土压平衡盾构高黏土矿物渣土改良技术

2018-10-09韩月旺HANYuewang

建筑机械化 2018年8期

韩月旺/HAN Yue-wang

（郑州地铁集团有限公司，河南郑州 450016）

渣土改良作为土压平衡盾构掘进关键工序之一，对于提高掘进施工效率、降低能耗、保证安全起着非常重要的作用，特别是在复杂地层条件下掘进[1～3]。通常情况下由盾构刀盘切削下来未改良的渣土，其传递压力的能力差、止水性差、流动性差，严重影响施工进度，危害施工安全。

为了提高土压平衡盾构的掘进效率，必须对刀盘切削下来的不良渣土进行改良，保证渣土具有理想的流塑性。盾构渣土改良剂主要有膨润土泥浆、泡沫剂和高分子聚合物等。国内外对渣土改良进行了一定的研究。Daniele[4～5]基于加工的特殊装置模拟分析了螺旋输送机和土舱，采用泡沫剂改良了意大利Voltri地层、Sillano地层和Monte Morello地层的渣土，通过以泡沫添加比（FIR）和含水率作为变量，分析在不同变量下渣土的性能差异。Luca[6]提出一种新的方法来测试渣土的渗透性，将不同比例的泡沫添加到火山灰岩渣土中并测试其渗透性，以此分析了泡沫添加比（FIR）对渣土渗透性的影响。Zumsteg[7]采用不同类型的渣土在不同压力下进行改良试验，研究了渣土的种类和压力的大小对泡沫改良渣土的影响。但上述研究中针对高黏土矿物渣土改良技术的研究较少。本文依托工程为南昌市轨道交通1号线，针对南昌地区高粘土矿物渣土，盾构未改良渣土性能较差的特点，采用改良剂对高黏土矿物渣土进行改良试验，并测试改良后渣土的性能。

1 工程概况

南昌地铁1号线中子区间工程（中山西路站至子固路站）区间掘进地层主要为泥质粉砂岩，其呈紫红色，遇水容易软化变形，中厚层状构造，基本质量等级为Ⅳ级。

表1 改良地层的物理参数

采用X射线衍射仪对泥质粉砂岩渣土进行物相分析，获得其矿物成分。通过分析渣土的矿物成分可知：粘土矿物含量较大，其中高岭石占总矿物组成的27.8%，微斜长石11.1%，伊利石、蒙脱石分别占8.3%和4.4%，钠长石1.6%。研究表明高岭石、伊利石、蒙脱石等粘土矿物是导致盾构刀盘结泥饼的主要原因，其中蒙脱石和伊利石影响最大。

2 渣土改良的机理

土压平衡盾构施工中渣土被改良后，盾构的掘进效能和适用性得到显著的提高，主要有以下优点。

1）能改善盾构开挖速率，降低刀盘扭矩和刀盘切削地层的能耗。

2）起到润滑的作用，降低刀盘面板和刀具的磨损。

3）降低渣土的渗透性和粘结性，从而降低盾构施工发生喷涌和刀盘结泥饼的风险。

4）提高渣土的流塑性，改善螺旋输送机出土的效率。

在盾构掘进过程中改良剂一般是通过刀盘面板、土舱隔板和螺旋输送机上的喷口注入，再和渣土混合在一起。一般认为改良的渣土达到理想状态最好，所谓理想状态的渣土是具有相对较高的细颗粒、较好的流塑性、传递性和较低的渗透性。

在进行渣土改良试验之前，先需确定改良剂的类型。渣土改良剂的确定主要是根据现场渣土的工程地质特点和改良剂改良渣土机理来决定。我国土压平衡盾构施工过程中最常见的改良剂为泡沫和膨润土泥浆。不同改良剂改良渣土的机理不同。对于泡沫改良渣土，泡沫添加到渣土中后，渣土由气、水和固体的三相体转变为气、水、泡沫和固体的四相体，改良后渣土的物理力学性能发生较大的改变。

首先渣土改良后泡沫填充在渣土的孔隙中，阻断了孔隙水流动的通道，降低渣土的孔隙率和渗透性，从而提高了渣土的止水性。其次，泡沫剂溶液能起到润滑的作用，其吸附在渣土的表面，能减小渣土间的摩擦性。再次，泡沫在渣土颗粒中能充当轴承的作用，能进一步降低渣土的摩擦性，改善渣土的流塑性。最后泡沫充填到渣土中后，能降低渣土颗粒间的接触面积，从而减小渣土的粘聚力。

对于膨润土泥浆改良渣土，渣土被膨润土泥浆改良后，其物理力学性能变化较大。首先膨润土泥浆注入后，其会充填渣土颗粒间的间隙，而膨润土泥浆本身为不透水材料，从而达到降低渣土渗透系数的目的。其次，膨润土泥浆与渣土混合后，会以泥膜的形式吸附在渣土颗粒四周，其减小了渣土颗粒间的摩擦力，提高了粘聚力，从而改善了渣土的流塑性，保证了渣土连续不断被螺旋输送机排出。再次，膨润土泥浆的润滑作用能防止粗颗粒渣土卡住刀盘或刀具。最后在盾构掘进过程中膨润土泥浆不断从刀盘面板喷口喷出，并渗透到开挖面前方一段距离，形成具有一定强度的泥饼，这个泥饼相当于一个隔水层，阻止开挖面前方地下水渗入土舱，从而降低喷涌发生的概率，保证了开挖面稳定性。

3 渣土改良试验

3.1 渣土改良评价方法

对于改良渣土的评价，国内外没有统一的方法，但绝大多数是采用坍落度指标作为评价方法。部分学者认为经过改良之后渣土的坍落度为10～15cm时效果较好，但也有学者提出坍落度为12～20cm时最佳。将坍落度作为渣土改良评价指标时，能较好的反应渣土的流塑性，且操作简单，但其存在一定的问题。随着泡沫的添加，坍落度虽达到要求时，可能会出现离析的现象，泡沫漂浮在水上，这样的渣土明显不符合要求。意大利学者Daniele Peila提出采用坍落度作为评价指标的同时，也应当参考渣土的外观来判断改良的效果，综合分析得到的结果比较合理。基于以上分析，本文结合坍落度与改良后渣土的状态来评价渣土改良试验。

3.2 泡沫剂性能

为选用合适的泡沫剂进行改良试验，现采用A、B、C3种泡沫剂进行发泡实验和消散实验，通过对实验结果的分析选用其中性能最好的泡沫剂。

3种改良剂浓度控制在3%左右。在实际盾构掘进过程中，打泡压力通常控制在0.2～0.3MPa之间。为使实验符合盾构掘进情况，试验中压力也设置在0.2～0.3MPa之间。对选取的泡沫剂分别进行发泡试验，记录发泡率。

由结果可知所采用的发泡剂的发泡率均大于10倍。泡沫A、泡沫B、泡沫C发泡率分别为16倍、20倍、36倍，其中泡沫剂C的发泡率达到36倍，在3种发泡剂中最高，发泡性能优于其他两组，泡沫剂A性能最差。

为比较发泡实验所产生的泡沫的稳定性，同时进行泡沫消散试验，得到泡沫消散曲线（图1）。

图1 泡沫消散曲线

国内外研究表明[8]泡沫半衰期大于5min时满足施工要求。泡沫半衰期即指泡沫体积消散一半经历的时间。通过对3种泡沫进行半衰期试验，获得了其半衰期时间，分别为5min、13min以及大于18min。可以看出3种泡沫的半衰期均大于5min，能满足施工要求。其中泡沫剂A半衰期最短，泡沫剂B次之，而泡沫剂C产生的泡沫消散最慢。C泡沫剂的稳定性最好。综合考虑改良剂使用性能和经济性，本试验选用泡沫剂B作为样本。