王傳銀 陳宏達 蔡煒凌 萬中正 劉 楊 楊 植 孫 哲 劉 碩 王漢勛 張 彬

(①中鐵四局集團第三建設有限公司， 天津 300163， 中國)

(②中國地質大學(北京)工程技術學院， 北京 100083， 中國)

0 引 言

伴隨社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，我國城市化進程也得以迅猛發(fā)展，由于地上空間的有限性，地下空間的開發(fā)與利用是拓展城市空間、緩解“大城市病”的突破口，地下綜合管廊作為連接城市內(nèi)部的“血管”，極大地提升了經(jīng)濟發(fā)達城市地下空間的利用率，其研究和應用日益受到重視。本文以北京市通州區(qū)暢和西路(兆善大街—潞陽大街)大斷面綜合管廊6標段工程為背景，對無水砂層中頂管用改良劑的性能和最優(yōu)配比展開研究。研究區(qū)頂管上跨北京地鐵6號線，下穿運河東大街，工期緊，沉降控制標準高，其穿越的無水砂層為典型的不穩(wěn)定地層，土體流動性差、內(nèi)摩擦角高，黏聚力低、壓縮性低，易出現(xiàn)“閉塞”、“噴涌”和“結餅”等不良現(xiàn)象，影響施工進度。為保證頂管施工的順利進行，將掌子面切削下來的渣土改良至“流動性好、低內(nèi)摩擦角、一定黏聚力、適中壓縮性”的塑性流動狀態(tài)至關重要。

為此，國內(nèi)外學者針對渣土改良技術的材料開展了大量研究。Quebaud et al. (1998)通過室內(nèi)試驗對比了泡沫劑的優(yōu)劣，并提出一些評價改良效果優(yōu)良情況的物理指標。Kusakabe et al. (1999)根據(jù)試驗分析得出泡沫劑對粗粒土改良的注入率經(jīng)驗公式。Sotiris(2001)認為泡沫可有效地改良砂土的抗剪強度和滲透率。Kupferroth(2001)提出評價泡沫性能的指標應該為發(fā)泡率和半衰期。且泡沫注入率對土體滲透系數(shù)、坍落度影響較大(Bezuijen et al.，1999； Peila et al.，2009)。Vinai et al. (2008)提出塑流性好的渣土的土壓順著螺旋輸送機遞減。Vinai et al. (2007)提出泡沫改良劑可降低螺旋輸土機扭矩。Borio et al. (2010)和 Peila(2014)研究在不同泡沫注入率條件下，水力梯度對土體滲透系數(shù)的影響。Zumsteg et al. (2012)研究不同類型渣土和不同壓力對泡沫改良渣土的影響。泡沫添加膨潤土或聚合物可進一步改良砂卵石地層(Barzegari et al.，2014； Langmaack et al.，2016； Zhao et al.，2018)。唐益群等(2005)研究在原位添加肥皂水和泡沫劑對砂層的影響。張立泉(2012)提出泡沫劑和膨潤土混合對砂卵石地層改良效果更好。許愷等(2012)通過試驗得出泡沫劑改良效果優(yōu)于肥皂水。張禮華等(2014)開發(fā)了一種土壓平衡盾構用性能較為優(yōu)良的新型泡沫劑。郭彩霞等(2015)認為泡沫和膨潤土混合明顯降低盾構的扭矩。邱龑等(2015)對富水砂層中改良后的土樣進行電鏡掃描微觀分析。Quebaud et al. (1998)、林鍵(2006)和閆鑫等(2010)利用攪拌試驗模擬盾構的刀具和刀盤，從土體的黏附性和攪拌性等性能參數(shù)角度評價渣土改良的效果。段宏偉等(2015)通過添加橡膠顆粒改良砂土的壓縮特性。呂璽琳等(2019)通過混合黏土和砂研究土體剪切性。王章瓊等(2018)通過添加石灰改良砂土壓縮性和抗剪強度。

由于地層的復雜性，宋克志等(2005)、叢恩偉(2008)、姜厚停等(2010)和胡長明等(2017)深入研究了砂卵石地層的盾構施工中渣土改良，許前衛(wèi)等(2010)對均質地層的盾構施工深入研究，周慶國(2018)深入研究了復合地層的渣土改良，莫振澤等(2018)深入研究了富水粉砂地層的渣土改良，為不同地層的盾構施工提供了理論指導。針對于不同地層，坍落度為80～250mm時，認為土體流動性較好(Jancsecz et al.，1999； Williamson et al.，1999； Boone et al.，2005； Pena， 2007； Vinai et al.，2008； Peila et al.，2009； 喬國剛等， 2009； 姜厚停等， 2013； Ye et al.，2016)。

綜上所述，目前對于盾構施工中渣土改良技術方面的研究較多，但對于大斷面矩形管廊頂管法施工中改良劑應用方面的研究相對較少，施工現(xiàn)場所用改良劑的配料、配比及用量更多地依賴于工程經(jīng)驗，這樣不僅降低施工效率，還會浪費大量材料(李培楠等， 2016)。而且相比于盾構，矩形頂管一般截面較大，刀盤覆蓋率較低，對渣土改良的要求更高。本文通過設計改良劑性能試驗和渣土改良試驗，獲取適合于該地層的改良方案，為無水砂層中進行頂管施工時渣土改良方案的制定提供科學依據(jù)。

1 改良劑性能試驗研究

1.1 試驗材料

1.1.1 原土物理力學性質

在施工現(xiàn)場取原樣，采用敞口薄壁取土器(李高山等， 2019)，對土樣展開顆粒級配試驗、含水率試驗和相對密度試驗研究，判定該土樣為無水中密砂土(表1)。

表1 土樣物理力學性質

粒徑比對砂力學性能影響較大(劉方成等， 2019)。通過篩分法分析原土顆粒級配，土樣不均勻系數(shù)約2.500，曲率系數(shù)約0.910，粒徑0.10～0.50的顆粒占比90%，其余顆粒粒徑占比總和小于10%，土樣為不良級配，滲透性能差(蘇立君等， 2014)。

1.1.2 改良劑材料

泡沫劑起潤滑土體和增加土體抗?jié)B的作用，環(huán)保但價格較高(Thewes et al.，2010； 楊志勇等， 2017)，不符合工程實際。單獨使用聚丙烯酰胺效果一般(郭付軍等， 2017)，本文選擇微量聚丙烯酰胺配合適量鈉膨潤土泥漿作為改良劑溶液(表2)。

表2 改良材料作用

鑒于此，原土優(yōu)化方向有兩個，一是通過添加膨潤土來增加原土較細顆粒占比(Vinai et al.，2007； Peila et al.，2009)，二是通過添加PAM提高土體抗?jié)B性能。

1.2 改良劑性能試驗設計

1.2.1 黏度試驗

膨潤土泥漿黏度通過1006型泥漿黏度計測定，針對于該地層，用黏度為20～50s的泥漿(宋克志， 2009)。本試驗為預試驗，設置10組試驗和1組清水對照試驗，試驗范圍膨潤土濃度4%～13%，膨潤土濃度梯度為1%，每組試驗做3次，結果取平均值，以獲得合適的膨潤土泥漿濃度范圍。

改良劑黏度通過ZNN-D6型六速旋轉黏度計測定，通過公式可計算出改良劑的表觀黏度、塑性黏度、動塑比、動切力、靜切力等相關性能指標。

1.2.2 濾失試驗

濾失試驗一般用API濾失儀，性能指標為API濾失量，一般濾失量越小越好。

1.3 改良劑性能指標分析

1.3.1 膨潤土泥漿濃度范圍確定

圖1為純膨潤土泥漿在不同濃度下的黏度，隨著膨潤土濃度的增加，泥漿黏度整體呈現(xiàn)上升的趨勢。0%膨潤土濃度為對照組，低于6%膨潤土濃度的黏度接近，并小于20s，適用于土體質量優(yōu)良的地層。當膨潤土濃度小于10%時，隨著濃度的增加，膨潤土泥漿的黏度增長平緩，最高黏度為51s。當膨潤土濃度大于10%時，膨潤土泥漿的黏度增長迅速，泥漿黏滯性過強，流動性差，在施工中難以泵送。因此， 6%～10%的膨潤土泥漿濃度比較適合本次渣土改良范圍。

圖1 不同膨潤土泥漿濃度的黏度

1.3.2 表觀黏度指標的影響

表觀黏度可定性分析非牛頓體的流動性好壞，計算公式如下：

(1)

式中：AV為表觀黏度(mPa·s)；φ600為黏度計600r·min-1下的穩(wěn)定讀數(shù)。

增加表觀黏度可提高土體的黏聚力，降低土體的內(nèi)摩擦角，有利于土體切削面成膜和土體的穩(wěn)定。無水砂層地質條件過差，須適當提高表觀黏度，但表觀黏度過高，不利于制備、攪拌和運輸土體，甚至導致運輸管道堵塞，從而增加機械功率和工程成本，因此須嚴格控制表觀黏度范圍。

圖2為改良劑在不同配比之下的表觀黏度，表觀黏度隨膨潤土泥漿濃度增加而增加，這是由于膨潤土吸水膨脹，顆粒間隙減小，PAM吸水增稠。一般鉆井液的表觀黏度為15～30mPa·s，為了較大程度增加渣土黏聚力和降低內(nèi)摩擦角，本試驗表觀黏度范圍取40～65mPa·s。當表觀黏度低于40mPa·s時，為T1和T6試驗組，分層現(xiàn)象明顯，其中T1試驗如圖3a 所示，說明PAM濃度較低，并未充分發(fā)揮其吸附性能，膨潤土濃度低，顆粒間隙大，懸浮性、攜巖性能差，不適合作為改良劑。當表觀黏度高于65mPa·s時，為T4、T9、T14、T5、T10、T15試驗組，凝塊現(xiàn)象明顯，流動時拉絲嚴重，其中T15如圖3b 所示，這說明改良劑黏附性過強，流動性能差，施工中難以泵送，不適合作為改良劑。

圖2 不同配比下改良劑的表觀黏度(T1～T15為改良劑試驗組配比)

圖3 T1、T15試驗現(xiàn)象

1.3.3 塑性黏度指標的影響

塑性黏度在物理意義上反映當膠體因剪切速率改變被破壞的難易程度，即黏滯性的大小，計算公式如下：

PV=φ600-φ300

(2)

式中：PV為塑性黏度(mPa·s)；φ300為黏度計300r·min-1下的穩(wěn)定讀數(shù)。

圖4為改良劑在不同配比下的塑性黏度，對比圖2，塑性黏度受PAM影響較大。在膨潤土泥漿濃度為6%和8%時，PAM濃度對塑性黏度影響較大。膨潤土泥漿濃度為7%時，各個PAM濃度的塑性黏度變化不大，泥漿較穩(wěn)定。T6、T13試驗組黏度超過27.5mPa·s，塑性黏度高，黏滯力大，施工中輸送渣土困難，不適合作為改良劑。

圖4 不同配比下改良劑的塑性黏度

1.3.4 動切力和動塑比指標的影響

動切力實質是流體顆粒間形成的空間網(wǎng)架結構力的表現(xiàn)，反映了流體攜帶、包裹巖屑的能力，計算公式如下：

(3)

式中：YP為動切力(Pa)。

動切力較小時，攜巖屑性能差，渣土沉淀滯留土倉內(nèi)； 動切力較大時，黏附性強，泵送壓力過高，機械功率大幅增加。

圖5為改良劑在不同配比下的動切力，動切力隨膨潤土泥漿濃度增加而增加。

圖5 不同配比下改良劑的動切力

動塑比以動切力與塑性黏度的比值表示，計算公式如下：

(4)

若流體動塑比過小，塑性黏度大，動切力小，剪切稀釋性弱，包裹、攜巖效果差，渣土顆粒沉淀滯留土倉內(nèi)； 反之，泵送壓力增加。

圖6為改良劑在不同配比下的動塑比。一般情況下，鉆井液的動塑比在0.36～0.48Pa/mPa·s，為了防止渣土顆粒沉淀滯留土倉內(nèi)，增加包裹、攜巖效果，本試驗表觀黏度范圍取40～65mPa·s。T3試驗組動切力過大，動塑比過大，泥漿輸送困難； T6試驗組動塑比過小，包裹、攜帶巖屑性能差，因此均不適合作為改良劑。

圖6 不同配比下改良劑的動塑比

1.3.5 靜切力指標的影響

靜切力既反映流體中較大固體顆粒的沉淀速率，也反映了懸浮較小固體顆粒的能力，初切力和終切力計算分別如下：

(1)初始靜切力

(5)

式中：G10s為10s靜切力(Pa)；φ3i為靜止10s后黏度計3r·min-1下的最大讀值。

(2)最終靜切力

(6)

式中：G10min為10min靜切力(Pa)；φ3f為靜止10min后黏度計3r·min-1下的最大讀值。

若靜切力過高，顆粒位于溶液上層，泥漿攪拌困難；若靜切力較低，在停工期間，較大顆粒迅速下沉，會引起事故，因此須嚴格控制靜切力范圍。

圖7為改良劑在不同配比下的靜切力，對于同一PAM濃度，初切力和終切力變化保持一致。T3試驗組取得小范圍區(qū)間的峰值，靜切力過高，性質不穩(wěn)定。T2、T4、T5、T9、T10、T14和T15試驗組靜切力范圍較大，數(shù)值較高，不適合作為改良劑。T1、T6、T7、T8、T11、T12、T13試驗組靜切力范圍適合，且T12數(shù)據(jù)和現(xiàn)象最優(yōu)。

圖7 1.0g·L-1、1.5g·L-1、2.0g·L-1 PAM下改良劑的靜切力

1.3.6 濾失量指標的影響

鉆井液的濾失量一般要求10～20mL之間，鑒于無水砂層的特點，濾失量的要求較為嚴格。圖8為改良劑在不同配比下的濾失量，PAM為1.5g·L-1時，濾失量隨膨潤土濃度的增加而整體下降，性能良好。而PAM為1.0g·L-1和2.0g·L-1時，濾失量整體隨膨潤土濃度增加而下降，但膨潤土濃度在7%時，濾失量出現(xiàn)區(qū)間范圍峰值，其中膨潤土濃度為7%，T2試驗組濾失量最高為14mL，因此不合適作為改良劑。

圖8 不同配比下改良劑的濾失量

基于以上改良劑性能分析得出，T7、T8、T11、T12試驗組的改良劑性能優(yōu)良，對應的改良劑配比膨潤土:PAM:水分別為70︰1.5︰1000、80︰1.5︰1000、60︰2︰1000、70︰2︰1000。

2 渣土改良效果試驗研究

2.1 渣土改良試驗設計

本文從坍落度、抗剪強度和壓縮系數(shù)等指標綜合評價無水砂層大斷面矩形管廊的渣土改良的效果(魏康林， 2007； 姜厚停等， 2013)。

2.1.1 坍落度試驗

本次坍落度試驗依據(jù)實情參考GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》開展試驗。坍落度試驗改良劑注入比由0%至40%，以5%為梯度，每種改良劑配比共設置9組注入比，每組試驗做3次試驗，結果取各組數(shù)據(jù)的平均值。

2.1.2 直剪試驗

本次直剪試驗依據(jù)實情參考JTG3430-2020《公路土工試驗規(guī)程》粒徑小于2mm的砂類土的快剪試驗方案。采用的儀器是南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應變控制式直剪儀，每組按50kPa、100kPa、200kPa、400kPa加載。

2.1.3 壓縮試驗

本次試驗依據(jù)實情參考JTG3430-2020《公路土工試驗規(guī)程》中的T0138-2007快速固結試驗。采用的儀器是南京土壤儀器廠生產(chǎn)的GZQ-1A型全自動氣壓固結儀，每組按50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa加載。

2.2 渣土改良效果分析

2.2.1 坍落度試驗分析

通過坍落度試驗定性評價土體流動性和初步判斷改良劑注入比范圍。

圖9是在坍落度隨改良劑配比和注入比的變化曲線。對于不同配比的改良劑，坍落度整體隨著改良劑注入比的增加而先降低后增加，土樣坍落度整體處于120～180mm的范圍。注入比為0%時，坍落度達到180mm，說明土體流動性差。隨著注入比增加至5%時，坍落度降落幅度大，改良劑改良土體的作用顯著，流動性明顯改善。T12與T7和T11、T8試驗組的坍落度分別在注入比為5%、10%和15%時處于曲線的谷底。當注入比大于30%時，出現(xiàn)形狀不規(guī)則的現(xiàn)象，如圖10a 所示，凝結塊體較大說明土體黏滯性過強； 或者一邊崩塌一邊無變化，如圖10b 所示，說明土體和易性差。當改良劑注入比過高時，適得其反，土體因黏滯性過高而流動性變差。

圖9 坍落度隨改良劑注入比的變化曲線

圖10 注入比大于30%時坍落度現(xiàn)象

綜合評價，當改良劑注入比為10%～20%時，坍落度處于120～150mm，土體整體改良效果較好，坍落情況如圖11 所示，對應的改良劑配比和注入比分別為T1110%、T1115%、T1120%，T710%、T715%、T720%，T125%、T1210%、T1215%，T810%、T815%、T820%。

圖11 坍落度120～150mm的試驗現(xiàn)象

2.2.2 直剪試驗分析

土體的抗剪強度直接影響著土體的切削和機械使用壽命(王浩杰等， 2019)。若土體抗剪強度較高，會使土體不易切削，刀盤扭矩較大，施工成本高。土體內(nèi)摩擦角過大不僅增大土體與機械的摩阻力，而且易拱進使土壓實充滿土倉形成“閉塞”。本次直剪試驗通過黏聚力和內(nèi)摩擦角等指標評價渣土的改良效果。

圖12為T11、T7、T8、T12等4組配比的改良劑在不同注入比下的黏聚力。不同配比的改良劑，原土黏聚力(對照組)為0kPa，改良后的土體黏聚力增加明顯。其中T815%試驗組黏聚力最大為9.3kPa。

圖12 渣土改良黏聚力c指標曲線

圖13為T11、T7、T8、T12等4組改良劑配比在不同注入比的內(nèi)摩擦角。對于原土內(nèi)摩擦角(對照組)為35.3°，改良后的土體內(nèi)摩擦角均降低明顯。其中T815%試驗組，內(nèi)摩擦角最小為28.8°。

圖13 渣土改良內(nèi)摩擦角φ指標曲線

綜合圖12 和圖13 可以得出，改良劑在降低土體內(nèi)摩擦角的同時，也增大了土體顆粒之間的黏聚力。原狀砂土的黏聚力為0kPa，內(nèi)摩擦角為35.3°。其中改良土體效果最優(yōu)的為膨潤土:PAM:水=70︰2︰1000，注入比為15%，此時黏聚力增加了9.3kPa，內(nèi)摩擦角降低了6.5°。

2.2.3 壓縮試驗分析

土體的壓縮性直接影響著開挖面的穩(wěn)定性和土體的保水性。在頂管掘進的過程中，若土體壓縮性較小，不均勻土層、機械運轉功率變動等會發(fā)生些微擾動，這使土體變形較大，引起開挖面的失穩(wěn)； 若壓縮性較大，會引起土體固結排水形成“結餅”。對于砂性土層，壓力在100～200kPa時，土體的壓縮系數(shù)大于0.1MPa-1，且不大于0.2MPa-1，保證壓縮性適中。

圖14為T11、T8、T7和T12試驗改良劑配比在不同注入比下的壓縮系數(shù)。壓縮系數(shù)整體隨著改良劑注入比的增加而逐漸增加。其中改良土體效果最優(yōu)的為膨潤土:PAM:水=70︰2︰1000，注入比為15%，此時壓縮系數(shù)為0.190MPa-1。

圖14 渣土改良壓縮系數(shù)指標曲線

綜合坍落度試驗、 直剪試驗和壓縮試驗結果評價渣土改良效果可得， 當膨潤土:PAM:水=70︰2︰1000， 注入比為15%時，坍落度為150mm，黏聚力為9.3kPa，內(nèi)摩擦角為28.8°，壓縮系數(shù)為0.190MPa-1，相較于原狀土，坍落度降低了30mm，黏聚力增加了9.3kPa，內(nèi)摩擦角降低了6.5°，壓縮系數(shù)增加0.090MPa-1，此時土體達到流塑性狀態(tài)，適合于該工程地層土體的改良。

3 結 論

本文以北京通州區(qū)暢和西路某大斷面矩形頂管工程為背景，通過開展改良劑性能試驗和渣土改良效果試驗，得到以下結論：

(1)通過改良劑性能試驗，采用表觀黏度、塑性黏度、動切力與動塑比、靜切力、濾失量等性能指標，確定了膨潤土:PAM:水為60︰2︰1000， 70︰1.5︰1000， 70︰2︰1000 和80︰1.5︰1000的4種性能優(yōu)良的改良劑配比。

(2)改良劑溶液濃度過大會降低改良劑性能； 改良劑注入比過大會降低土體和易性，影響正常施工。適量膨潤土配合微量PAM降低了膨潤土泥漿的濃度，提升渣土改良效果的同時，降低了工程成本。

(3)基于已確定的4種性能優(yōu)良的改良劑配比，從坍落度、黏聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮系數(shù)4個方面分別評價了其改良效果，其中膨潤土:PAM:水配比為70︰2︰1000，注入比為15%時，改良效果最佳。