾乎沒有影響，改良后的渣土初期滲透系數(shù)均在1.2×10-7～1.6×10-7m/s波動； 滲透試驗開始后，渣土滲透系數(shù)降低，經(jīng)過約100 min后渣土不再滲水。說明泡沫的注入對泥漿和PAM共同改良渣土滲透性影響較小。

(a) 泥漿配比1∶3，BIR=5%

(b) 泥漿配比1∶3，BIR=25%

圖14 PAM對不同BIR下改良渣土滲透系數(shù)影響的時變曲線圖

Fig. 14 Time-history curves of influence of PAM on permeability coefficient of conditioned gravel under different BIR

圖15泡沫對不同泥漿和PAM改良渣土滲透系數(shù)影響的時變曲線

Fig. 15 Effect of foam on permeability coefficient of soil conditioned by bentonite slurry and PAM

綜上所述，盾構(gòu)中的渣土滲透系數(shù)需要維持在1×10-5m/s以下至少90 min，綜合考慮坍落度和滲透試驗結(jié)果，建議土壓平衡盾構(gòu)在昆明富水圓礫地層中施工時，渣土改良參數(shù)采用膨潤土泥漿配比為1∶4(1%CMC)、BIR=25%、PIR=12.5%、FIR=20%或膨潤土泥漿配比為1∶3、BIR=25%、PIR=7.5%、FIR=20%。

4 結(jié)論與討論

1)泥漿可使飽和圓礫土具有流動性，但因飽和渣土含水率較大，混合后泥漿被稀釋，黏度降低，對塑流性的改良效果不明顯； PAM可使泥漿絮凝，當圓礫土流動性較強時，一定量的PAM可減弱渣土的流動性，增強渣土的塑流性，但過量的PAM注入會使渣土中泥漿完全絮凝，導致渣土失去流動性；泡沫的注入對泥漿和PAM改良后的圓礫土塑流性影響較小。

2)僅用泥漿改良圓礫土時，土顆?？紫吨械哪酀{在壓力的作用下逐漸固結(jié)，降低改良渣土滲透性；改良渣土滲透系數(shù)在滲流過程中先減小然后逐漸趨于穩(wěn)定，隨泥漿注入比的增大而降低；相同注入比的情況下，改良后滲透系數(shù)隨著泥漿體積分數(shù)的增大而降低。

3)僅用PAM聚合物溶液作為改良劑時，PAM填充在孔隙中起止水作用，渣土的滲透系數(shù)隨PAM注入比的增大而降低；當將PAM加入泥漿改良渣土中時，PAM一方面填充渣土的滲流通道，降低渣土的滲透系數(shù)，另一方面為使渣土中的泥漿絮凝，加速泥漿在壓力作用下的固結(jié)；泡沫的注入對泥漿和PAM改良渣土滲透性影響較小。

4)根據(jù)試驗結(jié)果，當?shù)叵滤慌c螺旋輸送機排土口的水頭差約為25 m，建議土壓平衡盾構(gòu)在昆明富水圓礫地層中施工時，渣土改良參數(shù)采用膨潤土泥漿配比為1∶4(1%CMC)、BIR=25%、PIR=12.5%、FIR=20%或膨潤土泥漿配比為1∶3、BIR=25%、PIR=7.5%、FIR=20%。

土壓平衡盾構(gòu)在強滲透性富水圓礫地層的高水頭差條件下掘進時的噴涌控制是盾構(gòu)隧道工程的重要研究課題，本文的研究方法及得出的結(jié)論對昆明地鐵新線盾構(gòu)隧道的設(shè)計、施工具有一定的參考價值。但在盾構(gòu)施工中水的滲透路徑也是困擾現(xiàn)場工程人員的一個重大難題，因此，接下來可以通過在水中加入示蹤劑，以準確觀察水的滲透過程，探究水的滲流路徑，為現(xiàn)場的施工提供科學依據(jù)。