富水砂卵石地层盾构专用碴土改良剂的研制及应用

彭宝富， 贺雄飞

(1. 成都轨道建设管理有限公司， 四川 成都 610041；2. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院， 广东 广州 511458)

0 引言

目前，我国所应用的盾构类型主要为土压平衡式盾构，其适应的地质范围较为广泛。土压平衡盾构施工成功的关键在于有效的碴土改良。碴土改良是通过盾构上的专用装置向刀盘面、土舱或螺旋输送机内注入改良剂，利用刀盘的旋转搅拌、土舱搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使改良剂与碴土混合，其主要目的是使盾构切削下来的碴土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足盾构在不同地质条件下采用不同掘进模式掘进时均可达到理想的工作状况[1-2]。

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，具有黏聚力小、内摩擦角大、渗透系数大、流动性和稳定性差等特性。盾构在砂卵石地层掘进时，经刀盘切削到土舱中的砂卵石塑流性差，易出现出土困难(闭塞)、喷涌、掘进参数异常且掘进困难、土压难以建立、设备磨损严重等技术问题[3-4]。目前，国内外对碴土改良技术开展了大量研究。文献[2, 5-8]主要采用试验方法对已有的改良材料进行应用研究，研究改良材料的性能参数变化对土体的性能影响，给出了改良参数范围和建议；文献[9-10]虽有研制新型泡沫剂，但研制的泡沫剂一方面针对性不强，另一方面仅在室内对泡沫剂性能及改良土体效果进行了试验，未进行工程应用和推广，其工程应用效果不明。文献[11]针对北京砂卵石地层研制了泥浆与泡沫剂2种改良剂，并在北京地铁盾构区间进行了工程应用，泡沫剂应用了400 kg，应用量比较少，从应用效果看未能体现出明显优势。

从目前泡沫剂的工程应用情况看，国内现有泡沫剂性能差异较大，适用性不强，对于砂卵石地层，尤其是富水砂卵石地层的改良效果较差。为此，本文针对砂卵石地层特性研制出一种新型高效土压平衡盾构改良剂，并在全断面砂卵石地层进行了应用，应用效果与进口同类产品相当，可有效减少和防止该地层土压平衡盾构施工中堵舱及喷涌事故的发生。

1 聚合型泡沫剂的研制

1.1 聚合型泡沫剂的制备

本文所配制的聚合型泡沫剂主要成分为阴离子表面活性剂A、非离子表面活性剂B,其他成分为稳泡剂C和D、聚合物增效剂E等。首先将阴离子表面活性剂A溶解于水中，然后加入非离子表面活性剂B混溶后，再分别加入稳泡剂C和D，最后加入聚合物增效剂E，充分搅拌溶解后得到无色透明液体，即为聚合型泡沫剂。其主要物理化学指标如表1所示。

表1 聚合型泡沫剂主要物理化学指标Table 1 Main physico-chemical indices of polymeric foam agents

1.2 泡沫剂性能测试

通过自组装发泡系统，在发泡气压为0.5 MPa、气液比为50∶1、泡沫剂体积分数为2%的试验条件下，对聚合型泡沫剂和对比用某进口泡沫剂的性能进行发泡试验，并对泡沫稳定性进行测试，筛选出4组性能与对比泡沫剂相近或更优的聚合型泡沫剂配方，其性能测试结果如表2所示。

表2 聚合型泡沫剂发泡和稳泡性能Table 2 Foaming and foam stabilizing properties of polymeric foam agents

1.3 室内碴土改良试验

1.3.1 试验碴土颗粒级配

该聚合型泡沫剂主要针对砂卵石地层研发，室内试验土样取自于成都地铁某工程。试验土样颗粒粒径级配累积曲线如图1所示。

由图1可知，粗粒颗粒占比50%以上，圆砾、卵石较多，土样可压缩性小、渗透系数大、可塑性差，符合聚合型泡沫剂改良试验用土要求。

图1 试验土样颗粒粒径级配累积曲线Fig. 1 Grain gradating curves of soil sample

1.3.2 碴土改良试验

选取以上性能优异的4种聚合型泡沫剂进行碴土改良试验。每次试验之前，先将土样烘干，在烘干状态下取一定体积的试验土样，然后按照试验含水率所需水量向土样中添加水，经搅拌均匀后，按照试验所需体积取新制的泡沫倒入土样再进行搅拌，待搅拌均匀后，立即取新拌改良后碴土，对碴土的坍落度、渗透系数、内摩擦角及容重进行分组同步测试，具体试验方法如下：

1)坍落度。参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[12]中坍落度的试验步骤进行。

2)容重(表观密度)。参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[12]中表观密度的试验方法进行。

3)渗透系数。参照JTG E40—2007《公路土工试验规程》[13]中常水头渗透试验方法进行。

4)内摩擦角。碴土内摩擦角通过直剪试验测试计算而得。参照JTG E40—2007《公路土工试验规程》[13]中砂类土直剪试验方法进行，轴向荷载级数设定约为100、200、300、400 kPa 4级，另外加上加载试样盖和自重部分荷载，剪切速率为0.8 mm/min。

通过对比不同改良参数下各泡沫的碴土改良效果，最终确定了砂卵石地层较优的改良参数范围为： 碴土初始含水率12%～15%，泡沫注入比30%～40%，泡沫剂体积分数2%～5%。测试碴土初始含水率12%、泡沫注入比30%、泡沫剂体积分数5%的改良参数条件下各泡沫剂改良前后碴土的渗透系数、坍落度、内摩擦角及容重，结果如表3所示。

表3 改良前后碴土的性能测试结果Table 3 Performance of soil before and after conditioning

由表3数据可知，相比不加泡沫剂的初始土样，加入泡沫剂后碴土的性能得到明显改善，渗透系数和内摩擦角明显降低，流动性变大。在相同改良参数条件下，自制的4种聚合型泡沫剂对砂、卵石土的内摩擦角和渗透系数的改善效果比某进口泡沫剂更优，聚合型泡沫剂对砂卵石具有更好的止水和减磨作用。从改良前后碴土的坍落度数据以及对碴土的性状观测可以看出，加入泡沫剂改良后的碴土和易性得到明显改善，碴土的坍落度基本在150 mm左右，碴土颗粒间的黏聚性提高，改良后碴土内可见明显细小泡沫分布，碴土的蓬松度非常好。综合碴土性能测试结果和碴土性状观测，在自制4种泡沫剂中3#泡沫剂碴土改良效果最佳。

2 聚合型泡沫剂现场试验

在室内配制试验的基础上，为了进一步检验研制产品的工程实际应用效果，选用室内碴土改良效果最佳的3#聚合型泡沫剂(简称PSA)进行试产和现场应用试验。现场试验选取成都地铁3号线二三期工程土建5标龙桥路站至双凤桥站区间(简称“龙双区间”)右线进行。

2.1 工程地质概况

根据地质勘察报告，试验段属于川西平原岷江冲积地貌，地形开阔平坦，地势总体南高北低，局部呈微波状起伏。盾构区间内表层多为第四系全新统人工填土覆盖，表层下有冲积层黏性土、粉质黏土、砂土及卵石土，下伏基岩为白垩系上统灌口组泥岩、泥质砂岩，区间隧道范围内砂、卵石土综合含水层渗透系数K约为26～28 m/d，为强透水层，水量丰富，对区间隧道施工影响大。

试验区间隧道穿越地层为全断面砂卵石地层，以〈3-8-3〉密实状卵石层为主(卵石含量90%～96%，粒径为2～10 cm)，局部夹少量漂石(最大粒径20 cm)，填充物以圆砾、细砂、中砂为主。

盾构在该富水砂卵石地层掘进时，螺旋输送机容易出现喷涌现象，造成大粒径卵石不能被带出而沉积在土舱底部。大粒径卵石堆积后产生固结效应，使刀盘转矩突然增加，甚至刀盘被卡死。为减小卵石土的内摩擦角和土体的摩擦阻力，获得良好的流动性、流塑性和止水性，进行有效的碴土改良非常重要。

2.2 碴土改良系统

试验段施工盾构刀盘面板上共设计有6个碴土改良喷口，其中泡沫喷口(单管单泵)4个，膨润土喷口2个。膨润土喷口和泡沫喷口各自独立，添加了5路刀盘喷水口。碴土改良剂为泡沫剂和水，未采用膨润土改良。

2.3 现场试验结果及分析

在龙双区间右线第262—284环应用了自制聚合型泡沫剂PSA，对应里程为DK11+963.6～YDK11+998.0。在应用聚合型泡沫剂PSA掘进期间，现场统计了盾构总推力、掘进速度、刀盘转矩、螺旋输送机转矩、上部土舱压力等掘进参数以及泡沫剂消耗量，测试了改良碴土的容重、坍落度，观测了碴土的性状。为了对比自制聚合型泡沫剂与其他同类泡沫剂的使用效果，对第262—284环之前和之后同种地质条件下现场使用不同泡沫剂的掘进情况进行了统计分析。其中，第222—246环现场采用某国产知名品牌泡沫剂(简称“国产Ⅰ”)改良，第247—261环现场采用某国外品牌泡沫剂(简称“进口产品”)改良，第285—309环现场采用另一国产知名品牌泡沫剂(简称“国产Ⅱ”)改良。

2.3.1 采用不同泡沫剂的盾构掘进参数及泡沫剂消耗量对比分析

为了直观地对比自制的泡沫剂与现场应用的其他泡沫剂的使用效果，对各泡沫剂使用期间盾构掘进参数以及每环泡沫剂消耗量取平均值进行对比分析，结果如表4所示。

表4 采用不同泡沫剂的盾构平均掘进参数及泡沫剂消耗量对比Table 4 Average tunneling parameters and foam agent consumption of shield tunneling conditioned by different foam agents

由表4结果可知，自制聚合型泡沫剂PSA的应用效果与进口泡沫剂相当，每环泡沫剂消耗量更少。相比国产Ⅰ泡沫剂和国产Ⅱ泡沫剂，PSA泡沫剂各项指标更优，且优势明显。1)在盾构推力方面，使用进口产品时推力值最小，其次是PSA，使用国产Ⅱ时推力最大； 2)在盾构掘进速度方面，使用进口产品和PSA时掘进速度较快，达到55 mm/min以上，满足施工安全、快速的要求； 3)在刀盘转矩方面，PSA和进口产品在控制刀盘转矩、改良碴土性能方面效果相当，刀盘转矩较小； 4)在螺旋输送机转矩方面，4种泡沫剂相差不大，均在20 kN·m以内； 5)在上部土压方面，盾构掘进过程中均保持高压掘进，上部土压维持在0.15 MPa左右； 6)在每环泡沫剂消耗量方面，相同工况条件下，PSA消耗量明显比现场其他种类泡沫剂消耗量低，用量最省，经计算每环可节省泡沫剂用量9.5%左右，经济性最好。

2.3.2 改良后碴土性状对比分析

为了对比聚合型泡沫剂PSA和现场其他泡沫剂对碴土性能的改良效果，对部分环号的碴土进行取样测试，测试碴土的坍落度和容重，观测碴土的性状及碴土内泡沫的分布情况。试验结果如图2—6所示。

由碴土的性能测试、碴土性状观测结果及现场应用情况可以看出：

1)使用聚合型泡沫剂PSA改良后碴土的性状最好，坍落度大部分在135～195 mm，平均值为156.8 mm，碴土内可见大量微细泡沫，碴土呈黏稠状，和易性好，且水土不分离，整个应用过程中未发生喷碴、喷涌现象。

2)使用国产Ⅰ和进口泡沫剂改良后的碴土坍落度偏大，碴土偏稀，螺旋输送机出碴时经常出现喷碴现象，且出碴不连续，碴车内碴土出现水土分离现象。

3)使用国产Ⅱ泡沫剂改良后的碴土偏干，坍落度小，碴土内泡沫分布较少，流动性较差，碴土改良效果较差。

(a) 坍落度

(b) 容重图2 不同泡沫剂改良后的碴土坍落度及容重平均值对比Fig. 2 Average values of slump and bulk densities of soil after conditioned by different foam agents

(a) 第264环碴土

(b) 第278环碴土图3 聚合型泡沫剂PSA改良后碴土照片Fig. 3 Photos of soil conditioned by polymeric foam agent PSA

(a) 第243环碴土

(b) 第245环碴土图4 国产Ⅰ泡沫剂改良后碴土照片Fig. 4 Photos of soil conditioned by domestic foam agent No. 1

(a) 第247环碴土

(b) 第257环碴土图5 进口泡沫剂改良后碴土照片Fig. 5 Photos of soil conditioned by a imported foam agent

(a) 第286环碴土

(b) 第288环碴土图6 国产Ⅱ泡沫剂改良后碴土照片Fig. 6 Photos of soil conditioned by domestic foam agent No. 2

3 结论与建议

针对砂卵石地层特点，配制了聚合型泡沫剂，通过碴土改良试验对比各泡沫剂的碴土改良效果，确定了聚合型泡沫剂配方PSA，并在全断面富水砂卵石地层进行了应用研究，得到主要结论如下。

1)通过大量的室内配制试验，筛选出4组发泡和稳泡性能比进口泡沫剂性能更优的聚合型泡沫剂配方。

2)对筛选的聚合型泡沫剂进行碴土改良试验，利用室内试验条件测试泡沫剂的改良效果，并与进口泡沫剂进行对比试验，验证了聚合型泡沫剂对砂卵石地层的改良作用。改良后碴土的渗透系数在2×10-5cm/s左右，止水性得到较大提高；内摩擦角比改良前降低了4°～10°，减摩作用明显。

3)对碴土改良效果最佳配方PSA进行了现场应用研究。试验结果表明： 同种地质条件下，聚合型泡沫剂PSA碴土改良效果与现场使用的进口泡沫剂改良效果相当，明显优于国产其他品牌泡沫剂，满足全断面富水砂卵石地层盾构施工对碴土改良的要求； 同时，使用PSA泡沫剂每环可节约9.5%左右的材料用量，经济效益明显，具有广泛的推广应用价值。

4)聚合型泡沫剂针对砂层、砂卵石地层研制，对粗粒土的内摩擦角、渗透系数改良作用显著，但并不适用于黏性土地层。黏性土地层碴土改良材料需要针对其地质特点再进行专项研发。