富水卵漂石地层盾构隧道泡沫改良碴土试验研究

钟鸣洋

(西南交通大学，四川成都 610031)

土压平衡盾构在长距离掘进时，可能会出现喷涌、闭塞、结饼、地表沉降等问题。对施工进度造成很大的影响，同时对盾构刀盘刀具造成较大的磨损。

对于大粒径富水卵漂石地层而言，盾构机的磨耗和喷涌问题尤其严重。本文调研了大量砂卵石地层的砂卵石分布情况如下。北京地铁砂卵石地层砾石最大粒径为400～600 mm，个别漂石粒径可达1 500 mm以上。地层最大含砂率约25 %～40 %不等[1]。地铁十号线玉樊区间卵石粒径一般为2～10 cm，最大粒径约为15 cm，细中砂填充约30 %。局部夹有漂石，漂石含量约20 %以上[2]。北京地铁9号线02标“科-南”盾构区间，主要穿越卵石的最大粒径约为380 mm，一般粒径20～80 mm[3]。兰州地铁某段穿越砂卵石的一般粒径为20～50 mm。偶遇漂石的最大粒径可达500 mm该层卵砂石的最大粒径可达500 mm，小于2 mm的细颗粒含量为19.27 %[4]。成都地铁驷马桥区间的稍密实卵石45 %[5]，中密卵石20 %，卵石含量较高，粒径一般为3～10 mm。成都人民南三段密实卵石层含量大于70 %，粒径为5～8 mm[6]。

本文研究的盾构区间段粒径60～180 mm为砂卵石，约占75 %，局部见漂石，一般长度为210～300 mm，钻孔揭示最大约380 mm，探坑揭示最大粒径600 mm以上。通过对比可以看出此地区砂卵石地层漂石粒径大，漂石含量高，部分地段卵石层密实程度大，透水性强。对地铁施工尤其是盾构区间施工影响很大，尤其容易造成卡机和刀盘的磨损。而目前对于大粒径砂卵石地层的砂土改良研究较少，因而十分有必要对该类型的地层进行碴土改良研究。

为保证盾构顺利推进，防止喷涌等现象发生，必须使碴土成为一种“塑性流动状态”的土，以保证螺旋排土器顺利排出盾构机，及土仓内的碴土能较好的平衡开挖面的水土压力。

为了使得碴土变成“塑性流动状态”，应对碴土采取流塑化改良措施，即向开挖面、土压仓(必要时向螺旋输送机)注入改性材料(泥浆、泡沫、聚合物等)，以促进开挖面稳定，实现土压平衡掘进，同时有助于降低机械摩擦、减小地面沉降、提高掘进速度等。首先对开挖面，即刀盘前方土体注入泥浆，向开挖面土体注入泥浆后，泥浆包围在颗粒周围，形成了一层泥膜，增加了颗粒之间的粘聚力，使得颗粒之间的传力得到扩散，达到一种泥浆护壁的效果，有助于稳定开挖面土体。其次是向土仓内注入泥浆，通过刀盘旋转和螺旋机旋转使泥浆渗入砂性土颗粒之间，增强颗粒之间的作用力，并以较大的泥浆浮力减少颗粒的堆积，形成流塑性状态的碴土。最后是通过膨润土泥浆特殊的润滑性能，可以减轻颗粒与盾构机及其构件的摩擦。

本文以某盾构隧道工程为依托，通过碴土改良试验，分析了泡沫剂和膨润土对卵漂石地层塌落度、渗透系数以及磨蚀性系数的影响关系，给出了依托工程的改良剂配比。为某地铁区间段碴土改良中的使用提供理论指导。

1 碴土改良控制指标及范围

塑性流动状态的土体需要满足某些指标。王国峰指出要达到流动塑性状态需要塌落度达到10～15 mm，渗透系数小于1×10-5m/s[1]。赵东杰同样指出为了防止喷涌发出，保证盾构掘进的顺利进行要求渗透系数小于1×10-5m/s[2]。 张淑朝指出为保证土压平衡盾构的顺利进行，需要保证塌落度的范围在10～15 cm之间[7]。 胡二中指出为了保证土仓压力在地层主被动压力中找到平衡点，需要改善土仓碴土的流动性，保证碴土的顺利排出[8]。 贺少辉指出喷涌的发生由排土口的水压力和渗流量共同控制，土体的渗透系数成为影响喷涌发生最主要的因素和最敏感的条件[4]。 胡长明指出碴土改良的成果会影响土压平衡盾构的掘进速度和掘进成本[9]。 郭彩霞等指出，目前关于碴土改良性能评价的的指标以塌落度、搅拌实验、渗透实验为主[10]。

为使得土压平衡盾构的顺利进行，选用塌落度、渗透系数和土体磨蚀系数作为控制指标，控制范围如表1所示。

表1 控制指标及范围

2 实验方法

2.1 碴土改良剂的选择

如表2所示，富水卵漂石地层更适合采用膨润土和泡沫剂作为碴土改良剂。

表2 不同碴土改良剂的性质

2.1.1 泡沫剂的应用

泡沫剂可以使得碴土更加密实，提高碴土的完整性和致密性，防止富水卵漂石层发生喷涌。

2.1.2 膨润土的使用

膨润土浆液对土体的改良作用主要体现在较的润滑及降低抗剪强度，浆液中的膨润土掺量、膨润土浆液的注入率均对土体改良效果产生影响。一般情况下浆液中膨润土掺量越高，则浆液的质量性能越好，相应的改良作用也较明显；浆液注入率越高，则相应的改良作用也越大。但掺量不宜过大，否则会造成土体的分层离析，不利于盾构开挖面的稳定。

2.2 碴土改良试验种类

碴土改良试验种类如图1～图4所示。

图1 砂浆搅拌机土体磨蚀性试验

图2 刀盘模拟装置

图3 塌落度试验

图4 渗透试验

2.2 塌落度试验

塌落度测试，先烘干试样，在和改良剂混合过后，测定塌落度，即可。

测试泡沫改良碴土塌落度试验步骤如下：

(1)将试样烘干，称取体积为5.5 L的干试样，放在一边。

(2)根据试样的重量，量取所需的水的重量。

(3)将干试样和水混合，测得含水率ω0。

(4)准备发泡溶液。

(5)计算满足泡沫注入比所需泡沫的体积。

(6)按照规定的发泡倍率，计算出所需要的发泡液的体积，并按此体积量取水(忽略发泡液的体积)。

(7)根据所需发泡溶液的浓度，称取所需发泡剂的重量。

(8)将水和发泡剂充分混合均匀。

(9)将发泡溶液放入发泡装置中，生成泡沫。

(10)将泡沫和试样混合均匀。

(11)试验前将坍落筒的内壁用水湿润，防止坍落筒与试样粘附。

(12)将泡沫改良试样分三层装入筒内。

(13)按照规定进行塌落度测试。

(14)清理试验后的碴土，清洗坍落筒，准备下一次试验。

2.3 渗透系数试验

检测土体添加泡沫剂改良前后的渗透系数变化是渗透试验的目标，以及发泡率的不同对土体渗透系数变化影响，最后得到改良剂对改良土体止水性的效果评价。针对成都富水砂卵石土层，试验选择变水头法，试验装置如图5所示。

图5 渗透系数测试仪

渗透系数按下式计算：

式中：A为变水头管的断面积(cm2)；L为渗径，即试样高度(cm)；t1，t2为分别为测读水头的起始和终止时间(s)；H1，H2为起始和终止水头。

2.4 土体磨蚀性试验

磨蚀性普遍是指金属器具(盾构刀具、钻孔钻头等)与岩石或土体作用时，由于其具有不同的物理和力学特性而对金属器具产生的一定程度的磨损。磨损分主要和次要磨损。主要磨损是指在掘进过程中滚刀、刮刀及刀盘与掌子面直接接触造成的磨损。次要磨损是指掌子面和被剥落的土体对刮刀、滚刀侧面、滚刀刀座及螺旋输送机造成的非常规磨损。

2.4.1 LCPC(Laboratoire Central des Ponts et Chaussees)磨蚀性试验

法国d’Etudes et des Recherches des Charbonages中心发明的LCPC试验装置，电机通过皮带带动土样中的钢片(5 mm×25 mm×50 mm)转动，如图6所示。该装置只适用于测试颗粒粒径在6.3 mm以下的粉碎岩石颗粒或自然土样，通过钢片试验前后的质量差与土样的比值来确定LCPC磨蚀性系数来衡量土体的磨蚀性大小。

图6 LCPL磨损试验

2.4.2 SAT(Soil Abrasion Test)试验

SAT试验是在挪威科技大学(Norwegian University of Science and Technology)NTNU 磨损试验的基础上发展而来的，如图7，钢盘上放置烘干后土样，颗粒最大粒径不超过 4 mm，刚盘转动的过程中土样对上方的钢针进行研磨，用一段时间后钢针损失的质量来反映土样的磨蚀性。

图7 SAT试验

3 试验数据结果及分析

本次试验依据流动性、渗透性和土体磨蚀程度作为参考依据，以防止结饼，喷涌和刀具磨损。计算膨润土浆液、泡沫剂与碴土的配比，到达碴土改良的初始配比，以指导前期盾构施工。具体实验步骤为：①在施工场地取与隧道所处地质条件相同的碴土，②对膨润土浆液和泡沫剂与碴土的不同配比进行试验，③得到膨润土浆液和泡沫剂与碴土的最佳配比。试验主要包括塌落度试验、渗透试验、土体磨蚀性试验，如图1、图3、图4所示。

3.1 泡沫剂溶液配比

根据《南昌轨道交通工程土压平衡盾构施工技术规程》，泡沫剂组成应根据开挖土体的颗粒级配、不均匀系数、掘进速度、掘进的推力以及扭矩具体情况进行调整。一般情况下，泡沫溶液可参考如下表3配比所示。

表3 泡沫剂溶液参考配合比

根据以上试验，可以看出，刀具的磨耗主要可以由相关材料的质量损失来反映，由此设计出相关的试验装置。

本文试验装置采用砂浆搅拌机，将砂浆搅拌机的三个叶片分别打孔，将螺栓安装在搅拌机的三个叶片上。螺栓采用8.8级六角螺栓(抗拉强度为800 MPa,屈服强度为640 MPa)，重量为7.0 g。搅拌机叶片模拟盾构刀盘见图，螺栓端头模拟盾构刀具，砂浆搅拌机见图1，刀盘模拟装置见图2。试验时，将配好的碴土放入搅拌桶内，考虑到泡沫剂的半衰期，螺栓在容器槽中以1 000 r/min的速度旋转15 min，图1和图2描绘了在砂土中进行磨蚀性试验，螺栓在试验前后发生了明显的磨损，螺栓表面被磨平而变得光滑，周边棱角几乎被磨平。可以预见，螺栓的质量发生变化，螺栓试验前后的质量差可以直观地反映出不同土体在不同情况下的磨蚀性强弱，以此来衡量土体对刀具的磨蚀性大小。

探察队员将包裹搬入肖特拉洞内井状通道，其中有些井状通道有36层大厦那么高。他们绕过地下瀑布攀登，沿着水平通道爬行，在黑暗的地下营地度过了好几个星期，晚上就穿着潮湿的衣服睡觉。

通过称量钢块在试验前后的质量差与土样质量的比值，可求得砂性土磨蚀性试验的磨蚀性系数AC值(Abrasiveness Coefficient)，AC值的大小直观的衡量了砂性土对刀具磨蚀性大小的，计算公式为：

式中：AC为磨蚀系数(g/t);mpb为试验前螺栓质量(g);mpa为试验后螺栓质量(g);M为土样质量(t)。

3.2 泡沫剂溶液配比

根据经验，依托工程的地质条件为富水砂卵石地层，泡沫的体积浓度取3 %，发泡倍率为15，膨润土配置质量比为1∶6。分别按5 %、10 %、15 %不同外掺比加入泡沫，按体积外掺比10 %、15 %、20 %加入膨润土，取10组式样(加一组空白实验)，分别做塌落度试验、磨耗试验及渗透性试验。

3.2.1 塌落度试验结果分析

分别取泡沫剂占比5 %、10 %、15 %，膨润土占比10 %、15 %、20 %，得出塌落度土体塌落度随着泡沫剂和膨润土掺入量的增大而增大，如图8所示。

图8 不同试验组下的塌落度

塌落度的控制指标为10～16 cm，所以除试验组第一组及第九组外，其余试验组均满足控制要求。

采用SPSS统计分析软件对数据进行拟合得到不同泡沫剂和膨润土体积掺入比下塌落度的计算式：

y=0.360V1+0.577V2+0.217R2=0.985

式中：y为塌落度；V1为泡沫剂体积掺入比,%；V2为膨润土体积掺入比,%。

3.2.3 渗透系数试验分析

渗透系数控制在10-5cm/s数量级即小于10-4cm/s ，由图9可知，随着改良剂掺入比的增加，碴土渗透系数逐渐减小，其中第3、6、8、9组试验满足控制指标要求。

图9 不同试验组下的渗透系数

3.2.4 磨蚀系试验分析

由图10可以看出：磨蚀系数磨蚀系数随着泡沫剂和膨润土掺入量的增大而减小不同泡沫剂和膨润土体积参入比下磨蚀系数的计算公式：

AC=-0.463V1-0.513V2+25.667

R2=0.951

式中:AC为磨蚀系数,g/t;V1为泡沫剂体积掺入比,%;V2为膨润土体积掺入比,%。

图10 不同试验组下的磨蚀系数

3.2.5 合理配比

不同体积掺入比下各组实验结果总结如表4所示。

根据试验结果采用泡沫剂浓度为3 %，体积注入率为15 %和膨润土质量比为1∶6,体积注入率为15 %进行碴土改良。

表4 不同体积掺入比下各组试验总结

4 结论

(1)落度土体塌落度随着泡沫剂和膨润土掺入量的增大而增大。

(2)磨蚀系数磨蚀系数随着泡沫剂和膨润土掺入量的增大而减小。

(3)随着改良剂掺入比的增加，碴土渗透系数逐渐减小。

(4)采用泡沫剂浓度为3 %，体积注入率为15 %和膨润土质量比为1∶6,体积注入率为15 %进行碴土改良。