易鵬程 陳志敏 張常書(shū)

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,730070,蘭州；2.中鐵十八局集團(tuán)有限公司,300222,天津∥第一作者,碩士研究生)

盾構(gòu)機(jī)在不同地層中掘進(jìn)時(shí)會(huì)遇到諸多問(wèn)題，其中渣土改良是一個(gè)重要難題。文獻(xiàn)[1-8]對(duì)此進(jìn)行了針對(duì)性研究，做出了諸多貢獻(xiàn)。然而這些研究針對(duì)粗顆粒砂類土與施工技術(shù)的改良研究較多，對(duì)細(xì)顆粒軟黏性土的改良研究較少，而且渣土改良效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)較為單一。本文以廣州地鐵盾構(gòu)粉質(zhì)黏土地層為背景，基于地層物理力學(xué)參數(shù)分析，采用泡沫劑渣土改良方案，結(jié)合坍落度、滲透系數(shù)、黏聚力及內(nèi)摩擦角等多個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)渣土的改良成果，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段的施工參數(shù)驗(yàn)證，得到了較準(zhǔn)確、合理的改良參數(shù)，為相似地質(zhì)條件下的工程施工提供參考。

1 盾構(gòu)穿越地層的土樣物理力學(xué)特性

廣州地鐵21號(hào)線盾構(gòu)施工段的主要穿越層為粉質(zhì)黏土層。該地層受季節(jié)性降雨影響較大，故在施工中的失水地面沉降、盾構(gòu)刀盤(pán)“結(jié)餅”及螺旋輸送機(jī)閉塞等問(wèn)題尤為突出。

地層物理力學(xué)特性參數(shù)(液塑限、顆粒級(jí)配及滲透系數(shù)等)的有效分析是控制施工參數(shù)的依據(jù)，也是渣土改良的關(guān)鍵。試驗(yàn)得到的粉質(zhì)黏土層土樣物理力學(xué)參數(shù)如圖1、表1及表2所示。

表2 土樣物理力學(xué)特性參數(shù)

圖1 顆粒級(jí)配曲線圖

表1 土樣顆粒分析試驗(yàn)記錄

通過(guò)分析地層土體參數(shù)得出：①土體細(xì)顆粒占總質(zhì)量的70%以上，塑性指數(shù)為15.02，是級(jí)配良好的粉質(zhì)黏土；②土樣中粉質(zhì)黏土的平均液性指數(shù)為0.33，在0.25～0.75范圍內(nèi)，呈可塑狀態(tài)，但可塑性差;③滲透系數(shù)值為4.26×10-5cm/s，高于盾構(gòu)施工要求的10-5量級(jí)以下。因此，對(duì)開(kāi)挖土艙內(nèi)渣土進(jìn)行改良，保證其良好流塑性，是施工中的重點(diǎn)。

2 粉質(zhì)黏土渣土改良試驗(yàn)及效果評(píng)價(jià)

根據(jù)試樣土體物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合改良劑的適用范圍，選擇泡沫劑作為渣土改良劑，根據(jù)改良劑自身評(píng)價(jià)來(lái)確定最優(yōu)改良劑質(zhì)量濃度，并進(jìn)行不同摻入比的渣土改良試驗(yàn)。

2.1 改良劑的性能評(píng)價(jià)

泡沫改良劑的性能主要由發(fā)泡倍率和半衰期兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量[7]。評(píng)價(jià)指標(biāo)與泡沫劑質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖2及圖3所示。

圖2 泡沫劑溶液的最大發(fā)泡倍率與質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線

圖3 泡沫劑的半衰期試驗(yàn)曲線

分析圖2可知：隨著泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)泡倍率先迅速增加后慢慢穩(wěn)定；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于4%時(shí)，發(fā)泡率增大效果明顯。由圖3可知：隨著泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，半衰期先增加、后降低，最后趨于穩(wěn)定；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，半衰期達(dá)臨界點(diǎn)，最大半衰期為10.5 min；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3%時(shí)，半衰期增長(zhǎng)迅速；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于3%時(shí)，半衰期逐漸降低；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于5%時(shí)，半衰期穩(wěn)定在9.5 min左右。由上述性能評(píng)價(jià)可知，當(dāng)泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，其泡沫劑整體性能較佳。故本次改良試驗(yàn)的泡沫劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的配比。

2.2 渣土改良試驗(yàn)結(jié)果分析

將泡沫劑與渣土按不同摻入比混合，可分析渣土的抗?jié)B性能、抗剪強(qiáng)度特性及塌落度的變化，進(jìn)而得到較佳渣土改良參數(shù)。

2.2.1 坍落度試驗(yàn)

文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果表明，當(dāng)渣土的坍落度為150 mm左右時(shí)，改良渣土具有良好的流塑性。泡沫劑摻入比λ不同時(shí)的坍落度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3分析可知：當(dāng)λ=20%時(shí)，坍落度為145，渣土改良效果最佳。考慮到實(shí)際盾構(gòu)施工情況，粉質(zhì)黏土的最優(yōu)坍落度范圍為140～160 mm，泡沫劑最佳摻入比為20%～25%。

表3 λ不同時(shí)的渣土坍落度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 抗剪試驗(yàn)

開(kāi)挖掌子面及土倉(cāng)土體的抗剪強(qiáng)度是盾構(gòu)順利掘進(jìn)的重要影響因素。本文通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)定粉質(zhì)黏土在不同λ下的渣土抗剪強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)，如圖4～6所示。

圖4 不同λ下的S值曲線

由圖4可知：當(dāng)λ為15%～20%時(shí)，渣土抗剪強(qiáng)度S變化明顯，改良作用效果顯著；當(dāng)λ>25%時(shí)，S變較穩(wěn)定，變化較緩。由此可見(jiàn)λ為20%～25%比較合適。

由圖5可知，c變化趨勢(shì)同抗剪強(qiáng)度曲線類似，最優(yōu)為20%～25%，改良后c可降低30%左右。

圖5 不同λ下的c變化曲線

由圖6可得，當(dāng)λ<20%時(shí)，φ隨λ的增加降低明顯；λ>20%時(shí)，φ雖降低卻趨于穩(wěn)定。λ=20%為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)φ值較改良前φ低了近40%。

圖6 不同λ下的φ變化曲線

通過(guò)抗剪強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，合理?yè)饺肱菽瓌┠艽蠓档驮恋目辜袅W(xué)性能，對(duì)防止刀盤(pán)結(jié)泥餅、改善渣土的流塑性具有很好的效果。

2.3.3 滲透試驗(yàn)

土倉(cāng)渣土的滲透系數(shù)k是維持開(kāi)挖面穩(wěn)定的重要因素之一。當(dāng)k低于1×10-5cm/s量級(jí)時(shí)，開(kāi)挖面能很好滿足盾構(gòu)施工要求。λ不同時(shí)的改良渣土滲透試驗(yàn)k變化曲線如圖7所示。

圖7 不同λ下的k變化曲線

結(jié)合圖7得：λ=20%為改良效果的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；λ<20%時(shí)，k增長(zhǎng)明顯，改良效果顯著；λ>20%時(shí)，k略有降低，改良狀態(tài)已達(dá)到理想狀態(tài)要求。

經(jīng)分析，粉質(zhì)黏土λ最優(yōu)值為20%左右。結(jié)合工程實(shí)際情況及試驗(yàn)改良效果對(duì)比結(jié)果，確定適合于粉質(zhì)黏土的λ最優(yōu)范圍為20%～25%。

3 渣土改良現(xiàn)場(chǎng)效果評(píng)價(jià)

3.1 施工現(xiàn)場(chǎng)泡沫劑應(yīng)用參數(shù)

由于施工過(guò)程中的泡沫劑改良效果受到發(fā)泡系統(tǒng)及土體松散性等因素的影響，故單一的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果不能直接應(yīng)用到施工現(xiàn)場(chǎng)，需計(jì)算在施工現(xiàn)場(chǎng)每推進(jìn)1環(huán)消耗的泡沫劑體積Vg：

(1)

式中：

Pa——大氣壓；

N——施工時(shí)的泡沫劑溶液發(fā)泡率；

Pt——土倉(cāng)壓力；

K——泡沫劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

D——盾構(gòu)開(kāi)挖直徑；

L——每環(huán)管片寬度；

ξ——土體的松散系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，取Pt=0.14 MPa，D=6 m，N=15 ，L=1.5 m，K=3%，ξ=1.25，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，得到施工現(xiàn)場(chǎng)的Vg，如表4所示。

表4 施工現(xiàn)場(chǎng)的Vg

3.2 改良參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)合理性評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)渣土改良參數(shù)的合理性，在相關(guān)地層盾構(gòu)試驗(yàn)段，對(duì)比分析粉質(zhì)黏土(含砂率<10%)地層改良前后施工參數(shù)(掘進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩、出渣量等)的變化規(guī)律，如表5及圖8～12所示。

表5 現(xiàn)場(chǎng)泡沫改良劑用量

圖8 Pt隨掘進(jìn)環(huán)數(shù)的變化曲線

結(jié)合表5分析可知：由于粉質(zhì)黏土的含水率存在不均勻分布，故渣土改良λ最優(yōu)值的現(xiàn)場(chǎng)值與理論計(jì)算值存在差異，但差異不大；如含水量高，則λ相對(duì)減小，反之則相反。

由圖8可知：在未改良段Pt不穩(wěn)定，其變化幅度達(dá)±0.08 MPa；在改良段，Pt基本穩(wěn)定在0.16 MPa左右，變化范圍縮小到±0.03 MPa。

由圖9可知：在未改良段，刀盤(pán)扭矩基本在2.1 MNm左右，最大值達(dá)2.3 MNm，且刀盤(pán)磨損變形嚴(yán)重；在改良段，泡沫劑作用明顯，刀盤(pán)扭矩逐漸減小后穩(wěn)定為1.5 MNm左右，較未改良前減小約0.6 MNm。

圖9 刀盤(pán)扭矩隨掘進(jìn)環(huán)數(shù)的變化曲線

由圖10及11可知，在未改良段，掘進(jìn)速度為30 mm/min，出渣量為3 m3/環(huán)；在改良段，掘進(jìn)速度提升為40 mm/min，出渣量穩(wěn)定保持在4 m3/環(huán)以上。可見(jiàn)，改良效果明顯。

圖10 掘進(jìn)速度隨掘進(jìn)環(huán)數(shù)的變化曲線

圖11 出渣量隨掘進(jìn)環(huán)數(shù)的變化曲線

由圖12可以看出，總推力在未改良段和改良段變化明顯：在未改良段，總推力基本在1.7×104kN左右；在改良段，土倉(cāng)壓力能夠合理地平穩(wěn)掌子面應(yīng)力，總推力基本穩(wěn)定在1.2×104～1.4×104kN，達(dá)到盾構(gòu)施工要求的1.4×104kN以下。

圖12 總推力隨掘進(jìn)環(huán)數(shù)的變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托廣州地鐵盾構(gòu)下穿粉質(zhì)黏土層項(xiàng)目，對(duì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行渣土改良試驗(yàn)，得到泡沫劑最優(yōu)質(zhì)量濃度、最優(yōu)摻入比范圍及相關(guān)渣土性能參數(shù)，推導(dǎo)了施工現(xiàn)場(chǎng)泡沫劑應(yīng)用參數(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用參數(shù)的合理性。主要結(jié)論如下：

1) 發(fā)泡劑的發(fā)泡倍率和半衰期性能指標(biāo)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化而變化，較佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～4%。

2) 粉質(zhì)黏土改良的λ最優(yōu)值約為20%，最優(yōu)坍落度為145 mm。結(jié)合實(shí)際施工情況，渣土改良的坍落度最優(yōu)范圍為140～160 mm，λ最優(yōu)范圍為20%～25%。

3) 渣土物理力學(xué)性能受泡沫劑影響明顯。改良渣土的S、c、φ及K隨λ的增大呈降低趨勢(shì)。λ超過(guò)最優(yōu)值時(shí)，性能參數(shù)變化趨于穩(wěn)定。

4) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段試驗(yàn)結(jié)果表明，采用泡沫劑改良后的渣土能較好地達(dá)到理想流塑狀態(tài)。刀盤(pán)總推力有效降低，并穩(wěn)定在1.2×104～1.4×104kN；刀盤(pán)扭矩穩(wěn)定保持在1.5 MNm左右；掘進(jìn)速度穩(wěn)定保持在40 mm/min左右，出渣量達(dá)4 m3/環(huán)以上；渣土改良后，Pt穩(wěn)定在0.16 MPa左右，變化范圍縮小到±0.03 MPa。

土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。盾構(gòu)在不同地層、埋深的地質(zhì)條件下施工可能遇到的問(wèn)題不盡相同，及時(shí)做好記錄監(jiān)測(cè)及渣土分析是渣土改良的有效途徑。