富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验研究.pdf

地基与基础建 筑 技 术 开 发 175Foundation and BasementBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月目前国内外对富水砂层渣土改良研究以具体地层为研究对象，而各地砂土颗粒级配、粒径大小、力学指标等存在很大区别，且以单一改良剂进行研究。以南通市某下穿河流区间盾构隧道工程为依托，采用室内试验结合现场试验、掘进参数变化等，研究不同颗粒级配下钙基膨润土和钠基膨润土改良富水砂土的物理性质，确定适用于该地层的渣土改良参数。研究结论可为富水砂层地区盾构施工提供借鉴指导作用，也可为改良后渣土性质理论方面研究提供参考。1 工程概况南通市某下穿河流地铁隧道采用土压平衡盾构，双线盾构外径6 m，内径5.4 m，管片环宽1.5 m，双线间距58 m。区间穿越主要地层为粉质粘土、粗砂、细砂以及中砂层，砂性地层全部位于河流水位以下，含水量丰富、渗透性强，开挖面水压过大，渣土流塑性不足，易发生喷涌现象。2 膨润土泥浆优化试验选取施工常用的钙基膨润土和钠基膨润土，分别配制成不同浓度的膨润土泥浆，并搅拌膨化24 h后，测出各浓度下的泥浆比重和粘度值，得到最优的钙基膨润土和钠基膨润土泥浆浓度。试验结果数据见表1、表2，数据变化曲线如图1、图2所示。表1 不同浓度下钙基膨润土泥浆比重和粘度泥浆配合比比重/（g/cm3）粘度/s121.1968.66131.1722.18141.1419.28161.0817.13181.0716.991101.0316.421121.0215.36由图1可知，膨润土泥浆的比重随泥浆比例的增大而减小。泥浆比例在14以下时，相同浓度的钙基膨润土和钠基膨润土比重值相差无几。泥浆比例在14以上时，随着泥浆浓度的减小，钙基膨润土和钠富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验研究张昭1，石挺其1，祁嘉辉2，张帆3（1.中交四航局一公司，广州 510500；2.云基智慧工程股份有限公司，深圳 518049；3.西安建筑科技大学，西安 710055）摘要 为得到3种不同富水砂层土中最佳膨润土泥浆体积的注入比，通过膨润土泥浆优化试验、坍落度试验、渗透试验研究了膨润土泥浆对不同种类富水砂土的改良作用。结果表明：钠基膨润土更有利于渣土改良。在细砂层、中砂、粗砂地层，钠基膨润土泥浆体积注入比差别较大。将试验结果应用于盾构施工，发现经改良优化后盾构掘进参数明显改善，渣土流塑性良好，渗透系数呈数量级降低，有效防止了喷涌现象的发生。关键词 富水砂层；土压平衡盾构；渣土改良；喷涌 中图分类号U455.43 文献标志码A 文章编号1001-523X（2023）08-0175-04EXPERIMENTAL STUDY ON IMPROVEMENT OF MUCK BY EPB SHIELD IN WATER-RICH SAND LAYERZhang Zhao，Shi Ting-qi，Qi Jia-hui，Zhang Fan AbstractIn order to obtain the best injection ratio of bentonite mud volume in three different water-rich sandy soils,the improvement effect of bentonite mud on different kinds of water-rich sandy soils was studied through bentonite mud optimization test,slump test and permeability test.The results show that sodium bentonite is more beneficial to the improvement of muck.For fine sand layer,medium coarse sand and sandy pebble layer,the volume injection ratio of sodium bentonite mud is quite different.The test results are applied to shield construction,and it is found that the improved and optimized shield tunneling parameters are obviously improved,the flow plasticity of muck is good,and the permeability coefficient decreases by an order of magnitude,which effectively prevents the occurrence of gushing phenomenon.Keywordswater-rich sand layer;earth pressure balance shield;improvement of muck;spurt收稿日期：20230525作者简介：张昭（1997），男，陕西西安人，工程师，主要研究方向为桥梁与隧道施工技术研究。地基与基础建 筑 技 术 开 发176 Foundation and BasementBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月表2 不同浓度下钠基膨润土泥浆比重和粘度泥浆配合比比重/（g/cm3）粘度/s121.1978.66131.1852.18141.1539.28161.1326.75181.1117.551101.1016.331121.0715.87钙基膨润土泥浆钠基膨润土泥浆12 13 14 16 18 110 112 泥浆比例1.201.101.00比重/（g/cm3）图1 不同浓度、不同类型膨润土泥浆比重基膨润土比重值相差越大，这说明钙基和钠基膨润土在浓度较小时，改良砂土的效果差别较大。由图2可知，膨润土泥浆的粘度也随泥浆比例的增大而减小。钙基膨润土泥浆在13以下，粘度值变化较显著，大于13时，粘度值随泥浆浓度变化较小。钠基膨润土泥浆在18以下，浓度的变化对粘度值的影响较大，当泥浆比例大于18时，粘度随浓度变化较小，基本粘度值变化不明显。12 13 14 16 18 110 112 泥浆比例比重/（g/cm3）80钙基膨润土泥浆钠基膨润土泥浆400图2 不同浓度、不同类型膨润土泥浆粘度相同浓度的钙基膨润土与钠基膨润土较，钠基膨润土的粘度远远高于钙基膨润土。说明，在改良砂土渗透性系数方面，钠基膨润土优于钙基膨润土，更有利于渣土改良，所以在盾构掘进中应优先选择钠基膨润土作为渣土改良剂。在渣土改良时，泥浆比重及粘度若较大，泥浆泵送困难，增加运送成本；泥浆比重及粘度较小时又达不到改良作用，所以应选取膨润土泥浆合适的比例，达到良好的渣土改良效果。因此，应采用土水比例为18的钠基膨润土泥浆改良。3 富水砂层改良室内试验研究3.1 配制试验砂土、试验设计现场取得未经改良的渣土砂样，烘干处理后进行砂土颗粒筛分试验。按照岩土勘察报告提供的砂土级配曲线配制出足量的细砂、中砂、粗砂3种砂土试样，分别颗粒级配如图3所示，分别加水充分搅拌后得到含水率为19.8%的天然细砂、含水率为17.4%的天然中砂、含水率为15.9%的天然粗砂，测定其初始状态下的坍落度、渗透系数以及抗剪强度指标。100 10 1 0.1 0.01 颗粒粒径/mm100500小于某粒径质量占比/%细砂中砂粗砂图3 试验砂土颗粒级配曲线由上述膨润土泥浆优化试验结果，本次试验采用18的钠基膨润土泥浆改良3种砂土试样，依次掺入泥浆与砂土体积比为4%、8%、12%、16%、20%、24%、28%的钠基膨润土泥浆，充分混合搅拌后，对经泥浆改良后的3种砂土分别进行坍落度试验、渗透试验。3.2 坍落度试验根据已有的研究结论，富水砂土坍落度在100150 mm为最佳值，得到的坍落度试验结果如图4所示。由图4可以看出，砂土在未改良之前，3种不同颗粒级配的砂土基本无坍落度，土体流塑性较差。添加钠基膨润土泥浆对其进行改良后，坍落度值随泥浆加入量的增加逐渐增大，且采用膨润土泥浆对细砂和中砂的改良效果明显优于粗砂土。地基与基础建 筑 技 术 开 发 177Foundation and BasementBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月0 4 8 12 16 20 24 28 32膨润土泥浆体积比/%细砂中砂粗砂240坍落度/mm120100150图4 膨润土泥浆改良砂土坍落度曲线当膨润土泥浆添加量与土样体积比在20%时，细砂和中砂的坍落度值分别达到了123 mm、106 mm，均在最佳的坍落度要求范围内，而此时，改良粗砂的坍落度值仅为72 mm，还未达到最佳的坍落度要求 范围。当膨润土泥浆添加量与土样体积比达到28%时，改良细砂和中砂的坍落度值分别达到了231 mm、211 mm，远大于最佳坍落度要求，此时粗砂的坍落度值为116 mm，满足渣土最佳流塑性要求，但钠基膨润土泥浆添加比例过高极大地增加了施工成本。因此，在盾构施工时，细砂、中砂地层可采用土水质量比为18、添加量为渣土体积的20%的钠基膨润土泥浆改良，粗砂地层可宜采用土水质量比为1:8、添加量为渣土体积24%的钠基膨润土泥浆进行改良。3.3 渗透试验本次渗透试验为测定3种重塑砂土在改良前后的渗透系数。表3为渗透试验数据结果，渗透试验变化曲线如图5所示。表3 渗透试验数据结果表 cm/s泥浆注入体积比/%渗透系数细砂中砂粗砂02.891023.471024.0510243.161042.581039.0410381.281046.341045.19103128.271053.791042.84103166.631051.591041.59103204.771051.361045.23104243.591056.621053.24104282.861056.131051.91104由表3及图5可知，3种重塑砂土在改良前渗透系数分别为2.89102 cm/s、3.47102 cm/s、4.05 102 cm/s，渗透系数均较大，盾构掘进时会因开挖面0 4 8 12 16 20 24 28 32膨润土泥浆体积比/%细砂中砂粗砂101103105渗透系数/（cm/s）图5 富水砂土改良渗透系数变化曲线水压过大，渣土流塑性不足，导致地下水发生集中渗流并自螺旋输送机出土口喷出。当加入钠基膨润土泥浆后，渗透系数明显降低，且对于细砂改良效果最佳，中砂次之，粗砂改良效果最差。泥浆注入比在8%时，细砂渗透系数降低到了105 cm/s数量级；泥浆注入比在12%时，细砂渗透系数降低到了105 cm/s数量级。泥浆注入比增加到14%时，细砂渗透系数降低到了2.86105 cm/s，中砂渗透系数降低到了6.13 105 cm/s，粗砂渗透系数则只降低到1.91104 cm/s。因此，盾构掘进中，细砂渗透性改良最佳泥浆注入体积比应在16%左右，中砂渗透性改良最佳泥浆注入体积比应在20%左右，而在粗砂层掘进时，膨润土泥浆注入体积比应大于24%，或提高膨润土泥浆的配合比，使螺旋输送机更容易形成土塞现象。4 现场应用及掘进参数分析本区间土压盾构渣土改良控制系统设有3路泡沫管路和2路膨润土管路，可根据具体掘进地层调整渣土改良剂及改良剂流量压力。盾构机渣土改良参数设置情况见表4。表4 盾构机渣土改良参数设置情况掘进地层泥浆浓度/%每环泥浆添加量/m3泥浆注入压力/bar细砂、粉土112.883.624中砂113.64.3224粗砂、砾砂114.325.0424选取改良参数优化后的右线掘进1216环（中砂层）、2125环（粗砂层）的砂土进行现场坍落度试验和渗透试验，得到表5的结果。渣土改良在优化前，流塑性较差，坍落度较小，渗透系数大，无法满足流塑性和渗透性要求。改良参数优化后渣土流塑性良好，渗透性显著降低。由表5地基与基础建 筑 技 术 开 发178 Foundation and BasementBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月表5 现场渣土试验结果表掘进环数膨润土泥浆流量/（L/min）坍落度/mm渗透系数/（cm/s）1256893.151051355963.4910514581034.2110515531422.5910516581561.6410521601601.631042255923.1810423661215.0110424711264.6710425771334.39104可知，渣土坍落度随膨润土泥浆流量增大而增大。中砂层中膨润土泥浆流量控制在5560L/min时，渣土坍落度基本满足最佳要求，渗透系数降低到了2 105 cm/s上下，基本满足喷涌发生临界条件。粗砂层中膨润土泥浆流量控制在6575 L/min时，坍落度满足要求，渗透系数降低到了4104 cm/s上下，满足喷涌发生临界条件。实际施工中，砂土出渣顺畅，也无小范围喷涌现象发生，较好地形成了土压平衡状态。对盾构掘进参数进行数据跟踪，发现改良优化前的总推力、刀盘扭矩较改良优化后的总推力、刀盘扭矩差值较大，在改良优化后，渣土的流塑性明显提高，盾构总推力值减小，渣土抗剪强度减小使得刀盘转动切削土体的扭矩值明显减小。根据现场施工情况看，经过优化之后的渣土改良参数，可以明显降低盾构总推力及刀盘扭矩，减小刀盘磨损，提高掘进速度，因此进一步证明前述渣土改良试验结果对于该地质条件下的盾构掘进具有显著的指导性和参考性。5 结束语以盾构穿越细砂、中砂、粗砂层为研究对象，进行了室内渣土改良试验，并分别以坍落度试验、渗透试验为改良效果评价指标，得到了适用于本区间盾构施工的渣土改良参数并应用于工程，得到了较好的评价效果，主要结论如下。（1）富水砂土地层使用钠基膨润土改良可明显降低渣土的坍落度、渗透系数，防止掌子面喷涌和刀盘扭矩过大磨损严重的现象。（2）相同浓度下的钙基膨润土和钠基膨润土，钠基膨润土泥浆比重和粘度值远大于钙基膨润土泥浆，所以在富水砂层掘进时钠基膨润土更有利于渣土改良。钠基膨润土泥浆土水比例在18时既能有效改良砂土，又能尽可能减小成本。（3）对于不同颗粒级配的细砂、中砂、粗砂地层，钠基膨润土泥浆体积注入比也不同，差别较大。细砂层钠基膨润土泥浆的最佳注入比为16%20%，中砂层钠基膨润土泥浆的最佳注入比为20%24%，而粗砂层钠基膨润土泥浆的注入比应控制在24%28%为宜。在含有大粒径卵石地层，应进一步增大泥浆注入比或提高泥浆浓度。（4）根据现场渣土效果分析，应用上述室内试验结果及改良剂流量控制，效果较好，掘进中砂层流塑性良好，形成良好的土塞效果，同时掌子面和螺旋输送机无喷涌现象发生。参考文献1 申兴柱,高锋,王帆.土压平衡盾构穿越透水砾砂层渣土改良试验研究J.铁道标准设计,2017,61(4):121125.2 刘飞,杨小龙,冉江陵,等.基于盾构掘进效果的富水砾砂地层渣土改良试验研究J.隧道建设(中英文),2020,40(10):14261432.3 于有强 盾构渣土改良用膨润土泥浆试验分D.沈阳:沈阳工业大学,2019.4 赵涛,郭军,梁庆国,等.盾构渣土改良试验及绿色利用J.铁道工程学报,2021,38(3):107112.5 叶晨立.高水压高渗透砂性地层土压平衡盾构施工渣土改良技术研究J.隧道建设(中英文),2018,38(2):300307.