土压平衡盾构用泡沫剂改良无水细砂层试验研究

2022-01-19王明杰王德乾谢宇飞斯芳芳

铁道建筑技术 2021年12期

王明杰王德乾李博谢宇飞斯芳芳

(1.北京中铁新材料技术有限公司北京 102600；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司北京 102600；3.中铁物资集团有限公司北京 100143)

1 引言

盾构施工中常会遇到黏土层[1－2]、砂层、砂卵石层[3－4]和上软下硬地层等多种地层。其中砂层包括无水砂层、无水砂卵石地层、富水砂层以及富水砂卵石地层。例如北京是无水砂层和砂卵石层的典型代表，成都是富水砂层和砂卵石层的典型代表[5－7]。土压平衡盾构机在砂层掘进中，会遇到刀盘扭矩过大、刀具磨损严重和“喷涌”等施工难题[8]。这些难题轻则引起刀盘刀具磨损严重，提高施工成本，施工延期；重则引起掌子面塌陷，导致地基下沉，甚至造成较大施工安全事故[9]。因此，施工时必须对盾构施工渣土进行有效改良，确保盾构机安全掘进。

据文献调研，在宁句线句容站至东句盾构井区间施工过程中，柏春林[10]研究了分散型泡沫剂和水改良渣土前后扭矩的变化，改良前后刀盘扭矩分别为3 200～4 000 kN·m、2 000～2 500 kN·m，下降37.5%左右。在长春地铁二号线西延线施工过程中，李树忱等[11]研究了在盾构刀盘处加入自制的改良剂进行渣土改良，改良后刀盘扭矩降低约26.4%。在西安地铁一号线二期施工过程中，王彦臻[12]研究了膨润土和泡沫改良砂层，改良后刀盘扭矩下降15.2%。以上施工案例中，改良后扭矩降低量明显不同，究其原因，是因为目前施工单位相关人员对改良剂产品种类的选择、性能参数的设定和改良剂的注入量不了解，施工时靠经验进行调整，并没有试验数据和技术理论指导。

为了研究改良剂加入盾构渣土前后扭矩的变化情况，中铁五院联合绍兴市吉达仪器设备有限公司设计研制出一台专用于在实验室模拟盾构施工渣土改良的扭矩测试仪。

本文选择一种河砂模拟盾构施工所遇到的无水细砂层，研究其经过改良剂改良前后的扭矩、坍落度等变化规律，为盾构施工所遇到的无水细砂层渣土改良提供技术参考。

2 试验材料和设备

试验材料包括河砂、水和自制盾构泡沫剂。试验设备如表1所示。

表1 __试验设备

河砂进场前经过新标准工程直径为1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm的砂石网进行筛选后得到河砂的级配曲线，如图1所示。试验进行前将河砂进行干燥处理，得到无水河砂，待用。

图1 细砂级配曲线

自制盾构泡沫剂是实验室研制的专用于盾构施工渣土改良用的产品，实验室选用和盾构施工相同的3%的水溶液进行渣土改良。试验用水为自来水。

渣土改良扭矩测试仪是一台实验室专门用于模拟盾构施工中刀盘切削土层的扭矩测试仪器。该仪器通过数字调速系统调节搅拌桨的转速来模拟刀盘对土层的切削，通过动态扭矩传感器进行实时扭矩变化值的监控，最终通过监控软件自动生成扭矩随时间的变化曲线。

发泡装置是一套专门用于实验室模拟盾构施工中泡沫剂发泡的试验设备。该设备通过一定压力、一定流量的实验室自制盾构泡沫剂的水溶液与一定压力、一定流量的压缩空气在发泡枪相遇，并在充满蜂窝状发泡材料的发泡枪中进行发泡，获得泡孔均匀、发泡率高、稳泡性好的泡沫。

半衰期测试装置是专门用于测试盾构泡沫剂经发泡之后形成的泡沫稳定性的仪器，如图2所示。

图2 半衰期测试装置

3 评价指标

3.1 盾构泡沫剂评价指标

盾构泡沫剂在土压平衡盾构施工中最重要评价指标为发泡性和稳泡性。

发泡倍率(ER)是表征盾构泡沫剂发泡性的技术参数。计算公式为:

式中:Vf为泡沫体积；Vl为发泡剂溶液体积。

半衰期是表征盾构泡沫剂经发泡装置所发泡沫稳定性的技术参数，其测试方法:

将衰落桶置于电子天平上，归零；用衰落桶盛满发泡装置刚生成的泡沫，并启动秒表，同时迅速将其置于电子天平上，测出泡沫的质量；然后再迅速将其置于三脚架上，衰落桶底部为烧杯和电子天平，滴入烧杯中的泡沫剂水溶液的质量为衰落桶内泡沫质量一半时所用的时间，即为半衰期，用t1/2表示，单位为min。

3.2 河砂流塑性评价指标

渣土流塑性参照表征混凝土流动性的指标——坍落度。坍落度在一定程度上反映了土体的流塑性，但难以反映盾构渣土的整体改良状态[16]。因此，课题组研制了渣土改良扭矩测试仪模拟盾构施工中刀盘扭矩的变化，并提出“渣土扭矩”指标与坍落度协同表征盾构渣土改良效果[13]。

乔国刚[14]等的研究成果中提到盾构施工渣土经泡沫剂改良后的坍落度最佳范围为10～16 cm。商跃峰[15]在研究成果中总结出盾构渣土经泡沫剂和高分子聚合物改良后的变化规律。坍落度低于14 cm时河砂塑性太强，流动性太差，导致渣土难以排出；高于17 cm时河砂流动性太强，塑性太差，导致掌子面难以稳定，不利于施工顺利进行，故改良无水河砂的坍落度最佳范围为14～17 cm。

坍落度试验参照«混凝土结构工程施工及验收规范»(GB 50204—2002)规定，参考朱传新[17]在坍落度试验的具体试验步骤进行。

4 河砂改良试验

4.1 不同质量的水对河砂改良前后的扭矩影响

首先称取10 kg河砂置于搅拌缸内，设定搅拌转速为10 r/min，待搅拌桨叶下降至最底端时，开始试验，曲线平稳后，再加入一定质量的水，待扭矩值稳定后，得到三个阶段的扭矩变化趋势，如图3a所示，其中曲线①、②、③分别为未加入水时、加入水后、改良后河砂的扭矩曲线。

不同质量的水改良河砂后所得到的扭矩曲线如图3所示，坍落度如图4所示。

图3 不同质量水改良10 kg河砂扭矩曲线

图4 不同质量水改良10 kg河砂后河砂形态

由图3可知，200 g水改良河砂后扭矩由5 N·m升高到9 N·m，改良后扭矩升高比例为80%；同理，400 g、600 g、2 000 g水改良河砂后扭矩升高比例分别为110%、200%、40%。由图4 可知，200 g、400 g、600 g水改良河砂后的坍落度分别为7、7、9 cm。2 000 g水改良后的河砂已丧失塑性。

综上所述，水作为改良剂改良河砂并没有降低渣土在改良时的扭矩，反而使得扭矩增大；当加入过量水后，河砂将完全丧失塑性，渣土形态极差。因此，盾构施工中遇到无水砂层时，杜绝使用单一的水作为改良剂。

4.2 不同质量的泡沫作为改良剂对河砂扭矩影响

试验操作步骤见4.1，其中改良剂为3%自制泡沫剂的水溶液，采用中铁五院自制泡沫发生装置进行发泡，发泡参数如表2所示。

表2 发泡倍率为22.7的盾构泡沫剂发泡参数

在同一发泡倍率下采用200、400和600 g泡沫改良河砂后得到的扭矩曲线和渣土形态如图5所示。

图5 不同质量泡沫改良河砂后河砂扭矩曲线与形态

由图5可知，200 g泡沫改良河砂后扭矩由5.5 N·m降到了3.5 N·m，降低比例为36.4%；同理，400、600 g泡沫改良河砂后扭矩降低比例分别为50%、54.5%，坍落度分别为14、23、23 cm。综上所述，泡沫作为改良剂改良河砂明显降低了其扭矩。综合考虑泡沫改良后的河砂扭矩降低值与坍落度的协同，当盾构发泡剂发泡倍率为22时，使用200 g泡沫改良10 kg河砂，效果较优。

4.3 不同发泡倍率的泡沫对河砂扭矩影响

试验操作步骤见4.2，发泡参数如表3所示。

表3 不同发泡倍率的盾构泡沫剂发泡参数

发泡倍率分别为10.5、15.2和22.7的泡沫改良河砂后所得到的扭矩曲线和渣土形态如图6所示。

由图6可知，发泡倍率为10.5的200 g泡沫改良河砂后扭矩由7.5 N·m降至7 N·m，降低比例为6.7%；同理，发泡倍率为15.2、22.7的200 g泡沫改良河砂后扭矩降低比例分别为30%、36.4%。坍落度分别为14、15、14 cm。将不同发泡倍率的泡沫与对应改良后的渣土扭矩降低比例制图，如图7所示。

图6 不同发泡倍率的泡沫改良后河砂扭矩曲线与形态

图7 200 g不同发泡倍率泡沫改良10 kg河砂扭矩降低比例

由图7可知，河砂经发泡倍率分别为10.5、15.2、22.7的泡沫改良后的扭矩分别降低了6.7%、30%、36.4%。当发泡倍率由10.5增至15.2，扭矩降低程度(4.3倍)高于由15.2增至22.7(1.2倍)，即随着发泡倍率逐渐增大，扭矩降低百分比增大缓慢。因此，建议使用发泡倍率为15左右的泡沫改良无水细砂层，渣土改良状态好，符合实际施工需求。

4.4 河砂质量与泡沫使用量的关系

试验操作步骤见4.2，使用发泡倍率为15的泡沫分别改良10、15和20 kg河砂，使用泡沫量分别为200、290和400 g，发泡参数如表4所示。

表4 发泡倍率为15的盾构泡沫剂发泡参数

所得到的扭矩曲线图和河砂形态如图8所示。

图8 不同比例的泡沫和河砂改良后河砂扭矩曲线与形态

由图8可知，发泡倍率为15的200 g泡沫改良10 kg河砂后使扭矩由5.5 N·m降到3.5 N·m，降低比例为36.4%；同理，290 g∶15 kg扭矩降低比例为52.6%；400 g∶20 kg扭矩降低比例为65.1%。坍落度分别为14、14、15.5 cm。

由扭矩改良曲线推测改良不同质量的河砂所用的泡沫质量存在一定的线性关系，泡沫质量和河砂质量之间的关系如图9所示。

图9 泡沫质量与河砂质量关系曲线

由图9可知，河砂质量与改良用的泡沫消耗量的比例属于线性拟合:y＝20x，即每10 kg无水河砂需要0.2 kg泡沫进行改良。结合上述试验结果可知，随着细砂的增多，泡沫用量按照公示比例增大，10、15、20 kg的无水河砂改良后的扭矩值分别降低36.4%、52.6%、65.1%。其改良渣土坍落度分别为14、14、15.5 cm，均有较好的流塑性。因此，该拟合曲线合理。