破碎地层土压平衡盾构渣土改良实验研究

王越

摘要：对于地层中的浅埋段，在实地采取不同类型掘进参数得到不同类型的渣土进行深入研究，对在不同含水量和不同成分配比下所得到的岩质渣土和泡沫剂改良砂质的坍塌程度、塑流状混合物的含水量进行定量研究，通过得到的数据深入研究泡沫剂含量和含水量、渣土流动性的关联。实验大量数据表明，当泡沫剂含量为40%，含水量在16%到18%时，改良成效显著，经济成本最低，收益高。

关键词：破碎地层 土壤结构改良 土压平衡盾构法 泡沫剂含量

引言：随着社会经济的進步与人类文明的发展，地面以下的空间工程也渐渐地得到了重视。就我国当前形势而言，一线城市甚至二线城市大都通过盾构施工的方式兴建地铁工程。但是因为不同地区的土层结构差别较大，通用的土压平衡盾构施工法场遭遇刀盘扭矩太大、姿态无法调控、掘进进程迟缓、难以出渣和地表突起、塌陷等困难。该方法掘进时，其前端刀盘尖端旋进土壤，后隔板与掌子面间形成泥土空腔，若土体把土仓覆盖，其压力与切削面上的水、土压力大致相仿，就可以把掌子面稳定住，但前提是土壤本身具备良好的塑流性。在施工前必须充塑渣土的流动性，才能够让土壤的塑状流动性提升，进一步使得喷涌量和刀具的磨损速度大幅度降低。

国内外学者为确保该方法的施工能够适应各种情形，进行了海量的科研探索。A，Bezuije等研究工作者模拟了相应的压力效应仓，向其中投入了适量气泡，对于其中混合土的压缩程度、黏着程度、渗透程度以及空隙间水压力进行了深刻探索。张明晶等应用朱伟教授研制的发泡剂和发泡装置进行发泡进行土壤改良时发现，在一定范畴内，随气泡掺量增加，土体强度不增反减。

一、工程难点

因为地层破碎、隧道埋深浅等原因，开挖土的流动性就会非常低，如果保持高温的前提下盾构机持续推进压力，就会导致土仓里排水压密、固结，生成泥饼，导致螺旋输送机管道的拥挤，大大降低刀具工作的效率：同时，如果隧道通过破碎地层，相应的裂隙水和承压水的遍布范畴及水位变动很大，在该地层作业时，螺旋机排土器的出口处出极易喷涌，这就会让渣土堆积并导致隧道积水，让掘进进度停滞不前。

二、渣土改良试验方案

对于渣土的改良成效的评级系统，其整体综合性较高，其中改良剂含量以及含水率是两个非常重要的指标。把海量的试验结果集成研究，把含水率和改良剂掺量进行针对性对比分析。而渣土改良成效的评判标准一般为其坍塌程度，以此对改良后渣土的流动性进行对比分析。一般而言，对渣土坍塌程度来说含税量因素干系很大，渣土的黏着程度会因为含水量的提升而降低，而流塑性则会随之提升而提升。所以，本论文就该地层从不同含水量和不同改良剂掺量两个层次就渣土的流动性进行了深度探索。

三、渣土样本提取及其物理性质

（一）渣土样本提取。为具体对不同均质地层中不同掘进参数下的渣土的物理性质进行研究分析，在进行盾构机掘进时，通必须对相应的推力、刀盘转速等参数进行变更，一直等到施工参数相对平稳时，在接收装置的皮带末端进行随机取样，同时保证密封完整性。为确保盾构掘进持续稳定，盾构机各掘进参数必须把控在合适、合理的范畴内。因为掘进参数动态调整的本质，所以变更的掘进参数一定会在掘进参数数字范围内波动，所以必须进行渣土取样。

（二）渣土的物理性质。把一定量定容量的容器进行编号渣样同时按次序称其重量，把容器的重量减去后就能够得到渣样的密度。把每一个编号的渣样湿质量进行称量，而后平置于防水板上，自然风干一天之后置于烘箱10小时，尔后得到其干质量，就能够得到渣土的含水率，同理得到每一个编号下的渣土密度及含水率量。取算术平均值，得到各渣样平均密度为1.79g/cm³，考虑客观因素，盾构掘进时会向土仓里流进，故得到的含水率较实际含水率高，所以客观含水率更加毗邻地层含水率。

四、渣土改良试验

（一）改良剂的筛选。一般而言，对于土压平衡盾构作业的主要的渣土改良剂大致包括;水、泡沫剂、膨润土、高分子聚合物等等，具体而言，泡沫剂改良效果显而易见，本试验所应用的时南昌某公司的YHP系列泡沫剂，其主要成分包括稳定剂。表面活性剂、渗透剂等，本身就是特别有利于盾构机作业的一种渣土改良剂，可以大师幅度提升土壤塑性，其相应指标参数也达到相当高的水平。

（二）试验过程及结果。把含水率为16%作为基准水平的渣土，调控泡沫剂溶液的流量，使得混合溶液的浓度为3%，同时调控气压，得到相应的泡沫（通过该方法发泡倍率大于10），其掺杂量以渣土体积为0%为基准，以20%为分组递增到60%。如果掺杂量的泡沫不同下，就通过搅拌机把其搅拌完全，结束后将其分层次灌入坍落度桶里，每一层都通过捣棒由表及里插捣15次左右，最终灌满后通过刮刀把桶口的渣土匀平。最后把坍落度桶拔出，测量其具体的坍落度，把每一组的数据记录在案。当含水率为16%时加减2%，为12%、14%、18%和20%，在根据上述操作重新实验。

对每一个分组实行明确实验同时得到确切的坍落度数值，把得到的结论建立含水率、泡沫剂掺杂量和流动性的定量如图一。

总结：由上图可知，当渣土样本的含水率维持于16%～18%时，可以掺入泡沫剂使其达到相对优良的流塑状，其坍落度值区间范畴维持在180mm～230mm之间，同时渣土里的细微颗粒可以把粗颗粒实现完整囊括，而渣土的保水性能非常强，不易析水，所以渣土能够维持在近饱和或者饱和状态。如果泡沫剂掺杂量维持在40%左右时吗，对于渣土的改良成效最好，同时可以保证成本低，提升经济效率。