南昌地铁砾砂层渣土改良技术试验研究

连小涛

(中铁四局集团城市轨道交通工程分公司 安徽合肥 230023)

1 引言

土压平衡盾构已经成为城市地铁修建的主要方法，由于盾构施工技术的发展，其地层适应性也越来越强[1]。土压平衡盾构施工时要求渣土具有较好的流动性、适宜的黏度、低摩擦力和低渗透性[2]。在复杂地层中掘进时，通常使用渣土改良方法来改良渣土的性能以满足盾构施工要求，确保施工顺利进行，保证工程的安全性。对于黏性土地层通常需要改良剂提供润滑效果，减少渣土的粘附和堵塞情况。常用的改良剂包括泡沫剂、高分子材料等[3-5]。而对于砂性地层，则需要通过改良来减小渣土对刀盘的磨损，减小渣土的渗透性。常用的改良剂有泡沫、膨润土、高分子材料等。

各国学者对渣土改良方法进行了大量研究。Miguel P[6]概述了发泡器的发泡机理以及砂土地层的不同渣土改良方式；Lisa Mori[7]等针对标准中砂进行渣土物理力学试验，研究了多个参数对渣土改良效果的影响；邱龑[8]等人针对富水砂卵石地层进行渣土改良研究，通过室内渗透试验及压缩试验对不同改良剂的效果进行对比；叶新宇[9]等人采用室内试验以及盾构掘进参数验证的方式对泥质粉砂岩地层渣土改良技术进行研究，并通过工程验证了渣土改良的效果；郭彩霞[10]等对砂卵石地层进行膨润土和泡沫添加剂现场试验和分析，研究得出膨润土和泡沫改良能够降低盾构推力、扭矩以及渣温，还有助于保持土舱压力；肖超等[11]针对南昌地铁泥质粉砂岩进行渣土改良试验和数值计算，讨论了泡沫和膨润土的改良机理，以及渣土改良对渣土内摩擦角、掌子面压力、地表沉降的影响。但以往的研究较少涉及砾砂层和泥质粉砂岩结合的渣土改良方法，缺少对类似地层工程案例的研究。因此，针对砾砂层与泥质粉砂岩复合地层进行渣土改良参数研究具有重要意义。

南昌市轨道交通3号线主要地质条件为砾砂层、风化泥质粉砂岩，穿越上软下硬地层，地层工程性质差异大。南昌地铁穿越地层裂隙水发育，在盾构掘进过程中，中风化泥质粉砂岩在施工中的高压富水条件下易崩解，掘进过程中易出现螺旋机喷涌及土仓保压困难的问题，施工中采取降低土仓排土量的方式堆积舱内土体，从而建立土仓压力。但此处置方式下刀盘及舱内易出现结泥饼现象。可见，南昌地铁盾构施工对渣土改良技术的需求尤为迫切。

2 工程概况

南昌市轨道交通3号线工程土建施工07合同段位于南昌市老城区(东湖区、青山湖区及高新区)，项目包括三站三区间，分别为上沙沟站-青山湖西站区间、青山湖西站、青山湖西站-国威路站区间、国威路站、国威路站-火炬广场站区间、火炬广场站，区间左线长3 102.517 m，区间右线长3 109.109 m。区间主要在砾砂层和强风化泥质粉砂岩中穿越，部分地段穿越上软下硬地层，青山湖西站-国威路站区间下穿青山湖。由于砂性地层摩擦系数较大，盾构掘进中刀盘刀具磨损严重。此外由于区间穿越地层稳定性较差、渗透系数高且地表水丰富，施工中若处置不当极易发生掌子面塌方、螺旋机喷涌、地表沉降过大等问题；盾构在国威路站-青山湖西站区间部分穿越强风化泥质粉砂岩，土体黏性颗粒含量较高，施工中黏性颗粒粘附在刀盘及刀具上将影响刀具工作状态，轻则拖慢施工速度，重则引起刀盘刀具丧失正常工作状态，从而导致施工被迫停止。

本文试验针对该区间的砾砂层，土体为现场提供的砾砂，将土体烘干后备用，试验前加入清水配成一定含水率的土样。

3 渣土改良原理

泡沫剂渣土改良就是通过盾构机的泡沫添加设备向刀盘面板注入添加剂，在刀盘的搅拌下渣土与泡沫剂均匀混合，改善渣土的流动性，降低土体的黏度和摩擦阻力，并改善渣土透水性，进而满足在地层条件较差的情况下盾构施工对渣土性能的要求，以保证施工顺利进行。

从微观层面来说，渣土改良主要是依靠泡沫对土体的性质进行改善。气泡是气液两相体系，而盾构渣土主要是液固两相体系，泡沫渣土改良就是通过注入泡沫将渣土改变为气液固三相物质。土体中气泡的注入能够减少土颗粒间的接触，起到分散和润滑的作用，进而减少粘附并降低土体的剪切强度，提高土体的压缩性能(见图1)。

图1 泡沫改良原理

泡沫由发泡液和压缩空气经过发泡装置产生，常用的发泡剂性能参数包括发泡剂发泡倍率和半衰期，分别表征发泡剂的发泡能力和泡沫稳定性。实际工程中通过盾构机后方的发泡系统产生泡沫并从刀盘上注入地层。工程中需关注的泡沫参数包括泡沫剂使用浓度、泡沫注入率、泡沫发泡倍率。泡沫注入率(FIR)是指单位体积土体中注入的泡沫体积。

通常泡沫剂使用浓度为2% ～3%，发泡倍率为10～20，注入率为20% ～80%。常用的改良剂包括膨润土和泡沫改良剂，其中膨润土主要用于砂性地层的渣土改良，而泡沫剂则用于黏土地层，在一些情况下也可能综合使用多种发泡剂进行改良。

4 渣土改良试验与结果分析

4.1 渣土改良试验

通过泡沫剂的基础试验和针对改良土体的坍落度试验可以表征泡沫剂的性能，评价渣土改良方法的有效性。

(1)泡沫剂基础性能试验

泡沫搅拌试验是将配制好的一定浓度的泡沫剂溶液用搅拌机以一定速度搅拌一定时间，进而观察泡沫的发泡高度和半衰期。泡沫的发泡高度即泡沫在烧杯中的高度，通过烧杯刻度读取；泡沫半衰期是指泡沫体积衰减到搅拌结束时一半体积的时间。泡沫搅拌试验是评价发泡剂性能的较为简便的方法，可操作性强。本试验采用0.1% ～7%浓度的发泡剂A和发泡剂B，分别进行搅拌试验，用搅拌机以2 000 rpm的速度搅拌3 min，记录搅拌完成时的发泡高度及各溶液的半衰期。

(2)改良渣土坍落度试验

坍落度试验能够简易地综合评价渣土的和易性。在试验时，先踩住坍落筒底部，向桶内分次加入土体并用捣棒捣实，然后快速垂直提起坍落筒，量出土体的坍落高度。施工要求的渣土应具有一定的塑流性，但流动性不宜过大。通常施工要求的渣土坍落度在10～15 cm之间。

试验所用土体取自南昌地铁现场砾砂层，在实验室先将土样完全烘干，在使用前加入一定量的水混合后形成还原土。烘干后的土样如图2所示，土样级配如图3所示。

图2 砾砂土样

图3 土样级配曲线

进行坍落度试验前先用泡沫发生系统制备符合要求的泡沫，将泡沫按试验规划的注入率注入土体并均匀搅拌，然后放入坍落筒进行坍落度试验。坍落度试验分组见表1。

表1 坍落度试验分组

4.2 试验结果及讨论

(1)发泡剂基础试验结果

发泡剂的半衰期及发泡高度试验结果如图4、图5所示。可以看到，发泡剂A和发泡剂B浓度低于3%时泡沫半衰期随浓度的增加而增加，在3%～4%时均达到半衰期峰值；当浓度超过3%后，发泡剂B的半衰期不断减小，发泡剂A的半衰期基本不变，只有小幅增长。结合半衰期试验结果和工程经济性考虑，可以使用3%作为泡沫剂使用浓度。

图4 发泡剂半衰期随浓度变化曲线

图5 发泡剂发泡高度随浓度变化曲线

从泡沫剂的发泡高度曲线可以看出，发泡剂A和B的发泡能力在浓度达到1%后基本保持稳定，稳定后发泡剂A的发泡能力略优于发泡剂B。

综合发泡剂A和发泡剂B的泡沫搅拌试验结果可以得出，泡沫剂的建议使用浓度为3%。发泡剂A的发泡能力略优于发泡剂B，实际改良效果还需要通过坍落度试验来进一步探究。

(2)坍落度试验结果

采用浓度为3%的发泡剂A、B，发泡倍率为16，针对含水率为4%的砾砂土样分别注入不同的泡沫，进行坍落度试验。坍落度试验现场见图6，坍落度随注入率变化曲线见图7。

图6 坍落度试验情况

图7 坍落度随泡沫剂注入率变化曲线

可以看出在注入率小于20%时砾砂坍落度较小，坍落筒提起后土样基本不变化；当注入率在20%～40%之间时，坍落度迅速增长。当注入率较大时，改良土体出现渗水情况，坍落度过大。

从坍落度随注入率变化曲线中可以看出，注入率小于20%时土体的坍落度变化不大；在注入率超过20%后，随着注入率的增大，土样的坍落度开始迅速增长；当注入率超过40%后土体的坍落度基本不再增长。对于发泡剂A和发泡剂B，泡沫剂对土体流动性的改良效果都在注入率大于40%后达到上限。从试验结果可以看出，两种发泡剂对土体坍落度的影响程度相似，在注入率为20% ～30%时能够使土体的坍落度数值在10～15 cm范围；在注入率超过30%后，发泡剂B的改良效果优于发泡剂A，能够使土体坍落度继续增长到20 cm以上，发泡剂A改良的土体坍落度最大约为17 cm。

坍落度试验结果表明，对于两种发泡剂，建议的泡沫注入率为20%～30%，两种发泡剂对于土体流动性的改良效果相近。

5 结论

渣土改良技术能够有效地改善渣土的物理力学性能，降低了盾构的扭矩和推力，减少刀具磨损和结泥饼情况，能够提高施工效率，保证施工的稳定性和安全性。本文以南昌地铁3号线盾构区间为工程背景，进行了发泡剂基础性能试验，并针对该区间的砾砂层进行改良渣土坍落度试验，对改良效果进行了分析，主要研究结论如下:

(1)通过发泡剂基础性能试验得出，发泡剂A和发泡剂B的最佳使用浓度为3%，两种发泡剂的基础性能较为接近。

(2)针对工程所在的砾砂层进行改良渣土的坍落度试验。通过试验可以看出，在注入率小于40%时可以提高渣土的流动性，但在注入率大于40%后不再对土体有改良效果。

(3)在试验所用的土样条件下，建议使用的泡沫注入率为20% ～30%，能够使渣土的流动性达到盾构掘进的要求。