鐘鳴洋

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

土壓平衡盾構(gòu)在長距離掘進時，可能會出現(xiàn)噴涌、閉塞、結(jié)餅、地表沉降等問題。對施工進度造成很大的影響，同時對盾構(gòu)刀盤刀具造成較大的磨損。

對于大粒徑富水卵漂石地層而言，盾構(gòu)機的磨耗和噴涌問題尤其嚴(yán)重。本文調(diào)研了大量砂卵石地層的砂卵石分布情況如下。北京地鐵砂卵石地層礫石最大粒徑為400～600 mm，個別漂石粒徑可達1 500 mm以上。地層最大含砂率約25 %～40 %不等[1]。地鐵十號線玉樊區(qū)間卵石粒徑一般為2～10 cm，最大粒徑約為15 cm，細(xì)中砂填充約30 %。局部夾有漂石，漂石含量約20 %以上[2]。北京地鐵9號線02標(biāo)“科-南”盾構(gòu)區(qū)間，主要穿越卵石的最大粒徑約為380 mm，一般粒徑20～80 mm[3]。蘭州地鐵某段穿越砂卵石的一般粒徑為20～50 mm。偶遇漂石的最大粒徑可達500 mm該層卵砂石的最大粒徑可達500 mm，小于2 mm的細(xì)顆粒含量為19.27 %[4]。成都地鐵駟馬橋區(qū)間的稍密實卵石45 %[5]，中密卵石20 %，卵石含量較高，粒徑一般為3～10 mm。成都人民南三段密實卵石層含量大于70 %，粒徑為5～8 mm[6]。

本文研究的盾構(gòu)區(qū)間段粒徑60～180 mm為砂卵石，約占75 %，局部見漂石，一般長度為210～300 mm，鉆孔揭示最大約380 mm，探坑揭示最大粒徑600 mm以上。通過對比可以看出此地區(qū)砂卵石地層漂石粒徑大，漂石含量高，部分地段卵石層密實程度大，透水性強。對地鐵施工尤其是盾構(gòu)區(qū)間施工影響很大，尤其容易造成卡機和刀盤的磨損。而目前對于大粒徑砂卵石地層的砂土改良研究較少，因而十分有必要對該類型的地層進行碴土改良研究。

為保證盾構(gòu)順利推進，防止噴涌等現(xiàn)象發(fā)生，必須使碴土成為一種“塑性流動狀態(tài)”的土，以保證螺旋排土器順利排出盾構(gòu)機，及土倉內(nèi)的碴土能較好的平衡開挖面的水土壓力。

為了使得碴土變成“塑性流動狀態(tài)”，應(yīng)對碴土采取流塑化改良措施，即向開挖面、土壓倉(必要時向螺旋輸送機)注入改性材料(泥漿、泡沫、聚合物等)，以促進開挖面穩(wěn)定，實現(xiàn)土壓平衡掘進，同時有助于降低機械摩擦、減小地面沉降、提高掘進速度等。首先對開挖面，即刀盤前方土體注入泥漿，向開挖面土體注入泥漿后，泥漿包圍在顆粒周圍，形成了一層泥膜，增加了顆粒之間的粘聚力，使得顆粒之間的傳力得到擴散，達到一種泥漿護壁的效果，有助于穩(wěn)定開挖面土體。其次是向土倉內(nèi)注入泥漿，通過刀盤旋轉(zhuǎn)和螺旋機旋轉(zhuǎn)使泥漿滲入砂性土顆粒之間，增強顆粒之間的作用力，并以較大的泥漿浮力減少顆粒的堆積，形成流塑性狀態(tài)的碴土。最后是通過膨潤土泥漿特殊的潤滑性能，可以減輕顆粒與盾構(gòu)機及其構(gòu)件的摩擦。

本文以某盾構(gòu)隧道工程為依托，通過碴土改良試驗，分析了泡沫劑和膨潤土對卵漂石地層塌落度、滲透系數(shù)以及磨蝕性系數(shù)的影響關(guān)系，給出了依托工程的改良劑配比。為某地鐵區(qū)間段碴土改良中的使用提供理論指導(dǎo)。

1 碴土改良控制指標(biāo)及范圍

塑性流動狀態(tài)的土體需要滿足某些指標(biāo)。王國峰指出要達到流動塑性狀態(tài)需要塌落度達到10～15 mm，滲透系數(shù)小于1×10-5m/s[1]。趙東杰同樣指出為了防止噴涌發(fā)出，保證盾構(gòu)掘進的順利進行要求滲透系數(shù)小于1×10-5m/s[2]。 張淑朝指出為保證土壓平衡盾構(gòu)的順利進行，需要保證塌落度的范圍在10～15 cm之間[7]。 胡二中指出為了保證土倉壓力在地層主被動壓力中找到平衡點，需要改善土倉碴土的流動性，保證碴土的順利排出[8]。 賀少輝指出噴涌的發(fā)生由排土口的水壓力和滲流量共同控制，土體的滲透系數(shù)成為影響噴涌發(fā)生最主要的因素和最敏感的條件[4]。 胡長明指出碴土改良的成果會影響土壓平衡盾構(gòu)的掘進速度和掘進成本[9]。 郭彩霞等指出，目前關(guān)于碴土改良性能評價的的指標(biāo)以塌落度、攪拌實驗、滲透實驗為主[10]。

為使得土壓平衡盾構(gòu)的順利進行，選用塌落度、滲透系數(shù)和土體磨蝕系數(shù)作為控制指標(biāo)，控制范圍如表1所示。

表1 控制指標(biāo)及范圍

2 實驗方法

2.1 碴土改良劑的選擇

如表2所示，富水卵漂石地層更適合采用膨潤土和泡沫劑作為碴土改良劑。

表2 不同碴土改良劑的性質(zhì)

2.1.1 泡沫劑的應(yīng)用

泡沫劑可以使得碴土更加密實，提高碴土的完整性和致密性，防止富水卵漂石層發(fā)生噴涌。

2.1.2 膨潤土的使用

膨潤土漿液對土體的改良作用主要體現(xiàn)在較的潤滑及降低抗剪強度，漿液中的膨潤土摻量、膨潤土漿液的注入率均對土體改良效果產(chǎn)生影響。一般情況下漿液中膨潤土摻量越高，則漿液的質(zhì)量性能越好，相應(yīng)的改良作用也較明顯；漿液注入率越高，則相應(yīng)的改良作用也越大。但摻量不宜過大，否則會造成土體的分層離析，不利于盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定。

2.2 碴土改良試驗種類

碴土改良試驗種類如圖1～圖4所示。

圖1 砂漿攪拌機土體磨蝕性試驗

圖2 刀盤模擬裝置

圖3 塌落度試驗

圖4 滲透試驗

2.2 塌落度試驗

塌落度測試，先烘干試樣，在和改良劑混合過后，測定塌落度，即可。

測試泡沫改良碴土塌落度試驗步驟如下：

(1)將試樣烘干，稱取體積為5.5 L的干試樣，放在一邊。

(2)根據(jù)試樣的重量，量取所需的水的重量。

(3)將干試樣和水混合，測得含水率ω0。

(4)準(zhǔn)備發(fā)泡溶液。

(5)計算滿足泡沫注入比所需泡沫的體積。

(6)按照規(guī)定的發(fā)泡倍率，計算出所需要的發(fā)泡液的體積，并按此體積量取水(忽略發(fā)泡液的體積)。

(7)根據(jù)所需發(fā)泡溶液的濃度，稱取所需發(fā)泡劑的重量。

(8)將水和發(fā)泡劑充分混合均勻。

(9)將發(fā)泡溶液放入發(fā)泡裝置中，生成泡沫。

(10)將泡沫和試樣混合均勻。

(11)試驗前將坍落筒的內(nèi)壁用水濕潤，防止坍落筒與試樣粘附。

(12)將泡沫改良試樣分三層裝入筒內(nèi)。

(13)按照規(guī)定進行塌落度測試。

(14)清理試驗后的碴土，清洗坍落筒，準(zhǔn)備下一次試驗。

2.3 滲透系數(shù)試驗

檢測土體添加泡沫劑改良前后的滲透系數(shù)變化是滲透試驗的目標(biāo)，以及發(fā)泡率的不同對土體滲透系數(shù)變化影響，最后得到改良劑對改良土體止水性的效果評價。針對成都富水砂卵石土層，試驗選擇變水頭法，試驗裝置如圖5所示。

圖5 滲透系數(shù)測試儀

滲透系數(shù)按下式計算：

式中：A為變水頭管的斷面積(cm2)；L為滲徑，即試樣高度(cm)；t1，t2為分別為測讀水頭的起始和終止時間(s)；H1，H2為起始和終止水頭。

2.4 土體磨蝕性試驗

磨蝕性普遍是指金屬器具(盾構(gòu)刀具、鉆孔鉆頭等)與巖石或土體作用時，由于其具有不同的物理和力學(xué)特性而對金屬器具產(chǎn)生的一定程度的磨損。磨損分主要和次要磨損。主要磨損是指在掘進過程中滾刀、刮刀及刀盤與掌子面直接接觸造成的磨損。次要磨損是指掌子面和被剝落的土體對刮刀、滾刀側(cè)面、滾刀刀座及螺旋輸送機造成的非常規(guī)磨損。

2.4.1 LCPC(Laboratoire Central des Ponts et Chaussees)磨蝕性試驗

法國d’Etudes et des Recherches des Charbonages中心發(fā)明的LCPC試驗裝置，電機通過皮帶帶動土樣中的鋼片(5 mm×25 mm×50 mm)轉(zhuǎn)動，如圖6所示。該裝置只適用于測試顆粒粒徑在6.3 mm以下的粉碎巖石顆?；蜃匀煌翗樱ㄟ^鋼片試驗前后的質(zhì)量差與土樣的比值來確定LCPC磨蝕性系數(shù)來衡量土體的磨蝕性大小。

圖6 LCPL磨損試驗

2.4.2 SAT(Soil Abrasion Test)試驗

SAT試驗是在挪威科技大學(xué)(Norwegian University of Science and Technology)NTNU 磨損試驗的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，如圖7，鋼盤上放置烘干后土樣，顆粒最大粒徑不超過 4 mm，剛盤轉(zhuǎn)動的過程中土樣對上方的鋼針進行研磨，用一段時間后鋼針損失的質(zhì)量來反映土樣的磨蝕性。

圖7 SAT試驗

3 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

本次試驗依據(jù)流動性、滲透性和土體磨蝕程度作為參考依據(jù)，以防止結(jié)餅，噴涌和刀具磨損。計算膨潤土漿液、泡沫劑與碴土的配比，到達碴土改良的初始配比，以指導(dǎo)前期盾構(gòu)施工。具體實驗步驟為：①在施工場地取與隧道所處地質(zhì)條件相同的碴土，②對膨潤土漿液和泡沫劑與碴土的不同配比進行試驗，③得到膨潤土漿液和泡沫劑與碴土的最佳配比。試驗主要包括塌落度試驗、滲透試驗、土體磨蝕性試驗，如圖1、圖3、圖4所示。

3.1 泡沫劑溶液配比

根據(jù)《南昌軌道交通工程土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)程》，泡沫劑組成應(yīng)根據(jù)開挖土體的顆粒級配、不均勻系數(shù)、掘進速度、掘進的推力以及扭矩具體情況進行調(diào)整。一般情況下，泡沫溶液可參考如下表3配比所示。

表3 泡沫劑溶液參考配合比

根據(jù)以上試驗，可以看出，刀具的磨耗主要可以由相關(guān)材料的質(zhì)量損失來反映，由此設(shè)計出相關(guān)的試驗裝置。

本文試驗裝置采用砂漿攪拌機，將砂漿攪拌機的三個葉片分別打孔，將螺栓安裝在攪拌機的三個葉片上。螺栓采用8.8級六角螺栓(抗拉強度為800 MPa,屈服強度為640 MPa)，重量為7.0 g。攪拌機葉片模擬盾構(gòu)刀盤見圖，螺栓端頭模擬盾構(gòu)刀具，砂漿攪拌機見圖1，刀盤模擬裝置見圖2。試驗時，將配好的碴土放入攪拌桶內(nèi)，考慮到泡沫劑的半衰期，螺栓在容器槽中以1 000 r/min的速度旋轉(zhuǎn)15 min，圖1和圖2描繪了在砂土中進行磨蝕性試驗，螺栓在試驗前后發(fā)生了明顯的磨損，螺栓表面被磨平而變得光滑，周邊棱角幾乎被磨平。可以預(yù)見，螺栓的質(zhì)量發(fā)生變化，螺栓試驗前后的質(zhì)量差可以直觀地反映出不同土體在不同情況下的磨蝕性強弱，以此來衡量土體對刀具的磨蝕性大小。

探察隊員將包裹搬入肖特拉洞內(nèi)井狀通道，其中有些井狀通道有36層大廈那么高。他們繞過地下瀑布攀登，沿著水平通道爬行，在黑暗的地下營地度過了好幾個星期，晚上就穿著潮濕的衣服睡覺。

通過稱量鋼塊在試驗前后的質(zhì)量差與土樣質(zhì)量的比值，可求得砂性土磨蝕性試驗的磨蝕性系數(shù)AC值(Abrasiveness Coefficient)，AC值的大小直觀的衡量了砂性土對刀具磨蝕性大小的，計算公式為：

式中：AC為磨蝕系數(shù)(g/t);mpb為試驗前螺栓質(zhì)量(g);mpa為試驗后螺栓質(zhì)量(g);M為土樣質(zhì)量(t)。

3.2 泡沫劑溶液配比

根據(jù)經(jīng)驗，依托工程的地質(zhì)條件為富水砂卵石地層，泡沫的體積濃度取3 %，發(fā)泡倍率為15，膨潤土配置質(zhì)量比為1∶6。分別按5 %、10 %、15 %不同外摻比加入泡沫，按體積外摻比10 %、15 %、20 %加入膨潤土，取10組式樣(加一組空白實驗)，分別做塌落度試驗、磨耗試驗及滲透性試驗。

3.2.1 塌落度試驗結(jié)果分析

分別取泡沫劑占比5 %、10 %、15 %，膨潤土占比10 %、15 %、20 %，得出塌落度土體塌落度隨著泡沫劑和膨潤土摻入量的增大而增大，如圖8所示。

圖8 不同試驗組下的塌落度

塌落度的控制指標(biāo)為10～16 cm，所以除試驗組第一組及第九組外，其余試驗組均滿足控制要求。

采用SPSS統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行擬合得到不同泡沫劑和膨潤土體積摻入比下塌落度的計算式：

y=0.360V1+0.577V2+0.217R2=0.985

式中：y為塌落度；V1為泡沫劑體積摻入比,%；V2為膨潤土體積摻入比,%。

3.2.3 滲透系數(shù)試驗分析

滲透系數(shù)控制在10-5cm/s數(shù)量級即小于10-4cm/s ，由圖9可知，隨著改良劑摻入比的增加，碴土滲透系數(shù)逐漸減小，其中第3、6、8、9組試驗滿足控制指標(biāo)要求。

圖9 不同試驗組下的滲透系數(shù)

3.2.4 磨蝕系試驗分析

由圖10可以看出：磨蝕系數(shù)磨蝕系數(shù)隨著泡沫劑和膨潤土摻入量的增大而減小不同泡沫劑和膨潤土體積參入比下磨蝕系數(shù)的計算公式：

AC=-0.463V1-0.513V2+25.667

R2=0.951

式中:AC為磨蝕系數(shù),g/t;V1為泡沫劑體積摻入比,%;V2為膨潤土體積摻入比,%。

圖10 不同試驗組下的磨蝕系數(shù)

3.2.5 合理配比

不同體積摻入比下各組實驗結(jié)果總結(jié)如表4所示。

根據(jù)試驗結(jié)果采用泡沫劑濃度為3 %，體積注入率為15 %和膨潤土質(zhì)量比為1∶6,體積注入率為15 %進行碴土改良。

表4 不同體積摻入比下各組試驗總結(jié)

4 結(jié)論

(1)落度土體塌落度隨著泡沫劑和膨潤土摻入量的增大而增大。

(2)磨蝕系數(shù)磨蝕系數(shù)隨著泡沫劑和膨潤土摻入量的增大而減小。

(3)隨著改良劑摻入比的增加，碴土滲透系數(shù)逐漸減小。

(4)采用泡沫劑濃度為3 %，體積注入率為15 %和膨潤土質(zhì)量比為1∶6,體積注入率為15 %進行碴土改良。