土压平衡盾构掘进中泡沫掺量对渣土改良的试验研究

□文/刘琦 王沛 董金奎 赵亚鹏

土压平衡盾构掘进中泡沫掺量对渣土改良的试验研究

□文/刘琦 王沛 董金奎 赵亚鹏

以天津地铁5号线为工程依托，利用泡沫对富水粉质粘土体进行改良，通过对不同含水率、不同浓度泡沫、不同掺入比条件下泡沫混合土进行物理力学参数试验并结合实际工程，得出浓度为0.5%泡沫溶液，掺入比30%适合富水粉质粘土层改良，利于盾构机掘进。

土压平衡；盾构；渣土改良；泡沫；地铁

随着城市化建设的发展，土压平衡盾构施工方法作为隧道建设的主要方法在我国天津、北京、上海、南京、杭州等城市广泛采用，该工法具有施工速度快，对周边环境影响小的特点。土压平衡盾构工作原理是一方面将刀盘切削下来的渣土填满土仓，从而对开挖面地层形成被动土压力，与开挖面上的主动土压力相平衡；另一方面通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门的开度进行排土，使得排土量与掘进量平衡，从而达到开挖面地层稳定［1～2］。

当盾构掘进土层为粉质粘土时，泥土的“流塑性”明显变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致渣土难以排送，容易引起开挖面失稳、压力舱闭塞、压力舱结饼和喷涌等现象，同时造成盾构机推力和扭矩增大，刀具磨损等危害，甚至诱发地表塌方和盾构机损坏。因此盾构施工通过流塑性差的地层时掺入泡沫进行改良。掘进土层的工程性质决定了掺入泡沫的浓度和掺入比。国内学者［3～4］通过试验研究了泡沫稳定性对渣土性能影响。部分学者［5～10］对盾构施工中泡沫在砂土、圆砾土、黄土等的改良机理及效能进行了研究，得出泡沫主要作用：泡沫的润滑效果，减小渣土的内摩擦角，提高渣土流动性，从而减小刀盘的扭矩，改善了盾构作业参数；减小渣土的渗透性，防止出现“喷涌”现象；提高渣土压缩性，使得开挖面传力均匀，工作面压力变动小，利于调整土仓压力，保证盾构掘进姿态，控制地表沉降；减小粘土的粘性，使之不附着于盾构及刀盘上，有利于螺旋排土器出土，避免产生“结饼”现象。

天津地铁5号线全长34.8 km，共设车站28座，27个盾构区间。其穿越的主要土层为粉质粘土层，该层土呈黄灰色，含水高，呈可塑～流塑状态，塑性指数介于11～15之间。在该类土层掘进时，土体较易附着于刀盘表面及靠近中心区域的刀盘开口处，造成切削效率降低，刀盘扭矩增大，掘进速度慢。切削土体进入土仓后也易附着于仓板表面形成泥饼，轻则造成扭矩、总推力大幅增大、推进速度减慢、刀具磨损；重则造成掘进困难，引起地表塌陷和盾构机严重损坏。因此，针对此类土体必须进行相应的改良。

1　室内试验

1.1泡沫制备

泡沫原液采用北京合东双公司生产产品，按照浓度分别为0.5%、1%、2%、3%、4%进行配制溶夜；每种浓度的溶液充分浸泡24 h，随后利用高速旋转搅拌器进行搅拌，制造泡沫。搅拌器转速为3 000 r/min，搅拌时间为2 min。

1.2试样制作及测试方法

试样采用地质钻机到天津某地铁站进行取土，试样取土深度为地下20 m，随后进行风干，在不同的含水率、不同的掺入比、不同浓度泡沫条件下，测试试样的密度、稠度、压缩性和十字板强度，每组制作2个试样，采取平行试验法进行测定。

试样密度采用环刀法进行测试，环刀内径为61.8 mm，高度为20 mm；稠度测试采用砂浆稠度仪法测定；压缩性利用中压固结仪测试；抗剪强度利用微型十字板仪测定。该层粉质粘土塑性指数为12，其颗粒级配曲线见图1。

图1　试验用粉质粘土颗分曲线

1.3试验结果

1）不同含水率素土物理力学指标见表1。

表1　不同含水率素土物理力学指标

2）注入浓度为0.5%泡沫溶液，掺入比为32%泡沫混合土与素土物理力学指标对比，见图2-图5。

图2　渣土密度比较

图3　渣土稠度比较

图4　渣土压缩系数比较

图5　渣土十字板剪切强度比较

3）相同浓度泡沫溶液，不同掺入比渣土物理力学指标变化见图6-图9。试验中改良前土体含水率为28.9%；泡沫溶液浓度选取0.5%，掺入比依次为16%、32%、48%、64%。

图6　不同掺入比渣土密度变化

图7　不同掺入比渣土稠度变化

图8　不同掺入比渣土压缩系数变化

图9　不同掺入比渣土十字板抗剪强度变化

4）不同浓度，相同泡沫掺入比渣土物理力学指标变化见图10-图13。试验中改良前土体含水率为28.9%；掺入比选取32%，泡沫溶液浓度依次为0.5%、1%、2%、3%、4%；试样名称试样1、试样2、试样3、试样4、试样5分别表示浓度为0.5%、1%、2%、3%、4%的泡沫混合土。

图10　不同浓度相同掺入比渣土密度变化

图11　不同浓度相同掺入比渣土稠度变化

图12　不同浓度相同掺入比渣土压缩系数变化

图13　不同浓度相同掺入比渣土十字板抗剪强度变化

1.4试验分析

1）从表1中可以看出，当渣土（粉质粘土）含水率增加了28.8%、7.3%，其密度降低6.%、2.6%，稠度增加220%、15%，压缩系数增大了112.6%、6.6%，十字板剪切强度降低了75.7%、37%。说明渣土中含水率的增加，包围土颗粒的水膜加厚，颗粒间阻力减小，颗粒容易移动，从而引起土体稠度增加，抗剪强度低效果。土体含水率增加越大，其稠度增加越大，抗剪强度减小越大，孔隙比和压缩系数增加越大。

2）图2-图5表明，改良后泡沫混合土与原素土相比较，土体的含水率分别增加了10.9%、9.6%、8.8%，说明渣土中注入相同浓度、相同掺入比泡沫后，对渣土含水率影响基本相同。不同含水率渣土的密度改良后比改良前分别降低了9.0%、3.6%和1.6%，稠度分别增加了140%、37.5%和33.3%，十字板抗剪强度降低了55.9%、37.3%和26.3%，而压缩系数增加了68.0%、25.9%和32.5%。以上数据说明泡沫对渣土物理力学性能改良好于单纯增加水对土体力学性能的改善。其主要原因：泡沫是典型的气液二相体系，其90%以上是空气，泡沫溶液不足10%，经泡沫发生器后生成30～40 μm的气泡，气泡与土体相互混合搅拌后，微泡沫填充到土颗粒间隙中，使颗粒之间在外力作用下容易滑动。

添加相同浓度、相同掺入比泡沫后，泡沫混合土密度、稠度、压缩系数、十字板抗剪强度的变化趋势与单纯加水改善渣土物理力学性能相一致；随着土体自身含水率的增加，泡沫对渣土力学性能影响呈衰减趋势。

3）图6-图9表明，当注入泡沫浓度相同，掺入比不同时，改良后渣土含水率、稠度、压缩系数依次增加，而密度和抗剪强度依次减少。改良前后，泡沫混合土与素土比较，密度依次减少了1.5%、3.6%、3.6%、4.6%，十字板抗剪强度减少了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，当掺入比按照等比例递增，其含水率也按等比例递增，但其它物理力学指标不是按照相同比例增加。当掺入比超过32%后，渣土的压缩系数明显增大，对于天然含水率为30%左右的土体，其掺入比的大小应该引起注意。

4）图10-图13表明，当掺入比相同，注入泡沫浓度不同时，渣土物理力学性能随着浓度增加，渣土稠度、压缩系数均有增加，十字板抗剪强度、密度均有所下降。各改良土与浓度为0.5%泡沫混合土相比较，密度减少了0.5%、1.1%、1.6%、2.1%，抗剪强度减少了6.9%、10.5%、12.7%、22.7%；稠度增加了9.1%、9.1%、13.6%、18.2%，压缩系数增加了2.6%、5.3%、6.3%、9.2%。从以上数据得出，泡沫浓度1%与2%时对土体影响相近，性能变化幅度在10%以里；泡沫浓度3%与4%时对土体影响幅度较大，性能变化幅度在25%以里。说明泡沫浓度在2%以内时，对土体性能改善基本相同。

2　工程应用

2.1工程概况

天津地铁5号线建昌道—思源道区间右线盾构施工，施工设备采用日本小松加泥式土压平衡式盾构机，盾构机刀盘直径φ6 340 mm，管片宽度为1.5 m。盾构机穿越第130～150环地层时，其地层剖面见图14；该土层的原状土物理力学指标见表2。

图14　穿越地层剖面

表2　掘进土层原状土物理力学指标

2.2泡沫添加量对盾构施工影响

盾构机穿越该地层时，采用注入泡沫法改良渣土，泡沫浓度为0.5%，掺入比为30%，土体经泡沫改良后其物理力学性质见表3；改良后盾构机总推力与总扭矩时程曲线见图15。

表3　改良后泡沫混合土物理力学指标

图15表明盾构机掘进该段地层时，盾构总推力与刀盘扭矩变化趋势相一致，工作期间总推力和扭矩最大值分别为12 380.0 kN和1 389.0 kN·m。该值占盾构机极限推力和扭矩的32.8%和27.1%，说明改良后盾构机运行良好，其总推力与总扭矩均在合理范围之内。现场改良后泡沫混合土密度、稠度、压缩系数、十字板抗剪强度数值与试验室试验结果基本一致。

3　结论

1）一定浓度和一定掺入比泡沫对富水粉质粘土稠度、密度、压缩系数和十字板抗剪强度有明显改善；其改良结果好于单纯加水改变土体物理力学性能。

2）当富水粉质粘土含水率介于28%～30%范围内时，泡沫掺入比超过32%时，其压缩系数有明显突变，应引起注意。

3）选用浓度为0.5%，掺入比为30%泡沫溶液改良富水粉质粘土，满足盾构机施工要求。

［1］张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004.

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□王沛/天津城建大学地质与测绘学院。

□董金奎/中煤第三建设（集团）有限责任公司。

□赵亚鹏/天津城建大学地质与测绘学院。

U452.1+1

C

1008-3197（2016）02-41-04

2016-03-07

刘琦/女，1984年出生，工程师，天津市建筑设计院，从事建筑结构设计工作。

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

□课题项目：天津市建委课题（2013-26）