泡沫和膨润土泥浆对改良砂土渗透性的研究*

齐跃军

(中铁十八局集团有限公司， 300222， 天津∥工程师)

0 引言

土压平衡盾构具有施工效率高、掘进速度快、对周边环境影响小及施工占地少等优点，成为城市地铁隧道施工的主要机械。其根据土舱压力反馈调节螺旋出土和盾构推进速度以维持掌子面水土压力动态平衡。盾构掘进过程中的一个关键施工步骤，即为如何使刀盘切削下来的土体处于一种低渗透性“塑性流动状态”。因此，要对土舱内的渣土采用泡沫、膨润土泥浆等添加剂进行改良[1]。

土压平衡盾构在富水砂层中掘进时要求土舱中渣土具有较好的流塑性和均质性，以便能够无损传递盾构千斤顶推力至掌子面，维持水土压力平衡[2-3]。除了要求渣土具有较好的流塑性和较小的摩擦角外，低渗透性也是非常重要的。当盾构机埋深在地下水位以下且水压较大时，只有低渗透性的渣土才能均匀地将盾构推力传递至掌子面以维持平衡，同时可阻止掌子面水向土舱发生渗透而引起的喷涌事故发生[4-5]。因此，为防止喷涌事故发生，同时考虑管片拼装盾构停机时间损耗，改良后砂土理想渗透系数至少在90 min内应维持小于10-5m/s[6]。在隧道掘进前可通过试验段或室内改良试验确定合理的改良剂配比以实现最佳渣土改良效果，同时可量化渣土改良参数降低砂土渗透性，用于指导现场盾构施工。

目前，国内外众多学者针对改良后土体渗透性进行了探究。文献[2]对9种土在不同泡沫注入率(0～65%)下开展渗透试验，试验结果表明泡沫对砂性土渗透性改良效果较好，对卵石土和粉土改良效果较差。文献[4]设计变水头渗流试验装置，研究了改良后渣土渗透系数的时变效应。文献[5-6]通过常水头渗透试验，以泡沫改良土渗水量达到2 L所耗时间来表征泡沫改良土的渗透性，试验结果表明土体中细颗粒含量越多，改良土的抗渗性越好。文献[7]提出泡沫能否有效降低渣土的渗透系数，取决于渣土的级配特性，通过改变土的有效粒径、曲率系数和不均匀系数，对泡沫改良后的渣土进行渗透试验得出有效粒径对渣土渗透系数的影响较大，曲率系数和不均匀系数对渣土渗透系数的影响较小。文献[8]通过常水头渗透试验，从砂土级配、泡沫体积分数及泡沫注入率3个方面研究盾构砂性渣土-泡沫混合物渗透系数的变化规律。文献[9]通过自行设计的可调压大型常水头渗透仪对现场改良渣土进行渗透性评价，结果表明其渗透系数随着测试时间的增加而降低，在2 h后减为0，原因在于渣土中的细颗粒逐渐被渗流水携带至土样底部而形成完全不透水土体。文献[10]针对富水圆砾地层，采用CMC(羧甲基纤维素)、膨润土泥浆和PAM(聚丙烯酰胺溶液)均可有效改善渣土渗透性，且渗透性随着注入比的增大而增大，泡沫的掺入对泥浆和PAM共同改良渣土的渗透性无影响。文献[11]推导了盾构机喷涌时掌子面水压力和渗流量的理论公式，提出了不同城市土层掘进过程中发生喷涌的临界条件。

综上所述，目前许多学者分别对不同地层采用泡沫改良后的土体渗透性进行了大量的试验研究，但尚未进行不同改良剂对高渗透性、高水压砂层渗透性影响的试验研究。本文以南昌地铁4号线民园路西站—火矩路站区间为例，对掌子面砂土进行颗粒级配分析，采用泡沫和膨润土进行改良试验，通过坍落度试验、渗透试验及渣土表观状态，综合判断渣土改良效果、抗渗性和量化砂土改良参数的控制指标。

1 工程概况

根据隧道地质纵剖面图，民园路西站—火矩路站区间盾构穿越地层为由粗砂和砾砂组成的富水砂层区，其地层纵剖面图如图1所示，砂土物理力学参数如表1所示。隧道埋深5.6～16.2 m，地下水位埋深约4.0～6.0 m，静水压力约140～220 kPa。七里站—民园路西站区间隧道为高渗透性、高水压砂层，渗透系数约为10-4～10-3m/s，盾构穿越时，螺旋输送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、喷泥的现象[11]。

图1 民园路西站—火炬路站区间地质剖面图Fig.1 Geological section of Minyuan Road West Station—Huoju Road Station interval

表1 砂土物理力学参数 Tab.1 Physical and mechanical parameters of sand soil

2 渣土改良降低渗透性的机理分析

2.1 改良目的

目前，南昌地铁车站大部分建设在沿赣江两岸的I级和II级河流阶地中。其中大量区间隧道穿越富水砂层，使盾构掘进开挖后的渣土具有高透水性，由此容易导致螺旋机喷涌；同时砂土内摩擦角大，容易在土舱顶部形成土拱效应[12]，导致出渣困难、掌子面压力施加不均匀，因而诱发地表沉降过大。文献[13]总结了采用土压平衡盾构掘进时理想渣土条件(见表2)，渣土改良的主要目的如下：① 降低砂土渗透系数;② 改善砂土流动性;③ 降低砂土内摩擦角;④ 获得均质流塑性渣土。

表2 土压平衡盾构理想渣土参数

2.2 微观机理分析

1) 泡沫改良砂土的微观机理分析：砂土的渗透系数与颗粒级配、颗粒大小及孔隙率密切相关，砂土中细颗粒含量多，相应的渗透性就会低。文献[15]把泡沫看成一种土颗粒，在砂土中添加泡沫相当于增加了砂土细颗粒含量，由于泡沫90%是由空气组成，使砂土孔隙中增加了大量的封闭气体，这些封闭气体以泡沫的形式存在，阻断了砂土孔隙水的渗流通道，达到降低渣土渗透性的目的。泡沫改良砂土后渗透性降低主要原因就是微小泡沫对砂土孔隙的封堵作用。

2) 膨润土改良砂土的微观机理分析：膨润土按交换的阳离子不同分为钠基和钙基两种，目前盾构施工时常使用钠基膨润土进行渣土改良，其颗粒晶胞间靠微弱的分子间作用力连接，当与水接触时，由于晶胞间连接不紧密，水分子可快速进入膨润土颗粒晶胞之间，促使晶格发生膨胀，一般膨胀倍数为10～40倍，形成膏脂状膨润土泥浆后渗透系数小于10-7m/s，几乎不透水[16]。在与砂土相互搅拌混合后，可使砂土渗流通道变窄，极大地降低了砂土的渗透系数。

通过泡沫、膨润土泥浆等不同改良剂组合配比对渣土进行改良，最终可在盾构土舱内形成均质、不透水的流塑性材料，如图2所示。

3 试验材料及方法

3.1 砂土配置

本文改良后渣土的渗透性试验采用的设备是TST-55型渗透仪，土样尺寸为φ61.8 mm×40 mm。试验所用砂土取至民园路车站基坑中，深度同盾构掘进掌子面深度，测试土的主要参数包括砂土颗粒级配、含水率及渗透系数。根据《铁路工程土工试验规程》，分别采用震动式筛分机和TST-70型常水头渗透仪测定砂土颗粒级配及砂土渗透系数。砂土颗粒级配曲线如图3所示。

图2 土舱内渣土形成不透水性材料过程Fig.2 Process of impermeable material formed from muck in soil chamber

图3 砂土颗粒级配曲线Fig.3 Grading curve of sand soil

通过图3颗粒级配曲线分析可知，该砂土缺失细颗粒组(粒径<0.075 mm)，在富水砂层中盾构掘进时极易因渣土渗透系数过大而发生喷涌现象，严重时甚至诱发地表沉降过大。经6次常水头渗透试验测得未改良砂土的平均渗透系数为1.143×10-4m/s。

3.2 膨润土泥浆配置

结合现场调研资料、地层参数及膨润土本身特性，选择土与水的质量比为1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10共5种膨润土泥浆进行泥浆黏度测试及改良试验。具有一定黏度的膨润土泥浆可以有效地包裹住大粒径土颗粒及填充颗粒之间的孔隙，以增强砂土的流动性，减少砂颗粒与刀盘之间的摩擦。但泥浆黏度过大可能会造成泥浆输送系统的压力过大，不利于流畅地泵送。对于富水砂层改良，膨润土泥浆黏度在20～30 mPa·s之间的改良效果较好[17]。为获得理想黏度对应的膨润土泥浆土与水的质量比，实验室采用六度旋转黏度计进行了5种不同土与水质量比的膨润土泥浆黏度测试，如图4所示。

图4 不同土、水质量比的膨润土泥浆黏度测试Fig.4 Performance testing of bentonite slurry with different soil-water mass ratio

通过膨润土泥浆黏度试验分析得出，膨润土泥浆土与水的质量比为1∶8 时，符合盾构施工用膨润土泥浆黏度要求。

3.3 泡沫制备

根据文献[18]研究，采用泡沫剂溶液浓度为3%发出的泡沫改良渣土效果理想。实验室采用的泡沫剂取于施工现场，以确保试验结果对施工的指导性。将泡沫剂溶液通过发泡设备制备泡沫。

4 富水砂层改良渗透性试验

为了测定改良后的砂土是否满足渗透性及盾构机掘进要求，需要开展不同改良剂对砂土渗透性影响的试验研究。分别进行单一泡沫改良、单一膨润土改良、泡沫+膨润土复合改良及添加聚合物改良等4种试验，最终确定土压平衡盾构在富水砂层中掘进的最佳改良剂配比。

4.1 单一泡沫改良渗透性试验

图5给出了单一泡沫改良后砂土渗透系数k和坍落度S随泡沫注入率的变化情况，泡沫注入率区间为5%～20%，梯度为5%。在泡沫注入率达到15%～20%后，S达到225 mm，此时流动性较大，渣土状态接近流态，不利于螺旋出土器排渣。因此，对于单一泡沫改良富水砂层的渗透性试验，不研究注入率大于20%。由图5可见，砂土渗透系数随着泡沫注入率的增加先急剧下降，之后缓慢下降；S随着泡沫注入率的增加而增加，在注入率达到15%后，S变化趋于平缓。

综上所述，泡沫对砂土流动性能够起到明显的改善作用，泡沫注入率为10%时S已达到盾构掘进要求；k虽随着泡沫注入率的增加逐渐减小，但未达到盾构排渣过程中防喷涌要求(k<10-5m/s)。所以，对于富水砂层单一泡沫改良可达到渣土流动性指标，但无法达到渣土抗渗要求。

图5 渣土k和S随泡沫注入率的变化曲线Fig.5 Curve of permeability coefficient (k) and slump (S) varying with FIR of muck

4.2 单一膨润土改良渗透性试验

图6给出了单一膨润土改良后砂土的k、S随膨润土注入率的变化情况，注入率区间为5%～30%，梯度为5%。由图6可见,砂土k在膨润土注入率为10%～15%范围内急剧下降，在15%～30%范围内缓慢下降;S随着膨润土注入率的增加而增加，S在膨润土注入率为5%～15%内缓慢增加，在15%～25%内急剧增加，在25%～30%内又趋于平缓。当膨润土注入率达到10%时，k为2.9×10-6m/s，达到渣土抗渗、防喷涌要求;当膨润土注入率为20%～25%时，渣土S在150～200 mm，砂土才具有较好的流动性。

图6 渣土k和S随注入率的变化曲线Fig.6 Curve of permeability coefficient (k) and slump (S) varying with BIR/FIR of muck

综上所述，对砂土采用单一膨润土泥浆改良可达到渣土抗渗要求，也可达到流动性要求，但需要较大的注入率，对现场施工配置泥浆而言工作量较大且不经济。膨润土泥浆能够明显降低砂土渗透系数并达到抗渗要求，对砂土的流动性改善作用不如泡沫，即泡沫对砂土流动性改善起主导作用，膨润土泥浆对砂土渗透系数改善起主导作用，两种改良剂之间之间又存在相互促进作用，因此可考虑两种改良剂对砂土进行复合改良，在满足流动性和渗透性基础上确定复合改良配比。

4.3 复合改良渗透性试验

通过单一泡沫改良砂土试验分析可知，当泡沫注入率在10%～15%时，渣土对应的S为170～220 mm，满足盾构掘进中螺旋排渣要求。通过单一膨润土泥浆改良试验，当膨润土泥浆注入率达到10%时已满足渣土抗渗要求。因此，考虑到两种改良剂的各自特性及各自单一改良砂土试验结果，分别对砂土进行了泡沫注入率为10%、膨润土注入率为10%，泡沫注入率为15%、膨润土注入率为10%两组复合改良试验。2种改良剂配比条件下砂土S及k值如表3所示。

表3 砂土复合改良试验结果

5 结语

本文主要通过改良后砂土的变水头渗透试验及坍落度试验，探讨了泡沫和膨润土泥浆对砂土渗透性的影响规律，得出以下结论：

1) 单一泡沫改良时，随着泡沫注入率的增加，砂土的k值虽有所降低，但达不到盾构掘进时螺旋机渣土抗渗要求；砂土的流动性可得到明显的改善，在泡沫注入率为10%时，已达到盾构要求的渣土流动性指标。

2) 单一膨润土泥浆改良时，随着膨润土泥浆注入率的增加，砂土的k值明显降低，在k<10-5m/s时已达到盾构要求的渣土抗渗性性指标；当膨润土注入率为20%～25%时，才能达到渣土流动性要求。

3) 通过单一泡沫和单一膨润土泥浆改良试验可知:仅使用泡沫改良可达到流动性指标但无法达到渣土抗渗指标；仅使用膨润土泥浆改良可达到渣土抗渗指标，也可达到流动性指标，但需要膨润土泥浆注入率大于20%。因此，泡沫主要用来改善砂土流动性，膨润土泥浆主要用来改善砂土的抗渗性。采用泡沫+膨润土泥浆复合改良时，合理的改良剂配方为：泡沫注入率=10%～15%、膨润土注入率=10%。此时，在优化泡沫和膨润土泥浆注入率的基础上既能够达到渣土抗渗要求，也能够达到流动性要求。