无水砂层大断面矩形管廊顶管施工渣土改良试验*

王传银 陈宏达 蔡炜凌 万中正 刘 杨 杨 植 孙 哲 刘 硕 王汉勋 张 彬

(①中铁四局集团第三建设有限公司， 天津 300163， 中国)

(②中国地质大学(北京)工程技术学院， 北京 100083， 中国)

0 引 言

伴随社会经济飞速发展，我国城市化进程也得以迅猛发展，由于地上空间的有限性，地下空间的开发与利用是拓展城市空间、缓解“大城市病”的突破口，地下综合管廊作为连接城市内部的“血管”，极大地提升了经济发达城市地下空间的利用率，其研究和应用日益受到重视。本文以北京市通州区畅和西路(兆善大街—潞阳大街)大断面综合管廊6标段工程为背景，对无水砂层中顶管用改良剂的性能和最优配比展开研究。研究区顶管上跨北京地铁6号线，下穿运河东大街，工期紧，沉降控制标准高，其穿越的无水砂层为典型的不稳定地层，土体流动性差、内摩擦角高，黏聚力低、压缩性低，易出现“闭塞”、“喷涌”和“结饼”等不良现象，影响施工进度。为保证顶管施工的顺利进行，将掌子面切削下来的渣土改良至“流动性好、低内摩擦角、一定黏聚力、适中压缩性”的塑性流动状态至关重要。

为此，国内外学者针对渣土改良技术的材料开展了大量研究。Quebaud et al. (1998)通过室内试验对比了泡沫剂的优劣，并提出一些评价改良效果优良情况的物理指标。Kusakabe et al. (1999)根据试验分析得出泡沫剂对粗粒土改良的注入率经验公式。Sotiris(2001)认为泡沫可有效地改良砂土的抗剪强度和渗透率。Kupferroth(2001)提出评价泡沫性能的指标应该为发泡率和半衰期。且泡沫注入率对土体渗透系数、坍落度影响较大(Bezuijen et al.，1999； Peila et al.，2009)。Vinai et al. (2008)提出塑流性好的渣土的土压顺着螺旋输送机递减。Vinai et al. (2007)提出泡沫改良剂可降低螺旋输土机扭矩。Borio et al. (2010)和 Peila(2014)研究在不同泡沫注入率条件下，水力梯度对土体渗透系数的影响。Zumsteg et al. (2012)研究不同类型渣土和不同压力对泡沫改良渣土的影响。泡沫添加膨润土或聚合物可进一步改良砂卵石地层(Barzegari et al.，2014； Langmaack et al.，2016； Zhao et al.，2018)。唐益群等(2005)研究在原位添加肥皂水和泡沫剂对砂层的影响。张立泉(2012)提出泡沫剂和膨润土混合对砂卵石地层改良效果更好。许恺等(2012)通过试验得出泡沫剂改良效果优于肥皂水。张礼华等(2014)开发了一种土压平衡盾构用性能较为优良的新型泡沫剂。郭彩霞等(2015)认为泡沫和膨润土混合明显降低盾构的扭矩。邱龑等(2015)对富水砂层中改良后的土样进行电镜扫描微观分析。Quebaud et al. (1998)、林键(2006)和闫鑫等(2010)利用搅拌试验模拟盾构的刀具和刀盘，从土体的黏附性和搅拌性等性能参数角度评价渣土改良的效果。段宏伟等(2015)通过添加橡胶颗粒改良砂土的压缩特性。吕玺琳等(2019)通过混合黏土和砂研究土体剪切性。王章琼等(2018)通过添加石灰改良砂土压缩性和抗剪强度。

由于地层的复杂性，宋克志等(2005)、丛恩伟(2008)、姜厚停等(2010)和胡长明等(2017)深入研究了砂卵石地层的盾构施工中渣土改良，许前卫等(2010)对均质地层的盾构施工深入研究，周庆国(2018)深入研究了复合地层的渣土改良，莫振泽等(2018)深入研究了富水粉砂地层的渣土改良，为不同地层的盾构施工提供了理论指导。针对于不同地层，坍落度为80～250mm时，认为土体流动性较好(Jancsecz et al.，1999； Williamson et al.，1999； Boone et al.，2005； Pena， 2007； Vinai et al.，2008； Peila et al.，2009； 乔国刚等， 2009； 姜厚停等， 2013； Ye et al.，2016)。

综上所述，目前对于盾构施工中渣土改良技术方面的研究较多，但对于大断面矩形管廊顶管法施工中改良剂应用方面的研究相对较少，施工现场所用改良剂的配料、配比及用量更多地依赖于工程经验，这样不仅降低施工效率，还会浪费大量材料(李培楠等， 2016)。而且相比于盾构，矩形顶管一般截面较大，刀盘覆盖率较低，对渣土改良的要求更高。本文通过设计改良剂性能试验和渣土改良试验，获取适合于该地层的改良方案，为无水砂层中进行顶管施工时渣土改良方案的制定提供科学依据。

1 改良剂性能试验研究

1.1 试验材料

1.1.1 原土物理力学性质

在施工现场取原样，采用敞口薄壁取土器(李高山等， 2019)，对土样展开颗粒级配试验、含水率试验和相对密度试验研究，判定该土样为无水中密砂土(表1)。

表1 土样物理力学性质

粒径比对砂力学性能影响较大(刘方成等， 2019)。通过筛分法分析原土颗粒级配，土样不均匀系数约2.500，曲率系数约0.910，粒径0.10～0.50的颗粒占比90%，其余颗粒粒径占比总和小于10%，土样为不良级配，渗透性能差(苏立君等， 2014)。

1.1.2 改良剂材料

泡沫剂起润滑土体和增加土体抗渗的作用，环保但价格较高(Thewes et al.，2010； 杨志勇等， 2017)，不符合工程实际。单独使用聚丙烯酰胺效果一般(郭付军等， 2017)，本文选择微量聚丙烯酰胺配合适量钠膨润土泥浆作为改良剂溶液(表2)。

表2 改良材料作用

鉴于此，原土优化方向有两个，一是通过添加膨润土来增加原土较细颗粒占比(Vinai et al.，2007； Peila et al.，2009)，二是通过添加PAM提高土体抗渗性能。

1.2 改良剂性能试验设计

1.2.1 黏度试验

膨润土泥浆黏度通过1006型泥浆黏度计测定，针对于该地层，用黏度为20～50s的泥浆(宋克志， 2009)。本试验为预试验，设置10组试验和1组清水对照试验，试验范围膨润土浓度4%～13%，膨润土浓度梯度为1%，每组试验做3次，结果取平均值，以获得合适的膨润土泥浆浓度范围。

改良剂黏度通过ZNN-D6型六速旋转黏度计测定，通过公式可计算出改良剂的表观黏度、塑性黏度、动塑比、动切力、静切力等相关性能指标。

1.2.2 滤失试验

滤失试验一般用API滤失仪，性能指标为API滤失量，一般滤失量越小越好。

1.3 改良剂性能指标分析

1.3.1 膨润土泥浆浓度范围确定

图1为纯膨润土泥浆在不同浓度下的黏度，随着膨润土浓度的增加，泥浆黏度整体呈现上升的趋势。0%膨润土浓度为对照组，低于6%膨润土浓度的黏度接近，并小于20s，适用于土体质量优良的地层。当膨润土浓度小于10%时，随着浓度的增加，膨润土泥浆的黏度增长平缓，最高黏度为51s。当膨润土浓度大于10%时，膨润土泥浆的黏度增长迅速，泥浆黏滞性过强，流动性差，在施工中难以泵送。因此， 6%～10%的膨润土泥浆浓度比较适合本次渣土改良范围。

图1 不同膨润土泥浆浓度的黏度

1.3.2 表观黏度指标的影响

表观黏度可定性分析非牛顿体的流动性好坏，计算公式如下：

(1)

式中：AV为表观黏度(mPa·s)；φ600为黏度计600r·min-1下的稳定读数。

增加表观黏度可提高土体的黏聚力，降低土体的内摩擦角，有利于土体切削面成膜和土体的稳定。无水砂层地质条件过差，须适当提高表观黏度，但表观黏度过高，不利于制备、搅拌和运输土体，甚至导致运输管道堵塞，从而增加机械功率和工程成本，因此须严格控制表观黏度范围。

图2为改良剂在不同配比之下的表观黏度，表观黏度随膨润土泥浆浓度增加而增加，这是由于膨润土吸水膨胀，颗粒间隙减小，PAM吸水增稠。一般钻井液的表观黏度为15～30mPa·s，为了较大程度增加渣土黏聚力和降低内摩擦角，本试验表观黏度范围取40～65mPa·s。当表观黏度低于40mPa·s时，为T1和T6试验组，分层现象明显，其中T1试验如图3a 所示，说明PAM浓度较低，并未充分发挥其吸附性能，膨润土浓度低，颗粒间隙大，悬浮性、携岩性能差，不适合作为改良剂。当表观黏度高于65mPa·s时，为T4、T9、T14、T5、T10、T15试验组，凝块现象明显，流动时拉丝严重，其中T15如图3b 所示，这说明改良剂黏附性过强，流动性能差，施工中难以泵送，不适合作为改良剂。

图2 不同配比下改良剂的表观黏度(T1～T15为改良剂试验组配比)

图3 T1、T15试验现象

1.3.3 塑性黏度指标的影响

塑性黏度在物理意义上反映当胶体因剪切速率改变被破坏的难易程度，即黏滞性的大小，计算公式如下：

PV=φ600-φ300

(2)

式中：PV为塑性黏度(mPa·s)；φ300为黏度计300r·min-1下的稳定读数。

图4为改良剂在不同配比下的塑性黏度，对比图2，塑性黏度受PAM影响较大。在膨润土泥浆浓度为6%和8%时，PAM浓度对塑性黏度影响较大。膨润土泥浆浓度为7%时，各个PAM浓度的塑性黏度变化不大，泥浆较稳定。T6、T13试验组黏度超过27.5mPa·s，塑性黏度高，黏滞力大，施工中输送渣土困难，不适合作为改良剂。

图4 不同配比下改良剂的塑性黏度

1.3.4 动切力和动塑比指标的影响

动切力实质是流体颗粒间形成的空间网架结构力的表现，反映了流体携带、包裹岩屑的能力，计算公式如下：

(3)

式中：YP为动切力(Pa)。

动切力较小时，携岩屑性能差，渣土沉淀滞留土仓内； 动切力较大时，黏附性强，泵送压力过高，机械功率大幅增加。

图5为改良剂在不同配比下的动切力，动切力随膨润土泥浆浓度增加而增加。

图5 不同配比下改良剂的动切力

动塑比以动切力与塑性黏度的比值表示，计算公式如下：

(4)

若流体动塑比过小，塑性黏度大，动切力小，剪切稀释性弱，包裹、携岩效果差，渣土颗粒沉淀滞留土仓内； 反之，泵送压力增加。

图6为改良剂在不同配比下的动塑比。一般情况下，钻井液的动塑比在0.36～0.48Pa/mPa·s，为了防止渣土颗粒沉淀滞留土仓内，增加包裹、携岩效果，本试验表观黏度范围取40～65mPa·s。T3试验组动切力过大，动塑比过大，泥浆输送困难； T6试验组动塑比过小，包裹、携带岩屑性能差，因此均不适合作为改良剂。

图6 不同配比下改良剂的动塑比

1.3.5 静切力指标的影响

静切力既反映流体中较大固体颗粒的沉淀速率，也反映了悬浮较小固体颗粒的能力，初切力和终切力计算分别如下：

(1)初始静切力

(5)

式中：G10s为10s静切力(Pa)；φ3i为静止10s后黏度计3r·min-1下的最大读值。

(2)最终静切力

(6)

式中：G10min为10min静切力(Pa)；φ3f为静止10min后黏度计3r·min-1下的最大读值。

若静切力过高，颗粒位于溶液上层，泥浆搅拌困难；若静切力较低，在停工期间，较大颗粒迅速下沉，会引起事故，因此须严格控制静切力范围。

图7为改良剂在不同配比下的静切力，对于同一PAM浓度，初切力和终切力变化保持一致。T3试验组取得小范围区间的峰值，静切力过高，性质不稳定。T2、T4、T5、T9、T10、T14和T15试验组静切力范围较大，数值较高，不适合作为改良剂。T1、T6、T7、T8、T11、T12、T13试验组静切力范围适合，且T12数据和现象最优。

图7 1.0g·L-1、1.5g·L-1、2.0g·L-1 PAM下改良剂的静切力

1.3.6 滤失量指标的影响

钻井液的滤失量一般要求10～20mL之间，鉴于无水砂层的特点，滤失量的要求较为严格。图8为改良剂在不同配比下的滤失量，PAM为1.5g·L-1时，滤失量随膨润土浓度的增加而整体下降，性能良好。而PAM为1.0g·L-1和2.0g·L-1时，滤失量整体随膨润土浓度增加而下降，但膨润土浓度在7%时，滤失量出现区间范围峰值，其中膨润土浓度为7%，T2试验组滤失量最高为14mL，因此不合适作为改良剂。

图8 不同配比下改良剂的滤失量

基于以上改良剂性能分析得出，T7、T8、T11、T12试验组的改良剂性能优良，对应的改良剂配比膨润土:PAM:水分别为70︰1.5︰1000、80︰1.5︰1000、60︰2︰1000、70︰2︰1000。

2 渣土改良效果试验研究

2.1 渣土改良试验设计

本文从坍落度、抗剪强度和压缩系数等指标综合评价无水砂层大断面矩形管廊的渣土改良的效果(魏康林， 2007； 姜厚停等， 2013)。

2.1.1 坍落度试验

本次坍落度试验依据实情参考GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》开展试验。坍落度试验改良剂注入比由0%至40%，以5%为梯度，每种改良剂配比共设置9组注入比，每组试验做3次试验，结果取各组数据的平均值。

2.1.2 直剪试验

本次直剪试验依据实情参考JTG3430-2020《公路土工试验规程》粒径小于2mm的砂类土的快剪试验方案。采用的仪器是南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪，每组按50kPa、100kPa、200kPa、400kPa加载。

2.1.3 压缩试验

本次试验依据实情参考JTG3430-2020《公路土工试验规程》中的T0138-2007快速固结试验。采用的仪器是南京土壤仪器厂生产的GZQ-1A型全自动气压固结仪，每组按50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa加载。

2.2 渣土改良效果分析

2.2.1 坍落度试验分析

通过坍落度试验定性评价土体流动性和初步判断改良剂注入比范围。

图9是在坍落度随改良剂配比和注入比的变化曲线。对于不同配比的改良剂，坍落度整体随着改良剂注入比的增加而先降低后增加，土样坍落度整体处于120～180mm的范围。注入比为0%时，坍落度达到180mm，说明土体流动性差。随着注入比增加至5%时，坍落度降落幅度大，改良剂改良土体的作用显著，流动性明显改善。T12与T7和T11、T8试验组的坍落度分别在注入比为5%、10%和15%时处于曲线的谷底。当注入比大于30%时，出现形状不规则的现象，如图10a 所示，凝结块体较大说明土体黏滞性过强； 或者一边崩塌一边无变化，如图10b 所示，说明土体和易性差。当改良剂注入比过高时，适得其反，土体因黏滞性过高而流动性变差。

图9 坍落度随改良剂注入比的变化曲线

图10 注入比大于30%时坍落度现象

综合评价，当改良剂注入比为10%～20%时，坍落度处于120～150mm，土体整体改良效果较好，坍落情况如图11 所示，对应的改良剂配比和注入比分别为T1110%、T1115%、T1120%，T710%、T715%、T720%，T125%、T1210%、T1215%，T810%、T815%、T820%。

图11 坍落度120～150mm的试验现象

2.2.2 直剪试验分析

土体的抗剪强度直接影响着土体的切削和机械使用寿命(王浩杰等， 2019)。若土体抗剪强度较高，会使土体不易切削，刀盘扭矩较大，施工成本高。土体内摩擦角过大不仅增大土体与机械的摩阻力，而且易拱进使土压实充满土仓形成“闭塞”。本次直剪试验通过黏聚力和内摩擦角等指标评价渣土的改良效果。

图12为T11、T7、T8、T12等4组配比的改良剂在不同注入比下的黏聚力。不同配比的改良剂，原土黏聚力(对照组)为0kPa，改良后的土体黏聚力增加明显。其中T815%试验组黏聚力最大为9.3kPa。

图12 渣土改良黏聚力c指标曲线

图13为T11、T7、T8、T12等4组改良剂配比在不同注入比的内摩擦角。对于原土内摩擦角(对照组)为35.3°，改良后的土体内摩擦角均降低明显。其中T815%试验组，内摩擦角最小为28.8°。

图13 渣土改良内摩擦角φ指标曲线

综合图12 和图13 可以得出，改良剂在降低土体内摩擦角的同时，也增大了土体颗粒之间的黏聚力。原状砂土的黏聚力为0kPa，内摩擦角为35.3°。其中改良土体效果最优的为膨润土:PAM:水=70︰2︰1000，注入比为15%，此时黏聚力增加了9.3kPa，内摩擦角降低了6.5°。

2.2.3 压缩试验分析

土体的压缩性直接影响着开挖面的稳定性和土体的保水性。在顶管掘进的过程中，若土体压缩性较小，不均匀土层、机械运转功率变动等会发生些微扰动，这使土体变形较大，引起开挖面的失稳； 若压缩性较大，会引起土体固结排水形成“结饼”。对于砂性土层，压力在100～200kPa时，土体的压缩系数大于0.1MPa-1，且不大于0.2MPa-1，保证压缩性适中。

图14为T11、T8、T7和T12试验改良剂配比在不同注入比下的压缩系数。压缩系数整体随着改良剂注入比的增加而逐渐增加。其中改良土体效果最优的为膨润土:PAM:水=70︰2︰1000，注入比为15%，此时压缩系数为0.190MPa-1。

图14 渣土改良压缩系数指标曲线

综合坍落度试验、 直剪试验和压缩试验结果评价渣土改良效果可得， 当膨润土:PAM:水=70︰2︰1000， 注入比为15%时，坍落度为150mm，黏聚力为9.3kPa，内摩擦角为28.8°，压缩系数为0.190MPa-1，相较于原状土，坍落度降低了30mm，黏聚力增加了9.3kPa，内摩擦角降低了6.5°，压缩系数增加0.090MPa-1，此时土体达到流塑性状态，适合于该工程地层土体的改良。

3 结 论

本文以北京通州区畅和西路某大断面矩形顶管工程为背景，通过开展改良剂性能试验和渣土改良效果试验，得到以下结论：

(1)通过改良剂性能试验，采用表观黏度、塑性黏度、动切力与动塑比、静切力、滤失量等性能指标，确定了膨润土:PAM:水为60︰2︰1000， 70︰1.5︰1000， 70︰2︰1000 和80︰1.5︰1000的4种性能优良的改良剂配比。

(2)改良剂溶液浓度过大会降低改良剂性能； 改良剂注入比过大会降低土体和易性，影响正常施工。适量膨润土配合微量PAM降低了膨润土泥浆的浓度，提升渣土改良效果的同时，降低了工程成本。

(3)基于已确定的4种性能优良的改良剂配比，从坍落度、黏聚力、内摩擦角和压缩系数4个方面分别评价了其改良效果，其中膨润土:PAM:水配比为70︰2︰1000，注入比为15%时，改良效果最佳。