砂-黏混合地层渣土改良及膨润土泥浆掺入规律研究*

董敏琪 陈志敏,2 黄 峰 肖瑞传 张会东 彭洪秋

(1.兰州交通大学土木工程学院， 730070， 兰州； 2.兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室， 730070， 兰州； 3.广州地铁集团有限公司， 511430， 广州∥第一作者， 硕士研究生)

将渣土改良为流塑性的理想状态，是土压平衡盾构顺利施工的关键[1]。国内外学者对渣土改良的新材料及常用材料新配方做了诸多研究。改良地层包括富水砂层[2]、砂卵石地层[3]、黏性土层[4]、风化花岗岩地层[5]及其他特定土层[6]。针对砂-黏混合地层盾构渣土改良鲜有研究。砂-黏混合地层兼具砂质地层与黏性土层双重特性：当部分地层黏粒含量居多时，会出现土舱结泥饼、土体易黏结刀盘等情况[7]；当地层砂粒含量居多时，会出现刀盘磨损、土舱堵塞及喷涌等情况[8]。通过室内试验得到的单一地层土的渣土改良配比方案无法将复杂地层的渣土改良达到理想状态。

广州地铁21号线(以下简为“21号线”)工程地层为砂-黏混合地层，其土压平衡盾构施工中遇到了上述难题。对此，本文基于21号线的工程地质情况，通过室内重塑土样，根据含砂率梯度及含水率梯度形成砂-黏混合地层土样集，对砂-黏混合地层的渣土改良进行研究，分析了改良剂掺入比规律，并拟合掺入比随地层含砂率及含水率变化的函数关系，以期为土压平衡盾构施工的渣土改良提供理论参考。

1 渣土改良剂的选择

在改良材料方面，国内外常用渣土改良材料有4大类，各自代表性材料分别是膨润土、泡沫剂、环氧树脂、CMC(羧甲基纤维)。其中膨润土因不透水性强、浆液流动性大、适用性广等优点被工程实践广泛采纳。本次渣土改良试验研究也采用膨润土浆液。目前常用的膨润土有钙基膨润土和钠基膨润土。

1.1 膨润土的选择

本研究采用小型泥浆搅拌机进行泥浆配置。首先，分别配置质量分数为1%～18%的钙基膨润土泥浆与钠基膨润土泥浆；然后，采用马氏漏斗黏度计，测出不同浓度下钙基膨润土泥浆和钠基膨润土泥浆的黏度，并绘制膨润土质量分数-泥浆黏度关系图，如图1所示。

图1 膨润土质量分数-泥浆黏度关系曲线

由图1可见，在质量分数相同的情况下，钠基膨润土的泥浆黏度更大。因此，钠基膨润土更加适合作为渣土改良剂。这与文献[9]的结论一致。

1.2 泥浆质量分数及膨化时间

21号线的土压平衡盾构机采用胶管挤压泵泵送膨润土泥浆。接入尾盾的支路管径为25 mm，相应有效内径Φ内≤20 mm，且接入盾尾的支路管上设有三通、球形阀等设备零部件。可预见，如果有泥浆疙瘩，则将会堵塞泥浆泵送设备，降低盾构安全性及施工效率。

在保证膨润土泥浆泵送畅通情况下，应尽可能采用黏度较高的泥浆溶液，其中的膨润土颗粒用于填充砂黏土颗粒之间空隙以降低改良渣土渗透系数，可保障盾构掌子面稳定性[10]。但试验也发现，当泥浆质量分数超过10%时，泥浆疙瘩增量明显，且泥浆疙瘩的直径增大。因此，配置泥浆的膨润土质量分数最优值为10%。

在膨润土膨化试验中发现，在泥浆质量分数为10%、搅拌机间隔搅拌18 h的膨润土泥浆中，仍存在微量直径约为1 cm、未融于水的泥浆疙瘩，附着于筒壁。因此需进一步优化。

通过室内试验，得到泥浆黏度与膨化时间的关系，如图2所示。由图2可知，增加泥浆膨化时间至24 h，不仅能有效减小泥浆疙瘩的直径和数量，还能增大膨润土泥浆黏度至靠近峰值，当超过24 h时，泥浆状态基本不再变化。因此，满足砂-黏混合地层施工要求的最佳膨化时间为24 h。

图2 膨化时间-泥浆黏度关系曲线Fig.2 Expansion time-slurry viscosity relationship curve

综合上述，本研究选取质量分数为10%、膨化时间为24 h的钠基膨润土泥浆作为标准改良剂。

2 砂-黏混合地层膨润土的掺入规律

2.1 理想状态渣土的的坍落度

参考工程实际和国内众多学者的研究成果，坍落度试验被广泛用来对改良后的盾构渣土状态进行评价。在室内试验中，改良后理想状态的渣土如图3所示。试验结果表明，在不同含砂率及不同含水率的情况下，在坍落度H为150～200 mm时，采用钠基膨润土改良后的盾构渣土均能保持良好的流塑性及保水性，达到理想状态。

a) 黏粒含量居多的渣土

2.2 室内渣土改良试验方案

土压平衡盾构渣土改良试验研究采用重塑土样。根据21号线地质勘探资料，盾构施工地层主要为砂-黏混合地层，其含砂率β大致为15%～85%；相应的含水率ω为8%～22%。

室内试验方案如下：

1)对室内重塑土样采用不同的β。对整个地层的β进行梯度分级，按砂的质量与砂-黏地层土总质量之比分别取20%、40%、60%、80%，形成β梯度土样集。

2)调查统计不同β地层的ω，确定ω范围。基于调研结果，划分ω梯度，形成砂-黏混合地层土样集如表1所示。

3)利用标准改良剂，对表1所示的土样集进行渣土改良研究。

表1 砂-黏混合地层土样集

2.3 渣土改良结果

β不同、ω不同的砂-黏混合地层土样塌落度随标准改良剂掺入比f的变化关系如图4—图7所示。

图4 β=20%时的f与H关系曲线

图5 β=40%时的f与H关系曲线

由图4～图7可知，β相同、ω不同时，理想状态渣土的改良剂掺入方案完全不同。例如：当β=20%、ω=15%时，渣土达到理想状态时(H=150～200 mm)的掺入比f为34%～41%；当β=20%、ω=21%时，f为15%～18%。由此可见，在β一样、ω不同的情况下，f相差较多。同理，ω相同、β不同时，f也完全不同。

图6 β=60%时的f与H关系曲线

图7 β=80%时的f与H关系曲线

由不同β下的f与H关系，可得到β相同时的f随ω变化的关系图(见图8)，以及ω相同时的f随β变化的关系图(见图9)。

由图8可知，当β相同时，随着ω的增加，f呈递减趋势。究其原因，渣土中所含水分会使渣土流塑性增大。

由图9可知，当ω相同时，随着土体β的增加，f也呈递减趋势。从微观上看，钠基膨润土泥浆填充在土颗粒的缝隙中，形成一层低渗透性薄膜，减小了渣土内摩擦角，从而增大渣土流塑性。土体β越高，黏粒含量越少，其比表面积越小，故包围土颗粒所需的膨润土泥浆量越少。由此，在土压平衡盾构施工现场，随着砂-黏混合地层β的变化，f也应相应调整。

2.4 f的取值

对H=150 mm及H=200 mm对应的f取平均值即为fav，结果如表2所示。

对表2中的结果采用二次函数拟合，得到在砂-黏混合地层中使用标准改良剂后，f随β及ω变化的函数关系经验公式：

图8 f随ω变化的关系曲线

图9 f随β变化的关系曲线

表2 不同ω及β对应的fav

f(β,ω)=0.719 7β2-1.565β+14.26ω2-

8.473ω+1.447βω+1.551

(1)

该拟合公式的确定系数R2=0.972 4，说明拟合效果较优。

3 结论

1)在相同质量比及施工条件下，与钙基膨润土相比，钠基膨润土的泥浆黏度更大。因此，钠基膨润土更适合作为土压平衡盾构标准改良剂。

2)根据泥浆泵送环境及泥浆状态，钠基膨润土泥浆浓度最优应为10%，膨化时间宜为24 h。此时，既满足砂-黏混合地层土压平衡盾构施工要求，也能保证盾构施工的安全性及高效性。

3)β不同时的f完全不同。在β相同、ω不同的工况下，f也完全不同。

4)砂-黏混合地层土压平衡盾构现场施工时，随着ω的增加，应调低f；随着β的增加,也应调低f。应避免因过多添加膨润土泥浆而导致出现渣土离析现象及工程不经济情况，也应避免膨润土泥浆添加不足而导致渣土达不到理想状态的情况。

5)拟合出f随β及ω变化的函数关系，且拟合效果较优。