宋相帥,許 超*,石紅兵,楊志勇,孫 恒
(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430040;3.中國(guó)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司,北京 100029)
近年來(lái),盾構(gòu)穿江越海工程日益增多,在一定水頭壓力作用下盾構(gòu)穿越強(qiáng)透水地層越來(lái)越普遍,極易造成盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)不同程度噴涌現(xiàn)象[1]。噴涌現(xiàn)象高發(fā)于粉細(xì)砂、中粗砂地層、礫石、卵石、斷裂帶巖層等地層,由于沒(méi)有足夠多的黏土物質(zhì),地下水與進(jìn)入密封倉(cāng)內(nèi)的固體物質(zhì)不能揉合成一體,在密封倉(cāng)內(nèi)就形成“水是水,渣是渣”的狀態(tài),嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,甚至出現(xiàn)上覆地層過(guò)大的沉降。
目前,國(guó)內(nèi)外常用噴涌處理方法為渣土改良及盾構(gòu)螺旋機(jī)加設(shè)防噴涌結(jié)構(gòu)。寧小平[2]結(jié)合福州地鐵1號(hào)線(xiàn)富水巖層,分析了正常狀態(tài)下盾構(gòu)設(shè)備出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象的可能性;朱自鵬[3-5]以蘭州地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間為依托,通過(guò)渣土改良試驗(yàn)和數(shù)值模擬,開(kāi)展高水壓砂卵石地層下土壓平衡盾構(gòu)防噴涌研究;韓鋒[6]針對(duì)福州地層土性、富含承壓力水特點(diǎn),建立水壓力傳遞理論模型,分析出影響噴涌變量;葉晨立[7]以福州地鐵1號(hào)線(xiàn)上藤站—達(dá)道站區(qū)間為背景,開(kāi)展渣土改良室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),確定了土壓平衡盾構(gòu)穿越高水壓高滲透性地層渣土改良綜合解決方案;劉琦[8]結(jié)合實(shí)際工程情況,采用對(duì)應(yīng)技術(shù)分析噴涌發(fā)生因素,并采取對(duì)應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)噴涌控制技術(shù);胡長(zhǎng)明等[9]針對(duì)穿越砂層的盾構(gòu)施工進(jìn)行了渣土改良試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比改良前后渣土抗剪強(qiáng)度、滲透性及塌落度,得到了合理的膨潤(rùn)土用量及泥漿摻入比;趙宗智[10]針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)施工過(guò)程中噴涌災(zāi)害的預(yù)警問(wèn)題,提出建立考慮施工過(guò)程影響的渣土水頭分布模型的研究方法;文斌等人[11-15]重點(diǎn)分析富水砂層下盾構(gòu)渣土改良及噴涌控制相關(guān)技術(shù),獲得了相應(yīng)的渣土改良參數(shù),提出了防止噴涌的一些參數(shù)建議。通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),渣土改良中評(píng)價(jià)改良效果主要以渣土滲透系數(shù)、坍落度等為指標(biāo),尚無(wú)室內(nèi)試驗(yàn)真實(shí)模擬渣土改良后噴出效果,且無(wú)合適的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致渣土改良實(shí)際運(yùn)用效果判斷具有滯后性。
本文以廣州地鐵12號(hào)線(xiàn)下穿侖頭海富水砂層段為工程背景,結(jié)合改良劑改良砂層機(jī)理及室內(nèi)試驗(yàn),設(shè)計(jì)了一套噴涌發(fā)生、評(píng)價(jià)裝置,確定了高水壓粉細(xì)砂地層的渣土改良配比方案,為渣土改良效果提供了直觀評(píng)判,為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。
廣州地鐵官洲站—侖頭站盾構(gòu)工程,區(qū)間長(zhǎng)1.4 km,最大坡度為29.5‰。采用土壓平衡盾構(gòu)施工,開(kāi)挖直徑6.7 m,管片外徑6.4 m、內(nèi)徑5.8 m。盾構(gòu)下穿侖頭海于210~280環(huán)穿越全斷面粉細(xì)砂地層,80~210環(huán)、280~350環(huán)部分穿越富水粉細(xì)砂地層,最大水壓0.42 MPa,地層以粉細(xì)砂、中粗砂為主,顆粒級(jí)配一般,地層工程與水文地質(zhì)特征如表1所示。場(chǎng)地內(nèi)主要為孔隙潛水,含水層主要為砂層。該工程是連接官洲生物島與侖頭的重要樞紐線(xiàn),同時(shí)下穿侖頭海等重要河流,工程挑戰(zhàn)與意義重大。
渣土改良放噴涌試驗(yàn)所用砂樣取自類(lèi)似地層130環(huán)<2-2>、<2-3>混合砂樣,試驗(yàn)砂樣制備A、B、C、D等4組,同時(shí)結(jié)合地勘資料對(duì)<2-2>、<2-3>進(jìn)行分析,含水率為40%,對(duì)取出砂樣烘干后進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn),得到其級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。
通過(guò)對(duì)圖1試驗(yàn)砂樣顆粒級(jí)配分析可知,砂樣的不均勻系數(shù)Cu約為2.6,曲率系數(shù)Cc約為3.1。通過(guò)比較試驗(yàn)砂樣不均勻系數(shù)Cu<5,且曲率系數(shù)Cc>3,表明砂樣級(jí)配不良,易導(dǎo)致掘進(jìn)中細(xì)顆粒被地下水帶走形成涌水通道,造成噴涌現(xiàn)象。
表1 地層工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征Tab.1 Engineering geological and hydrogeological characteristics of stratum
圖1 試驗(yàn)砂樣顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig.1 Particle grading curve of test sand sample
噴涌發(fā)生原理[1]:盾構(gòu)開(kāi)挖面上水壓力過(guò)高,渣土本身不具止水性,難以將土體中水體按照輸送水體和土體一起排出盾構(gòu)機(jī)。較大流量的滲流水經(jīng)過(guò)壓力艙和螺旋排土器后其壓力水頭沒(méi)有遞減到和零相接近的范圍。滲流水在輸送至出口的瞬間,由于前方隧道內(nèi)部臨空,且處于無(wú)壓狀態(tài),滲流水在忽然增大的壓力下帶動(dòng)正常輸送的砂土噴涌而出。
噴涌發(fā)生條件:排土器自身壓縮效應(yīng)和排土閘門(mén)可以抵10 kPa(H2=1 m)的水壓力和3 cm3/s的滲流量,水壓力和滲流量中任一指標(biāo)低于這兩值,認(rèn)為不發(fā)生噴涌;兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)超出以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),視為噴涌發(fā)生;若排土口水流量Q>4 cm3/s且水壓力Pw>20 kPa(即H2>2 m)時(shí),認(rèn)為發(fā)生嚴(yán)重噴涌。
膨潤(rùn)土屬于膨脹蒙脫石粘土礦物,具有較高膨脹性和較低導(dǎo)水率,與級(jí)配一般的砂土混合后,膨潤(rùn)土?xí)纬擅擅撌w粒包裹著石英顆粒鏈,連接鎖定砂性土顆粒,形成一套互相咬合的低滲透性顆粒系統(tǒng)。當(dāng)自由水接觸到土體后,砂土顆粒與膨潤(rùn)土形成的鏈鎖系統(tǒng)可以吸收并阻隔自由水分,且膨潤(rùn)土顆粒水化后均有潤(rùn)滑作用,可以改善土體流塑性。
高分子聚合物一般以碳?xì)湓貫橹鳎瑯?gòu)成分子長(zhǎng)鏈,大多可溶于水或與水反應(yīng),常用的改良劑如羥甲基纖維素(CMC)、高吸水性樹(shù)脂等。高吸水性樹(shù)脂可吸收土中自由水,形成樹(shù)脂類(lèi)凝膠顆粒填充土體間隙,起到改善土體流塑性的作用;CMC溶于水后可極大提高水的粘性,該類(lèi)材料具較長(zhǎng)分子鏈,通過(guò)分子鏈間的結(jié)合、拉扯作用,可增加粘性,將分散的砂土顆粒緊密地拉扯包裹在一起,降低砂土孔隙率。
為解決土壓盾構(gòu)穿越富水粉細(xì)砂地層易出現(xiàn)噴涌問(wèn)題,渣土改良試驗(yàn)需實(shí)現(xiàn):(1)改善土倉(cāng)渣土的滲透性能,避免開(kāi)挖面因排水固結(jié)而帶來(lái)較大的地表沉降或坍塌事故;(2)降低土倉(cāng)渣土及開(kāi)挖面土體的內(nèi)摩擦角,使渣土對(duì)刀具的磨損進(jìn)一步減少,對(duì)刀盤(pán)扭矩進(jìn)一步降低;(3)改善砂性土層的流動(dòng)性,避免盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)產(chǎn)生噴涌情況,同時(shí)防止盾構(gòu)停機(jī)土倉(cāng)內(nèi)渣土離析沉淀,使刀盤(pán)重新啟動(dòng)扭矩增大,損害盾構(gòu)設(shè)備。
試驗(yàn)優(yōu)選了廣州恒運(yùn)紅鈉土、浙江安吉苑豐膨潤(rùn)土兩種鈉基膨潤(rùn)土改良材料,試驗(yàn)選用不同膨水比進(jìn)行膨潤(rùn)土漿液基礎(chǔ)試驗(yàn)。結(jié)合兩種膨潤(rùn)土泥漿性能測(cè)量情況,考慮到膨潤(rùn)土粘度對(duì)砂層的適配性,選定紅鈉土膨水比為1∶7及安吉膨潤(rùn)土膨水比1∶4兩種比例繼續(xù)開(kāi)展性能測(cè)試,其不同膨化時(shí)間下比重、粘度試驗(yàn)如圖2、圖3所示。
圖2 不同膨化時(shí)間下比重對(duì)比曲線(xiàn)圖Fig.2 Comparison curve of specific gravity under different expansion time
圖3 不同膨化時(shí)間下粘度對(duì)比曲線(xiàn)圖Fig.3 Viscosity comparison curve under different expansion time
分析表明,膨水比1∶7的紅鈉土比重明顯小于膨水比1∶4安吉膨潤(rùn)土,但兩者在相同膨化時(shí)間下,粘度變化趨勢(shì)基本一致,且兩者的粘度值較為接近。
試驗(yàn)優(yōu)選了2種高分子聚合物改良材料,對(duì)不同配比條件下材料性能進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)指標(biāo)主要包括比重、粘度、膠體懸浮率以及pH值,測(cè)試所用高分子材料如圖4所示。
圖4 試驗(yàn)選用的兩種高分子聚合物Fig.4 Two kinds of high molecular polymers selected in the test
通過(guò)試驗(yàn)可知,1#高分子聚合物在濃度為8∶1 000時(shí)加入泥漿攪拌開(kāi)始出現(xiàn)掛絲,手挑后有一定的黏手效果;2#高分子聚合物在濃度為6∶1 000時(shí)加入泥漿攪拌開(kāi)始出現(xiàn)掛絲,手挑后黏手效果不明顯,且加入高分子聚合物后會(huì)出現(xiàn)離析狀態(tài),因此后續(xù)不考慮加入高分子聚合物進(jìn)行噴涌試驗(yàn)。
通過(guò)對(duì)膨潤(rùn)土材料及高分子聚合物材料進(jìn)行性能參數(shù)對(duì)比分析,結(jié)合材料運(yùn)用成本,保證既定改良效果的前提下,選擇浙江安吉苑豐膨潤(rùn)土作為砂層防噴涌試驗(yàn)的改良材料,開(kāi)展砂層噴涌模擬試驗(yàn),進(jìn)而評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土材料的配比方案。
為能較為精確地還原現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)螺旋機(jī)在穿越易噴涌地層的噴涌現(xiàn)象,基于相似理論進(jìn)行模型試驗(yàn),對(duì)盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)、螺旋機(jī)進(jìn)行一定比例結(jié)構(gòu)縮放,設(shè)定體積放縮比例在10 000∶1左右,如圖5所示。
圖5 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理Fig.5 Design principle of test device
通過(guò)簡(jiǎn)易裝置測(cè)量不同噴射距離,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室噴涌試驗(yàn)的可操作化,進(jìn)而評(píng)判膨潤(rùn)土改良噴涌的效果,試驗(yàn)裝置如圖6所示。
本裝置試驗(yàn)原理:利用外部空壓機(jī)對(duì)裝有渣樣壓力罐進(jìn)行加壓,壓力控制參照實(shí)際工程進(jìn)行施加,待裝有渣樣壓力罐內(nèi)壓力穩(wěn)定后,打開(kāi)壓力罐的排漿閥。罐內(nèi)渣樣在工作壓力0.42 MPa作用下會(huì)噴射出一定距離,選取不同改良參數(shù)下渣樣噴射最遠(yuǎn)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)位,獲取不同參數(shù)下渣樣噴射距離及出口端速度,進(jìn)而優(yōu)選膨潤(rùn)土摻入比、膨化時(shí)間及膨水比等參數(shù)范圍,現(xiàn)場(chǎng)渣土噴涌模擬試驗(yàn)如圖7所示。
圖6 渣土噴涌模擬裝置Fig.6 Slag gushing simulation device
圖7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況Fig.7 Field test
本渣土噴涌模擬裝置有益效果:(1)使得土壓平衡盾構(gòu)渣土改良防噴涌效果轉(zhuǎn)換為試驗(yàn)可操作性、可評(píng)判性的數(shù)據(jù)參數(shù);(2)便于對(duì)改良劑改良地層防噴涌的效果進(jìn)行直觀評(píng)價(jià),提供盾構(gòu)渣土防噴涌改良效果評(píng)價(jià)指標(biāo);(3)可測(cè)試不同壓力下不同改良劑對(duì)渣土防噴涌的改良效果,具有較高的普適性。
膨潤(rùn)土摻入比是表征膨潤(rùn)土漿液改良砂層消耗量的重要指標(biāo),直接影響現(xiàn)場(chǎng)材料成本及渣樣改良效果。本組試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同的膨潤(rùn)土泥漿摻入量來(lái)驗(yàn)證噴涌試驗(yàn)的噴射效果,其中設(shè)置膨潤(rùn)土泥漿摻入比為2.67%、5.35%、8.02%、10.69%及13.37%進(jìn)行噴涌試驗(yàn),試驗(yàn)工況如表2所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
表2 膨潤(rùn)土摻入比試驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions of bentonite mixing ratio
圖8 不同膨潤(rùn)土泥漿摻入比Fig.8 Different bentonite slurry mixing ratio
試驗(yàn)表明在相同工作壓力下,隨著膨潤(rùn)土泥漿摻入比的增加,渣樣噴射出口至落點(diǎn)距離先逐漸減小后增加,主要原因是由于在摻入比小于10.79%時(shí),膨潤(rùn)土泥漿對(duì)砂樣起到成團(tuán)包裹作用,整體摩阻力增加,導(dǎo)致噴射距離降低;當(dāng)摻入比高于10.79%時(shí),膨潤(rùn)土泥漿占比較大,成團(tuán)包裹作用基本飽和,再加入膨潤(rùn)土泥漿會(huì)增大渣樣的潤(rùn)滑效果,導(dǎo)致渣樣噴射距離增加,建議膨潤(rùn)土泥漿摻入比為10%~12%。
膨潤(rùn)土膨化時(shí)間反映的是膨潤(rùn)土吸水飽和程度,直接影響其粘度等參數(shù)。本組試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同的膨潤(rùn)土泥漿膨化時(shí)間來(lái)驗(yàn)證噴涌試驗(yàn)的噴射效果,其中膨潤(rùn)土泥漿的膨化時(shí)間分別選擇為0、1、2.5、4.5及6.5 h進(jìn)行噴涌試驗(yàn),膨化時(shí)間利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量的粘度指標(biāo)來(lái)反映,試驗(yàn)工況如表3所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。
試驗(yàn)表明,在相同工作壓力下,隨著膨潤(rùn)土泥漿粘度的增加,渣樣噴射出口至落點(diǎn)距離先逐漸減小后增加,主要原因是由于隨著漿液膨化時(shí)間的增加,漿液的黏附效果增強(qiáng),攜渣裹挾能力增加,但當(dāng)膨化時(shí)間足夠大時(shí),漿液膨化基本完成,相應(yīng)的黏附效果等不會(huì)進(jìn)一步提升,同時(shí)考慮到實(shí)際工程運(yùn)用工期等影響,建議該種膨潤(rùn)土泥漿膨化時(shí)間不低于1 h,粘度50~70 s為宜。
表3 膨潤(rùn)土膨化時(shí)間試驗(yàn)工況Tab.3 Test conditions of bentonite expansion time
圖9 不同膨潤(rùn)土泥漿膨化時(shí)間Fig.9 Expansion time of different bentonite slurry
膨潤(rùn)土膨水比反映膨潤(rùn)土與水的比值。本組試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同膨潤(rùn)土泥漿膨水比來(lái)驗(yàn)證噴涌試驗(yàn)的噴射效果,其中膨潤(rùn)土泥漿膨水比為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6及1∶7進(jìn)行噴涌試驗(yàn),試驗(yàn)工況如表4所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。
表4 膨潤(rùn)土膨水比試驗(yàn)工況Tab.4 Test conditions of bentonite water ratio
圖10 不同膨潤(rùn)土泥漿膨水比Fig.10 Bentonite water ratio of different bentonite slurry
試驗(yàn)表明,在相同工作壓力下,在保證膨潤(rùn)土漿液粘度基本一致時(shí),隨著膨潤(rùn)土膨水比的增加,噴射出口至落點(diǎn)距離逐漸增大,表明膨潤(rùn)土材料在不同膨水比中成團(tuán)包裹砂粒的效果不同,建議膨潤(rùn)土膨水比為1∶4。
結(jié)合砂樣顆粒級(jí)配分析、改良劑優(yōu)選試驗(yàn)及噴涌模擬試驗(yàn),制定了盾構(gòu)下穿侖頭海160環(huán)~265環(huán)富水粉細(xì)砂層時(shí)的防噴涌渣土改良實(shí)施方案,確定了膨潤(rùn)土為主、高分子聚合物為輔的渣土改良方案,采用的膨潤(rùn)土材料為浙江安吉苑豐鈉基膨潤(rùn)土材料,膨潤(rùn)土摻入比為10%~12%、膨化時(shí)間50~70 s、膨水比1∶4,高分子聚合物視掘進(jìn)情況而定。
現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)技術(shù)人員相關(guān)論證后,通過(guò)了該項(xiàng)富水粉細(xì)砂層時(shí)的防噴涌渣土改良實(shí)施方案。結(jié)合實(shí)際運(yùn)用效果分析,如圖11至圖13所示。圖11反映砂層區(qū)段內(nèi)出渣情況,該地層在運(yùn)用本試驗(yàn)膨潤(rùn)土漿液參數(shù)后,渣樣整體排出順暢,且膨潤(rùn)土漿液成團(tuán)攜砂效果較好,未出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象,同時(shí)有效地解決了盾構(gòu)停機(jī)土倉(cāng)內(nèi)渣土離析沉淀,保障了施工安全,驗(yàn)證了本富水粉細(xì)砂層時(shí)的防噴涌渣土改良實(shí)施方案及膨潤(rùn)土渣土改良參數(shù)的可行性。
圖11 盾構(gòu)出渣情況Fig.11 Shield cutter head speed
圖12 盾構(gòu)掘進(jìn)速度Fig.12 Shield tunneling speed
圖13 盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩Fig.13 Torque of shield cutterhead
圖12、圖13對(duì)比盾構(gòu)掘進(jìn)前400環(huán)盾構(gòu)穿越不同地層的掘進(jìn)參數(shù),其中<5Z-2>、<6Z>、<2-2>、<2-3>、<7Z-A>、<2-1B>分別為砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化混合花崗巖、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)中粗砂層、混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層、淤泥質(zhì)土,在160環(huán)~265環(huán)砂層地段加入上述配比方案膨潤(rùn)土漿液后,盾構(gòu)出渣順暢,未出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象,盾構(gòu)掘進(jìn)速度明顯提升,由原來(lái)30 m/min提升至40 mm/min,并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。盾構(gòu)刀盤(pán)的扭矩明顯減小,由2 800 kN·m降低至2 200 kN·m,盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)整體控制效果良好,為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。
本文以廣州地鐵12號(hào)線(xiàn)下穿侖頭海穿越粉細(xì)砂層段為工程背景,通過(guò)砂樣顆粒級(jí)配分析、改良劑優(yōu)選試驗(yàn)、噴涌模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果驗(yàn)證,得出如下結(jié)論:
1)富水粉細(xì)砂地層渣土改良,建議采用鈉基膨潤(rùn)土,質(zhì)量比為1∶4,膨化時(shí)間不低于1 h,粘度建議值為50~70 s左右,膨潤(rùn)土泥漿摻入比為10%~12%。
2)針對(duì)現(xiàn)有砂土改良效果評(píng)價(jià)方法的局限性,設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)便、實(shí)用的土壓平衡盾構(gòu)模擬噴涌發(fā)生裝置,真實(shí)再現(xiàn)了渣樣在特定工作壓力下噴涌現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了不同工作壓力下不同改良劑對(duì)渣土防噴涌改良效果的模擬測(cè)試。
3)結(jié)合本土壓平衡噴涌模擬發(fā)生裝置,設(shè)計(jì)了一套防噴涌渣土改良效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)渣樣噴涌距離ΔL、噴口處速度v等指標(biāo)直觀反映了改良劑改良砂土效果。
4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)穿越侖頭海實(shí)際運(yùn)用效果,驗(yàn)證了本噴涌模擬裝置和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的可靠性以及渣土改良方案的合理性,解決了本項(xiàng)目盾構(gòu)穿越富水砂層易發(fā)生噴涌的難題,也為后續(xù)類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。