一种新型EPB渣土改良相似模型试验系统及功能验证*

杨振兴，陈 馈，常家东，周建军，李 伟，张合沛

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；2.中国中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009；3.洛阳理工学院 机械工程学院，河南 洛阳 471001；4.洛阳九久技术开发有限公司，河南 洛阳 471001)

0 引 言

渣土改良作为提高土压平衡式盾构(EPB)与地质条件适应性的重要措施，对因开挖土体性质不良所导致的压力仓内闭塞、结饼、喷涌和开挖面失稳等施工难题具有重要控制作用。因此，对渣土改良外加剂、改良机理和效果、改良配比方案等方面的研究开展广泛[1-5]。

综合国内外对渣土改良的研究，可概括为4个方面：1) 外加剂改良复杂岩土体内在机理研究；2) 新型改良剂的研发；3) 改良剂性能及改良土体“塑性流动性”各项特性指标研究；4) 改良土体对EPB掘进控制参数的影响研究[6-8]。目前，由于对改良剂和岩土颗粒相互作用微观机理的研究还不够深入，从本质上解释改良剂作用机理及改良效果的难度较大。魏康林[9]通过3年的土体改良室内试验研究，从泡沫微观结构的角度初步解释了气泡破灭和消散机理，并定性分析了液膜表面张力对气泡的稳定性作用；乔国刚[10]借助扫描电子显微镜(SEM)开展了红粘土和砂的微观结构、矿物组成成分，研究泡沫改良粘土渗透性的微观机理和气泡阻水机理等。上述研究成果从微观角度对土体改良的内在相互作用进行了简单解释，但缺乏可靠验证。

由于渣土改良内在机理的分析难度大，因此国内外更多学者、工程师从室内试验、现场试验和工程实践等角度对改良剂性能、改良剂与地质条件的适应性、改良土体力学特性以及评价指标等方面开展研究。结合当前渣土改良研究重点、难点，笔者首先总结了EPB渣土改良室内试验的研究方法，然后针对这些研究方法的不足介绍一种新型“EPB渣土改良试验系统”。

1 EPB渣土改良室内试验方法

EPB渣土改良试验是研究土体改良机理、评价土体改良效果的重要手段，也是确定改良剂配比及注入量的重要依据。根据工程要求，渣土改良室内试验研究一般流程如图1[11]，研究、评价渣土改良剂及改良性能，优化渣土改良配比方案，通过盾构掘进试验验证、反馈、调整。

1.1 渣土改良剂性能试验方法

为了研究发泡剂的性能，部分学者运用正交试验、发泡试验等方法研究发泡剂基本特性及影响因素，开发出性能优良的新型发泡剂，并对发泡剂的性能评价标准提出量化指标[12-14]。朱伟等[15]基于自行设计的室内发泡装置进行不同浓度发泡剂溶液的发泡试验，检测气泡半衰期，评价气泡性能，总结出半衰期与发泡剂浓度及发泡倍率的关系，从而获得发泡剂性能最优配比方案。其研究成果对泡沫改良剂性能研究具有重要的理论价值。目前，通过室内发泡试验，对改良剂性能的研究已经相当广泛和深入。

图1 渣土改良室内试验流程Fig. 1 Flow chart of soil conditioning tests

为了研究泡沫对渣土的改良效果，部分学者研究渣土改良与地层性质、气泡添加量等的相关性。盾构施工过程中，气泡添加量、发泡剂浓度、发泡倍率是控制土体改良的3个重要控制参数。因此，研究土体改良效果的普遍方法是针对特定地层条件，开展不同配比参数下改良土体的力学参数试验，形成改良土体“塑性流动性”各项特性评价指标。常用评价土体改良效果的室内试验方法主要采用岩土工程和混凝土的试验方法，如渗透试验、压缩试验、剪切试验、坍落度试验、搅拌试验、稠度试验和安定性试验等[16-17]。马连丛[18]针对成都富水砂卵石地层盾构施工改良渣土进行了直剪试验、渗透试验，确定泡沫剂对土体抗剪强度参数(黏聚力c和内摩擦角φ)、渗透系数的变化影响，从而提出土体改良最佳配比；林键等[19]用气泡半衰期衡量气泡稳定性，开展改良土体渗透试验、直剪试验、压缩试验等，针对不同稳定性气泡对改良土体渗透性、强度、压缩性以及流动性进行量测，提出气泡稳定性对提高土体性质的改良效果影响关系；闫鑫等[20]进行大量坍落度试验、搅拌试验，从坍落度值、坍落后土体形状和析水量来评价改良砂卵石土体、砂土的流动性。

目前，由于对土体改良机理的认识不够明确，业内学者及工程师对改良土体的评价指标认识不尽相同，采用的改良土体性能试验差别较大，致使力学性能试验结果复杂。国内外对土压平衡盾构渣土改良效果仍然没有统一的评价标准。

考虑渣土改良室内试验和评价方法并不能真实反映原状土的特性和施工环境的影响，部分研究人员开始结合盾构施工现场开展渣土改良现场试掘进试验，以千斤顶推力、刀盘扭矩和螺旋输送机扭压等掘进参数的变化反映渣土改良效果[21-22]。江华[23]以北京典型砂卵石地层为背景，开展土体改良现场掘进试验，提出以场切深指数(FPI)和扭矩切深指数(TPI)的大小及变化规律作为土体改良效果的评价指标；郭彩霞等[24]在盾构掘进现场设立试验段，对比分析土体改良前及膨润土和泡沫一定注入比例下掘进参数(刀盘转速、盾构推力、刀盘扭矩、渣温、土压等)的变化情况。

渣土改良现场试验以盾构掘进参数作为渣土改良评价指标，能真实反映土体改良对盾构掘进的控制影响，结果更可靠，但存在资金投入大、人员协调复杂的弊端。因此，国内很少有盾构工程在盾构正式掘进前开展针对土体改良方案的试掘进专项试验。

1.2 渣土改良室内相似模型试验方法

渣土改良室内相似模型试验是模拟盾构土体改良过程，并能评价土体改良效果的缩尺试验。

A. BEZUIJEN等[25]于1997年研制出直径50 cm、高125 cm的模型压力仓。该模型不仅可模拟盾构推进过程中土仓内压力分布和抗剪能力，且可对加入泡沫后改良土体的渗透性、压缩性等进行研究。

P. MIGUEL[26]采用剑桥大学研发的土压平衡盾构螺旋输送机缩尺模型进行了土体改良对螺旋输送机内压力、扭矩的影响研究，分析了不同泡沫改良土体对螺旋输送机内压力的递减规律。

国内，河海大学朱伟科研团队[15，27]在2003年根据盾构机的发泡原理，设计了一套可进行室内发泡的装置，如图2。

图2 发泡装置示意Fig. 2 Layout of foam generator

该装置利用两条可控制压力和流量的系统向发泡枪内注入发泡剂溶液和压缩空气，得到不同发泡倍率、发泡剂浓度的稳定气泡，实现了发泡剂、水、空气的按比例调配功能。但该装置仅限于实现对气泡的定量化控制，不能完成渣土改良及效果评价。

闫鑫等[20]参考国内外试验经验，研制了类似的室内发泡装置，如图3。该装置由液压系统和气体系统组成，可通过调整气、液体流量、压强以及发泡装置中网格的大小生产不同发泡倍率和稳定性的泡沫。

图3 发泡装置示意Fig. 3 Layout of foam generator

目前，国内外可查阅的EPB渣土改良室内相似模型试验装置十分有限，且功能单一。国内渣土改良室内试验装置仅实现了发泡剂的定量配比、发泡控制及产生所需泡沫等功能，泡沫仍需注入其他容器内搅拌达到改良土体目的。改良土体需通过直剪、渗透和坍落度试验测定相关指标进行改良效果评价。

为了实现土体改良发泡控制与改良效果评价的功能统一，并考虑盾构掘进参数作为土体改良效果评价参数的可靠性，盾构及掘进技术国家重点实验室联合洛阳九久技术开发有限公司、洛阳理工学院共同开发研制了一种EPB渣土改良相似模型试验系统——EPB渣土改良试验系统。该系统不仅可控制发泡剂浓度和发泡倍率、生产不同配比泡沫，且能模拟盾构掘进过程，并将泡沫注入土仓，实现土仓内土体改良，同时监测盾构掘进参数变化。

2 EPB渣土改良试验系统

2.1 系统构成

EPB渣土改良试验系统主要由主体、控制柜、电控柜、泡沫发生装置、空压机、操作平台组成。主体部分包括：底座、前/后盖板组件、活塞组件、罐体组件、刀盘组件、刀盘驱动组件、螺旋输送机、驱动组件及其他附件。该系统外形尺寸(长×宽×高)为6 470 mm×1 600 mm×2 950 mm，组成如图4。

图4 EPB渣土改良试验系统各部分Fig. 4 Main part of EPB soil conditioning experimental system

试验系统采用内径Φ为1 200 mm的罐体模拟盾构前盾。罐体内填充渣土模拟地层情况。罐体内刀盘将罐体分割为土仓和改良仓。电机驱动刀盘切削并搅拌土体，模拟盾构掘进切削土体和渣土改良过程。螺旋输送机仓门控制和输出渣土模拟盾构排土过程。罐体内允许最大承受压力为1 MPa。

试验过程利用4支油缸同步推动活塞前进。油缸推动活塞实现罐体中的土体整体向刀盘处移动，并利用“地层移动，刀盘不动”的反方向作用模拟盾构切削地层过程。土体被刀盘切削后进入改良仓。在改良仓内，刀盘采用变频电机驱动模拟盾构刀盘正反转及多种转速调节，刀盘背面焊接的搅拌棒对渣土进行搅拌。搅拌的同时，泡沫发生装置将发泡剂、水和压缩空气3种介质混合后形成泡沫，通过罐体前段外圆的4个输入口进入改良仓。改良仓内的渣土与泡沫经充分搅拌混合达到渣土改良的目的。改良后的渣土通过螺旋输送机输出。渣土出口位置安装电动卸料阀门，由液压缸控制其开口率，从而模拟出土过程。

系统刀盘采用辐条式结构，由4根辐条对称放置构成，开挖直径1 190 mm，配置切刀24把。刀盘背面焊接8根搅拌棒，使改良剂与土体充分混合。刀盘结构如图5。

图5 刀盘结构示意Fig. 5 Cutterhead of EPB soil conditioning experimental system

泡沫发生装置由发泡剂站、水控制管路、空气控制管路、泡沫发生器和支架等部分组成，如图6。发泡剂站上设置电机带动螺杆泵，将泡沫剂输出到泡沫生产系统中。泡沫剂与水按一定比例混合后，再与压缩空气按比例混合，然后加入到泡沫发生器中。在泡沫发生器中经充分混合后的泡沫改良剂分4路注入到改良仓内，再由搅拌棒将渣土和改良剂搅拌均匀。泡沫发生装置的技术参数如表1。

图6 泡沫发生装置示意Fig. 6 Layout of foam generator

项目泡沫剂水压缩空气工作压力/MPa0.60.60.6工作流量/(L·min-1)5.020.015.0

为测定土仓内土压力，罐体前挡板上设置4个土压传感器。考虑土仓上、下部压力的不同和刀盘旋转搅拌土体导致的土仓前后土压差异，4个土压传感器的布置如图7。

图7 压力传感器安设位置示意Fig. 7 Layout of pressure sensors

EPB渣土改良试验系统控制台不仅可完成泡沫发生装置对泡沫剂、水、空气的配比控制及对输送量、刀盘转速和转向、螺旋输送机开闭状态及其转速和转向、活塞组件推进速度等的实时控制，实现盾构掘进状态的实时改变，且可实时反馈记录各项施工参数。控制台显示器如图8。

图8 控制台显示器示意Fig. 8 Control console display

2.2 技术参数

EPB渣土改良试验系统主要技术参数如表2。

表2 EPB渣土改良试验系统主要技术参数Table 2 Technical parameters of EPB soilconditioning experimental system

2.3 主要功能

EPB渣土改良试验系统将缩尺盾构模型与泡沫发生装置相结合，不仅可开展气泡性能与影响因素分析和开挖土体改良效果研究，且可模拟EPB盾构掘进的4种状态过程(敞开式、半土压平衡模式、土压平衡模式、过压掘进模式)。针对松散砂土地层，可模拟“土塞”形成效应、观察螺旋输送机“喷涌”现象、添加不同配比泡沫剂、进行渣土改良效果对盾构掘进控制的影响研究。

EPB渣土改良试验系统主要实现功能如下：

1) 渣土改良剂(泡沫、聚合物等)的按比例加入及注入量的实时控制；

2) 模拟EPB盾构掘进4种状态，实现刀盘推进及土仓渣土搅拌改良；

3) 模拟螺旋输送机出土过程及土塞效应实现过程；

4) 模拟EPB盾构带压过程，土仓压力可达1 MPa。

3 功能性试验

为验证EPB渣土改良试验系统的主要功能，进行盾构掘进模拟试验和渣土改良试验，提取刀盘推进速度、推力、刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩等相关监测值，通过分析监测值的变化规律，判断EPB渣土改良试验系统的实用性。

3.1 盾构掘进模拟

根据EPB渣土改良试验系统的设计尺寸，确定刀盘推进速度、刀盘转速、螺旋输送机转速的对应关系如式(1)：

(1)

式中：α、β为协调系数；ν1为土体推进速度,mm/min；R1为罐体直径,mm；r2为螺旋输送机直径,mm；n2为螺旋输送机转速,r/min；r3为刀盘直径,mm；n3为刀盘转速,r/min；l为螺距,mm；h为切刀高程,mm。

称量0.6 m3的松散砂土倒入罐体内，保证砂土坡脚未到达螺旋输送机进料口。在保证泡沫发生装置关闭状态且土仓与外界联通的前提下，保持刀盘和螺旋输送机静止，启动液压站，调整控制台4个油缸推进旋钮反复试调油缸液压。观察土仓隔板的推进速度与推力的监测数据，如图9。由此可见，推进速度增大，推进力绝对值也相应增大，推进速度和推进力具有很好的相关性。

图9 刀盘推进速度与推力绝对值的对应关系Fig. 9 Relationship between speed of cutting disc advancing and absolute value of driving force

从图9可以看出：刀盘推进速度、总推力绝对值具有很好的相关性，验证了EPB渣土改良试验系统的准确性；同时，土体推进系统具有很好的灵敏性、可靠度。

后退土仓隔板，添加松散砂土至1 m3，保证砂土坡脚完全覆盖螺旋输送机进料口。保持砂土以4 mm/min的速度前移，开启搅拌器，调整转速至1 r/min。开启螺旋输送机，调整转速至5 r/min。刀盘总推力、刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩变化曲线如图10。

土仓隔板推进速度不变的情况下，总推力绝对值与土仓内砂土含量直接相关，即与螺旋输送机的排土能力直接相关。当开启螺旋输送机，排出土体，土仓隔板推力明显降低。当关闭螺旋输送机，土仓隔板推力增加。由于试验采用松散砂土，因此刀盘扭矩维持在9～17 MPa。

从图10可以看出：刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩、土仓隔板推进速度、刀盘总推力4个参量相互影响，与现场实践相吻合；针对不同尺寸盾构机、不同地质条件等，4个参量存在一个平衡关系，保证盾构掘进系统、排渣系统、地层的稳定安全。

基于以上分析可知，通过设计相似模型实验，EPB渣土改良试验系统可为现场盾构机掘进的参数设定提供数据支持。

3.3 土体改良试验

土体改良试验步骤如下：

1) 称量1.36 m3的松散砂土倒入罐体内，保证罐体内完全充填；

2) 封闭人工盖板；

3) 调试液压系统、泡沫系统能够正常工作；

4) 调整操作控制台4个油缸推力旋钮，通过油缸推动土体隔板以20 mm/min的速度前移；

5) 开启搅拌器，调整转速为1 r/min；

6) 打开螺旋输送机出渣口至开口率100%，刀盘扭矩稳定在6.5 MPa；

7) 开启螺旋输送机，调整转速至5 r/min；

8) 记录刀盘扭矩、螺旋输送机的扭矩；

9) 打开泡沫生产系统，参考表3调整泡沫剂、水、压缩空气配比，将配比完成的泡沫改良剂以0.011 m3/min(泡沫注入量为切削土体体积的45%～55%，本实验取55%)注入土仓中，观察并记录土仓压力变化、刀盘扭矩及螺旋输送机扭矩变化。实验数据记录如图11。

表3 泡沫改良剂配比Table 3 Proportion of foam modifier

图11 刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩变化曲线Fig. 11 Curve of cutterhead torque and screw conveyor torque

由图11可以看出：渣土改良后，刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩明显降低。由此可通过改变泡沫生产系统的泡沫剂、水、压缩空气配比获取不同配比下刀盘和螺旋输送机扭矩的变化量，为现场的渣土改良提供技术参考。

图11验证了利用EPB渣土改良试验系统中泡沫发生系统研究渣土改良对盾构掘进控制参数影响的可行性。

通过EPB渣土改良试验系统设计相似模型实验，不仅可评估改良后渣土的塑流性能，且可评估渣土改良对盾构掘进控制的影响，准确判断不同配比发泡剂对盾构掘进控制参数的影响。

4 结 论

笔者总结分析了国内外EPB渣土改良的研究现状以及室内试验方法，指出研究方法的局限性，从而介绍了一种新型的EPB渣土改良室内试验设备——EPB渣土改良试验系统。该系统不仅可实现地层重塑、模拟盾构掘进过程，且能通过泡沫发生装置按设计配比对渣土进行改良、预测渣土改良对EPB施工控制的影响。

1) 与以往渣土改良室内试验系统相比，EPB渣土改良试验系统可按照发泡剂、水、压缩空气的不同配比及实时注入量控制渣土改良，同时通过模拟EPB掘进、搅拌、排土过程，评估渣土改良效果对EPB掘进控制的影响。

2) EPB渣土改良试验系统罐体为全封闭结构，允许内压为1 MPa，不仅可模拟敞开式、半土压平衡式掘进过程，且可模拟盾构带压掘进过程。

3) 通过“盾构掘进模拟”和“渣土改良试验”2个功能性试验，验证了EPB渣土改良试验系统的准确性和可靠性。试验结果完全满足工程需要。

渣土改良是EPB掘进施工保证开挖面稳定、提高掘进效率的重要工序。渣土改良效果及盾构掘进控制技术直接影响整个工程施工进度和质量。EPB渣土改良试验系统根据相似理论设计，为研究EPB渣土改良配比与改良性能提供了新的手段，可模拟大直径EPB施工、危险地层下盾构控制技术等特殊复杂地质条件盾构推进过程，测得采集盾构的最优施工参数，指导施工。

基于EPB渣土改良试验系统，开展不同工况下渣土改良试验研究，评价不同改良剂渣土改良效果，将是后续不断完善和探索的工作。

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