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土压平衡盾构施工中红粘土土体改良试验研究

摘 要:红粘土是一种特殊土,具有高液塑限、高粘聚力、富含粘土矿物以及复杂的微观结构等特点。土压平衡盾构在穿越红粘土地层过程中,常遇到刀盘结泥饼、土舱闭塞、排土不畅等问题。为此,文章以武汉市雄楚大道新建高压电力通道工程土压平衡盾构掘进穿越红粘土地层为背景,研制了一种由阴离子表面活性剂A、非离子表面活性剂B和抗粘添加剂C复配而成的新型改良添加剂,通过性能试验、搅拌试验、坍落度试验、稠度试验、液塑限联合测定试验评价了土体改良的效果,得到了含水率为40%及改良剂注入率为30%的理想土体改良指标。通过对比试验表明,研制的新型改良剂对红粘土土体的改良效果较好,所得结果可为红粘土地层盾构施工中的土体改良提供参考。最后文章分析了添加剂改良红粘土的机理,得出红粘土遇水易膨胀、易泥化、强粘滞性是盾构施工过程中“结泥饼”的根本原因。
1  前 言
  随着城市建设的高速发展,在地下空间开发、轨道交通建设、市政工程建设等工程中,土压平衡盾构法被广泛应用,甚至出现了小型土压平衡盾构,给地下工程施工带来了极大便利。但在土压平衡盾构施工中,由于开挖土体排土不顺畅,导致盾体及刀盘磨损,增加施工成本,降低施工效率及人员安全性。所以土压平衡盾构施工中理想状态的土砂应具有好的流动性、优良的粘稠性能、较小的摩擦性和较低的渗透性。这就需要对开挖土体进行改良,通常采取的措施是向不良土体中注入适当的添加剂,以满足土压平衡盾构掘进的需求,从而使得土体不粘稠,降低土体的摩擦性,减少施工成本,加大施工效率。
  目前,众多学者对土压平衡盾构施工中的土体改良技术做了大量的研究,均通过添加膨润土、泥浆、泡沫剂、高分子聚合物等来改善土体性能,并取得了显著的效果。这些研究主要针对粉土、淤泥质粘土以及含砂卵石地层中的盾构掘进作业,少部分学者针对盾构在粘性土层中的土体改良技术进行研究。例如:程池浩等以武汉地区老粘土为例,分析了土压平衡盾构在这一土层中的适应性,提出了改善刀盘结泥饼问题的土体改良技术,以及相应的盾构掘进参数;刘辉等对长株潭城际铁路浅埋高粘性上软下硬不良地层土压平衡盾构施工技术进行了研究,改进了盾构机的泡沫系统、刀盘装置、土体改良技术等。而红粘土作为一种特殊土,具有物理性质差、力学性质好的特点,盾构在此类地层掘进时较一般粘土更容易产生刀盘“结泥饼”、“闭塞”的问题,常规的土体改良技术难以满足盾构施工所需的土体性能要求。
  现有评价开挖土体改良性能的试验主要有搅拌试验、坍落度试验、流动度试验、稠度试验、压缩试验、抗剪强度试验、渗透试验等。上述试验方法是针对特定土层而言的,对于红粘土改良的室内评价试验缺乏系统的研究。本文以武汉市雄楚电力隧道工程为背景,进行红粘土地层中土压平衡盾构土体改良技术的试验研究,通过添加剂的性能试验,初步判断自制的新型添加剂的效果,并通过土体的室内改良效果评价试验,进行改良方案的优化,对比了现场运用的改良剂与自制改良剂的试验改良效果,最后分析了自制改良添加剂改良土体的机理。
2工程背景
  武汉市雄楚大街北侧新建高压电力通道工程西起楚平路,东至关山变电站,线路全长4420 m。全线区间采用小型盾构施工,联络通道采用暗挖法施工,竖井采用明挖法施工。隧道顶覆土埋深为4.62~13.2 m。场地表层覆盖杂填土、一般粘性土等,下部为粘土夹碎石、红粘土、残积土等,下伏基岩为二叠系泥灰岩、灰岩。其中,盾构穿越土层58%为红粘土,长度达1 000 m,施工中遇到刀盘结泥饼的问题,严重影响盾构掘进的效率。
  表1为红粘土的物理力学基本性质参数,与一般粘性土相比,其比重大、干密度偏小、饱和度高达90%、高孔隙比、高液塑限(液限>50%,塑限>20%)、压缩性中等偏低、自由膨胀率达73%,土体以硬塑、可塑状态为主,基本物理性质较差,粘聚力高。盾构在红粘土地层中掘进时容易产生刀盘结泥饼现象,导致滚刀偏磨、刀盘钢结构受损、盘中心轴移位,并且小型盾构不易开舱清理刀盘,一旦刀盘糊得太严
重,将减缓施工进度。所以针对红粘土地层中盾构刀盘结泥饼机理进行分析,对土体改良试验研究具有重要意义。
3试验方案及评价标准
  盾构在红粘土地层中掘进时,理想的土体状态不仅仅能保证刀盘不结泥饼,同时还能保证出土和排土的顺利。土体的搅拌性能会影响刀盘扭矩的大小,通过搅拌试验模拟刀盘掘进的过程,可判断土体的搅拌性;舱内土体的流动性和搅拌性直接决定了土舱内土体搅拌和螺旋排土器的工作状态,如果土体的流动性好,搅拌和排土作业就容易控制,进而可以更好地保持开挖面稳定;对于土体流动性,可用坍落度试验来衡量。此外在满足搅拌性及流动性的前提下,还应考虑土体的粘稠性是否满足传送带输送要求,流动度过高会使土体外溢,所以还需借助稠度试验来控制粘稠度。由于界限含水率过高,塑性范围大,导致红粘土体达到盾构施工理想状态需要加入大量的水和添加剂,所以土体的界限含水率过高将导致经济成本增加,研究土体改良后的液塑限是非常有必要的。
  综上所述,采取搅拌试验、坍落度试验、稠度试验、液塑限联合测定试验4种手段及相应指标来进行土体改良试验,综合评价自制改良添加剂对土体改良的效果,优化土体改良方案,指导盾构试验现场工作。
3.1 试验流程及试验仪器
  根据红粘土土体的基本性能及微观结构,研制新型改良添加剂,初步评价添加剂的性能后,借助室内改良效果评价试验进行改良方案的优化,并进行对比试验验证其改良效果,试验流程如图1所示。
  具体步骤如下:
 (1)在盾构穿越的红粘土地层中进行取样,进行土的物理力学性质试验,如含水率、土的比重、饱和度、干密度、液塑限、压缩性、孔隙比、抗剪强度指标、膨胀性等,然后进行红粘土的矿物成分、化学成分、电镜结构试验。
 (2)选择合适的改良添加剂原料,通过自制的泡沫发生装置产生泡沫(图2)。泡沫自身性能对改良土体的效果影响很大,所以需要测定泡沫的发泡倍率和半衰期,进行改良剂的性能评价,并将优化配方的改良剂用于室内土体改良试验。
 (3)土体改良室内试验,包括搅拌试验、坍落度试验、稠度试验、液塑限联合测定试验。搅拌试验仪器为UJZ-15型高速搅拌机,观察加入改良剂后土体的粘附性,计算搅拌扭矩,为后续试验制备土样。随后进行坍落度试验,试验仪器为标准的坍落度筒,并评价土体的流动性。稠度试验为标准的砂浆稠度仪。液塑限测定利用液塑限联合测定仪上的圆锥入土的深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行确定。整个流程控制在5 min 以内,若时间过长,注入土体中的泡沫将会消散,影响试验结果。
3.2 评价标准
3.2.1添加剂性能评价标准
  添加剂的性能指标主要是发泡倍率和稳定性指标两项。发泡倍率是指泡沫体积与产生泡沫的改良添加剂溶液的体积比,盾构施工中为了达到良好的发泡状态,发泡倍率一般为10~15倍。稳定性指标主要是由泡沫的半衰期来决定的,半衰期是指泡沫消散的质量为原泡沫总质量的一半时所用的时间,半衰期越长,气泡越稳定。盾构施工中泡沫与土体混合至土体排出大概需要2~3 min,所以半衰期大于5 min即可满足盾构施工的要求。
3.2.2土体改良室内试验评价标准
  搅拌试验用于评价土体的搅拌性与粘附性,即叶片粘附土体较少,搅拌改良土体的扭矩较小,搅拌扭矩在200 N·m以下。
  坍落度主要用于评价土体的流动性和粘聚性,改良后土体应无泡沫或水析出,形状规则,轻拍不崩塌。目前关于满足土压平衡盾构施工要求的改良土体坍落度值有一定的争议,Miguel提出改良土体最佳坍落度值在50~200 mm之间,Quebaud等提出改良土体最佳坍落度值为100~150 mm,本文选取坍落度标准值在100~150 mm之间。
  稠度试验以圆锥自由下沉深度来评价改良土体的均匀性及和易性,评价标准为4.5~6.5 mm。
  液塑限联合测定试验可测定土的界限含水率,根据液塑限可计算出改良土的粘稠指数(Ic=(Wl-Wn)/Ip为液限,Wn为土样含水率,IP为塑性指数)在0.4~0.75 之间,碴土的状态较好。
4土体室内改良试验
4.1 添加剂制备与性能试验
4.1.1添加剂的选取
  目前常用的土体改良添加剂有泡沫、膨润土泥浆、高分子材料等。粘土地层一般选取泡沫作为添加剂,雄楚大道电力隧道工程比选了某国产泡沫剂和阴离子表面活性剂A,最终采用A剂作为盾构施工过程中土体改良的添加剂,其改良效果更好。但盾构在红粘土地层中掘进时,仍然遇到刀盘“结泥饼”、压力舱“闭塞”等问题,致使工期延缓。为此,针对红粘土这种具有高液塑限、高粘性的特殊土进行了新型改良剂的研制,最终选取阴离子表面活性剂A、增加泡沫的渗透性及稳定性的非离子表面活性剂B作为主发泡剂和一种分散性强的抗粘添加剂C 进行复配。
4.1.2添加剂的性能试验
  首先通过自制发泡装置产生泡沫,由泡沫性能确定阴离子表面活性剂A最佳性能的添加比例范围,其次通过泡沫性能的正交试验优化原料A,B和C的配比方案,总溶液的体积为1 000 mL。
 (1)阴离子表面活性剂A的性能测试A剂的泡沫性能测试结果如图3所示,从图3(a)中可知,发泡倍率在发泡质量分数较低的范围内, 内,迅速提高,并在质量分数为0.8%时增大致21倍;超过浓度0.8%
后,发泡倍率维持在20倍左右;当浓度超过2.5%后,发泡倍率有所降低,性价比不高。
  从图3(b)中可知,在发泡剂质量分数为0.8%之前,A剂产生的泡沫半衰期迅速增高,超过0.8%之后开始降低。由此可知,发泡液的质量分数与泡沫性能并非成正比,A剂的发泡液质量分数在0.2%~0.8%之间较为理想。
 (2)自制改良添加剂的性能测试正交设计采用L16(4)3 正交表,每一种添加原料为一个因素,选取各因素加入溶液中的4种百分比含量为4个水平进行试验。A,B和C各因素分别选取4个水平,如表2所示,其中A因素根据泡沫性能试验所选取4个水平,B和C因素根据王树英、刘大鹏建议,选取。
  各因素水平趋势如图4所示,A因素的百分含量与改良剂所产生泡沫的发泡倍率和半衰期均呈正相关关系,只是随着百分含量增加,发泡倍率后期增长缓慢,半衰期增长较快;随B因素百分含量的增加,发泡倍率在短期内增长,超过0.08%后开始下降,但是半衰期在前期不断增长,直至百分含量为0.14%后才开始下降;随着C因素百分含量的增加,改良剂产生的泡沫发泡倍率曲线在含量为0.1%时达到峰值,随后下降,半衰期则在前期有下降趋势,百分含量为0.14%时达到半衰期的峰值。
  总体上,随着A,B和C各因素百分含量的变化,改良剂的发泡倍率均大于10倍,半衰期均大于5min,满足盾构施工土体改良的要求。依据各因素的趋势图综合考虑,确定各原料的最优配比A=0.8%,B=0.14%,C=0.14%,即A3B2C3,最终所配改良剂生成的膨胀率达到14倍,半衰期达到6 min,改良土体效果可根据后续试验进行评判。
4.2 土体改良效果评价试验
  试验开始前,对红粘土原状土样进行自然风干,每次取9 L土样添加水,使土样的含水率分别达到24%,34%,44%和54%,并将其用薄膜密封在湿润桶壁的水桶里12 h以上,然后分别注入体积为0%,10%
,20%,30%,40%,50%,60%,70%和80%土体体积改良剂泡沫进行搅拌试验,紧接着在5 min内进行坍落度试验、稠度试验、液塑限联合测定试验,测定相应的指标。
4.2.1搅拌试验
  将土样倒入搅拌机中,搅拌的同时加入上述自制改良添加剂,当电流表稳定后读数,通过计算搅拌电流与空转时的搅拌电流差值求得搅拌扭矩,试验的结果如图5所示。从图中可知,含水率为24%与含水率为34%的变化趋势相近,并且在没有加入改良剂泡沫之前搅拌机搅拌困难,泡沫注入率增加到50%前土体的搅拌扭矩降低缓慢,因为土体在含水率较低的情况下处于硬塑状态;注入率超过60% 后,搅拌功率随泡沫注入率增加降低幅度较大。两种较高含水率(44%和54%)的土样在未加入泡沫时,呈可塑状态,随着泡沫比的增加,搅拌扭矩在较低注入率范围内下降幅度大,超过40%注入率后,下降趋势变缓。
  另一方面,当泡沫注入率一定时,随着含水率的增加,改良土体的搅拌扭矩越小,由此说明含水率与搅拌扭矩呈正比。
4.2.2坍落度试验
  将搅拌机中制备的混合均匀的改良土进行坍落度试验,取3组平行试验的平均值,作为最终坍落度值,试验结果如图6所示。从图中可知,含水率为24%和34%土样的坍落度随着泡沫注入率的增加,在注入率较低范围内,坍落度值的增加幅度较小;泡沫注入率超过20%后,坍落度值增加趋势变陡,直至泡沫注入达到60%时均达到了10 mm,满足盾构施工的土体改良要求。含水率为44%和54%的土样坍落度变化趋势相似,由于土体稀薄,在较低的注入率范围内便能迅速达到10 mm以上的坍落度;泡沫注入率达到80%时,土体的析水量较大。
4.2.3稠度试验
  从图7中可知,4种不同含水率土样的稠度与泡沫注入率的关系变化趋势基本一致,不同的是含水率较低的两组在后期的稠度增加幅度持续变大,而含水率高的两组反而增加幅度变缓;含水率分别为24%,34%,44%和54%的土样在泡沫注入率为60%,50%,40%和10%时达到理想状态碴土的稠度值。
4.2.4液塑限联合测定试验
  液塑限联合测定试验是用来测定土体的界限含水率,土体的粘稠指数 Ic可通过 Ic=(Wl-Wn)/Ip求得,结果如图8所示。从图中可知,含水率为24%和34%土样的粘稠指数在注入率为50%以内时,粘稠指数随着泡沫注入率的增大缓慢降低,超过50%以后下降幅度增大。含水率为44%和54%的土样趋势相近,泡沫添加注入率为30%以前粘稠指数迅速下降,超过30%后下降缓慢至负数,呈可塑状态。
  综合上述4种试验的结果,可得不同含水率土样的改良剂产生的泡沫最优注入率,如表3所示。
  基于4种试验的结果对比以及改良土体的状态分析和“夹逼判断”得出:含水率为24%的无交集,无泡沫综合最优注入率;含水率为34%的综合最优注入率为60%~70%;含水率在44%时的综合最优注入率为28%~30%;含水率在54%时,加入少量泡沫,粘稠指数便能达到0.45。但是根据搅拌试验结果,改良土体在刀盘上仍然有粘附性,所以根据其变化趋势取其最优注入率为15%~20%。综合考虑盾构施工的经济成本和工期因素,建议盾构施工时土体的含水率取为44%(即先加入一部分水进行初步改良),改良剂产生的泡沫注入率为30%。
4.2.5对比试验验证
  虽然上述试验表明自制的改良剂对于改良红粘土土体有一定的效果,但是其产生的泡沫性能指标——发泡倍率不如单独使用阴离子表面活性剂A产生的泡沫效果。为了证明自制的改良剂改良土体的效果,配制最优质量分数为0.8%的A剂和自制改良添加剂(最优配方),在相同的土体含水率(44%)和泡沫注入率(30%)条件下进行了土体的改良效果评价试验,结果如表4所示。从表中可知,改良土体的各项指标,即搅拌扭矩(N·m)、坍落度(mm)、稠度(mm)、粘稠指数的改善程度,新型改良添加剂是单独添加A剂的2.4倍、1.5倍、7.9倍和7.3倍。上述结果表明,新型改良添加剂改善红粘土土体性质的效果比单独添加A剂的效果更明显。
5添加剂改良红粘土的机理
  红粘土的物理性质差,力学性质很大程度是由于其特殊的物质成分及结构引起的。为了进一步研究盾构在红粘土地层中掘进困难、结泥饼的机理,进行了红粘土矿物成分(XRF)、化学成分(XRD)以及扫描电子显微镜(SEM)分析试验。
5.1 红粘土细观试验研究
5.1.1红粘土细观试验试样制备
  XRF和XRD试验均采取2组不同颜色的红粘土土样进行烘干,然后研磨至200目以下的粉末试样;扫描电子显微镜分析试验采取未经扰动、自然风干土样,掰取指甲壳大小的薄片(3组试样),进行固定喷金、喷碳成样。
5.1.2红粘土微观结构分析
 (1)矿物成分
  根据雄楚大道电力隧道红粘土的矿物成分分析试验结果(表5)可知,该场地红粘土主要由粘土矿物及碎屑矿物组成,粘土矿物主要有蒙脱石、伊利石、高岭石,共占50%以上,碎屑矿物主要是石英。 
 (2)化学成分
  X射线衍射分析试验结果如表6所示。从表中可知,红粘土的主要成分为SiO2,AL2O3和Fe2O3,土中Si,Fe,Al大量富集,它们反映了红粘土形成和演化所经历的主要成土地球化学过程。同时,根据上述红粘土的力学性质及大量文献表明,游离氧化铁胶结物的存在,会提高红粘土的结构强度,从而显著提高其粘聚强度。
 (3)微观结构形貌
  对上述红粘土试样进行了系统扫描电子显微镜(SEM)试验与能谱分析。雄楚大道电力隧道红粘土SEM形貌分析试验结果如图9所示,图中,S代表蒙脱石,I代表伊利石,K代表高岭石。倍数在5 000左右时能观察到大量的片层状集聚体,在图9(b)中放大倍数为8 000时能观察到大量鳞片状的伊利石;图9(c)中放大到10 000倍数时可观察到有明显卷曲折叠的片状蒙脱石,有比较单薄而清晰的轮廓,厚度均匀,这些是雄楚大道红粘土重要结构特点。
  通过XRD定量分析、XRF化学成分分析以及扫描电子显微镜能谱分析表明,雄楚大道红粘土土性复杂,含有大量的蒙脱石、伊利石、高岭石等致胀粘土矿物,而且其微观结构复杂,利于水的渗入,易于水化膨胀。一方面红粘土的片层状、鳞片状的面- 面叠聚微观结构为基本单元,微结构利于蒙脱石水化和膨胀,但这些微集聚体由胶结物联结,压抑了其胀缩能力,产生一定的结构强度,而施工的扰动和水的浸入会改变胶结物的物理化学性质,结构强度降低,其潜在的胀缩性被释放出来。另一方面红粘土矿物表面与水之间的作用有水合作用力、范德华力、微叠聚体间静电斥力,正是由于微叠聚体的面- 面结构,使土体在一定含水率条件下呈现出强粘滞性。在红粘土地层盾构施工中,正是由于其粘土矿物成分和特殊的微结构,导致其遇水易膨胀、泥化、强粘滞,极易形成泥饼、土舱闭塞,造成掘进困难。
5.2 改良剂改良红粘土的机理分析
  本文新研制的土体改良剂由阴离子表面活性剂A、非离子表面活性剂B及抗粘剂C组成。粘土颗粒表面有大量的负电荷,当改良剂生成的泡沫注入土体后,粘土微片层的集聚体间进入了大量的表面活性剂分子和离子,增大了孔隙水中的离子浓度。由于双电层厚度与离子浓度成反比,粘土微片层之间的双电层厚度变小,集聚体间的排列更紧密,抑制了红粘土遇水膨胀的特性;而根据双电层理论(图10),两双电层叠加后存在相互作用力,即电斥力,而表面活性剂分子和离子的吸附增大了电场强度,电斥力也变大,减小了片层间的摩阻力,起到润滑作用,更利于层间的平行移动,增大了土体的流动性;同时气泡处于粘土颗粒的孔隙之中,由于抗粘剂C 有机烷基的憎水性,能使聚合阴离子大量吸附在粘土颗粒的表面,改变了土颗粒之间的接触状态,阻碍了粘土颗粒间的集聚,减弱胶结结构,降低了红粘土的粘滞性。所以自制改良剂的加入,抑制了膨胀性,降低了粘滞性,增大了流动性,从而改善了红粘土土体的性能。
  综上所述,自制的改良添加剂对红粘土具有明显的改善效果,润滑作用明显,能有效抑制盾构刀盘“结泥饼”和土舱“闭塞”现象。但根据改良试验结果,当土体中含水率较高时,泡沫掺入比并不是越多越好,此时土体的饱和度较高,泡沫大量聚集在土体表面,细小的泡沫堆积在一起,单个泡沫间很容易彼此连通形成大泡沫后,稳定性降低,易破灭。所以当泡沫注入率高时,效果不一定更理想,反而会造成一定的浪费。本文建议的土体含水率和泡沫注入率,对于盾构施工中的红黏土土体改良具有重要指导意义。
6结 论
  通过对红粘土的基本性质及土体改良试验进行系统研究,得出以下结论:
 (1)雄楚大道电力隧道场地红粘土具有液塑限高、孔隙比大、干密度小、粘聚力大、自由膨胀潜势弱—中等特点。
 (2)盾构施工中,利用自制改良添加剂改良红粘土土体时,根据土体的天然含水率,先加部分水,将每环土体含水率增加到44%,并将泡沫注入率控制在30%,改良效果较好。
 (3)自制改良添加剂在改善土体的搅拌扭矩、坍落度、稠度、粘稠指数等方面较目前单独使用阴离子表面活性剂A的效果要好,分别是单独添加A剂的2.4倍、1.5倍、7.9倍和7.3倍。
 (4)红粘土中的致胀矿物及特殊的微观结构导致其遇水易膨胀、泥化、强粘滞,是盾构施工时形成“泥饼”、“成拱”现象的根本原因。采用自制改良添加剂可有效地改善红粘土的膨胀性,增强红粘土的流动性,减弱其粘滞性,从而使土体搅拌扭矩、粘稠指数降低,坍落度、稠度增加。试验结果可为红粘土地层中盾构施工时的土体改良提供参考。

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