富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验研究.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202211065开放科学(资源服务)标识码(OSID)富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验研究崔 灿(中铁十八局集团第三工程有限公司,河北涿州072750)摘要:富水砂层由于其高渗透性、高含水率及高摩擦角等特性,在盾构开挖时常面临喷涌、刀具磨损严重及掌子面压力不均等难题。依托南昌地铁 4 号线七里站至民园路西站高渗透富水砂层区间隧道工程,为确定最优膨润土泥浆改良参数,通过室内试验测试膨润土泥浆性能及渣土改良,确定合理膨润土泥浆黏度和盾构膨润土泥浆性能参数及高承压水砂层改良方案。研究结果表明:采用膨润土泥浆配比为 18,对应黏度约为 22
2、 mPas,改良效果较好;砂土中含水量可促进膨润土泥浆改善渣土流动性;对上述膨润土泥浆配比,当膨润土泥浆注入率为 10%、聚合物注入比为 1%时,改良后的渣土具有很好的流塑性和较低的渗透性。现场渣土改良结果也表明,采用上述渣土改良方案,可以有效降低刀盘扭矩和盾构机总推力、提高盾构掘进速度。关键词:渣土改良;土压平衡盾构;富水砂层;膨润土泥浆;渗透试验中图分类号:U455文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)05 0136 06 0 引言在采用土压平衡盾构掘进时往往需采用外加剂对开挖的渣土进行改良,从而使土压平衡盾构可适用于软土、黏土、砂土、含卵砾石土等不同的地层。特别是普遍分布
3、于河流阶地的高承压水砂层,开挖后的渣土渗透系数较大,容易导致喷涌;同时,内摩擦角大,容易在土舱内形成土拱效应1,引起出渣困难。只有通过采用膨润土泥浆、泡沫或聚合物等外加剂进行渣土改良,改善其流塑性、降低其渗透性和内摩擦角,才能实现高承压水砂层土压平衡盾构安全掘进,其中膨润土泥浆主要用来降低渣土渗透性、提高渣土均质性和控制土压平衡。Thewes M 等2 认为,渣土改良的主要目的是获得合适的渣土流动性、获得均质流塑性材料、降低渣土的渗透性及降低开挖砂土的内摩擦角;魏康林3 通过研究土压平衡盾构施工中膨润土改良土体微观机理分析,认为膨润土改良适用于细颗粒含量少的土体和透水性高的土体;徐征杰等4 基
4、于响应面法分别选择膨润土泥浆浓度、注入率和盾构推进速度 3 个影响因素,以改良后渣土坍落度、渗透系数和改良成本为响应值,对强风化花岗岩地层膨润土改良参数进行优化;黄志强等5 以膨润土和生石灰为原料配制土体改良剂,采用泥浆黏度和相对密度为参考指标确定合适的改良泥浆参数,通过坍落度试验和剪切试验综合评价生石灰含量对渣土改良的效果,认为生石灰含量在1.4%时,改良效果最佳。膨润土泥浆改良技术广泛用于卵石层、砾砂层和风化岩层等地层;姜厚停、Huang Z Q、Tang S H、Barzegari G 等6 9 针对砂砾石地层,采用隧道掘进模型试验、渣土剪切试验及磨损试验以及现场掘进试验等方法进行研究,
5、认为膨润土泥浆能够有效改善渣土的流塑性、降低渣土渗透系数及降低刀盘扭矩,并给出了砂砾石地层合理的膨润土泥浆改良参数;张润来等10 针对砂卵石地层采用膨润土泥浆改良,通过室内坍落度试验、泥浆黏度试验、搅拌试验和剪切试验确定了合理的膨润土土泥浆改良参数。目前,国内外得到的膨润土改良渣土方案仅适用于特定土层,适用于高承压水砂层的研究较少。本文结合南昌地铁 4 号线七民区间隧道典型富水砂层渣土改良,通过系列室内膨润土泥浆配比、黏度试验和渣土改良试验及其改良效果评价,阐述膨润土泥浆性能的测试方法,并确定高承压水砂层渣土改良的合理控制参数,包括膨润土泥浆黏度和注入率等。1 工程概况 1.1 地层条件 收稿
6、日期:2023 02 19作者简介:崔灿(1985),男,山东菏泽人。工程师,主要从事地铁、桥梁、铁路施工技术工作。E-mail:。路基工程 136 Subgrade Engineering2023 年第 5 期(总第 230 期)南昌地铁 4 号线七里站民园路西站全长约1 100 m,隧道埋深为 922 m。盾构穿越上部砂层段自稳性较差,透水性较强,水头压力高,下部中风化泥岩自稳性好、黏性大。土压平衡盾构最初用于细颗粒含量(d0.075 mm)在 20%30%的土体11,避免改良渣土渗透系数过大,也为获得均质性渣土提供保障。将砂土放入震筛机中进行震动筛分试验,得到砂土颗粒级配曲线,见图 1。
7、细颗粒组含量几乎为零,需额外添加膨润土泥浆补充细颗粒组。细颗粒区域1001010.10.01020406080100小于该粒径累积百分数/%粒径/mm0.075图1砂层颗粒级配曲线 1.2 水文条件七民区间隧道临近赣江,赣江地表水与区间隧道地下水联通性较好,互为补排关系。高承压水砂层天然含水率在 21%28%之间,静水压力约150 kPa,渗透系数为 1.2103 m/s。盾构穿越高承压水砂层时,对改良渣土抗渗性要求较高,由于砂层所含细颗粒极少,无法填充粗颗粒间空隙,在排渣过程中螺旋机无法保持正常的压力梯降,易产生螺旋机出土口“喷水、喷砂、喷泥”现象12,因此,需选择膨润土泥浆改良砂层进行封堵
8、颗粒间空隙。2 膨润土泥浆性能测试 2.1 膨润土泥浆改良机理膨润土水化后,形成不透水的可塑性胶状物,同时挤占与之接触的土颗粒间的空隙,形成致密、不透水的防水层,从而达到降低渣土渗透性目的。膨润土泥浆与砂土作用前后形成混合土体结构,见图 2。膨润土泥浆在高承压水砂层中,可将较大的地下水压转化为土颗粒之间的有效应力,这对维持掌子面水土压力平衡及防止盾构掘进过程中地面塌陷至关重要。(a)未添加膨润土泥浆(b)添加膨润土泥浆后图2膨润土泥浆与砂土作用前后形成混合土体结构 2.2 泥浆配置及测量数据分析试验材料取自施工现场盾构用钠基膨润土,根据实际工程施工进行膨润土泥浆配置,膨润土水质量分数比分别为
9、16、17、18、19、110,见图 3。对于砂层等较大颗粒粒径的土体,在进行渣土改良时要求膨润土泥浆具有较好的包裹性和胶体性,且泥浆不发生离析,这对泥浆的黏度和比重提出了较高要求。具有一定黏度的膨润土泥浆可有效地包裹住大粒径砂颗粒,增强土体的均质性和流动性,降低砂颗粒与刀盘间的摩擦损耗。但泥浆黏度过大可能会造成泥浆输送系统的压力过大,不利于流畅泵送。对于高承压水砂层,膨润土泥浆黏度保证在 2030 mPas 之间改良效果较好,且有利于泥浆在管道中泵送13。为获得理想黏度对应的膨润土泥浆配比,实验室采用旋转黏度计进行5 种不同配比的膨润土泥浆黏度测试,见图4。16171819110图3旋转黏度
10、计及不同配比膨润土泥浆 1020304050黏度1.051.061.071.081.091.101.111.12比重比重黏度/(mPas)膨润土泥浆浓度16171819110图4不同质量分数膨润土泥浆性能测试 膨润土泥浆的黏度和比重随着浓度的减小而降低,当该种膨润土水=18 时,黏度为22 mPas,符合盾构施工时的黏度要求。因此,在进行砂土改良试验时选取该泥浆配比。3 膨润土泥浆改良渣土及效果评价本次改良试验砂土含水率为 5%、25%,质量崔 灿:富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验研究 137 为 10 kg。5%含水率砂作为对比试验,反映当含水率突然增加时改良参数的变化。采用质量分数为 18
11、 膨润土泥浆对南昌典型高承压水砂层进行渣土改良,采用立式砂浆搅拌机进行砂土与膨润土泥浆的搅拌试验,见图 5。采用加压渗透仪进行改良后渣土渗透试验,其加压渗透试验装置,见图 6。该渗透装置既能施加不同水压模拟盾构机不同埋深时的地下水压,还能施加不同围压模拟盾构机不同埋深时的土仓压力,可较好地再现土仓内的渣土环境。渗透试样为高度 40 mm,直径 70 mm 的圆柱体,试样周围是压力腔,上方和下方放有透水石和滤纸,渗透压力和围压通过调压阀调节,压力调节范围为 00.8 MPa。主要根据坍落度(理想值为 150200 mm14)来评价改良后渣土的流塑性,渗透系数(理想值为低于105 m/s 数量级1
12、5)来评价改良后渣土是否会发生喷涌现象。图5立式砂浆搅拌机 空气压缩机土样40 mm调压阀球阀调压阀渗流水量筒实物图图6加压渗透试验装置 3.1 含水率对砂的流塑性影响砂土样的含水率对改良剂的注入率具有重要的影响。为确定不同含水率对砂土的流塑性影响,进行不同含水率条件下砂土的坍落度试验,见图 7。由图 7 分析可知:采用单一含水率改良砂土,坍落度随着含水率的增大先减小后增大,合理含水率为 13%16%,改良后土体坍落度在 150200 mm 之间。但明显可以看出渣土不具有较好的流动性和均质性,易在土舱形成土拱效应,盾构机千斤顶压力无法均匀传递至掌子面,因此还需注入添加剂改善渣土流塑性。含水率在
13、 4%8%时,大部分湿砂颗粒黏聚在一起呈 90而不滑落,在改良时需要添加更多的改良剂才能使渣土达到理想的流塑性,当砂土含水率大于 16%时,砂土中开始有自由水析出,在改良剂作用后会大大增加渣土流动性,是渣土变得较稀,也不利于螺旋机排渣,所以在渣土改良时合理的砂土含水率在 13%16%。2468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28050100150200250300坍落度/mm含水率/%图7不同含水率下的砂土坍落度 3.2 含水率为 5%的砂土改良试验采用土压平衡盾构掘进时,膨润土泥浆用量通常用注入率(Bentonite slurry Injection Ratio,BI
14、R)来表征,即有BIR=MBMs(1)MBMs式中:为膨润土泥浆注入质量;为刀盘切削下来的土样质量。对于切削下来的土体体积,通常要考虑松散系数,一般为 1.21.4,对于砂土可取1.2,然后根据砂土的松散密度可求得土舱砂土质量。针对含水率为 5%的砂土开展了膨润土泥浆注入率分别为 5%、10%、15%、20%、25%、30%的单一膨润土泥浆改良试验,测定的坍落度,见表 1。试样测定的坍落度,见图 8。结果表明:采用单一膨润土泥浆改良时,当含水率控制在 5%时,膨润土泥浆注入率 BIR 为 20%30%时,渣土流塑性较好,坍落度在 150250 mm 之间,渣土渗透系数从 104 m/s 数量级
15、降低至 106107 m/s,说明膨润土泥浆中的细颗粒及形成的胶状物有效的填充了粗颗粒砂间的空隙,将粗颗立进行包裹后形成流塑性较好的整体,改良后砂土具有较好的均质性,改良效果较为理想,渣土能够较好的将盾构机千斤顶推力均匀传递至掌子面以维持平。不同含水率下的砂土坍落度和渗透系数,见图 9。路基工程 138 Subgrade Engineering2023 年第 5 期(总第 230 期)表1不同泡沫注入比渣土改良试验砂土质量/kg 含水率/%膨润土泥浆注入率/%坍落度/mm渣土渗透系数/(ms1)10558.19106105102.9610610515461.89106105201601.651
16、06105252201.35106105302308.90107 由图 9 分析可知:随着膨润土泥浆注入率的增加,改良后渣土的坍落度逐渐增加,渗透系数逐渐减小;当注入率达到 20%时,坍落度改善明显,而注入率为 10%时,渗透系数就以降低至盾构施工要求,随着注入率继续增大,渗透系数降低效率明显降低且趋于稳定。其中,当膨润土泥浆注入率在 10%25%时,坍落度与 BIR 拟合方程为 y=14.88x151.4;当膨润土泥浆注入率在 10%30%时,改良渣土渗透系数与 BIR 拟合方程为 y=0.00936x+0.362。综上所述,在含水率为 5%时,为同时满足渣土流塑性和渗透性要求,膨润土泥浆注
17、入率应在 20%30%之间。BIR=15%(a)流动性差,较干BIR=20%(b)流动性较好,稍干BIR=25%(c)流塑性好BIR=30%(d)流塑性好,黏性稍大图85%含水率砂土不同膨润土泥浆注入率下的渣土坍落度 5101520253530y=0.00936x+0.362渗透系数拟合方程改良渣土渗透系数坍落度膨润土泥浆注入率BIR/%y=14.88x151.4坍落度拟合方程改良渣土渗透系数/(105 ms1)1.00.50250200150100500坍落度/mm图9不同含水率下的砂土坍落度和渗透系数 3.3 含水率为 25%的砂土改良试验针对含水率为 25%的富水砂土开展膨润土泥浆改良试
18、验。当不添加任何改良剂的富水砂土物理性能,见图 10。渣土不具有良好的流动性,黏聚性差且有大量自由水析出,不符合盾构排渣要求。当采用一系列梯度膨润土泥浆改良富水砂土,BIR=30%时渣土虽具有较好的均质性及塑性,但流动性过大,坍落度达到 256 mm,渣土无法通过螺旋输送机顺利排渣,导致流动性过大的原因是渣土含水率过大,因此需要添加聚合物对渣土中过量自由水进行凝胶。聚合物改良富水砂土,此时渣土流塑性好,坍落度为 183 mm,但通过渗透试验测得渣土渗透系数为 4.56105 m/s,不符合盾构施工要求,在高水压条件下易发生喷涌。在添加聚合物的基础上通过系列膨润土泥浆梯度试验,当BIR=10%时
19、,渣土坍落度为 175 mm,流塑性好,渗透系数 106107 m/s,满足施工要求。BIR=0(a)流动性差,水土分离BIR=30%(b)流动性过大,不利排渣聚合物=3%(c)流塑性好,k过大聚合物=3%+BIR=10%(d)流塑性好,具有黏弹性图1025%含水率砂土不同膨润土泥浆注入率下的渣土坍落度 综上所述,在富水条件下,仅仅使用膨润土泥浆或聚合物改良无法同时满足渣土流塑性和渗透性要求,当两种改良剂组合时,聚合物注入率为 1%,膨润土泥浆注入率为 10%,能够解决富水砂土流塑性差、渗透系数大等问题,可避免螺旋机排渣困难及喷涌现象发生。4 现场工程应用在七民隧道区间高承压水砂土盾构施工时,
20、参考室内渣土改良室内试验结果,采用的改良参数,见表 2。对渣土车中渣土进行了 6 组坍落度试验及崔 灿:富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验研究 139 渗透试验,结果分别为 165、172、180、185、195、198 mm,都在理想坍落度 150200 mm 之间,改良效果较好,大颗粒被包裹在中间,且流塑性较好,且渗透系数都处于 106 m/s 数量级,符合渣土改良要求。表2现场渣土改良参数改良剂种类每环平均用量配比/(浓度%)渣土松散系数注入比/%聚合物396 L1.20.89膨润土泥浆4.1 m3141.29.30 七民区间盾构从 771 环开始进入全断面高承压水砂层,见图 11、图 1
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