鄭選榮 劉 瑩 丁鵬程 李 鵬 郭 峰 陸宏朝 李軍鋒

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 710054, 西安; 2.中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司, 230088, 合肥)

西安富水砂層具有黏聚力小、顆粒間摩阻力大、含水率高等特點(diǎn),在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,易出現(xiàn)刀盤扭矩過大、刀盤卡死、刀具損壞等問題[1],因此渣土改良必不可少。文獻(xiàn)[2]分析了渣土粒徑對(duì)渣土改良的影響。文獻(xiàn)[3]通過泡沫改良渣土,得出砂土的理想坍落度為150～200 mm。文獻(xiàn)[4]通過研究發(fā)現(xiàn)顆粒大小是影響砂土改良效果的重要因素。文獻(xiàn)[5]以泡沫和膨潤土泥漿作為改良劑改良砂土地層。文獻(xiàn)[6]通過室內(nèi)試驗(yàn),探究各種改良劑單獨(dú)或共同作用下對(duì)富水圓礫地層的改良效果。文獻(xiàn)[7]研究膨潤土泥漿與泡沫的注入體積配比間的交互影響。

上述研究大多采用一種土樣作為渣土改良的試驗(yàn)土樣,缺乏對(duì)不同土層渣土改良效果的對(duì)比研究,且考慮不同含水率對(duì)渣土改良效果的影響研究也較少。本文以西安地鐵16號(hào)線(以下簡稱“16號(hào)線”)一期區(qū)間工程為依托,研究了不同渣土含水率對(duì)泡沫改良渣土效果的影響,以及膨潤土泥漿與泡沫共同作用對(duì)中砂、礫砂兩類地層渣土改良效果的影響。

1 工程概況

16號(hào)線某隧道區(qū)間主要穿越地層為〈2-5-3〉中砂和〈2-7-3〉礫砂,且〈2-5-3〉中砂、〈2-7-3〉礫砂地層粒徑大于2 mm的體積分?jǐn)?shù)分別占3.8%、28.7%。16號(hào)線某隧道區(qū)間部分地質(zhì)剖面圖見圖1。區(qū)間地下水主要為孔隙潛水,水位穩(wěn)定埋深為11.0～16.2 m,含水率豐富,滲透性強(qiáng)。

圖1 16號(hào)線某隧道區(qū)間部分地質(zhì)剖面圖

2 改良劑調(diào)配試驗(yàn)

2.1 泡沫調(diào)配試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用攪拌法發(fā)泡,發(fā)泡液來自廣州隧吉有限公司,分別配置發(fā)泡液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%。測(cè)量不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)泡液所產(chǎn)生泡沫的半衰期和發(fā)泡倍率,結(jié)果見圖2—圖3。

圖2 泡沫的半衰期-發(fā)泡液質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

從圖2—圖3可以看出:泡沫半衰期隨著發(fā)泡液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),而發(fā)泡倍率隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大一直增大。究其原因?yàn)?隨著發(fā)泡液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,泡沫延展性變好,產(chǎn)生的泡沫體積變大,數(shù)量變多,造成液膜稀釋,使得泡沫提前消散;另外泡沫數(shù)量過多時(shí),也會(huì)導(dǎo)致泡沫連通而形成多邊形泡沫,泡沫穩(wěn)定性變差,使得其易破滅。發(fā)泡液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,半衰期為12.4 min,發(fā)泡倍率為14.7。

圖3 泡沫的發(fā)泡倍率-發(fā)泡液質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

2.2 膨潤土泥漿調(diào)配試驗(yàn)

本次泥漿試驗(yàn)通過測(cè)試膨潤土泥漿黏度來評(píng)價(jià)其性能。試驗(yàn)采用馬氏漏斗黏度計(jì)測(cè)量膨潤土泥漿黏度。膨潤土取用洋縣天順膨潤土有限公司生產(chǎn)的納基膨潤土,膨潤土、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以下簡稱“泥水比”)分別設(shè)為1∶10,1∶9,1∶8,1∶7,1∶6,對(duì)膨潤土膨化24 h,期間每隔4 h采用馬氏漏斗測(cè)量各泥水比下的泥漿黏度。膨潤土泥漿黏度-膨化時(shí)間關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4可以看出:膨潤土泥漿黏度隨時(shí)間的增加不斷增加,并在16 h后趨于穩(wěn)定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),泥漿膨化黏度在35 s以上,能達(dá)到盾構(gòu)施工需求。泥水比1∶8的膨潤土泥漿黏度為50 s,故本試驗(yàn)采用泥水比1∶8的膨潤土泥漿作為試驗(yàn)?zāi)酀{配比。

圖4 膨潤土泥漿黏度-膨化時(shí)間關(guān)系曲線

3 渣土改良試驗(yàn)實(shí)施及分析

3.1 重塑土樣的配置

由文獻(xiàn)[4]可知,顆粒級(jí)配是影響渣土改良的主要因素之一,而不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Ca是影響顆粒級(jí)配的主要參數(shù)。本次重塑土樣的選取以Cu和Ca為切入點(diǎn),針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)穿越區(qū)段,對(duì)地勘資料內(nèi)砂層土樣的Cu和Ca進(jìn)行大量總結(jié)歸納后,發(fā)現(xiàn)該區(qū)段的中砂、礫砂多為Cu<5或Ca<1的顆粒級(jí)配不良砂。選取中砂、礫砂中最具代表性試樣的顆粒級(jí)配參數(shù)配置重塑土樣。重塑土樣中的中砂、礫砂顆粒級(jí)配曲線如圖5所示。每次試驗(yàn)配土質(zhì)量為10 kg。

圖5 重塑土樣中中砂、礫砂的顆粒級(jí)配曲線

3.2 泡沫改良試驗(yàn)

根據(jù)有關(guān)泡沫改良機(jī)理[6]可知,泡沫改良渣土性能不僅與泡沫本身性能有關(guān),還與渣土的孔隙比、含水率有關(guān)。泡沫改良渣土主要通過將泡沫注入渣土孔隙中,以起到潤滑、止水的效果,進(jìn)而改善渣土的流塑性和滲透性。同時(shí)渣土含水率的不同,也會(huì)影響泡沫改良渣土的效果。為探究不同含水率對(duì)泡沫改良渣土性能的影響,本文以中砂為例,通過改變土樣含水率,觀測(cè)不同F(xiàn)IR(泡沫注入率)下坍落度和滲透系數(shù)的變化趨勢(shì),分析含水率對(duì)泡沫改良渣土的影響。

渣土不同含水率下中砂坍落度-FIR的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可以看出:中砂坍落度隨FIR的增加呈現(xiàn)非線性增長;當(dāng)含水率為2.5%,FIR小于10%時(shí),泡沫對(duì)渣土流塑性的改良效果微乎其微,究其原因?yàn)樵羶?nèi)部自由水體積分?jǐn)?shù)不足,導(dǎo)致泡沫液膜中水分被土體顆粒吸收,液膜變相稀釋,從而加速泡沫破裂,導(dǎo)致泡沫改良的效果不佳;當(dāng)含水率為10%時(shí),渣土出現(xiàn)析水、析泡現(xiàn)象,從而導(dǎo)致其流塑性過大。由此可見,單獨(dú)采用泡沫改良渣土的情況下,中砂坍落度受含水率影響波動(dòng)較大,泡沫單獨(dú)作用對(duì)富水砂層渣土的流塑性改良效果不佳。

圖6 渣土不同含水率下中砂坍落度-FIR的關(guān)系曲線

渣土不同含水率下滲透系數(shù)-FIR的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7可以看出:當(dāng)含水率為2.5%,由于土樣中水分不足,導(dǎo)致渣土的滲透性能微乎其微;當(dāng)含水率分別為5.0%、7.5%,FIR小于15%時(shí),渣土的滲透系數(shù)隨FIR增加迅速降低;當(dāng)FIR大于15%,含水率分別為5.0%、7.5%時(shí),FIR分別從25%、15%兩個(gè)節(jié)點(diǎn)開始,滲透系數(shù)隨FIR的增加不降反增,究其原因?yàn)?渣土含水率較高的條件下,當(dāng)FIR較大時(shí),泡沫會(huì)被自由水裹挾流出,大量泡沫在注入試樣后析出,析出的泡沫伴隨著水和細(xì)顆粒流出,導(dǎo)致土體內(nèi)部形成細(xì)微的涌水通道,降低了土體的保水能力和黏聚能力;當(dāng)含水率達(dá)到10%時(shí),土樣含水率較大,渣土內(nèi)自由水體積分?jǐn)?shù)較高,渣土內(nèi)孔隙幾乎被自由水填充,導(dǎo)致泡沫改良渣土效果不佳,注入泡沫后,泡沫會(huì)被自由水裹挾流出,起不到改良效果。

圖7 渣土不同含水率下中砂滲透系數(shù)-FIR的關(guān)系曲線

綜上所述,泡沫單獨(dú)改良富水砂層的效果不佳。

3.3 泡沫、膨潤土泥漿混合改良試驗(yàn)

3.3.1 坍落度試驗(yàn)及結(jié)果分析

本次試驗(yàn)通過坍落度試驗(yàn)來檢測(cè)渣土的流塑性。坍落度試驗(yàn)所用的重塑土樣按第3.1節(jié)中的顆粒級(jí)配曲線配置。采用膨潤土泥漿和泡沫作為改良劑,改良劑配比按第2章中的調(diào)試結(jié)果配置。泥水比取1∶8,BIR(膨潤土泥漿注入比)分別取5%、10%和15%。泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用3%;FIR設(shè)定從15%開始增加,每次增加梯度為5%,加至40%。為控制試驗(yàn)變量,方便后續(xù)與礫砂進(jìn)行對(duì)比分析,中砂、礫砂的含水率均設(shè)定為10%,且采用相同的FIR和BIR。

經(jīng)泡沫、膨潤土泥漿混合改良后,中砂和礫砂的坍落度-FIR的關(guān)系曲線見圖8—圖9。從圖8—圖9可以看出:中砂、礫砂的坍落度隨FIR的增加呈非線性增大;在相同改良劑配比下,改良劑對(duì)中砂坍落度的效果比礫砂好,如FIR為30%,BIR為10%時(shí),中砂和礫砂的坍落度分別為189 mm和159 mm。由此可見,不同BIR下都能得到符合渣土流塑性的改良配比,因此需通過滲透試驗(yàn)可進(jìn)一步篩選得出渣土最優(yōu)改良方案。

圖8 混合改良后中砂的坍落度-FIR的關(guān)系曲線

圖9 混合改良后礫砂的坍落度-FIR的關(guān)系曲線

3.3.2 滲透試驗(yàn)及結(jié)果分析

為防止螺旋運(yùn)輸機(jī)噴涌,維持掌子面穩(wěn)定,渣土滲透性是其中不容忽視的一項(xiàng)指標(biāo)。本文采用自制變水頭滲透儀來測(cè)量渣土的滲透性。該儀器的主體是1個(gè)內(nèi)徑為200 mm,厚度為10 mm,高度為650 mm的有機(jī)玻璃筒,試驗(yàn)柱上部連接空氣壓縮機(jī)和調(diào)壓裝置,如圖10所示。

圖10 自制變水頭滲透儀

試驗(yàn)前對(duì)自制變水頭滲透儀的密封性進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)其是否有漏水、漏氣現(xiàn)象。在保證氣密性良好的情況下,向儀器內(nèi)分層填土,并對(duì)土層振搗擊實(shí),從儀器內(nèi)上部注入比土層面高約10 cm的水,封閉儀器,打開空氣壓縮機(jī),增加氣壓至90 kPa并維持恒定,打開排水閥,記錄排水量,最后求得滲透系數(shù)。改良后中砂、礫砂的滲透系數(shù)-FIR的關(guān)系曲線見圖11—圖12。

圖11 混合改良后中砂的滲透系數(shù)-FIR的關(guān)系曲線

圖12 混合改良后礫砂的滲透系數(shù)-FIR的關(guān)系曲線

從圖11—圖12可以看出:改良后中砂、礫砂的滲透系數(shù)總體上都隨著FIR的增加而減小;部分中砂、礫砂的滲透系數(shù)在FIR增加到一定值時(shí),呈現(xiàn)不降反增的趨勢(shì)。究其原因?yàn)?隨著BIR的增大,渣土空隙被自由水、膨潤土泥漿,以及土中細(xì)顆粒填充的空間越多,導(dǎo)致泡沫滲入土體空隙越困難,當(dāng)FIR增加到一定程度后,泡沫會(huì)被自由水裹挾流出,析出的泡沫伴隨著水和細(xì)小顆粒形成小的涌水通道,從而出現(xiàn)析水、析泡的現(xiàn)象,降低了試驗(yàn)土樣的保水能力和黏聚力,導(dǎo)致渣土滲透性能不降反增。

結(jié)合混合改良渣土的坍落度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn),在考慮經(jīng)濟(jì)成本和施工需求的前提下,得出中砂改良的最佳配比為:BIR為10%,FIR為20%～25%;礫砂改良的最佳配比為:BIR為10%,FIR為30%～40%。膨潤土泥漿地?fù)饺肓靠筛鶕?jù)實(shí)際進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 實(shí)際工程應(yīng)用

在實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)施工中,采用膨潤土泥漿、泡沫混合改良的方案,即采用泥水比1/8、發(fā)泡液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的改良劑對(duì)富水砂層進(jìn)行改良。采用本次渣土改良試驗(yàn)配比前后的盾構(gòu)刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)隨管片環(huán)號(hào)變化曲線如圖13所示。由圖13可以看出:在渣土原始配比下掘進(jìn)時(shí),刀盤扭矩約為3 500 kNm,刀盤轉(zhuǎn)速為1.5 r/min;渣土改良后,刀盤扭矩大多約為2 600 kNm,刀盤轉(zhuǎn)速為1.6 r/min。由此可見,改良后刀盤扭矩明顯降低,刀盤轉(zhuǎn)速有所提升,且均能維持穩(wěn)定。盾構(gòu)的推進(jìn)速度亦維持在40～50 mm/min范圍內(nèi),盾構(gòu)每環(huán)出土量約為50～60 m3,各項(xiàng)推進(jìn)參數(shù)基本正常,表明渣土改良效果總體較好。結(jié)合圖1可知,該混合改良配比對(duì)該區(qū)段渣土改良有顯著的效果。

圖13 改良前后刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速-管片環(huán)號(hào)變化曲線

5 結(jié)語

1) 針對(duì)富水砂層宜采用泡沫、膨潤土泥漿混合改良。當(dāng)發(fā)泡液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%,膨潤土泥漿泥水比為1∶8時(shí),泡沫的半衰期為12.4 min,發(fā)泡倍率為14.7倍,膨潤土泥漿黏度為50 s,可見改良劑性能均滿足需求。

2) 采用泡沫單獨(dú)改良渣土,能有效改善渣土的流塑性,但其受含水率的影響較大。當(dāng)渣土含水率較高時(shí),砂層易出現(xiàn)析水、析泡現(xiàn)象,導(dǎo)致渣土的滲透系數(shù)不降反增。

3) 本文缺乏不同渣土含水率對(duì)泡沫、膨潤土泥漿混合改良效果的影響分析,后續(xù)可對(duì)此展開深入研究。對(duì)渣土的變級(jí)配問題研究不深,渣土級(jí)配不同對(duì)其改良的影響亦是后續(xù)研究的重點(diǎn)。