富水砂层地铁盾构隧道渣土混合改良的流塑性与渗透性

2024-03-27郑选荣丁鹏程陆宏朝李军锋

城市轨道交通研究 2024年3期

郑选荣刘莹丁鹏程李鹏郭峰陆宏朝李军锋

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院, 710054, 西安; 2.中铁北京工程局集团有限公司, 230088, 合肥)

西安富水砂层具有黏聚力小、颗粒间摩阻力大、含水率高等特点,在盾构掘进过程中,易出现刀盘扭矩过大、刀盘卡死、刀具损坏等问题[1],因此渣土改良必不可少。文献[2]分析了渣土粒径对渣土改良的影响。文献[3]通过泡沫改良渣土,得出砂土的理想坍落度为150～200 mm。文献[4]通过研究发现颗粒大小是影响砂土改良效果的重要因素。文献[5]以泡沫和膨润土泥浆作为改良剂改良砂土地层。文献[6]通过室内试验,探究各种改良剂单独或共同作用下对富水圆砾地层的改良效果。文献[7]研究膨润土泥浆与泡沫的注入体积配比间的交互影响。

上述研究大多采用一种土样作为渣土改良的试验土样,缺乏对不同土层渣土改良效果的对比研究,且考虑不同含水率对渣土改良效果的影响研究也较少。本文以西安地铁16号线(以下简称“16号线”)一期区间工程为依托,研究了不同渣土含水率对泡沫改良渣土效果的影响,以及膨润土泥浆与泡沫共同作用对中砂、砾砂两类地层渣土改良效果的影响。

1 工程概况

16号线某隧道区间主要穿越地层为〈2-5-3〉中砂和〈2-7-3〉砾砂,且〈2-5-3〉中砂、〈2-7-3〉砾砂地层粒径大于2 mm的体积分数分别占3.8%、28.7%。16号线某隧道区间部分地质剖面图见图1。区间地下水主要为孔隙潜水,水位稳定埋深为11.0～16.2 m,含水率丰富,渗透性强。

图1 16号线某隧道区间部分地质剖面图

2 改良剂调配试验

2.1 泡沫调配试验

本次试验采用搅拌法发泡,发泡液来自广州隧吉有限公司,分别配置发泡液质量分数为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%。测量不同质量分数发泡液所产生泡沫的半衰期和发泡倍率,结果见图2—图3。

图2 泡沫的半衰期-发泡液质量分数关系曲线

从图2—图3可以看出:泡沫半衰期随着发泡液质量分数的增加呈现先增大后减小的趋势,而发泡倍率随着质量分数的增大一直增大。究其原因为:随着发泡液质量分数的增加,泡沫延展性变好,产生的泡沫体积变大,数量变多,造成液膜稀释,使得泡沫提前消散;另外泡沫数量过多时,也会导致泡沫连通而形成多边形泡沫,泡沫稳定性变差,使得其易破灭。发泡液的质量分数为3%,半衰期为12.4 min,发泡倍率为14.7。

图3 泡沫的发泡倍率-发泡液质量分数关系曲线

2.2 膨润土泥浆调配试验

本次泥浆试验通过测试膨润土泥浆黏度来评价其性能。试验采用马氏漏斗黏度计测量膨润土泥浆黏度。膨润土取用洋县天顺膨润土有限公司生产的纳基膨润土,膨润土、水的质量分数(以下简称“泥水比”)分别设为1∶10,1∶9,1∶8,1∶7,1∶6,对膨润土膨化24 h,期间每隔4 h采用马氏漏斗测量各泥水比下的泥浆黏度。膨润土泥浆黏度-膨化时间关系曲线如图4所示。从图4可以看出:膨润土泥浆黏度随时间的增加不断增加,并在16 h后趋于稳定。根据工程经验,泥浆膨化黏度在35 s以上,能达到盾构施工需求。泥水比1∶8的膨润土泥浆黏度为50 s,故本试验采用泥水比1∶8的膨润土泥浆作为试验泥浆配比。

图4 膨润土泥浆黏度-膨化时间关系曲线

3 渣土改良试验实施及分析

3.1 重塑土样的配置

由文献[4]可知,颗粒级配是影响渣土改良的主要因素之一,而不均匀系数Cu和曲率系数Ca是影响颗粒级配的主要参数。本次重塑土样的选取以Cu和Ca为切入点,针对现场盾构穿越区段,对地勘资料内砂层土样的Cu和Ca进行大量总结归纳后,发现该区段的中砂、砾砂多为Cu<5或Ca<1的颗粒级配不良砂。选取中砂、砾砂中最具代表性试样的颗粒级配参数配置重塑土样。重塑土样中的中砂、砾砂颗粒级配曲线如图5所示。每次试验配土质量为10 kg。

图5 重塑土样中中砂、砾砂的颗粒级配曲线

3.2 泡沫改良试验

根据有关泡沫改良机理[6]可知,泡沫改良渣土性能不仅与泡沫本身性能有关,还与渣土的孔隙比、含水率有关。泡沫改良渣土主要通过将泡沫注入渣土孔隙中,以起到润滑、止水的效果,进而改善渣土的流塑性和渗透性。同时渣土含水率的不同,也会影响泡沫改良渣土的效果。为探究不同含水率对泡沫改良渣土性能的影响,本文以中砂为例,通过改变土样含水率,观测不同FIR(泡沫注入率)下坍落度和渗透系数的变化趋势,分析含水率对泡沫改良渣土的影响。

渣土不同含水率下中砂坍落度-FIR的关系曲线如图6所示。从图6可以看出:中砂坍落度随FIR的增加呈现非线性增长;当含水率为2.5%,FIR小于10%时,泡沫对渣土流塑性的改良效果微乎其微,究其原因为渣土内部自由水体积分数不足,导致泡沫液膜中水分被土体颗粒吸收,液膜变相稀释,从而加速泡沫破裂,导致泡沫改良的效果不佳;当含水率为10%时,渣土出现析水、析泡现象,从而导致其流塑性过大。由此可见,单独采用泡沫改良渣土的情况下,中砂坍落度受含水率影响波动较大,泡沫单独作用对富水砂层渣土的流塑性改良效果不佳。

图6 渣土不同含水率下中砂坍落度-FIR的关系曲线

渣土不同含水率下渗透系数-FIR的关系曲线如图7所示。从图7可以看出:当含水率为2.5%,由于土样中水分不足,导致渣土的渗透性能微乎其微;当含水率分别为5.0%、7.5%,FIR小于15%时,渣土的渗透系数随FIR增加迅速降低;当FIR大于15%,含水率分别为5.0%、7.5%时,FIR分别从25%、15%两个节点开始,渗透系数随FIR的增加不降反增,究其原因为,渣土含水率较高的条件下,当FIR较大时,泡沫会被自由水裹挟流出,大量泡沫在注入试样后析出,析出的泡沫伴随着水和细颗粒流出,导致土体内部形成细微的涌水通道,降低了土体的保水能力和黏聚能力;当含水率达到10%时,土样含水率较大,渣土内自由水体积分数较高,渣土内孔隙几乎被自由水填充,导致泡沫改良渣土效果不佳,注入泡沫后,泡沫会被自由水裹挟流出,起不到改良效果。

图7 渣土不同含水率下中砂渗透系数-FIR的关系曲线

综上所述,泡沫单独改良富水砂层的效果不佳。

3.3 泡沫、膨润土泥浆混合改良试验

3.3.1 坍落度试验及结果分析

本次试验通过坍落度试验来检测渣土的流塑性。坍落度试验所用的重塑土样按第3.1节中的颗粒级配曲线配置。采用膨润土泥浆和泡沫作为改良剂,改良剂配比按第2章中的调试结果配置。泥水比取1∶8,BIR(膨润土泥浆注入比)分别取5%、10%和15%。泡沫质量分数采用3%;FIR设定从15%开始增加,每次增加梯度为5%,加至40%。为控制试验变量,方便后续与砾砂进行对比分析,中砂、砾砂的含水率均设定为10%,且采用相同的FIR和BIR。

经泡沫、膨润土泥浆混合改良后,中砂和砾砂的坍落度-FIR的关系曲线见图8—图9。从图8—图9可以看出:中砂、砾砂的坍落度随FIR的增加呈非线性增大;在相同改良剂配比下,改良剂对中砂坍落度的效果比砾砂好,如FIR为30%,BIR为10%时,中砂和砾砂的坍落度分别为189 mm和159 mm。由此可见,不同BIR下都能得到符合渣土流塑性的改良配比,因此需通过渗透试验可进一步筛选得出渣土最优改良方案。

图8 混合改良后中砂的坍落度-FIR的关系曲线

图9 混合改良后砾砂的坍落度-FIR的关系曲线

3.3.2 渗透试验及结果分析

为防止螺旋运输机喷涌,维持掌子面稳定,渣土渗透性是其中不容忽视的一项指标。本文采用自制变水头渗透仪来测量渣土的渗透性。该仪器的主体是1个内径为200 mm,厚度为10 mm,高度为650 mm的有机玻璃筒,试验柱上部连接空气压缩机和调压装置,如图10所示。

图10 自制变水头渗透仪

试验前对自制变水头渗透仪的密封性进行检验,检验其是否有漏水、漏气现象。在保证气密性良好的情况下,向仪器内分层填土,并对土层振捣击实,从仪器内上部注入比土层面高约10 cm的水,封闭仪器,打开空气压缩机,增加气压至90 kPa并维持恒定,打开排水阀,记录排水量,最后求得渗透系数。改良后中砂、砾砂的渗透系数-FIR的关系曲线见图11—图12。

图11 混合改良后中砂的渗透系数-FIR的关系曲线

图12 混合改良后砾砂的渗透系数-FIR的关系曲线

从图11—图12可以看出:改良后中砂、砾砂的渗透系数总体上都随着FIR的增加而减小;部分中砂、砾砂的渗透系数在FIR增加到一定值时,呈现不降反增的趋势。究其原因为:随着BIR的增大,渣土空隙被自由水、膨润土泥浆,以及土中细颗粒填充的空间越多,导致泡沫渗入土体空隙越困难,当FIR增加到一定程度后,泡沫会被自由水裹挟流出,析出的泡沫伴随着水和细小颗粒形成小的涌水通道,从而出现析水、析泡的现象,降低了试验土样的保水能力和黏聚力,导致渣土渗透性能不降反增。

结合混合改良渣土的坍落度试验和渗透试验,在考虑经济成本和施工需求的前提下,得出中砂改良的最佳配比为:BIR为10%,FIR为20%～25%;砾砂改良的最佳配比为:BIR为10%,FIR为30%～40%。膨润土泥浆地掺入量可根据实际进行适当调整。

4 实际工程应用

在实际盾构掘进施工中,采用膨润土泥浆、泡沫混合改良的方案,即采用泥水比1/8、发泡液质量分数3%的改良剂对富水砂层进行改良。采用本次渣土改良试验配比前后的盾构刀盘扭矩、转速等参数随管片环号变化曲线如图13所示。由图13可以看出:在渣土原始配比下掘进时,刀盘扭矩约为3 500 kNm,刀盘转速为1.5 r/min;渣土改良后,刀盘扭矩大多约为2 600 kNm,刀盘转速为1.6 r/min。由此可见,改良后刀盘扭矩明显降低,刀盘转速有所提升,且均能维持稳定。盾构的推进速度亦维持在40～50 mm/min范围内,盾构每环出土量约为50～60 m3,各项推进参数基本正常,表明渣土改良效果总体较好。结合图1可知,该混合改良配比对该区段渣土改良有显著的效果。