土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中泡沫摻量對渣土改良的試驗研究

□文/劉琦 王沛 董金奎 趙亞鵬

土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中泡沫摻量對渣土改良的試驗研究

□文/劉琦 王沛 董金奎 趙亞鵬

以天津地鐵5號線為工程依托，利用泡沫對富水粉質(zhì)粘土體進(jìn)行改良，通過對不同含水率、不同濃度泡沫、不同摻入比條件下泡沫混合土進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)試驗并結(jié)合實際工程，得出濃度為0.5%泡沫溶液，摻入比30%適合富水粉質(zhì)粘土層改良，利于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。

土壓平衡；盾構(gòu)；渣土改良；泡沫；地鐵

隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，土壓平衡盾構(gòu)施工方法作為隧道建設(shè)的主要方法在我國天津、北京、上海、南京、杭州等城市廣泛采用，該工法具有施工速度快，對周邊環(huán)境影響小的特點。土壓平衡盾構(gòu)工作原理是一方面將刀盤切削下來的渣土填滿土倉，從而對開挖面地層形成被動土壓力，與開挖面上的主動土壓力相平衡；另一方面通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和出土閘門的開度進(jìn)行排土，使得排土量與掘進(jìn)量平衡，從而達(dá)到開挖面地層穩(wěn)定［1～2］。

當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)土層為粉質(zhì)粘土?xí)r，泥土的“流塑性”明顯變差，土倉內(nèi)的土體因固結(jié)作用而被壓密，導(dǎo)致渣土難以排送，容易引起開挖面失穩(wěn)、壓力艙閉塞、壓力艙結(jié)餅和噴涌等現(xiàn)象，同時造成盾構(gòu)機(jī)推力和扭矩增大，刀具磨損等危害，甚至誘發(fā)地表塌方和盾構(gòu)機(jī)損壞。因此盾構(gòu)施工通過流塑性差的地層時摻入泡沫進(jìn)行改良。掘進(jìn)土層的工程性質(zhì)決定了摻入泡沫的濃度和摻入比。國內(nèi)學(xué)者［3～4］通過試驗研究了泡沫穩(wěn)定性對渣土性能影響。部分學(xué)者［5～10］對盾構(gòu)施工中泡沫在砂土、圓礫土、黃土等的改良機(jī)理及效能進(jìn)行了研究，得出泡沫主要作用：泡沫的潤滑效果，減小渣土的內(nèi)摩擦角，提高渣土流動性，從而減小刀盤的扭矩，改善了盾構(gòu)作業(yè)參數(shù)；減小渣土的滲透性，防止出現(xiàn)“噴涌”現(xiàn)象；提高渣土壓縮性，使得開挖面?zhèn)髁鶆?，工作面壓力變動小，利于調(diào)整土倉壓力，保證盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，控制地表沉降；減小粘土的粘性，使之不附著于盾構(gòu)及刀盤上，有利于螺旋排土器出土，避免產(chǎn)生“結(jié)餅”現(xiàn)象。

天津地鐵5號線全長34.8 km，共設(shè)車站28座，27個盾構(gòu)區(qū)間。其穿越的主要土層為粉質(zhì)粘土層，該層土呈黃灰色，含水高，呈可塑～流塑狀態(tài)，塑性指數(shù)介于11～15之間。在該類土層掘進(jìn)時，土體較易附著于刀盤表面及靠近中心區(qū)域的刀盤開口處，造成切削效率降低，刀盤扭矩增大，掘進(jìn)速度慢。切削土體進(jìn)入土倉后也易附著于倉板表面形成泥餅，輕則造成扭矩、總推力大幅增大、推進(jìn)速度減慢、刀具磨損；重則造成掘進(jìn)困難，引起地表塌陷和盾構(gòu)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。因此，針對此類土體必須進(jìn)行相應(yīng)的改良。

1　室內(nèi)試驗

1.1泡沫制備

泡沫原液采用北京合東雙公司生產(chǎn)產(chǎn)品，按照濃度分別為0.5%、1%、2%、3%、4%進(jìn)行配制溶夜；每種濃度的溶液充分浸泡24 h，隨后利用高速旋轉(zhuǎn)攪拌器進(jìn)行攪拌，制造泡沫。攪拌器轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，攪拌時間為2 min。

1.2試樣制作及測試方法

試樣采用地質(zhì)鉆機(jī)到天津某地鐵站進(jìn)行取土，試樣取土深度為地下20 m，隨后進(jìn)行風(fēng)干，在不同的含水率、不同的摻入比、不同濃度泡沫條件下，測試試樣的密度、稠度、壓縮性和十字板強(qiáng)度，每組制作2個試樣，采取平行試驗法進(jìn)行測定。

試樣密度采用環(huán)刀法進(jìn)行測試，環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高度為20 mm；稠度測試采用砂漿稠度儀法測定；壓縮性利用中壓固結(jié)儀測試；抗剪強(qiáng)度利用微型十字板儀測定。該層粉質(zhì)粘土塑性指數(shù)為12，其顆粒級配曲線見圖1。

圖1　試驗用粉質(zhì)粘土顆分曲線

1.3試驗結(jié)果

1）不同含水率素土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1　不同含水率素土物理力學(xué)指標(biāo)

2）注入濃度為0.5%泡沫溶液，摻入比為32%泡沫混合土與素土物理力學(xué)指標(biāo)對比，見圖2-圖5。

圖2　渣土密度比較

圖3　渣土稠度比較

圖4　渣土壓縮系數(shù)比較

圖5　渣土十字板剪切強(qiáng)度比較

3）相同濃度泡沫溶液，不同摻入比渣土物理力學(xué)指標(biāo)變化見圖6-圖9。試驗中改良前土體含水率為28.9%；泡沫溶液濃度選取0.5%，摻入比依次為16%、32%、48%、64%。

圖6　不同摻入比渣土密度變化

圖7　不同摻入比渣土稠度變化

圖8　不同摻入比渣土壓縮系數(shù)變化

圖9　不同摻入比渣土十字板抗剪強(qiáng)度變化

4）不同濃度，相同泡沫摻入比渣土物理力學(xué)指標(biāo)變化見圖10-圖13。試驗中改良前土體含水率為28.9%；摻入比選取32%，泡沫溶液濃度依次為0.5%、1%、2%、3%、4%；試樣名稱試樣1、試樣2、試樣3、試樣4、試樣5分別表示濃度為0.5%、1%、2%、3%、4%的泡沫混合土。

圖10　不同濃度相同摻入比渣土密度變化

圖11　不同濃度相同摻入比渣土稠度變化

圖12　不同濃度相同摻入比渣土壓縮系數(shù)變化

圖13　不同濃度相同摻入比渣土十字板抗剪強(qiáng)度變化

1.4試驗分析

1）從表1中可以看出，當(dāng)渣土（粉質(zhì)粘土）含水率增加了28.8%、7.3%，其密度降低6.%、2.6%，稠度增加220%、15%，壓縮系數(shù)增大了112.6%、6.6%，十字板剪切強(qiáng)度降低了75.7%、37%。說明渣土中含水率的增加，包圍土顆粒的水膜加厚，顆粒間阻力減小，顆粒容易移動，從而引起土體稠度增加，抗剪強(qiáng)度低效果。土體含水率增加越大，其稠度增加越大，抗剪強(qiáng)度減小越大，孔隙比和壓縮系數(shù)增加越大。

2）圖2-圖5表明，改良后泡沫混合土與原素土相比較，土體的含水率分別增加了10.9%、9.6%、8.8%，說明渣土中注入相同濃度、相同摻入比泡沫后，對渣土含水率影響基本相同。不同含水率渣土的密度改良后比改良前分別降低了9.0%、3.6%和1.6%，稠度分別增加了140%、37.5%和33.3%，十字板抗剪強(qiáng)度降低了55.9%、37.3%和26.3%，而壓縮系數(shù)增加了68.0%、25.9%和32.5%。以上數(shù)據(jù)說明泡沫對渣土物理力學(xué)性能改良好于單純增加水對土體力學(xué)性能的改善。其主要原因：泡沫是典型的氣液二相體系，其90%以上是空氣，泡沫溶液不足10%，經(jīng)泡沫發(fā)生器后生成30～40 μm的氣泡，氣泡與土體相互混合攪拌后，微泡沫填充到土顆粒間隙中，使顆粒之間在外力作用下容易滑動。

添加相同濃度、相同摻入比泡沫后，泡沫混合土密度、稠度、壓縮系數(shù)、十字板抗剪強(qiáng)度的變化趨勢與單純加水改善渣土物理力學(xué)性能相一致；隨著土體自身含水率的增加，泡沫對渣土力學(xué)性能影響呈衰減趨勢。

3）圖6-圖9表明，當(dāng)注入泡沫濃度相同，摻入比不同時，改良后渣土含水率、稠度、壓縮系數(shù)依次增加，而密度和抗剪強(qiáng)度依次減少。改良前后，泡沫混合土與素土比較，密度依次減少了1.5%、3.6%、3.6%、4.6%，十字板抗剪強(qiáng)度減少了21.1%、37.3%、51.2%、58.2%；稠度依次增加了22.0%、25.9%、41.0%、57.9%，含水率增加了4.6%、9.6%、16.4%、20.1%。以上分析表明，當(dāng)摻入比按照等比例遞增，其含水率也按等比例遞增，但其它物理力學(xué)指標(biāo)不是按照相同比例增加。當(dāng)摻入比超過32%后，渣土的壓縮系數(shù)明顯增大，對于天然含水率為30%左右的土體，其摻入比的大小應(yīng)該引起注意。

4）圖10-圖13表明，當(dāng)摻入比相同，注入泡沫濃度不同時，渣土物理力學(xué)性能隨著濃度增加，渣土稠度、壓縮系數(shù)均有增加，十字板抗剪強(qiáng)度、密度均有所下降。各改良土與濃度為0.5%泡沫混合土相比較，密度減少了0.5%、1.1%、1.6%、2.1%，抗剪強(qiáng)度減少了6.9%、10.5%、12.7%、22.7%；稠度增加了9.1%、9.1%、13.6%、18.2%，壓縮系數(shù)增加了2.6%、5.3%、6.3%、9.2%。從以上數(shù)據(jù)得出，泡沫濃度1%與2%時對土體影響相近，性能變化幅度在10%以里；泡沫濃度3%與4%時對土體影響幅度較大，性能變化幅度在25%以里。說明泡沫濃度在2%以內(nèi)時，對土體性能改善基本相同。

2　工程應(yīng)用

2.1工程概況

天津地鐵5號線建昌道—思源道區(qū)間右線盾構(gòu)施工，施工設(shè)備采用日本小松加泥式土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑φ6 340 mm，管片寬度為1.5 m。盾構(gòu)機(jī)穿越第130～150環(huán)地層時，其地層剖面見圖14；該土層的原狀土物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

圖14　穿越地層剖面

表2　掘進(jìn)土層原狀土物理力學(xué)指標(biāo)

2.2泡沫添加量對盾構(gòu)施工影響

盾構(gòu)機(jī)穿越該地層時，采用注入泡沫法改良渣土，泡沫濃度為0.5%，摻入比為30%，土體經(jīng)泡沫改良后其物理力學(xué)性質(zhì)見表3；改良后盾構(gòu)機(jī)總推力與總扭矩時程曲線見圖15。

表3　改良后泡沫混合土物理力學(xué)指標(biāo)

圖15表明盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)該段地層時，盾構(gòu)總推力與刀盤扭矩變化趨勢相一致，工作期間總推力和扭矩最大值分別為12 380.0 kN和1 389.0 kN·m。該值占盾構(gòu)機(jī)極限推力和扭矩的32.8%和27.1%，說明改良后盾構(gòu)機(jī)運行良好，其總推力與總扭矩均在合理范圍之內(nèi)?，F(xiàn)場改良后泡沫混合土密度、稠度、壓縮系數(shù)、十字板抗剪強(qiáng)度數(shù)值與試驗室試驗結(jié)果基本一致。

3　結(jié)論

1）一定濃度和一定摻入比泡沫對富水粉質(zhì)粘土稠度、密度、壓縮系數(shù)和十字板抗剪強(qiáng)度有明顯改善；其改良結(jié)果好于單純加水改變土體物理力學(xué)性能。

2）當(dāng)富水粉質(zhì)粘土含水率介于28%～30%范圍內(nèi)時，泡沫摻入比超過32%時，其壓縮系數(shù)有明顯突變，應(yīng)引起注意。

3）選用濃度為0.5%，摻入比為30%泡沫溶液改良富水粉質(zhì)粘土，滿足盾構(gòu)機(jī)施工要求。

［1］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構(gòu)隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］陳饋，洪開榮，吳學(xué)松.盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］朱偉，張明晶，張志允.土壓平衡盾構(gòu)氣泡發(fā)泡劑的試驗研究［A］.中國土木工程學(xué)會第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會議論文集（下冊）［C］.2003.

［4］李小峰.盾構(gòu)用泡沫性能的試驗研究［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013，（3）：71-72.

［5］趙曉琴，黃德中，黃俊，等.盾構(gòu)施工中泡沫摻量對土體改良效果的試驗研究［J］.路基工程，2015，（5）：108-111.

［6］唐益群，宋永輝，周念清，等.土壓平衡盾構(gòu)在砂性土中施工問題的試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（1）：52-56.

［7］喬國剛.土壓平衡盾構(gòu)用新型發(fā)泡劑的開發(fā)與泡沫改良土體研究［D］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

［8］魏康林.土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機(jī)理分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44（1）：73-77.

［9］潘國靈，江濤，劉佳明，等.泡沫在盾構(gòu)隧道施工中的應(yīng)用［J］.低溫建筑技術(shù)，2011，（9）：102-104.

［10］魏新江，周洋，魏綱.土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)關(guān)系及其對地層位移影響的試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34（1）：73-79.

□王沛/天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院。

□董金奎/中煤第三建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司。

□趙亞鵬/天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院。

U452.1+1

C

1008-3197（2016）02-41-04

2016-03-07

劉琦/女，1984年出生，工程師，天津市建筑設(shè)計院，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.014

□課題項目：天津市建委課題（2013-26）