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哈尔滨地区富水砂层盾构施工的渣土改良技术研究

范欣荣 丁彦杰
北京城建中南土木工程集团有限公司  中国矿业大学  北京
  盾构法已成为国内外常用的隧道施工方法,我国采用的盾构机多为土压平衡盾构机,土压平衡盾构的施工原理是通过开挖土体与掌子面土体形成平衡以保证掌子面稳定,进而持续掘进施工。随着我国使用盾构法施工的地区越来越多,许多新的技术难题也随之而来。渣土改良是盾构施工的重要工序,即通过向掌子面的土体形成平衡以保证掌子面稳定,进而持续掘进施工。随着我国使用盾构法施工的地区越来越多,许多新的技术难题也随之而来。渣土改良是盾构施工的重要工序,即通过向掌子面的土体注入改良材料来改善土体性能,从而提高施工安全和效率。富水砂层的盾构施工常常面临扭矩偏大、刀盘易磨损、出土口喷涌等施工难题,本文基于哈尔滨地铁2号线盾构施工项目,研究了针对该地层的渣土改良施工技术。
1 工程概况与研究难点
  哈尔滨地铁2号线哈尔滨北站站—大耿家站区间全2088.561m,全部为地下线路,采用盾构法进行施工(图1)。盾构区间内地下水位埋深2.8~7.8m,盾构拱顶上方覆土厚度为9~22m。盾构在掘进时承受着地下水的压力作用,最大压力为25m承压水压力。根据地质勘探报告,地层的土体孔隙内含有大量孔隙潜水,孔隙含水率13%~17%,渗透系数为2.30×10-²cm/s,属于高渗透性富水砂层。
  取待改良的盾构区间的原状土体进行土体颗粒性质分析,绘制级配曲线(图2)。根据级配曲线的分析结果,土体材料中80%以上的颗粒粒径大于0.3mm,由此可知盾构穿越地层为中砂地层。
根据级配曲线分析结果,土样的曲率系数约为0.538,不均匀系数约为5.85,当不均匀系数≥5,曲率系数在1~3之间时为良好级配,不同时满足上述2个条件时为不良级配,因此该区间地层土体级配一般,土体 
  由于盾构穿越地区的级配不良,即土体颗粒不均匀,故盾构承受较高水压力。基于以上背景,盾构在此地层施工时,可能会发生由于压力差而导致的喷涌,以及刀盘扭矩过大的问题,在施工中需要进行渣土改良以保证盾构的安全施工。
2 渣土改良技术研究
2.1 渣土改良技术问题
  根据前文所述,在高渗透性的富水砂层中进行盾构施工时,渣土改良是整个施工过程中的重难点,渣土改良技术决定了盾构在此地层中施工的安全和效率。为了能够使盾构在富水砂层中安全、顺利施工,对盾构施工中的渣土改良技术进行研究,主要解决以下问题:
  1)改善土体渗透性,降低土体渗透系数,避免因渗透性高而产生喷涌、沉降、掌子面失稳等现象。
  2)改善土体流塑性,提高水土结合的性能,使渣土均匀、便于运输,并且不易黏附在刀盘上。
2.2 渣土改良材料选择
  渣土改良的施工技术涉及到材料选用、配比设计、泵送设计等方面,其中材料选用是渣土改良技术中的重要环节。材料选用需依据不同盾构机型和不同的地质条件综合考虑。国内外盾构施工中常用的渣土改良材料如表1所示。
  如表1所示,盾构渣土改良的常用材料主要有矿物类材料、高分子类材料和界面活性类材料。本文研究的盾构施工地层为中砂地层,渗透性高、级配一般。盾构中最常用的泡沫材料易从土体的间隙中流失,因此选择膨润土材料进行改良,可以增加土体间的细颗粒,改善级配,降低土体渗透系数。此外,考虑到地层含水率较高,仅添加膨润土可能无法达到改良效果,因此选用高分子吸水树脂,其粒径为0.1~0.5mm,可以增加土体黏性,提高土体与膨润土泥浆的结合能力。
2.3 仅添加膨润土泥浆的渣土改良室内试验研究
2.3.1 泥浆制备
  本文选用纳基膨润土,并对膨润土的成分和性能进行分析检测:75µm过筛率90.2%;膨胀倍数23;吸水率287.66%。根据盾构施工中的经验,将膨润土配制为土水比1∶6膨润土泥浆,并测定泥浆容重,结果为1.05g/ml。将配制完毕的膨润土浆液进行24h膨化备用。
2.3.2 渣土改良
  取盾构穿越地区土样,依据地质勘测报告结果,配制含水率为20%的渣土(考虑不利条件)。将膨化完毕的膨润土泥浆按2%、4%、6%、8%、10%的质量比加入渣土中,充分搅拌后,使用标准坍落筒测定渣土坍落度,采用常水头渗透仪测定其渗透系数。
2.3.3 改良结果分析
  测定渣土未改良前的坍落度和改良后的坍落度和渗透系数变化(图3)。根据试验结果,添加膨润土泥浆后的坍落度呈现线性上升的趋势,表明膨润土泥浆对渣土的和易性起到了良好的改良作用。而渣土的渗透系数降低了一个量级,最小值达到了31µm/s。但是根据绘制的渗透系数改良曲线,增大泥浆添加量,渗透系数的变化并不大,其原因是该地层土体的孔隙率较大,泥浆在注入后部分从土间隙中流失。
2.4 加入高分子材料的渣土改良室内试验研究
  在进行了泥浆改良的试验后,为了增加土体的保水率,使泥浆能够与土体更好结合,将膨润土泥浆与高分子吸水树脂同时加入,进行改良试验。
2.4.1 材料制备
  膨润土泥浆仍采用上文2.3中所制备的容重为1.05g/ml的泥浆。配制质量百分数为0.3%的高分子树脂溶液,制备后的溶液呈现悬浊液形态。
2.4.2 渣土改良
  基于上述2.3试验内容,控制膨润土泥浆添加量为6%。改变高分子溶液的添加量使其与渣土的质量比分别为2%、4%、6%、8%、10%。充分搅拌后,使用标准坍落筒测定渣土坍落度,采用常水头渗透仪测定其渗透系数。
2.4.3 改良结果分析
  根据试验结果(图4),加入了高分子树脂后,渣土的渗透系数下降明显,最小值为2.77µm/s。根据朱伟等关于盾构施工临界喷涌的计算理论,计算出本工程中喷涌发生的临界渗透系数为4.62µm/s,即当渣土的渗透系数小于4.62µm/s时,不会发生喷涌。根据试验结果,当高分子材料添加量为6%时,渗透系数为3.68µm/s,当添加量继续增加时,渗透系数仍在减小,但变化已不明显。根据坍落度测试结果,当高分子材料添加量超过8%后,渣土中液体含量过多,坍落度已经超过220mm,根据邱龑等的研究结论,渣土坍落度在180~220mm之间时土体和易性最好。当坍落度过大时,土体失去流塑性,此状态下土体不利于隧道内的出渣。
 
  因此,根据室内试验结果,当采用1.05g/ml的膨润土泥浆,添加量为渣土质量的6%;质量百分数为0.3%的高分子吸水树脂溶液,添加量为渣土质量的6%,可以达到最优的改良效果。考虑到实际施工时的可操作问题,现场施工时2种材料的注入率为渣土质量的5%~7%。
3 现场施工效应
  根据室内试验结果,盾构现场施工采用双管路混合材料进行渣土改良施工,通过刀盘前方的注入口注入改良材料。为了对比验证室内试验的结论,在盾构施工的10~80环不注入膨润土和高分子材料,只注入适量的泡沫润滑刀盘。在80~150环按实验室研究结论注入膨润土泥浆和高分子材料。提取盾构施工中的刀盘扭矩参数,分析渣土改良对刀盘扭矩的影响(图5)。
  如图5所示,盾构在未注入膨润土泥浆和高分子材料时,盾构扭矩在3000~4000kN·m之间,扭矩偏大,且部分扭矩已经超过额定扭矩的80%,渣土改良效果不佳,盾构掘进受到影响。而80~
150环采用实验室研究的膨润土泥浆与高分子材料的混合改良方式,盾构扭矩明显降低,绝大部分在3000kN·m以下,渣土出渣均匀稳定,无喷涌现象发生。
4 结语
  本文研究了盾构在富水砂层的渣土改良施工技术,在实验室内进行了渣土改良材料的配比和改良效应试验研究,并将实验室研究结果应用在施工现场,最终得到了以下结论:
  1)对于孔隙率较大的富水砂层,单一使用膨润土泥浆不能有效地达到渣土改良的目的,因为膨润土泥浆易通过土体间的孔隙流失,而添加过多的泥浆又会使渣土流动性过大,失去塑性。
  2)采用膨润土泥浆和高分子吸水树脂的混合改良技术可以较好地改良渣土。根据试验结果,渣土的最优改良方案为:1.05g/ml的膨润土泥浆,添加量为渣土质量的6%;质量百分数为0.3%的高分子吸水树脂溶液,添加量为渣土质量的6%。

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