王明杰 王德乾 李 博 謝宇飛 斯芳芳

(1.北京中鐵新材料技術(shù)有限公司 北京 102600；2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600；3.中鐵物資集團(tuán)有限公司 北京 100143)

1 引言

盾構(gòu)施工中常會(huì)遇到黏土層[1－2]、砂層、砂卵石層[3－4]和上軟下硬地層等多種地層。其中砂層包括無(wú)水砂層、無(wú)水砂卵石地層、富水砂層以及富水砂卵石地層。例如北京是無(wú)水砂層和砂卵石層的典型代表，成都是富水砂層和砂卵石層的典型代表[5－7]。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在砂層掘進(jìn)中，會(huì)遇到刀盤扭矩過(guò)大、刀具磨損嚴(yán)重和“噴涌”等施工難題[8]。這些難題輕則引起刀盤刀具磨損嚴(yán)重，提高施工成本，施工延期；重則引起掌子面塌陷，導(dǎo)致地基下沉，甚至造成較大施工安全事故[9]。因此，施工時(shí)必須對(duì)盾構(gòu)施工渣土進(jìn)行有效改良，確保盾構(gòu)機(jī)安全掘進(jìn)。

據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，在寧句線句容站至東句盾構(gòu)井區(qū)間施工過(guò)程中，柏春林[10]研究了分散型泡沫劑和水改良渣土前后扭矩的變化，改良前后刀盤扭矩分別為3 200～4 000 kN·m、2 000～2 500 kN·m，下降37.5%左右。在長(zhǎng)春地鐵二號(hào)線西延線施工過(guò)程中，李樹忱等[11]研究了在盾構(gòu)刀盤處加入自制的改良劑進(jìn)行渣土改良，改良后刀盤扭矩降低約26.4%。在西安地鐵一號(hào)線二期施工過(guò)程中，王彥臻[12]研究了膨潤(rùn)土和泡沫改良砂層，改良后刀盤扭矩下降15.2%。以上施工案例中，改良后扭矩降低量明顯不同，究其原因，是因?yàn)槟壳笆┕挝幌嚓P(guān)人員對(duì)改良劑產(chǎn)品種類的選擇、性能參數(shù)的設(shè)定和改良劑的注入量不了解，施工時(shí)靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，并沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)理論指導(dǎo)。

為了研究改良劑加入盾構(gòu)渣土前后扭矩的變化情況，中鐵五院聯(lián)合紹興市吉達(dá)儀器設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)研制出一臺(tái)專用于在實(shí)驗(yàn)室模擬盾構(gòu)施工渣土改良的扭矩測(cè)試儀。

本文選擇一種河砂模擬盾構(gòu)施工所遇到的無(wú)水細(xì)砂層，研究其經(jīng)過(guò)改良劑改良前后的扭矩、坍落度等變化規(guī)律，為盾構(gòu)施工所遇到的無(wú)水細(xì)砂層渣土改良提供技術(shù)參考。

2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)材料包括河砂、水和自制盾構(gòu)泡沫劑。試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。

表1 __試驗(yàn)設(shè)備

河砂進(jìn)場(chǎng)前經(jīng)過(guò)新標(biāo)準(zhǔn)工程直徑為1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm的砂石網(wǎng)進(jìn)行篩選后得到河砂的級(jí)配曲線，如圖1所示。試驗(yàn)進(jìn)行前將河砂進(jìn)行干燥處理，得到無(wú)水河砂，待用。

圖1 細(xì)砂級(jí)配曲線

自制盾構(gòu)泡沫劑是實(shí)驗(yàn)室研制的專用于盾構(gòu)施工渣土改良用的產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)室選用和盾構(gòu)施工相同的3%的水溶液進(jìn)行渣土改良。試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

渣土改良扭矩測(cè)試儀是一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室專門用于模擬盾構(gòu)施工中刀盤切削土層的扭矩測(cè)試儀器。該儀器通過(guò)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)攪拌槳的轉(zhuǎn)速來(lái)模擬刀盤對(duì)土層的切削，通過(guò)動(dòng)態(tài)扭矩傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)扭矩變化值的監(jiān)控，最終通過(guò)監(jiān)控軟件自動(dòng)生成扭矩隨時(shí)間的變化曲線。

發(fā)泡裝置是一套專門用于實(shí)驗(yàn)室模擬盾構(gòu)施工中泡沫劑發(fā)泡的試驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備通過(guò)一定壓力、一定流量的實(shí)驗(yàn)室自制盾構(gòu)泡沫劑的水溶液與一定壓力、一定流量的壓縮空氣在發(fā)泡槍相遇，并在充滿蜂窩狀發(fā)泡材料的發(fā)泡槍中進(jìn)行發(fā)泡，獲得泡孔均勻、發(fā)泡率高、穩(wěn)泡性好的泡沫。

半衰期測(cè)試裝置是專門用于測(cè)試盾構(gòu)泡沫劑經(jīng)發(fā)泡之后形成的泡沫穩(wěn)定性的儀器，如圖2所示。

圖2 半衰期測(cè)試裝置

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 盾構(gòu)泡沫劑評(píng)價(jià)指標(biāo)

盾構(gòu)泡沫劑在土壓平衡盾構(gòu)施工中最重要評(píng)價(jià)指標(biāo)為發(fā)泡性和穩(wěn)泡性。

發(fā)泡倍率(ER)是表征盾構(gòu)泡沫劑發(fā)泡性的技術(shù)參數(shù)。計(jì)算公式為:

式中:Vf為泡沫體積；Vl為發(fā)泡劑溶液體積。

半衰期是表征盾構(gòu)泡沫劑經(jīng)發(fā)泡裝置所發(fā)泡沫穩(wěn)定性的技術(shù)參數(shù)，其測(cè)試方法:

將衰落桶置于電子天平上，歸零；用衰落桶盛滿發(fā)泡裝置剛生成的泡沫，并啟動(dòng)秒表，同時(shí)迅速將其置于電子天平上，測(cè)出泡沫的質(zhì)量；然后再迅速將其置于三腳架上，衰落桶底部為燒杯和電子天平，滴入燒杯中的泡沫劑水溶液的質(zhì)量為衰落桶內(nèi)泡沫質(zhì)量一半時(shí)所用的時(shí)間，即為半衰期，用t1/2表示，單位為min。

3.2 河砂流塑性評(píng)價(jià)指標(biāo)

渣土流塑性參照表征混凝土流動(dòng)性的指標(biāo)——坍落度。坍落度在一定程度上反映了土體的流塑性，但難以反映盾構(gòu)渣土的整體改良狀態(tài)[16]。因此，課題組研制了渣土改良扭矩測(cè)試儀模擬盾構(gòu)施工中刀盤扭矩的變化，并提出“渣土扭矩”指標(biāo)與坍落度協(xié)同表征盾構(gòu)渣土改良效果[13]。

喬國(guó)剛[14]等的研究成果中提到盾構(gòu)施工渣土經(jīng)泡沫劑改良后的坍落度最佳范圍為10～16 cm。商躍峰[15]在研究成果中總結(jié)出盾構(gòu)渣土經(jīng)泡沫劑和高分子聚合物改良后的變化規(guī)律。坍落度低于14 cm時(shí)河砂塑性太強(qiáng)，流動(dòng)性太差，導(dǎo)致渣土難以排出；高于17 cm時(shí)河砂流動(dòng)性太強(qiáng)，塑性太差，導(dǎo)致掌子面難以穩(wěn)定，不利于施工順利進(jìn)行，故改良無(wú)水河砂的坍落度最佳范圍為14～17 cm。

坍落度試驗(yàn)參照?混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范?(GB 50204—2002)規(guī)定，參考朱傳新[17]在坍落度試驗(yàn)的具體試驗(yàn)步驟進(jìn)行。

4 河砂改良試驗(yàn)

4.1 不同質(zhì)量的水對(duì)河砂改良前后的扭矩影響

首先稱取10 kg河砂置于攪拌缸內(nèi)，設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速為10 r/min，待攪拌槳葉下降至最底端時(shí)，開始試驗(yàn)，曲線平穩(wěn)后，再加入一定質(zhì)量的水，待扭矩值穩(wěn)定后，得到三個(gè)階段的扭矩變化趨勢(shì)，如圖3a所示，其中曲線①、②、③分別為未加入水時(shí)、加入水后、改良后河砂的扭矩曲線。

不同質(zhì)量的水改良河砂后所得到的扭矩曲線如圖3所示，坍落度如圖4所示。

圖3 不同質(zhì)量水改良10 kg河砂扭矩曲線

圖4 不同質(zhì)量水改良10 kg河砂后河砂形態(tài)

由圖3可知，200 g水改良河砂后扭矩由5 N·m升高到9 N·m，改良后扭矩升高比例為80%；同理，400 g、600 g、2 000 g水改良河砂后扭矩升高比例分別為110%、200%、40%。 由圖4 可知，200 g、400 g、600 g水改良河砂后的坍落度分別為7、7、9 cm。2 000 g水改良后的河砂已喪失塑性。

綜上所述，水作為改良劑改良河砂并沒(méi)有降低渣土在改良時(shí)的扭矩，反而使得扭矩增大；當(dāng)加入過(guò)量水后，河砂將完全喪失塑性，渣土形態(tài)極差。因此，盾構(gòu)施工中遇到無(wú)水砂層時(shí)，杜絕使用單一的水作為改良劑。

4.2 不同質(zhì)量的泡沫作為改良劑對(duì)河砂扭矩影響

試驗(yàn)操作步驟見4.1，其中改良劑為3%自制泡沫劑的水溶液，采用中鐵五院自制泡沫發(fā)生裝置進(jìn)行發(fā)泡，發(fā)泡參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)泡倍率為22.7的盾構(gòu)泡沫劑發(fā)泡參數(shù)

在同一發(fā)泡倍率下采用200、400和600 g泡沫改良河砂后得到的扭矩曲線和渣土形態(tài)如圖5所示。

圖5 不同質(zhì)量泡沫改良河砂后河砂扭矩曲線與形態(tài)

由圖5可知，200 g泡沫改良河砂后扭矩由5.5 N·m降到了3.5 N·m，降低比例為36.4%；同理，400、600 g泡沫改良河砂后扭矩降低比例分別為50%、54.5%，坍落度分別為14、23、23 cm。綜上所述，泡沫作為改良劑改良河砂明顯降低了其扭矩。綜合考慮泡沫改良后的河砂扭矩降低值與坍落度的協(xié)同，當(dāng)盾構(gòu)發(fā)泡劑發(fā)泡倍率為22時(shí)，使用200 g泡沫改良10 kg河砂，效果較優(yōu)。

4.3 不同發(fā)泡倍率的泡沫對(duì)河砂扭矩影響

試驗(yàn)操作步驟見4.2，發(fā)泡參數(shù)如表3所示。

表3 不同發(fā)泡倍率的盾構(gòu)泡沫劑發(fā)泡參數(shù)

發(fā)泡倍率分別為10.5、15.2和22.7的泡沫改良河砂后所得到的扭矩曲線和渣土形態(tài)如圖6所示。

由圖6可知，發(fā)泡倍率為10.5的200 g泡沫改良河砂后扭矩由7.5 N·m降至7 N·m，降低比例為6.7%；同理，發(fā)泡倍率為15.2、22.7的200 g泡沫改良河砂后扭矩降低比例分別為30%、36.4%。坍落度分別為14、15、14 cm。將不同發(fā)泡倍率的泡沫與對(duì)應(yīng)改良后的渣土扭矩降低比例制圖，如圖7所示。

圖6 不同發(fā)泡倍率的泡沫改良后河砂扭矩曲線與形態(tài)

圖7 200 g不同發(fā)泡倍率泡沫改良10 kg河砂扭矩降低比例

由圖7可知，河砂經(jīng)發(fā)泡倍率分別為10.5、15.2、22.7的泡沫改良后的扭矩分別降低了6.7%、30%、36.4%。當(dāng)發(fā)泡倍率由10.5增至15.2，扭矩降低程度(4.3倍)高于由15.2增至22.7(1.2倍)，即隨著發(fā)泡倍率逐漸增大，扭矩降低百分比增大緩慢。因此，建議使用發(fā)泡倍率為15左右的泡沫改良無(wú)水細(xì)砂層，渣土改良狀態(tài)好，符合實(shí)際施工需求。

4.4 河砂質(zhì)量與泡沫使用量的關(guān)系

試驗(yàn)操作步驟見4.2，使用發(fā)泡倍率為15的泡沫分別改良10、15和20 kg河砂，使用泡沫量分別為200、290和400 g，發(fā)泡參數(shù)如表4所示。

表4 發(fā)泡倍率為15的盾構(gòu)泡沫劑發(fā)泡參數(shù)

所得到的扭矩曲線圖和河砂形態(tài)如圖8所示。

圖8 不同比例的泡沫和河砂改良后河砂扭矩曲線與形態(tài)

由圖8可知，發(fā)泡倍率為15的200 g泡沫改良10 kg河砂后使扭矩由5.5 N·m降到3.5 N·m，降低比例為36.4%；同理，290 g∶15 kg扭矩降低比例為52.6%；400 g∶20 kg扭矩降低比例為65.1%。坍落度分別為14、14、15.5 cm。

由扭矩改良曲線推測(cè)改良不同質(zhì)量的河砂所用的泡沫質(zhì)量存在一定的線性關(guān)系，泡沫質(zhì)量和河砂質(zhì)量之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 泡沫質(zhì)量與河砂質(zhì)量關(guān)系曲線

由圖9可知，河砂質(zhì)量與改良用的泡沫消耗量的比例屬于線性擬合:y＝20x，即每10 kg無(wú)水河砂需要0.2 kg泡沫進(jìn)行改良。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著細(xì)砂的增多，泡沫用量按照公示比例增大，10、15、20 kg的無(wú)水河砂改良后的扭矩值分別降低36.4%、52.6%、65.1%。其改良渣土坍落度分別為14、14、15.5 cm，均有較好的流塑性。 因此，該擬合曲線合理。

5 結(jié)論與建議

本文通過(guò)渣土扭矩改良測(cè)試儀模擬盾構(gòu)施工過(guò)程中使用泡沫劑改良河砂流塑性，使其扭矩降低，達(dá)到減小對(duì)刀盤的磨損，降低施工成本的目的，針對(duì)這一研究，得出以下結(jié)論:

(1)水不能作為單一改良劑改良無(wú)水砂土層，泡沫是改良無(wú)水砂土層的有效改良劑。當(dāng)盾構(gòu)泡沫劑發(fā)泡倍率小于15時(shí)，改良效果不穩(wěn)定；發(fā)泡倍率大于20時(shí)，扭矩緩慢下降。發(fā)泡倍率為15～20時(shí)，渣土改良效果最好。

(2)泡沫改良無(wú)水河砂時(shí)，泡沫使用量與無(wú)水河砂比例大約為20 g∶1 kg，坍落度在14～16 cm之間，渣土具有很好的流塑性，此時(shí)渣土改良后扭矩下降值高達(dá)36.4%。

(3)建議在盾構(gòu)施工中參照泡沫使用量與改良無(wú)水細(xì)砂質(zhì)量比例擬合曲線進(jìn)行參數(shù)調(diào)配，以達(dá)到合理降低刀盤掘進(jìn)過(guò)程中的扭矩，降低泡沫的消耗量，維持掌子面的穩(wěn)定性，使盾構(gòu)施工可以順利高效進(jìn)行的目的。