硬塑高黏度地層盾構(gòu)施工土體改良試驗研究

李培楠，黃德中，黃 俊，丁文其（.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海0009；.上海隧道工程股份有限公司，上海007）

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硬塑高黏度地層盾構(gòu)施工土體改良試驗研究

李培楠1，2，黃德中2，黃 俊2，丁文其1
（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.上海隧道工程股份有限公司，上海200127）

以上海⑥號土中盾構(gòu)施工為研究背景，進(jìn)行硬塑高黏度土體改良的室內(nèi)試驗.選擇3種添加劑研究其對渣土性能的影響，并綜合分析其最優(yōu)注入率范圍.研究表明：單獨使用泡沫需在增加土樣含水率到30.0%條件下，控制泡沫注入率（質(zhì)量比，下同）為30.0%時較好；高分子材料和減黏劑則需在同樣含水率下使其注入率分別為6.0%、5.5%時最佳；高分子材料和泡沫組合在高分子材料注入率、泡沫注入率分別為3%、20%時，減黏劑和泡沫組合在減黏劑注入率、泡沫注入率分別為3%、15%時效果更為合適.利用該配比方案進(jìn)行現(xiàn)場掘進(jìn)試驗，所得結(jié)果可為類似地層盾構(gòu)施工土體改良提供參考.

硬塑高黏度土；土體改良；室內(nèi)試驗；注入率

開挖土體性能是盾構(gòu)機(jī)順利完成地層掘進(jìn)、維持土艙壓力、排土等一系列施工過程的關(guān)鍵因素，作為盾構(gòu)隧道開挖面支撐介質(zhì)的土砂應(yīng)具有良好的流動性能、優(yōu)良的黏稠性能、較小的摩擦性及較低的滲透性等特征［1－2］.但多數(shù)地層土體不能完全滿足這些特性，為此必須對開挖面土體進(jìn)行改良以滿足盾構(gòu)工程的需求.向不良土層注入添加劑進(jìn)行改良已成為土壓平衡盾構(gòu)施工過程中不可或缺的措施，合理的土體改良技術(shù)不僅可以拓展盾構(gòu)施工的土層范圍，還能顯著降低綜合成本、減小地表沉降、加快施工速度，且使得土體具有不黏附于盾構(gòu)機(jī)面板和土艙內(nèi)壁等特點，確保開挖面穩(wěn)定.

目前，很多國內(nèi)外學(xué)者已對盾構(gòu)施工土體改良做了大量研究，通常的辦法都是向待改良土體中加入膨潤土泥漿、泡沫等添加劑來改善其性能［3－5］.這些研究表明，利用膨潤土和泡沫等添加劑對土體性質(zhì)的改良具有十分顯著的效果，但其主要針對位于粉土、淤泥質(zhì)黏土以及含砂卵石地層中的盾構(gòu)掘進(jìn)工作，而對于深層硬塑超固結(jié)黏性土體來說，常規(guī)的土體改良技術(shù)難以滿足盾構(gòu)施工所需的土體性能要求.由于這類土體具有較高的密實度、黏聚力和抗剪強(qiáng)度，且土體塑流性非常差，因此需針對不同地層選擇合適的添加劑，并優(yōu)化添加劑配比方案以保證土體改良效果，提高盾構(gòu)施工水平［6］.

評價土體改良效果的室內(nèi)試驗方法主要有剪切試驗、坍落度試驗、攪拌試驗、滲透試驗、壓縮試驗及稠度試驗等手段［7］.Bezuijen等［8］對盾構(gòu)推進(jìn)時土艙內(nèi)壓力分布和剪切抗力進(jìn)行試驗研究，在測定了改良土體的諸多性能后，建立了滲透性與泡沫注入量之間的關(guān)系，并給出了抗剪力受孔隙率影響的曲線.黃德中等［9］利用坍落度、流動度、抗剪及攪拌試驗對淤泥質(zhì)黏土改良方案進(jìn)行分析，確定了合理的土體改良參數(shù).Miguel［10］和Raffaele等［11］通過坍落度試驗來評價改良土體的流動性，建議最佳坍落度值位于50～200mm之間.上述試驗方法和評價標(biāo)準(zhǔn)是針對特定土層而言，對硬塑性高黏度土體的改良試驗還非常少，缺乏系統(tǒng)的改良手段及評價體系［12］.本文以上海⑥號土為研究對象，通過土體改良室內(nèi)試驗，在對比研究3種添加劑和組合材料改良效果基礎(chǔ)上，確定改良材料的配比和施工參數(shù)，最后借助盾構(gòu)掘進(jìn)現(xiàn)場試驗驗證室內(nèi)分析及其相應(yīng)改良方式所產(chǎn)生的施工改善成效.

1 工程背景

當(dāng)前上海地鐵多處于④號和⑤號土層中，隨著地鐵系統(tǒng)的不斷完善，在深層土中進(jìn)行施工已成為上海地鐵發(fā)展的一個重要趨勢.天然的上海⑥號土主要為粉質(zhì)黏土，呈暗綠至草黃色，處于可塑至硬塑狀態(tài)，屬超固結(jié)土，土中黏粒成分較多，黏塑性較強(qiáng)；巖性以黏土為主，局部為粉質(zhì)黏土，較硬，物理力學(xué)性質(zhì)較好，埋藏適中，分布較穩(wěn)定.該類土體具有如下特點：密度較高，含水量低，土顆粒密度大，流動性差；壓縮／變形模量高，自穩(wěn)定性好；黏聚力大，抗剪變形能力強(qiáng)，壓縮性低，強(qiáng)度高，屬高黏性土.通常其既不利于盾構(gòu)正常掘削，也不滿足“理想塑流性狀態(tài)”下的攪拌和輸送功能.④、⑤號土層及⑥號土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1所示.

表1 上海地區(qū)④、⑤和⑥號土層主要物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of Shanghai soils

地鐵施工中，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在天然的上海⑥號土層中掘進(jìn)時遇到的主要問題有：

（1）由于⑥號土層與其他地層土體的差異性較大，使得盾構(gòu)開挖斷面土層性狀極不均勻，且掘進(jìn)所受阻力有明顯差異，進(jìn)而易導(dǎo)致盾構(gòu)體軸線的偏離.另外這種差異性還將引起土壓力產(chǎn)生較大的波動，進(jìn)而影響土壓力控制，容易出現(xiàn)超挖.

（2）在⑥號土層中較大的盾構(gòu)推力易使得開挖面形成“泥餅”，在影響土壓傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時，還將導(dǎo)致盾構(gòu)推力與扭矩的大幅增加.

（3）⑥號土層土質(zhì)硬、黏度較高、自立性好，盾構(gòu)機(jī)掘削和出土都非常困難，因此常導(dǎo)致螺旋機(jī)空轉(zhuǎn)而不出土，推進(jìn)阻力大，推進(jìn)速度慢.

2 試驗方案及評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 試驗?zāi)康暮驮?/p>

針對硬塑高黏度地層盾構(gòu)施工環(huán)境的特殊性，必須找到一種合理的土體改良方案及其評價措施來保證盾構(gòu)掘削和出土作業(yè)的順利進(jìn)行.首先，地層的抗剪強(qiáng)度（摩擦性）和黏附性決定了盾構(gòu)機(jī)掘削的難易程度.通常為了保證盾構(gòu)正常工作，應(yīng)使開挖面土體的摩擦性和黏附性降到一定范圍，改良土體的摩擦性、黏附性或抗掘削性能可以利用抗剪強(qiáng)度試驗來評價；另一方面，土艙內(nèi)土體的流動性和攪拌性直接決定了土艙內(nèi)土體攪拌和螺旋排土器的工作狀態(tài).如果土體的流動性好，攪拌和排土作業(yè)就容易控制，進(jìn)而可以更好地保持開挖面穩(wěn)定.對于土體流動性，可用坍落度和流動度試驗來衡量.此外，在滿足抗掘削和流動性要求條件下，還應(yīng)考慮改良土體黏稠性是否符合輸送要求，通常過高的流動度會導(dǎo)致土體在輸送帶上的外溢程度加大，因此必須平衡流動度和黏稠度2個指標(biāo)取值，即還需借助稠度測定試驗來控制改良土體的黏稠度.

綜上所述，本研究采用抗剪強(qiáng)度試驗、坍落度試驗、流動度試驗和稠度試驗4項測試手段及其相應(yīng)指標(biāo)來進(jìn)行土體改良試驗，并對其改良性能進(jìn)行綜合評價.由此，選出合適的添加劑種類及其合理的配比方案來指導(dǎo)硬塑高黏度土體的改良工作.

2.2 試驗流程及步驟

根據(jù)盾構(gòu)施工開挖土體的物性條件，本研究在比選了多種不同類型的添加劑后，初步選擇泡沫、高分子材料和減黏劑作為土體改良試驗的外加添加劑.借助上述4種室內(nèi)試驗的抗剪強(qiáng)度、坍落度、流動度和稠度等指標(biāo)來評價上海⑥號土的改良效果，并優(yōu)化添加劑的配比方案.試驗流程見圖1所示.

具體步驟如下：

（1）盾構(gòu)穿越地層的取樣，對土樣進(jìn)行物理力學(xué)試驗，如測量土樣含水率、黏聚力和摩擦角等.

（2）添加劑性能試驗，主要針對泡沫添加劑進(jìn)行性能試驗.通過測量發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（指發(fā)泡劑與發(fā)泡劑加水混合溶液的質(zhì)量之比）和發(fā)泡倍率（一定體積的發(fā)泡液所發(fā)出的主泡體積與發(fā)泡液體積之比）與泡沫穩(wěn)定性（穩(wěn)泡時間）之間的關(guān)系來評價泡沫性能，并給出其合適的溶液配置參數(shù).

（3）土體改良室內(nèi)試驗，包括抗剪強(qiáng)度試驗、坍落度試驗、稠度試驗和流動度試驗.抗剪強(qiáng)度試驗是利用直剪儀進(jìn)行固結(jié)快剪試驗來評價改良土體的抗掘削性能，坍落度試驗則利用標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒來評價改良土體的流動性.當(dāng)坍落度試驗有一定困難時，可以借助標(biāo)準(zhǔn)水泥靜漿流動度測定儀完成的流動度試驗作為坍落度試驗的補充.最后，通過稠度試驗來評價改良土體的黏稠性，其中稠度值可采用砂漿稠度儀通過圓錐體自由下沉試驗來測定.

（4）優(yōu)化添加劑配比方案.基于3種添加劑下改良土體室內(nèi)試驗的分析，以及對組合材料模式下改良土體的研究與評價，初步優(yōu)化添加劑組合及其配比方案，并給出最為合理的添加劑注入率范圍.

（5）盾構(gòu)掘進(jìn)現(xiàn)場試驗.根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，把加水改良、泡沫劑改良和組合材料改良應(yīng)用于盾構(gòu)掘進(jìn)現(xiàn)場試驗來對比驗證室內(nèi)配比方案.

圖1 土體改良試驗流程圖Fig.1 Flow chart of soil conditioning tests

2.3 試驗評價標(biāo)準(zhǔn)

添加劑性能評價指標(biāo)主要為穩(wěn)泡時間，其中穩(wěn)泡時間也稱半衰期，其指泡沫破滅到原來質(zhì)量一半時所用的時間.盾構(gòu)施工時，泡沫被發(fā)泡裝置發(fā)出到與開挖土混合和改良有一個間隔時間.此外，開挖土體從被開挖進(jìn)入土倉到被螺旋機(jī)排出也有一個時間過程.因此根據(jù)實際情況，泡沫穩(wěn)泡時間大于5min （300s）即可滿足盾構(gòu)施工的要求.

土體改良試驗評價標(biāo)準(zhǔn)見表2.其中抗剪強(qiáng)度以黏聚力值來反映.坍落度則從坍落度值、坍落后土體形狀和析水量來評價土體的流動性和黏聚性，通常坍落后土體需滿足形狀規(guī)則為無明顯傾斜，輕拍不崩塌，土樣中無泡沫與水析出或少量析出［6］.而流動度按照《水泥膠砂流動度測定方法》GB／T 2419-2005［13］中相關(guān)規(guī)定對拌制好的改良土體流動性進(jìn)行衡量.稠度以試錐沉入拌合物中的距離來表征改良土體和易性和均勻度，另還必須保證拌合物不會有水土離析、沉淀等現(xiàn)象發(fā)生.

表2 土體改良試驗評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation criterion in soil conditioning tests

3 土體改良室內(nèi)試驗

3.1 添加劑制備與性能試驗

（1）泡沫制備與性能測試

試驗采用自制泡沫.利用最新改良配方，通過添加高分子表面活性劑，使其適應(yīng)性強(qiáng)，發(fā)泡倍率高，穩(wěn)定性良好，并由常規(guī)的發(fā)泡裝置制成.

發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對穩(wěn)泡時間的影響規(guī)律見圖2，其中泡沫的發(fā)泡倍率分別取12和20.當(dāng)其他條件一定時，在較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，穩(wěn)泡時間隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高迅速增大，而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%后，泡沫穩(wěn)泡時間曲線的斜率增長趨于平緩，其穩(wěn)定性變化不大.

圖2 泡沫性能試驗Fig.2 Foam performance tests

另一方面，為了考慮泡沫的發(fā)泡倍率對泡沫性能影響，基于不同的發(fā)泡倍率（9～30）對泡沫的穩(wěn)定性進(jìn)行性能試驗，發(fā)泡倍率對穩(wěn)泡時間的影響規(guī)律見圖3，其中發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%.可以看出，泡沫的穩(wěn)泡時間隨發(fā)泡倍率的增加而延長，發(fā)泡倍率從9增長到20的過程中，穩(wěn)定性變化明顯，但當(dāng)發(fā)泡倍率超過20后，泡沫的穩(wěn)定性基本不變.

圖3 發(fā)泡倍率性能試驗Fig.3 Foaming ratio performance tests

由此可見，發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其發(fā)泡倍率并非越大越好，結(jié)合評價標(biāo)準(zhǔn)并從經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，本試驗發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)取3%，發(fā)泡倍率取20.

（2）高分子材料和減黏劑的性能描述

本試驗使用的另外2種土體改良添加劑本質(zhì)上都是以水溶性高分子作為改良材料.一種是ELCO公司生產(chǎn)的型號為STP 401的水溶性高分子材料；另一種是自主研發(fā)的型號為TFA6的減黏劑.限于篇幅，高分子材料和減黏劑等添加劑溶液的制備與性能測試這里不再贅述，主要采用生產(chǎn)廠家所推薦的3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)來進(jìn)行這2種溶液的配置工作.

3.2 泡沫改良試驗

（1）抗剪強(qiáng)度試驗

為了探究泡沫對土體的改良效果，并確定合適的注入率，對3種含水率（23.5%、30.0%、40.0%）土樣進(jìn)行不同泡沫注入率（質(zhì)量比，分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%）的改良試驗，借助直剪儀器（固結(jié)快剪）獲得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如圖4所示.

圖4 泡沫改良土體抗剪強(qiáng)度試驗Fig.4 Shear strength tests on foam conditioned soils

當(dāng)含水率為23.5%（天然含水率）、30.0%時，隨著泡沫注入率的增加，土體黏聚力降低較快，在泡沫注入率達(dá)到30%時，其黏聚力值分別為14.87kPa 和14.39kPa，總體降低了50%左右，隨著注入率進(jìn)一步加大，黏聚力下降速率逐漸變緩.40.0%含水率土樣具有和天然含水率土樣非常相似的改良行為，且在30%～40%注入率之間呈現(xiàn)平穩(wěn)過渡狀態(tài)，而超過40%以后，黏聚力值僅降低了10%，幾乎未有減少，說明30%左右泡沫注入率的改良效果最為明顯.另一方面，當(dāng)泡沫摻量相同時，含水率越大，黏聚力值越小，由此表明抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和含水率成反比.

（2）坍落度試驗

在坍落度試驗之前將土樣風(fēng)干，添加水使土樣含水率分別達(dá)到23.5%，30.0%和40.0%，然后進(jìn)行混合泡沫后的改良土體坍落度試驗，取3組平行試驗的平均值作為最終坍落度值，結(jié)果如圖5所示.

圖5 泡沫改良土體坍落度試驗Fig.5 Slump tests on foam conditioned soils

含水率為23.5%和30.0%土樣的坍落度隨泡沫注入率變化而增加的趨勢相近，在注入率為20%～30%之間時，改良土體坍落度已達(dá)評價標(biāo)準(zhǔn)范圍（50～100mm），其流動性良好.而當(dāng)含水率為40.0%時，土體較為稀薄，隨著泡沫注入率加大，坍落度迅速升高到150mm，且析水量較大.因此考慮30.0%含水率土樣在泡沫注入率為30%時改良效果最佳.

（3）流動度試驗

采用3種含水率土樣進(jìn)行流動度試驗來進(jìn)一步評價改良土體的流動性，結(jié)果如圖6所示.

圖6 泡沫改良土體流動度試驗Fig.6 Fluidity tests on foam conditioned soils

從圖6中可以看出，泡沫注入率在超過40%后改良土體流動性的增速已經(jīng)不明顯，由此建議泡沫注入率不宜超過40%.

（4）稠度試驗

采用3種含水率土樣進(jìn)行稠度試驗來測試并評價改良土體的黏稠性與泌水性，結(jié)果如圖7所示.

圖7 泡沫改良土體稠度試驗Fig.7 Consistency tests on foam conditioned soils

圖7表明，泡沫注入率在超過40%后改良土體的稠度增長趨勢基本不明顯，建議注入率控制在40%以內(nèi)較好.

綜合以上4種試驗結(jié)果和分析并依據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)，對不同含水率條件下泡沫最優(yōu)注入率范圍的綜合評價見表3.基于抗剪強(qiáng)度試驗和后3種試驗結(jié)果范圍的對比分析和“夾逼判斷”，得出天然含水率條件下泡沫綜合最優(yōu)注入率為30.0%～35.0%，而30.0%含水率下綜合最優(yōu)注入率為28.7%～30.0%；另一方面，由于上述4種試驗結(jié)果沒有交集，40.0%含水率下則無綜合最優(yōu)注入率區(qū)間.最終考慮到在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的成本控制和工期要求，建議在土體含水率為30.0%時（即先加部分水進(jìn)行初步改良），泡沫注入率定為30.0%更為合適.

表3 不同含水率下泡沫最優(yōu)注入率范圍Tab.3 Optimal injection rate range of foam under different moisture contents %

3.3 高分子材料改良試驗

依據(jù)泡沫改良土體的試驗結(jié)果，本試驗僅對2種含水率（23.5%和30.0%）下的土樣，利用固結(jié)快剪獲得在不同高分子材料注入率（5%、7%、10%和12%）條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，試驗結(jié)果如圖8所示.其變化規(guī)律與泡沫改良情況相似，隨著高分子改良劑的不斷注入，黏聚力降低較快，而當(dāng)注入率超過5%～7%后，改良效果不明顯.

圖8 高分子材料改良土體抗剪強(qiáng)度試驗Fig.8 Shear strength tests on polymer conditioned soils

利用流動度試驗以及稠度試驗作為坍落度試驗的補充，結(jié)果如圖9和10所示.表4為不同含水率下高分子材料最優(yōu)注入率范圍，基于3種試驗結(jié)果得到天然含水率下對應(yīng)的高分子材料綜合最優(yōu)注入率為10.0%～12.0%，30.0%含水率土樣綜合最優(yōu)注入率為6.0%.因此，采用后1種工況下的最優(yōu)注入率為最佳.

圖9 高分子材料改良土體流動度試驗Fig.9 Fluidity tests on polymer conditioned soils

圖10 高分子材料改良土體稠度試驗Fig.10 Consistency tests on polymer conditioned soils

表4 不同含水率下高分子材料最優(yōu)注入率范圍Tab.4 Optimal injection rate range of polymer under different moisture contents %

3.4 減黏劑改良試驗

對2種含水率（23.5%和30.0%）條件下的土樣，同樣分別利用固結(jié)快剪儀、水泥靜漿流動度測定儀和砂漿稠度儀，獲得改良土體在不同減黏劑注入率（5%、7%、10%和12%）條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、流動度和稠度，3種試驗結(jié)果曲線分別如圖11、12和13所示.

圖11 減黏劑改良土體抗剪強(qiáng)度試驗Fig.11 Shear strength tests on detackifier conditioned soils

圖12 減黏劑改良土體流動度試驗Fig.12 Fluidity tests on detackifier conditioned soils

圖13 減黏劑改良土體稠度試驗Fig.13 Consistency tests on detackifier conditioned soils

從圖中可以看出，隨減黏劑注入率的不斷增加，改良土體的黏聚力呈逐漸減小的趨勢，且在滿足一定注入率條件后遞減趨勢歸于平緩；而流動度和稠度則呈穩(wěn)步遞增的趨勢，該增速在減黏劑注入率為12%以下時仍較為一致.由于僅從趨勢上很難判斷各注入率邊界閾值，因此需要根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)并集成3種合理的試驗，來最終確定減黏劑的綜合最優(yōu)注入率范圍（見表5）.通過對比發(fā)現(xiàn)，天然含水率下對應(yīng)的減黏劑綜合最優(yōu)注入率為8.0%～11.5%，而30.0%含水率下綜合最優(yōu)注入率為5.0%～5.8%.由此考慮30.0%含水率下取減黏劑注入率為5.5%較好.

表5 不同含水率下減黏劑最優(yōu)注入率范圍Tab.5 Optimal injection rate range of detackifier under different moisture contents %

3.5 組合材料改良試驗

在單獨利用高分子材料和減黏劑作為土體改良材料時，發(fā)現(xiàn)坍落度試驗基本無法成功完成，即改良后土樣都牢牢吸附在桶壁四周，無法自然下落.通過觀察借助專用器具摩擦取下的土樣，發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的黏附性，這是因為上述2種改良劑專有的高分子長鏈結(jié)構(gòu)雖然可以有效地降低改良土體的黏聚力，使得黏土顆粒內(nèi)部膠體被破壞，導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降，但高分子的團(tuán)聚效應(yīng)卻讓膠體的黏附性依然存在，因此單獨使用高分子材料和減黏劑作為土體改良添加劑有一定的局限性.另外，盡管在一定程度上可以通過加水方式來稀釋并降低這部分黏附性，但過多的注水量常常會造成該類土體流動性和泌水率過大、黏稠性過低等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致排土和輸送的不便，并很難有效控制盾構(gòu)開挖面的土壓平衡.

綜上所述，采用含有多種添加劑的組合材料進(jìn)行多摻量室內(nèi)試驗和數(shù)據(jù)耦合分析是非常有必要的.因此繼單因素試驗后，通過在高分子材料和減黏劑注入率分別為1%、3%、5%和7%的土樣（30.0%含水率）中加入不同劑量的泡沫來改良土體，限于篇幅，僅給出組合材料坍落度試驗結(jié)果，見圖14和15.

圖14 加入高分子材料和泡沫的坍落度試驗（30.0%含水率）Fig.14 Slump tests of combination materials with polymer and foam（30.0%moisture content）

圖15 加入減黏劑和泡沫的坍落度試驗（30.0%含水率）Fig.15 Slump tests of combination materials with detackifier and foam（30.0%moisture content）

當(dāng)高分子材料或減黏劑注入率較小時，試驗土樣較為干燥，坍落度隨泡沫注入率的增加而緩慢增長，直到泡沫注入率超過26%和18%后，土樣的坍落度才達(dá)到或超過50mm，流動性稍好.當(dāng)高分子材料或減黏劑的注入率為7%時，試驗土樣較為稀薄，坍落度隨泡沫注入率的提高而迅速增大，并很快超過100mm，但其后期增速緩慢.當(dāng)高分子材料或減黏劑注入率分別為3%、5%時，土樣的總體塑流性較好，且分別控制泡沫注入率在10%～20%和5%～15%范圍時，改良土體的流動性完全達(dá)到評價標(biāo)準(zhǔn)要求，其兼具優(yōu)良的黏稠性能和較小的摩擦性.結(jié)合組合材料的抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗結(jié)果，建議高分子材料和泡沫組成的組合材料在高分子材料注入率、泡沫注入率分別為3%、20%左右；減黏劑和泡沫組合在減黏劑注入率、泡沫注入率分別為3%、15%左右時，土體改良的綜合效果最佳，且減黏劑和泡沫的組合在一定程度上要優(yōu)于高分子材料和泡沫組成的組合材料.

4 盾構(gòu)掘進(jìn)現(xiàn)場試驗

將室內(nèi)試驗得到的最佳添加劑配比方案應(yīng)用到上海⑥號土中的某地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工中，對總計120環(huán)范圍內(nèi)恒定埋深（30m附近）的盾構(gòu)掘進(jìn)路線進(jìn)行現(xiàn)場對比試驗，其中每隔30環(huán)分別采用無添加劑改良、加水改良（該試驗段前15環(huán)含水率為30.0%，后15環(huán)含水率增加到40.0%）、泡沫劑改良（30.0%含水率、30%泡沫注入率）以及組合材料改良（30.0%含水率、3%減黏劑注入率、15%泡沫注入率）等添加劑配比方案進(jìn)行不同區(qū)段的土體改良施工.通過統(tǒng)計分析試驗段內(nèi)3個由盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)獲取到的盾構(gòu)運行參數(shù)（推進(jìn)速度、刀盤扭矩和總推力）來對比驗證不同區(qū)段相應(yīng)改良方式所產(chǎn)生的施工改善成效，同時對優(yōu)化后的渣土進(jìn)行現(xiàn)場坍落度試驗來進(jìn)一步反饋改良效果，不同改良方式對應(yīng)施工參數(shù)變化規(guī)律如圖16所示.

圖16 不同改良方式下的施工參數(shù)對比分析Fig.16 Comparative analysis of shield excavation parameters based on different soil conditioning means

圖16表明，無添加劑改良區(qū)段的盾構(gòu)推進(jìn)速度較慢，刀盤扭矩較高，總推力過大，因而有必要進(jìn)行土體改良.通常施工中會借助加水來進(jìn)行初步土體改良工作，然而直接加水很難控制老黏土的改良效果，盡管刀盤扭矩有部分減少（刀盤在開挖面上打滑所致），但推進(jìn)速度和總推力的改善效果并不明顯，且容易造成出土口堵塞，見圖17a所示.

圖17 不同添加劑的改良排土情況Fig.17 Soil conditioning situation with different additives

對于外加化學(xué)添加劑的改良方案，考慮到單獨添加高分子材料和減黏劑容易導(dǎo)致改良土體黏附性過高，因此主要選取單獨注入泡沫劑進(jìn)行現(xiàn)場試驗，其結(jié)果能顯著提高推進(jìn)速度，并在推進(jìn)的過程中能有效降低刀盤扭矩（2.0 MN·m，小于額定扭矩的50%），同時減小了總推力，現(xiàn)場坍落度試驗中渣土的坍落度值集中在100 mm左右，排土情況見圖17b，證明其改良效果較好.而組合材料（減黏劑和泡沫組合更適應(yīng)老黏土的改良工作）能更有效地改善盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)，使其推進(jìn)速度超過無改良時的2倍（10mm·min－1變到30mm·min－1左右），刀盤扭矩進(jìn)一步減小，同時總推力降低到16.0 MN左右，且土艙內(nèi)的壓力更趨于穩(wěn)定.綜上所述，在泡沫注入率為30%時的單獨改良，或減黏劑注入率、泡沫注入率分別為3%、15%時的組合改良都能使土體滿足盾構(gòu)施工要求，如在成本和工期寬裕的情況下，以組合材料改良土體的綜合效果最佳.

5 結(jié)語

由室內(nèi)土體改良試驗可知，在硬塑高黏度土樣中單獨使用泡沫改良添加劑需增加土樣含水率到30.0%條件下，控制泡沫注入率為30.0%效果較好；高分子材料和減黏劑則需在同樣含水率下使得其注入率分別為6.0%、5.5%時效果最佳.由于高分子材料和減黏劑單獨使用時會帶來一定的黏附性，導(dǎo)致刀盤和土艙結(jié)“泥餅”、螺旋機(jī)出土口堵塞等現(xiàn)象的發(fā)生，因此有必要基于高分子材料、減黏劑分別與泡沫組成的組合材料對土體進(jìn)行改良試驗，結(jié)果表明高分子材料和泡沫組合在高分子材料注入率、泡沫注入率分別為3%、20%左右，減黏劑和泡沫組合在減黏劑注入率、泡沫注入率分別為3%、15%左右時改良效果更為合適.

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工現(xiàn)場進(jìn)行的土體改良試驗和120環(huán)試驗段中施工參數(shù)變化規(guī)律的對比分析表明，借助室內(nèi)試驗得到的最佳添加劑配比方案顯著提高了盾構(gòu)推進(jìn)速度（2～3倍左右），降低了刀盤扭矩（50%以上），并減小了總推力（15%左右）.在保持開挖面穩(wěn)定的同時，使得推進(jìn)更加勻速，出土更為流暢，由此取得了良好的盾構(gòu)施工效果.

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Experimental Study on Soil Conditioning of Shield Construction in Hard－plastic Highviscosity Layer

LI Peinan1，2，HUANG Dezhong2，HUANG Jun2，DING Wenqi1
（1.College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Shanghai Tunnel Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200127，China）

A series of soil conditioning laboratory tests with three types of additives were performed to investigate and assess the conditioned effect of hard－plastic high－viscosity soil in Shanghai⑥layer，and analyze the optimal injection rate ranges synthetically.It is shown that the optimum foam injection ratio is 30.0%under 30.0%moisture content （MC）.While the optimum injection ratios of polymer and detackifier are 6.0%and 5.5%respectively under the same MC.Moreover，the optimum injection ratios of combination materials with polymer and foam are 3%（polymer）and 20% （foam）respectively，and the optimum injection ratio of combination materials with detackifier and foam are 3%for detackifier and 15%for foam respectively.Succeeding field tests show that the optimum injection ratios of additives significantly improve the performance of earth pressure balanced（EPB）excavation and can be used as guidelines under such soil conditions.

hard－plastic high－viscosity soil；soil conditioning；laboratory tests；injection ratio

TD822.3

A

0253－374X（2016）01－0059－08

10.11908／j.issn.0253－374x.2016.01.009

2014 12 25

國家自然科學(xué)基金（51378388）；上海市科委重點科研項目（14DZ1207900）

李培楠（1983—），男，工學(xué)博士，主要研究方向為地下空間建模、數(shù)值計算方法和盾構(gòu)施工技術(shù).E－mail：peinanli411＠163.com