杜昌言， 朱漢標(biāo)， 王樹英， 張靜珍

(1. 中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司， 江蘇 南京 211800； 2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

盾構(gòu)在黏性地層中掘進(jìn)時(shí)，渣土容易在剪切摩擦、擠壓固結(jié)、高溫等作用下黏附在刀盤和土艙(氣墊艙)位置，如不及時(shí)處理，將會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)負(fù)荷增大，刀具切削效率降低，盾構(gòu)出渣困難，嚴(yán)重影響到盾構(gòu)的施工效率與安全。

當(dāng)盾構(gòu)在結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)地層中掘進(jìn)時(shí)，通常采用的措施包括： 1)優(yōu)化沖刷系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和刀具布置； 2)渣土改良[1-2]； 3)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)[3]； 4)采用輔助氣壓法掘進(jìn)； 5)控制泥漿質(zhì)量[4-5]。當(dāng)盾構(gòu)結(jié)泥餅時(shí)，通常采用人工進(jìn)艙清理和分散劑處理[6]。采用分散劑處理泥餅時(shí)，首先需要對(duì)盾構(gòu)分散劑的作用效果和適用性進(jìn)行研究，以選出適宜于當(dāng)前地層、成本合理且高效的盾構(gòu)分散劑；然后將優(yōu)選的分散劑注入刀盤、土艙(氣墊艙)中，以分散和解除泥餅，保證盾構(gòu)的安全和順利掘進(jìn)。

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)盾構(gòu)分散劑進(jìn)行了研究。Zumsteg等[7]和田世文[8]均進(jìn)行了改良劑的浸泡試驗(yàn)，研究了改良劑對(duì)泥塊的作用效果。Oliveira等[9]采用改進(jìn)的“霍巴特”攪拌器評(píng)價(jià)了不同改良劑對(duì)渣土黏附量的影響。楊益等[10]通過錐體拉拔試驗(yàn)評(píng)價(jià)了刀盤在高韌性、硬塑性渣土中的“堵塞”風(fēng)險(xiǎn)及分散劑的改良機(jī)制。Liu等[11-12]發(fā)現(xiàn)分散劑降低了土體的Zeta電位，使土粒間總排斥能的峰值增加，總排斥能峰值的增加導(dǎo)致黏土顆粒之間的連接減弱，進(jìn)而降低了土體的液限和盾構(gòu)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。Wang等[13]發(fā)現(xiàn)土體黏稠指數(shù)小于1時(shí)，黏附強(qiáng)度與法向應(yīng)力和稠度指數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，分散劑能降低土體黏附強(qiáng)度，進(jìn)而降低結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。這些研究大多針對(duì)改良劑對(duì)土體性質(zhì)的影響研究，如單一分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土塊的影響，不同改良劑對(duì)泥餅黏附特征、圓錐拉拔強(qiáng)度、液塑限、黏附強(qiáng)度的影響等，主要用于盾構(gòu)結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、改良劑的影響特征和參數(shù)的確定。

以往研究中，大多數(shù)在于對(duì)比不同類型改良劑(泡沫劑或分散劑等)或者單一改良劑對(duì)渣土的影響，少有對(duì)不同分散劑的作用效果進(jìn)行對(duì)比、評(píng)價(jià)。因此，本文提出采用崩解試驗(yàn)對(duì)比不同分散劑的作用效果，采用崩解率和崩解速率對(duì)分散劑進(jìn)行選型，優(yōu)選出最適宜于當(dāng)前地層的分散劑，并將優(yōu)選的分散劑應(yīng)用于實(shí)際工程，對(duì)比應(yīng)用前后盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化，以期為分散劑選型與應(yīng)用研究提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況與水文地質(zhì)

1.1 工程概況

濟(jì)南黃河隧道(濟(jì)濼路穿黃隧道)位于濟(jì)南市中部，北接鵲山片區(qū)、濟(jì)北次中心，南接中心城區(qū)主干道濟(jì)濼路，隧道采用城市道路與軌道交通同管共建方案，為超大斷面盾構(gòu)法隧道。隧道采用2臺(tái)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)刀盤(見圖1)采用常壓換刀刀盤，直徑15.76 m，開口率46%，刀具347把。盾構(gòu)總長(zhǎng)為166 m，最大推力為199 504 kN，最大掘進(jìn)速度為45 mm/min。

圖1 刀盤結(jié)構(gòu)型式圖

1.2 水文地質(zhì)

盾構(gòu)段隧道埋深26.30～54.60 m，穿越地層主要以粉質(zhì)黏土為主。粉質(zhì)黏土中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.5%～45.5%，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.9%，另外多夾砂層及鈣質(zhì)結(jié)核層，其分布不均勻，局部富集成層，地質(zhì)縱斷面如圖2所示。主要穿越土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。由表可見，土體主要處于可塑和硬塑狀態(tài)，塑性指數(shù)10～15，為粉質(zhì)黏土。

盾構(gòu)段主要地表水體為黃河，勘察期間受中上游降雨等影響，水面高程及水量變化不規(guī)律。兩岸地下水埋深1.40～14.30 m，主要受黃河、鵲山水庫(kù)、沉砂池、地表水塘、魚塘以及降雨補(bǔ)給，地表水、地下水聯(lián)系緊密，排泄方式為徑流、人工開采及蒸發(fā)等。施工期間承受的最大水壓約0.65 MPa。

圖2 地質(zhì)縱斷面示意圖

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 室內(nèi)試驗(yàn)

濟(jì)南濟(jì)濼路穿黃隧道穿越土體黏稠指數(shù)多在0.5～1.0，具有嚴(yán)重和中度結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)[14]，分散劑處理是降低結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)的方式之一。采用盾構(gòu)分散劑處理泥餅時(shí)，泥餅在分散劑作用下解體。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，崩解試驗(yàn)既能契合分散劑處理的情況，較為直觀地觀察到分散劑作用下泥餅的解體，又能提供崩解率和崩解速率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，是盾構(gòu)分散劑評(píng)價(jià)選型的理想試驗(yàn)方法。

3.1.2 后續(xù)的可擴(kuò)充性與可移植性原則 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采取模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是各模塊的獨(dú)立性較強(qiáng)，便于系統(tǒng)的改進(jìn)、擴(kuò)充和移植，有利于系統(tǒng)不斷完善。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用濟(jì)南濟(jì)濼路穿黃隧道工程的粉質(zhì)黏土，取自接收井基坑。土體礦物成分以SiO2為主；其次為鈣長(zhǎng)石、云母、斜綠泥石、鈉長(zhǎng)石和碳酸鈣，黏土礦物成分以云母和斜綠泥石為主。分散劑產(chǎn)品采用字母(A和B)替換產(chǎn)品名稱和各自的供應(yīng)商，2種分散劑的有效成分如表2和表3所示。

表2 A分散劑成分分析結(jié)果

2.2 試驗(yàn)方法

采用崩解試驗(yàn)儀(見圖3)研究分散劑作用下土塊的崩解規(guī)律。崩解試驗(yàn)儀由玻璃水筒、帶刻度的浮筒以及網(wǎng)板組成。土塊置于懸掛在浮筒的網(wǎng)板上，浮筒懸浮于玻璃水筒的溶液中，試驗(yàn)時(shí)，儀器所受浮力與浮筒上刻度成正比，一定質(zhì)量土體的崩落導(dǎo)致了刻度的變化，由此通過浮筒刻度確定土塊崩解率(見式(1))，結(jié)合作用時(shí)間即可得到單位時(shí)間內(nèi)崩解率的變化量，定義為崩解速率，計(jì)算見式(2)。

表3 B分散劑成分分析結(jié)果

(a) 崩解儀實(shí)物 (b) 崩解儀原理

(1)

式中：At為土塊在時(shí)間為t時(shí)的崩解率，%；Rt為放置土塊t時(shí)刻浮筒齊水面處的刻度讀數(shù)；R0為土塊剛開始浸泡時(shí)浮筒的瞬時(shí)穩(wěn)定讀數(shù)；R初始為未放土塊時(shí)齊水面的浮筒讀數(shù)。

(2)

式中：At2為時(shí)間為t2時(shí)的崩解率，%；At0為時(shí)間為t0時(shí)的崩解率，%；vt1為時(shí)間為t1時(shí)的平均崩解速率。

試驗(yàn)過程中，土塊的邊角先崩解，使土塊形狀趨于圓形[15]，正方形土塊的較多邊角會(huì)對(duì)土塊崩解初期的影響較大。因此，采用50 mm圓柱形擊實(shí)儀(見圖4)來制備圓柱形土塊，土塊高度選擇35 mm。崩解儀中網(wǎng)板孔徑dk和組成土塊的最大粒徑dmax之比dk/dmax<5比較合理[16]，本次試驗(yàn)網(wǎng)板孔徑dk為10 mm，則重塑土塊由2 mm篩下土體制成。

圖4 擊實(shí)儀

試驗(yàn)步驟如下：

1)將過2 mm篩后的干燥土樣加水至天然含水率(地勘值23.1%)，充分?jǐn)嚢杌旌虾笱b入塑料袋或密封于盛土器中，于陰涼的環(huán)境中靜置不小于12 h，使土樣含水均勻和黏土礦物充分水化。再根據(jù)天然土體的密度和土塊體積稱取相應(yīng)質(zhì)量的土樣。

3)將土樣等分3次添加到擊實(shí)筒中并整平，分層壓實(shí)，2層交接面應(yīng)拉毛，壓實(shí)到約定高度后裝填下一層土樣。

4)用推土器從擊實(shí)筒內(nèi)推出土塊，測(cè)量土塊的體積、質(zhì)量，與約定體積和質(zhì)量的誤差不超過1%。

5)取出崩解儀，往水筒內(nèi)配置相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分散劑溶液，測(cè)記未加土塊時(shí)浮筒上齊水面的刻度數(shù)。再將土塊放在網(wǎng)板中央，網(wǎng)板掛于浮筒下，然后手持浮筒頸端，迅速將土塊浸入分散劑溶液中，開動(dòng)秒表，穩(wěn)定浮筒同時(shí)測(cè)記開始時(shí)浮筒齊水面處刻度的瞬時(shí)穩(wěn)定讀數(shù)。

6)在試驗(yàn)開始后，每分鐘測(cè)記1次浮筒齊水面處的刻度讀數(shù)，并描述各時(shí)刻土塊的崩解情況，根據(jù)土塊崩解的快慢，可適當(dāng)縮短或延長(zhǎng)測(cè)記的時(shí)間間隔。

7)當(dāng)土塊完全通過網(wǎng)格落下后，試驗(yàn)結(jié)束。若土塊長(zhǎng)期不崩解，應(yīng)記錄土塊在溶液中的情況。

對(duì)2種分散劑進(jìn)行了崩解試驗(yàn)，對(duì)比其作用效果，考慮到盾構(gòu)施工時(shí)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過大，因此選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、4%、6%和8%的分散劑溶液進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 純水作用下土塊崩解規(guī)律分析

純水作用下，土塊崩解率與崩解速率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。土塊崩解率隨時(shí)間的變化呈“S”形(見圖5(a))，崩解速率隨時(shí)間的增大呈3階段變化(見圖5(b))，即先增大然后保持不變最后降低。土體的崩解曲線可以分為浸泡階段、軟化階段、解體階段[15, 17]，可見土體從軟化到崩解需要一定的時(shí)間，土塊的崩解由表及里進(jìn)行。純水作用下，初始崩解較慢，隨著滲透和軟化進(jìn)一步發(fā)展，崩解速率變大，達(dá)到最大崩解速率后，由于土塊未崩解體積的減小，水與土塊作用面積減小，導(dǎo)致崩解速率降低。

(a) 崩解率隨時(shí)間的變化

(b) 崩解速率隨時(shí)間的變化

純水作用下，土塊的崩解主要是顆粒間黏結(jié)力的降低、礦物吸水膨脹、孔隙中氣壓增大以及水流作用等導(dǎo)致的結(jié)果[18-21]。當(dāng)采用分散劑處理泥餅時(shí)，泥餅的崩解是純水與分散劑共同作用的結(jié)果，分散劑會(huì)與土體產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，改變泥餅的崩解特征，進(jìn)而達(dá)到快速分散泥餅的作用效果。

3.2 不同分散劑作用下土塊崩解規(guī)律分析

1)A分散劑對(duì)土塊崩解的影響。圖6為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)A分散劑對(duì)土塊崩解的影響。圖6(a)中，相比于純水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)作用下土塊的崩解，隨著A分散劑作用質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，總體崩解時(shí)間減小，即A分散劑促進(jìn)土塊崩解，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%時(shí)總體崩解時(shí)間無明顯變化，可知A分散劑作用效果達(dá)到最大。圖6(b)為土塊崩解速率隨崩解時(shí)間的變化規(guī)律。在A分散劑作用下，土塊崩解速率呈2階段變化，即先快速增大，然后逐漸降低；且隨著A分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，土塊最大崩解速率變大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%后最大崩解速率差別不大。由圖可知，所用分散劑能快速地與土體產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，不需要長(zhǎng)時(shí)間的軟化，因此在A分散劑的作用下，土塊快速達(dá)到最大崩解速率，隨后由于崩解的進(jìn)行，未崩解土體體積減小，水土作用面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致崩解速率的降低。

(a)崩解率隨時(shí)間的變化

(b)崩解速率隨時(shí)間的變化

2)B分散劑對(duì)土塊崩解的影響。圖7為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)B分散劑對(duì)土塊崩解的影響，B分散劑的作用效果與A分散劑相似。其中，當(dāng)B分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6%后，總體崩解時(shí)間差別不大，B分散劑作用效果達(dá)到最大。

(a) 崩解率隨時(shí)間的變化

(b) 崩解速率隨時(shí)間的變化

2種分散劑作用效果不再隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時(shí)，土體總體崩解時(shí)間均在26 min左右，土體最大崩解速率均在0.07 min-1左右，可見2種分散劑的最大作用效果相似。當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和1%時(shí)，兩者最大崩解速率相差不大，但是A分散劑總體崩解時(shí)間為38 min和42 min，B分散劑總體崩解時(shí)間為32 min和37 min，可知B分散劑在較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下具有更好的作用效果；且相比于A分散劑(19 000 元/t)，B分散劑(13 800 元/t)成本較低。因此，應(yīng)優(yōu)選B分散劑進(jìn)行結(jié)泥餅的防治工作。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

室內(nèi)試驗(yàn)是對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)單一地層進(jìn)行分散劑對(duì)比選型，而盾構(gòu)掘進(jìn)穿越復(fù)雜多變的復(fù)合地層時(shí)，盾構(gòu)形成的泥餅比試驗(yàn)?zāi)囡瀼?qiáng)度高、尺寸大，分散劑處理的時(shí)間長(zhǎng)。工程應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增大分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和用量，并根據(jù)實(shí)際情況延長(zhǎng)分散劑的作用時(shí)間，以利于泥餅充分崩解。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選出B分散劑應(yīng)用于實(shí)際工程泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中的泥餅防治。盾構(gòu)從北岸始發(fā)井始發(fā)，當(dāng)掘進(jìn)至第675環(huán)左右時(shí)，盾構(gòu)穿越土層主要為可塑-硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土，夾雜較多細(xì)砂、鈣質(zhì)結(jié)核，地質(zhì)情況較為復(fù)雜，導(dǎo)致盾構(gòu)推力、轉(zhuǎn)矩較大，速度、貫入度較小，掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)較大，刀盤有較大結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。通過泥水循環(huán)注入的改良劑容易隨著漿液循環(huán)流失，導(dǎo)致作用效果有限。因此，在第685環(huán)管片拼裝完停止泥水循環(huán)，確保開挖面穩(wěn)定的情況下，根據(jù)開挖艙體積約270 m3以及氣墊艙中半艙泥漿體積約200 m3，通過中心沖刷管路分別往開挖艙、氣墊艙中注入4 m3的B分散劑，浸泡24 h，并輔以刀盤間隔正反轉(zhuǎn)動(dòng)，以分散和消除黏附在刀盤的泥餅，24 h后，恢復(fù)泥漿循環(huán)和正常掘進(jìn)，并監(jiān)測(cè)后續(xù)掘進(jìn)參數(shù)。注入分散劑后，盾構(gòu)推力、掘進(jìn)速度和貫入度增大，曲線波動(dòng)變小，盾構(gòu)掘進(jìn)效率提高(見圖8)。

圖8 分散劑注入前后掘進(jìn)參數(shù)變化

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

針對(duì)分散劑的評(píng)價(jià)選型，通過崩解試驗(yàn)對(duì)比分析了不同分散劑和分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下粉質(zhì)黏土土塊的崩解特征，并將優(yōu)選的分散劑應(yīng)用于泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中處理泥餅，驗(yàn)證了試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的可行性。主要結(jié)論如下：

1)純水作用下，土塊崩解率隨時(shí)間的變化呈“S”形。在分散劑作用下，土塊的崩解是水和分散劑共同作用的結(jié)果。分散劑能與土塊快速產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，使崩解速率迅速達(dá)到最大值，隨后崩解速率隨著土塊與分散劑溶液作用面積的減小而減小。

2)分散劑作用下，土塊總體崩解時(shí)間明顯減小，當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定程度后，總體崩解時(shí)間基本不變，分散劑的作用效果達(dá)到飽和，所選分散劑最大作用效果相似，但B分散劑成本更低。

3)優(yōu)選的分散劑應(yīng)用于實(shí)際工程，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)速度，掘進(jìn)參數(shù)的波動(dòng)減小，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)選型方法的合理性。

5.2 討論

崩解試驗(yàn)?zāi)茌^好地對(duì)比分散劑的作用效果，但試驗(yàn)自制泥餅與實(shí)際工程的泥餅狀態(tài)有別，工程施工時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇分散劑的技術(shù)指標(biāo)，且分散劑在不同地層存在差異，不同地層應(yīng)重新進(jìn)行分散劑選型。