CN110566211A - 一种适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，包括以下步骤：S1：根据地勘报告确定所穿越的砂卵石地层细颗粒占地层总质量的含量，为实际细颗粒含量；S2：通过砂卵石流动性模型确定临界细颗粒含量；S3：根据实际细颗粒含量和临界细颗粒含量确定改良剂的种类；S4：根据实际细颗粒含量确定改良剂的掺入量；其中：步骤S1、S2以及S3中的细颗粒指的是粒径小于2mm的颗粒；该方法使得具有“三高”特点的砂卵石地层具有良好的流动性，降低盾构机的刀盘扭矩，避免刀盘糊死；渣土得粘度降低，维持掌子面的稳定，控制土方超挖，防止地表塌陷、滞排或喷涌；提高挖掘效率。

Description

一种适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法

技术领域

本发明属于土压盾构中的渣土改良技术领域，具体涉及一种适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法。

背景技术

区间盾构隧道洞身主要穿越Q3fgl+al的高强度卵石土夹透镜体砂层，洞身基本位于卵石土地层中，隧道围岩为Ⅴ级的中密以上卵石土，岩土施工工程分级主要为Ⅳ级。上覆黏性土多为可塑状，所夹砂土部分为液化土层，液化等级轻微；卵石土分选性、均匀性差，抗压强度高，自稳性较差，渗透系数大，透水性强，富水性良好。沿线地下水位随季节变化较大，主要为砂土、卵石土中赋存的孔隙潜水。

地下水及人工填土层对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋和钢结构具微腐蚀性。总体上工程地质条件一般。对于具有“高富水、卵石含量高、卵石强度高”的三高特点的砂卵石地层施工遇到的故障难题由：一是盾构刀盘、刀具磨损严重带来的频繁换刀作业；二是盾构压力舱半舱作业引发的地层塌陷频发；三是压力舱内渣土改良不到位导致的螺旋排土器出口喷涌与压力舱内渣土滞排。

分析以上砂卵石地层土压盾构掘进中故障难题的原因，主要还是在于砂卵石渣土改良成流塑性渣土较为困难，因为砂卵石改良困难导致掘进时压力舱渣土必须及时排出，否则容易堆积形成较高强度渣土形成严重滞排；而快速的排出必然导致盾构掘进时存在明显超挖，当超挖到一定程度时，地表坍塌将不可避免。当压力舱改良不到位时，砂卵石的高渗透性无法封堵地层大量的地下水导致喷涌将不可避免；而喷涌带出的泥砂后剩下的粗颗粒将在压力舱和螺旋排土器中堆积形成滞排。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法。

本发明所采用的技术方案为：一种适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，包括以下步骤：

S1：根据地勘报告确定所穿越的砂卵石地层细颗粒占地层总质量的含量，为实际细颗粒含量；

S2：通过砂卵石流动性模型确定临界细颗粒含量；

S3：根据实际细颗粒含量和临界细颗粒含量确定改良剂的种类；

S4：根据实际细颗粒含量确定改良剂的掺入量；

其中：步骤S1、S2以及S3中的细颗粒指的是粒径小于2mm的颗粒。

进一步限定，步骤S1中实际细颗粒含量通过地勘报告中的数据绘制的砂卵石地层颗粒级配曲线而得到。

进一步限定，步骤S2中临界细颗粒含量的计算方法为：

和

式中：

ρ′_s——细颗粒的堆积密度，g/cm³；

ρ′_g——卵石的堆积密度，g/cm³；

ρ_g——卵石的颗粒密度，g/cm³；

n——卵石的孔隙率；

α——细颗粒孔隙率系数；

——临界细颗粒含量；

其中：卵石指的是粒径大于或等于2mm的颗粒。

进一步限定，步骤S3中改良剂的种类的确定方法为：

当时，改良剂为泡沫剂水溶液或稀膨润土泥浆或两者形成的混合区，其中：稀膨润土泥浆的膨水比为1：(4～6)；

当时，改良剂为泡沫剂水溶液或稠膨润土泥浆或两者形成的混合物，稠膨润土泥浆的膨水比为1：(4～6)；

当时，改良剂为泡沫剂水溶液和含有聚合物的稠膨润土泥浆形成的混合物；

其中：β_s——实际细颗粒含量。

进一步限定，所述稀膨润土泥浆由钠基膨润土泥浆与水按照体积比1：(4～6)混合而成。

进一步限定，所述稠膨润土泥浆由钠基膨润土泥浆与水按照体积比1：(4～6)、质量比为0～60％的细砂以及质量比为1.3％～1.6％的羧甲基纤维素钠混合搅拌而成，其中：质量比等于该物质质量/泥浆质量。

进一步限定，所述泡沫剂水溶液由质量比为2.5％～4.0％的泡沫剂和水混合形成。

进一步限定，步骤S4的具体步骤为：

S4-1：当泥浆的加入量一定时，绘制泡沫剂水溶液的不同掺入量的搅拌扭矩曲线图和塌落度曲线图；

S4-2：当泡沫剂水溶液的添加量一定时，绘制泥浆的不同掺入量的渗透曲线图；

S4-3：当泡沫剂水溶液的添加量一定时，绘制泥浆的不同掺入量的渣土喷涌压力曲线图；

S4-4：当泥浆的加入量一定时，测定泡沫剂水溶液的不同掺入量的摩擦角；

S4-5：由步骤S4-1、S4-2、S4-3以及S4-4所得的搅拌扭矩曲线图、塌落度曲线图、渗透曲线图、渣土喷涌压力曲线图以及摩擦角确定改良剂的加入量。

本发明的有益效果为；该方法使得具有“三高”特点的砂卵石地层具有良好的流动性，降低盾构机的刀盘扭矩，避免刀盘糊死；渣土得粘度降低，维持掌子面的稳定，控制土方超挖，防止地表塌陷、滞排或喷涌；提高挖掘效率和降低维修成本。

附图说明

图1是砂卵石地层典型颗分曲线；

图2是细颗粒填充砂卵石孔隙物理模型；

图3是卵石的示意图；

图4是卵石与细颗粒的二相图；

图5是不同泥浆添加量下搅拌时的扭矩；

图6是不同泥浆添加量下的坍落度；

图7是渗透系数变化图；

图8是不同泥浆添加量下临界喷涌压力；

图9是不同泡沫添加量下搅拌时的扭矩；

图10是不同泡沫添加量下的坍落度；

图11是不同泡沫添加量下的渗透系数；

图12是不同泡沫添加量下临界喷涌压力；

图13是泥浆掺入质量比一定时，不同泡沫添加量下搅拌时的扭矩；

图14是卵石含量一定时，不同泥浆添加量下搅拌时的扭矩；

图15是卵石含量一定时，不同泡沫添加量下的坍落度；

图16是卵石含量一定时，不同泡沫添加量下的渗透系数；

图17是卵石含量一定时，不同泥浆添加量下渣土的临界喷涌压力；

图18是盾构机刀盘注入口的示意图；

图19是地表沉降监测曲线图；

图20是前50环超方量统计曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，有的结构或器件未作具体描述的，理解为现有技术中有能实现的结构或器件。

实施例1

成都地区砂卵石地层成因由上更新冲洪积成因至中更新冰债、冰水堆积、冲洪积成因逐渐转换为晩更新世冰水-流水堆积成因，直至现代的河流阶地-河漫滩成因；砂卵石层主要分布于平原部分，大多数厚度13-27米，最大厚度可超30米，埋深1-3米，最大埋深可超7米。横向上，由北西向南东，砂卵石层埋深由小到大，含泥量由少到多，砂卵石比由小到大。纵向上，砂卵石地层自老到新，风化程度渐减弱，卵石层密实度及承压力随深度增加。砂卵石地层为非连续级配地层，粒径大于20mm的颗粒质量占比在55％-90％之间，在地层组份中占绝对比重，粒径小于0.075mm质量占比小于3％。区间漂石含量均在0.75％以上，主要集中在深度10m-30m。漂石的平均天然抗压强度为157MPa，抗荷能力强，对刀盘的磨损大。

成都砂卵石地层由于卵石含量较高、强度较大、含水量较多，土体的塑流性较差，目前给土压盾构带来的施工难点如下：

(1)刀盘切削下来的砂卵石土进入土舱和螺旋机内时，会发生“离析”，大粒径的卵石沉底难以排出，使得刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩增大，掘进速度降低，甚至导致土压盾构无法推进。由于砂卵石硬度很高，对盾构机刀盘及螺旋磨损较大。若土舱内的渣土比较多，可能会使刀盘周围的温度提高，最终造成刀盘的磨损破坏；

(2)由于地层中的卵石镶嵌结构，刀盘切削掌子面土体时，容易产生超挖，可能导致开挖面平衡状态被破坏而产生坍方；

(3)砂卵石地层埋深在地下水位线以下，其孔隙率大、渗透系数大。盾构施工中密封舱和螺旋排土器内的土体若不能有效抵抗开挖面上的水压力,在螺旋排土器出口处容易发生喷砂、喷泥和喷水的现象，不仅会造成隧道内开挖土难以处理,严重时也会导致开挖面失稳；

(4)土压盾构机在砂卵石地层掘进时，由于盾构机压力舱内的开挖土具有较大的内摩擦角,土体与侧壁的摩擦系数较大,开挖面的压力和压力舱隔板承受的盾构千斤顶的推力较大时,土体在压力舱的侧壁容易发生粘附现象,此时上部的土体不能掉下来,粘附的土体逐渐增加,就容易发生开挖土的拱作用。由于开挖土体在密封舱成拱,使盾构机不能正常出土,时间一长土体就会压实充满压力舱,经过压实的土体又使密封舱内搅拌翼板的阻力上升,加大了刀盘扭矩,进而造成刀盘磨损破坏。

针对成都砂卵石地层存在的上述问题，本实施例提供一种适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，包括以下步骤：

S1：根据地勘报告确定所穿越的砂卵石地层细颗粒占地层总质量的含量，为实际细颗粒含量；

根据地勘报告，可知典型的成都砂卵石地层特性如下：

<3-8-1>稍密卵石土(Q3fgl+al)：青灰色、灰白色，稍密，饱和，粉细砂充填，卵石成份主要为石英岩、花岗岩，呈圆状，亚圆状，层厚3.3～9.0m，场地内普遍分布。

<3-8-2>中密卵石土(Q3fgl+al)：青灰色、灰白色，中密，饱和，粉细砂或中砂充填，卵石成份主要为石英岩、花岗岩，呈圆状，亚圆状，层厚3.0～9.9m，场地内普遍分布。

<3-8-3>密实卵石土(Q3fgl+al)：青灰色、灰白色，密实，饱和，卵石粒径20～150mm为主，最大可达250mm，粉细砂或中砂充填，卵石成份主要为石英岩、花岗岩、石灰岩，呈圆状，亚圆状。层厚较大，场地内普遍分布，本次勘察范围内钻孔皆未见底，呈层状分布于基岩之上；

根据地勘报告以及现场取样，得到了砂卵石地层典型颗分曲线，如表1和图1所示，图1中横坐标表示粒径，纵坐标表示小于某粒径的细颗粒的含量，1mm右侧的第一根纵向线对应的横坐标为2mm，由表1和图1可知，小于2mm的细颗粒含量β_s＝33％。

表1砂卵石地层粒组含量

粒径/mm	＞60	20-60	2-20	0.5-2	0.25-0.5	0.075-0.25	＜0.075
								含量/％	15	35	17	10	7	10	6

S2：通过砂卵石流动性模型确定临界细颗粒含量；

把砂卵石地层中的卵石粗颗粒(粒径≥2mm)类比石子，其他细颗粒(粒径<2mm)类比砂子，当砂卵石地层中的卵石与细颗粒均匀分布时，即可建立砂卵石渣土细颗粒填充卵石孔隙物理模型，如图2所示。实际上对于土压盾构施工的砂卵石地层改良而言，这里“细颗粒”是指除卵石以外其它物质，包括粗砂、细砂、粉土、黏土、水、膨润土、泡沫等添加剂的总和，此时以β_s表示细颗粒的质量与砂卵石地层中渣土总质量的比值。

建立如图4所示的砂卵石地层中卵石与细颗粒的二相图

式中：

ρ′_s——细颗粒的堆积密度，g/cm³；

ρ′_g——卵石的堆积密度，g/cm³；

ρ_g——卵石的颗粒密度，g/cm³；

n——卵石的孔隙率；

α——细颗粒孔隙率系数；

——临界细颗粒含量；

其中：卵石指的是粒径大于或等于2mm的颗粒。

进行多次试验，测试细颗粒填充粗颗粒孔隙的临界细颗粒含量试验。如表2所示。

表2砂卵石临界细颗粒含量计算结果

通过以上计算可知，细颗粒刚好填充粗颗粒形成的孔隙时的临界含量左右。

S3：根据实际细颗粒含量和临界细颗粒含量确定改良剂的种类；

根据以上计算结果，很明显地层的细颗粒含量处于之间；当时，通过掺入泡沫和膨润土稀泥浆即可将砂卵石改良到塑性流动状态；当时，通过掺入泡沫、稠膨润土泥浆即可将砂卵石改良到塑性流动状态；当时，则需要掺入泡沫、含聚合物的膨润土稠泥浆才能将砂卵石改良到塑性流动状态。很明显，成都地铁土压盾构施工符合第二种情况，需要在注入泡沫剂同时，注入稠膨润土泥浆进行渣土流塑性改良。

S4：根据实际细颗粒含量确定改良剂的掺入量；

较为经济的掺入比例为：掺入的泡沫体积为渣土体积的30-40％，膨润土采用钠基膨润土泥浆，膨水比为1:4至1:6，膨润土掺入量为每环10方左右，质量掺入比为8-9％。

其中：步骤S1、S2以及S3中的细颗粒指的是粒径小于2mm的颗粒。

实验室实验

1.膨润土泥浆改良效果分析

1.1搅拌试验

对于砂卵石地层，膨润土泥浆掺入后渣土的改良过程一般为：初始的砂卵石地层颗粒松散、无粘聚力。加入适宜的泥浆之后，水分和细颗粒含量增多，渣土颗粒间粘聚力增加使得卵石逐渐被细颗粒包裹，渣土开始形成一定的流动性、整体性和裹挟性。继续添加泥浆后，渣土整体的流动性明显增大，形成较为均匀的整体，搅拌功率也逐渐减小。此时泥浆的添加量需要谨慎控制，一旦超过适宜添加量渣土极易出现“离析”现象。此时渣土保水性很差，卵石颗粒(与细颗粒分离后)几乎全部沉底，指标上表现为搅拌扭矩较之前反而会有所增加。之后继续添加泥浆，泥浆仅会悬浮在渣土的上部，无法起到改良的作用。

从搅拌扭矩图5可以看出，随着泥浆加入量的增多，各种地层的渣土搅拌扭矩变化速率基本符合由大变小的趋势，表明当掺入适量改良剂后，随着改良剂掺入量的增加渣土搅拌功率呈现前期降低较快，后期变化较慢的状态。

但是对于卵石含量过高的地层，即超过67％时，当搅拌扭矩达到最低点之后，搅拌扭矩随着泥浆掺入量增加而增大，之后搅拌扭矩保持稳定。结合表面观察与数据分析可以得出此种变化为渣土产生了“离析”现象，卵石颗粒与细颗粒分离之后沉入底部，渣土整体的塑流性减弱，卵石堆积导致搅拌叶直接搅拌沉积的卵石，扭矩增加较为明显。

1.2坍落度试验

由图6可知，对于不同的砂卵石地层，在加入适量的膨润土泥浆之后，渣土的坍落度都会在某个剂量范围内呈现快速增加，之后逐渐减弱的过程。对于卵石含量为20％-40％的砂卵石地层，添加泥浆后卵石颗粒被细颗粒包裹，拥有较好的整体流动性，达到较好的流动性时基本在坍落度为150-200mm左右；而卵石含量大于40％之后，泥浆掺入较少时，渣土较干，坍落度数值较小，多数的粗颗粒“垒砌”在一起。之后，添加适量泥浆后渣土的坍落度可以达到150mm左右，坍落之后的渣土仍能保持一个较好的整体裹挟性。卵石含量到达60％时明显存在部分被包裹的卵石颗粒脱离、散落于渣土整体外部。继续添加改良剂渣土坍落度基本无变化，易出现“离析”。

1.3渗透试验

由图7和图8可知，渣土改良后的渗透性达到10-4cm/s以下时，那么在卵石含量为20％-50％的砂卵石地层经过足量的膨润土泥浆改良后可以达到要求，具有较强的抗渗性从而有助于抑制喷涌现象的发生。而卵石含量为67％以上的砂卵石地层，其渗透系数难以降低到10-4cm/s以下，掺入过量的泥浆反而会出现添加过量而导致渗透性变大(“离析”现象)，增大施工的危险性。

1.4外摩擦角试验

砂卵石摩擦角过高带来了刀盘刀具严重磨损，不得不多次开舱换刀带来的安全风险和工期风险。根据泥浆掺入量开展了改良后渣土的外摩擦角试验，如表3所示。从中可以看出，外摩擦角大多降低到30-40°之间，膨润土润滑效果明显。但当地层细颗粒过多时，泥浆改良效果不明显。

表3不同泥浆添加量下的摩擦角

1.5综合分析

通过以上一系列膨润土改良渣土室内试验，可以看出：

(1)各地层中卵石含量不同，卵石含量越多对应的初始和最低搅拌扭矩越大；由于各地层粗颗粒含量不同，改良时膨润土泥浆的添加量也不同，粗颗粒越多添加量越少，因此搅拌扭矩最低时对应的掺入比也不同；采用膨润土泥浆作为改良剂，各地层的渣土搅拌功扭矩下降趋势基本一致，都是先快后慢，出现渣土“离析”现象会导致扭矩升高。

(2)对于卵石含量为20％-40％的砂卵石地层，达到较好的流动性时基本在坍落度为150-200mm左右；而卵石含量大于40％时，添加适量泥浆后渣土流动性良好时对应的坍落度为150mm左右，之后继续添加泥浆渣土坍落度变化缓慢。

(3)卵石含量为20％-50％的砂卵石地层经过足量的膨润土泥浆改良后渗透性降低，较强的抗渗性有助于提高渣土的临界喷涌压力。而卵石含量为60％的砂卵石地层，采用本试验中的膨润土泥浆改良后其渗透系数最低也只够达到4.21×10-4cm/s，最大临界喷涌压力为0.1MPa，实际工程中无法满足施工要求。继续添加泥浆反而会出现添加过量而导致渗透性变大(“离析”现象)，因此需要考虑其他改良方法。

(4)通过积累外摩擦角试验的积累，可以总结出搅拌叶上颗粒黏附情况的界限情况对应的界限倾斜角度为40°。渣土的细颗粒黏附搅拌叶，一定程度上影响对渣土的搅拌扭矩。当卵石含量在40％以下时，加入膨润土泥浆作为改良剂(未足量)的渣土通常都会出现颗粒黏附搅拌叶片的情况；当卵石含量在40％及以上时，不出现黏附搅拌叶的情况。

2.泡沫改良效果分析

2.1搅拌试验

将砂卵石调整至适宜的含水量之后，渣土本身具有一定的整体性与流动性，掺入泡沫之后一般会在两个方面起作用：由于搅拌时的碰撞，少部分泡沫会破裂后起到补充渣土水分的作用；另一部分泡沫加入砂卵石渣土中不仅改善砂卵石土粒状构造，而且充填在砂卵石土颗粒之间减少了渣土颗粒之间的摩擦，改良后的砂卵石颗粒表面附着细小的泡沫，降低土体的抗剪强度及内摩擦角，起到减摩、润滑的作用，在掺入足量的泡沫之后渣土整体的流动性得到提高，有效降低了搅拌扭矩，如图9所示。

以泡沫作为改良剂，各个地层的渣土在搅拌扭矩方面的变化基本一致，改良效果由大变小并最终趋向稳定。在泡沫注入体积比达到20％-40％之间时，泡沫充分的填充于颗粒间的缝隙之中，搅拌扭矩下降趋势较快，渣土的流动性增强较为明显；在泡沫注入比达到40％之后搅拌扭矩下降趋势变得减缓，可以认为是泡沫所带来的减摩、润滑作用基本达到饱和状态，继续添加泡沫会出现泡沫在渣土表面析出现象。

2.2坍落度试验

由试验结果图10可以看出，卵石含量为20％、30％的地层，经泡沫改良后坍落度的变化趋势为慢-快-慢，在泡沫注入比为50％时基本达到较好的流动性，坍落度处于20-25cm之间，之后坍落度增加缓慢；卵石含量为40％、50％的地层，初始坍落度(适宜含水率下)数值介于10-15cm，继续加入泡沫坍落度增长较为缓慢，最终也可以达到接近20cm。对于卵石含量60％的砂卵石地层，加入泡沫后坍落度数值持续增加，并最终停留在15cm，依然会出现粗颗粒累积的“骨架”现象，无法完全达到追求的塑性流动状态。

2.3渗透试验

如图11和图12所示，渗透系数的变化趋势为：随着泡沫注入比的增加，所有地层渣土的渗透系数减小的趋势均为由快到缓，在注入比到达40％之后渗透系数的变化不再明显。由此可见，以泡沫作为改良剂，卵石含量小于50％的地层在掺入适量的泡沫后均能够达到10^-5cm/s这一数量级要求，此时的渣土具有较低的渗透性，能够满足土压盾构在砂卵石地层中施工要求。但是卵石含量为60％的地层，掺入足量的泡沫后，其渗透性仍过高，最小的渗透系数也只能达到8.88×10^-4cm/s，临界喷涌压力仅为120kPa，故仍需寻求别的改良方法。

2.4外摩擦角试验

从试验结果分析可知，采用泡沫作为改良剂时，所有的地层渣土的黏附现象得到明显的改善，倾斜角度基本保持在40°之下，搅拌叶片上也不再出现之前叙述的黏附搅拌叶的情况，因此也不会对搅拌试验的结果产生附加影响。由此可见，泡沫作为一种优良的渣土改良剂，不仅带来提高渣土流动性，减小摩擦角的优势，同时也缓解了可能出现的渣土黏附盾构机刀盘、搅拌棒等现象。

表4不同泡沫添加量下的摩擦角

2.5综合分析

(1)将设计的砂卵石地层调整至适宜的含水状态后，流动性均有增强，在不产生离析的状态下卵石含量为50％的地层所达到的坍落度最大且整体包裹性良好，说明卵石颗粒与其他颗粒结合良好，基本上与砂卵石改良机理——细砂等细颗粒填充卵石的孔隙并包裹隔离卵石之间的直接接触的机理基本一致为砂卵石地层渣土改良提供了重要的参考。

(2)泡沫的掺入有助于增加砂卵石的流动度，降低了各个地层的搅拌扭矩，基本在体积掺入比为40％之后达到改良的饱和状态，搅拌扭矩基本保持平稳。

(3)卵石含量为20％、30％的地层，经泡沫改良后坍落度的变化趋势为慢-快-慢，在泡沫注入比为40％时基本达到较好的流动性，坍落度接近20cm；而卵石含量为40％、50％的地层，适宜含水率下继续加入泡沫变化较为缓慢，最终坍落度也可以达到接近20cm。卵石含量60％的砂卵石地层，加入泡沫后坍落度数值持续增加，并最终停留在15cm左右，会出现粗颗粒累积的“骨架”现象。

(4)卵石含量小于50％的地层在掺入适量的泡沫后其渗透性均能够达到10^-5cm/s这一数量级，能够承受较大喷涌压力。卵石含量为60％的地层，掺入足量的泡沫后，最小的渗透系数也只能达到8.88×10^-4cm/s，且临界喷涌压力较低，在100kPa左右。

(5)采用泡沫作为改良剂时，所有的地层渣土的外摩擦角试验中倾斜角度基本保持在40°之下，搅拌叶片上也不再出现黏附搅拌叶的情况。对比采用膨润土泥浆作为改良剂的试验结果可以看出，黏附情况的存在在一定程度上增加了渣土的搅拌扭矩，在实际施工过程中也会带来相关问题。

3.膨润土泥浆+泡沫改良效果分析

由上述试验可知，对于卵石含量60％及以上的地层，仅以单一的改良剂无法达到理想中的“塑性流动状态”，运用在实际施工中也必定会出现不同方面的工程问题。比较之前的试验数据可以发现，卵石含量50％与60％前后的改良效果存在很大差异，卵石含量为60％及以上的地层掺入足量改良剂后普遍会出现卵石颗粒无法被细颗粒完全包裹、累积、离析等现象，需要从颗粒补充、提高泥浆粘度和携渣能力等方面进行改善。因此考虑采用泥浆+聚合物+泡沫的复合改良剂对卵石含量60％、70％、80％的地层进行改良，以期达到理想的改良效果。

针对卵石含量60％的地层易出现“离析”等现象，对使用的膨润土泥浆进行了调整：泥浆膨水比改为1:4并加入CMC(羧甲基纤维素钠)，对卵石含量为60％、70％、80％的地层进行改良工作。在进行改良试验之后发现，使用调整后的泥浆+泡沫对卵石含量为70％、80％的地层改良效果并不理想，仍存在离析等问题。因此再次调整使用的泥浆方案，向泥浆中加入0.25-0.075mm的细砂颗粒用以补充地层中的细颗粒缺失，增加泥浆稠度。(质量比＝该物质质量/泥浆质量)

对于卵石含量60％的地层，依据之前的泥浆改良数据和现场观察渣土状态，选取泥浆掺入质量比为5％作为起点，继续向渣土中加入泡沫，同时进行相关试验；卵石含量为70％、80％的地层则使用新泥浆进行掺入，掺入适量的新泥浆后继续加入泡沫，并进行后续试验，如表5所示为不同性质泥浆的配方表5不同性质的泥浆方案

地层	泥浆膨水比	cmc质量比	细砂质量比	密度
					卵石含量为60％	1:4	1.5％	0％	1.14
卵石含量为70％	1:4	1.5％	30％	1.17
					卵石含量为80％	1:4	1.5％	60％	1.19

3.1搅拌试验

在使用膨润土泥浆作为单一改良剂时，对于卵石含量为60％的地层当泥浆掺入质量比为5％时，渣土的搅拌扭矩降低效率较为显著(之后再添加泥浆出现“离析”)，因此取质量比为5％的泥浆掺入，之后向渣土中不断添加泡沫，探究搅拌扭矩的变化规律，如图13所示，由图13可知，卵石含量为60％时，在泥浆掺入质量比为5％的基础上，继续添加泡沫作为改良剂，渣土的搅拌扭矩仍能进一步减小，当泡沫掺入体积比为20％时，搅拌扭矩达到的平均最小值26，小于单一改良剂所能够达到的最小值。从表观上看，渣土也保持了良好的整体性和流动性。

3.2搅拌试验

搅拌试验结果如图14所示，由图14可知，卵石含量为70％、80％在掺入新泥浆后变化的情况类似，改良后的渣土具有更好的整体性，卵石颗粒被细颗粒和泥浆所包裹和悬浮。从数据上来看，卵石含量为70％的地层在泥浆掺入质量比达到20％时扭矩较小，卵石含量为80％的地层在泥浆掺入质量比接近30％时扭矩达到稳定状态。之后继续掺入泥浆会逐渐产生离析，出现卵石沉底导致搅拌扭矩升高的现象。向扭矩较低状态的渣土继续添加泡沫，扭矩变化并不明显。

3.3渗透试验

如图16和图17所示，由图16和图17可知，以泥浆或者泡沫作为改良剂时，对于卵石含量为60％的地层，改良后的渣土渗透系数最低只能达到10^-4数量级的渗透系数，所能够承受的最大喷涌压力也仅为0.1MPa，并不能满足土压盾构在砂卵石地层施工条件下的要求，极易发生喷涌事故。当泥浆掺入质量比5％以及泡沫掺入体积比12.5％，渣土的渗透系数最低达到了3.8×10^-5cm/s，临界喷涌压力为0.18MPa。

3.4外摩擦角试验

外摩擦角如表6所示，由表6可知，对于卵石含量为60％的砂卵石地层，掺入泥浆质量比为5％+泡沫(掺入体积比30％-60％)之后，渣土在金属平板上发生倾斜的角度均保持在40°之下，几乎不发生渣土颗粒对于搅拌叶片的黏附现象。掺入足量的带细砂泥浆和泡沫之后，卵石含量为70％、80％地层的渣土摩擦角均保持在较小的数值。

表6不同泡沫添加量下的摩擦角

3.5综合分析

对于卵石含量为60％及以上的地层，分别采取了泥浆+泡沫、泥浆+聚合物+细砂+泡沫的改良方式，一系列室内试验表明改良效果良好，可以达到追求的流动性、整体性、渗透性。对于卵石含量为70％、80％的地层，通过计算可得出添加足量的泥浆+聚合物+细砂+泡沫复合添加后渣土中的卵石含量分别为65％、68％，此结果与建立的砂卵石填充包裹模型具有一致性，同时验证了模型具有一定的正确性。

4.泥浆调配及性能

泥浆调配时需要根据试验的情况，现场采取称重计量办法进行。先放入计量的水，然后倒入钠基膨润土，反复搅拌2h以上，充分膨化。

需要测试泥浆的漏斗粘度和密度等指标，根据实验室的测试成果，其性能指标如表7所示。

表7不同膨水比的膨润土泥浆基本性能

膨水比	粘度/s	表观粘度/mPas	塑性粘度/mPas	比重
					1:4	150	26	15.7	1.14
1:5	68	18.5	12	1.11
					1:6	35	15	10	1.08
1:7	28	11	6.6	1.06
					1:8	21	8.3	4.3	1.05

5.泡沫剂选择

泡沫剂主要考虑泡沫的稳定性即半衰期，以及发泡倍率两个指标。根据目前常用泡沫剂的主要指标，本工法提出半衰期10分钟以上和发泡倍率在20以上即认为合格。根据表8中实验数据，盾构掘进时，应调整泡沫剂与水的质量比例为2.5％较为合适。

表8不同浓度泡沫剂发泡倍率与半衰期

泡沫剂质量浓度/％	发泡倍率	半衰期/min
			2	12	5
2.5	15	10
			3	20	13.5
4	22	15
			5	17	10

工程实例

1.正常掘进时渣土改良

在盾构掘进时，应将泡沫剂发泡后通过刀盘注入到开挖面前方，润滑刀盘减少磨损，并对渣土进行改良；另外注入8-10m³的钠基膨润土泥浆。在盾构掘进过程中需要不断观察螺旋排土器出口的渣土状态，以便决定是否外掺剂掺入量是否合适或调整。

经过多次反复调整，渣土状态由初始施工的离析状态改良成流塑状态，

2.停机后渣土改良

盾构掘进过程中，出现设备故障或工序衔接中断等问题，必须采用相应处置措施，避免盾构停机过程中掌子面坍塌及复推是掘进参数异常等问题出现。

在盾构掘进即将结束时，增加膨润土的注入量，保证停机时间内，仓内渣土的流动性，以及土仓压力的稳定。若停机时间超过2h，则需要向压力舱内注入2m³膨润土，防止渣土固结过于密实。在下一次盾构掘进启动前，先加大泡沫的注入量充分润滑刀盘和刀具，可以起到降低刀盘启动扭矩和提高渣土的流动性的作用，防止刀盘糊死。

3.渣土改良配方

如图18所示，盾构掘进过程中以及停机前，通过刀盘管路注入膨润土和泡沫剂，膨润土的注入口具体在①、③、⑤以及⑧，泡沫剂的注入口具体在②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨以及⑩，通过刀盘回转中心处6路注水管路进行注水，三者共同作用进行渣土改良，从而保证出渣顺畅，顺利掘进。掘进过程中，渣土改良选用钠基膨润土，并掺入适量的泡沫进行改量，其中膨润土泥浆配比为钠基：水＝1:6，膨润土泥浆按照渣土重量的7％添加，泡沫用量按照体积35％掺入，从而达到掘进过程所需渣土改良效果。

4.现场渣土改良

每环出土方量约为105m³，约为6斗，由于前期分体始发，电瓶车无法形成完整编组，每掘进1斗，电瓶车需要开至井口，待渣土吊装卸渣完成，电瓶车渣箱停至皮带机出渣口位置后，继续推进下一斗。因此，不连续的出土导致盾构司机无法更好的保证渣土改良效果，并且停机过程中，容易造成仓内渣土粘结，且在压力下固结，导致刀盘糊死。在盾构掘进即将结束时，增加膨润土的注入量，保证停机时间内，仓内渣土的流动性，以及土仓压力的稳定。若停机时间超过2h，则需要注入2m³膨润土。在下一次盾构掘进时，加大泡沫的注入量，进一步提高渣土的流动性，降低刀盘启动扭矩，防止刀盘糊死。

5.掘进工效

按照计划，要求2019年8月完成左线盾构到达。实际上，本项目盾构始发时已经比计划始发时间落后整整2个月，但却在2019年6月10日左线贯通。大幅度提高了土压盾构掘进效率，日均掘进10环，最高掘进环数突破20环，创造了17号线最高掘进速度。现场超方量得到控制，并且地表沉降监测数据控制在允许范围内。

6.地表沉降

统计分析距离始发端20m范围内的地表沉降数据，最大沉降为-25.4mm，控制在允许范围内，具体如图19所示。

统计分析前50环推进土方超方量，最大超方量为4m³，按照成都地区经验，超方量控制标准要求单环超方量控制在8％以内(约为8m³)，具体如图20所示。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据地勘报告确定所穿越的砂卵石地层细颗粒占地层总质量的含量，为实际细颗粒含量；

S2：通过砂卵石流动性模型确定临界细颗粒含量；

S3：根据实际细颗粒含量和临界细颗粒含量确定改良剂的种类；

S4：根据实际细颗粒含量确定改良剂的掺入量；

其中：步骤S1、S2以及S3中的细颗粒指的是粒径小于2mm的颗粒。

2.根据权利要求1所述的适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，其特征在于，步骤S1中实际细颗粒含量通过地勘报告中的数据绘制的砂卵石地层颗粒级配曲线而得到。

3.根据权利要求2所述的适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，其特征在于，步骤S2中临界细颗粒含量的计算方法为：

和

式中：

ρ′_s——细颗粒的堆积密度，g/cm³；

ρ′_g——卵石的堆积密度，g/cm³；

ρ_g——卵石的颗粒密度，g/cm³；

n——卵石的孔隙率；

α——细颗粒孔隙率系数；

——临界细颗粒含量；

其中：卵石指的是粒径大于或等于2mm的颗粒。

4.根据权利要求3所述的适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，其特征在于，步骤S3中改良剂的种类的确定方法为：

当时，改良剂为泡沫剂水溶液或稀膨润土泥浆或两者形成的混合区，其中：稀膨润土泥浆的膨水比为1：(4～6)；

当时，改良剂为泡沫剂水溶液或稠膨润土泥浆或两者形成的混合物，稠膨润土泥浆的膨水比为1：(4～6)；

当时，改良剂为泡沫剂水溶液和含有聚合物的稠膨润土泥浆形成的混合物；

其中：β_s——实际细颗粒含量。

5.根据权利要求4所述的适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，其特征在于，所述稀膨润土泥浆由钠基膨润土泥浆与水按照体积比1：(4～6)混合而成。

6.根据权利要求4所述的适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，其特征在于，所述稠膨润土泥浆由钠基膨润土泥浆与水按照体积比1：(4～6)、质量比为0～60％的细砂以及质量比为1.3％～1.6％的羧甲基纤维素钠混合搅拌而成，其中：质量比等于该物质质量/泥浆质量。

7.根据权利要求4-6任一项所述的适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，其特征在于，所述泡沫剂水溶液由质量比为2.5％～4.0％的泡沫剂和水混合形成。

8.根据权利要求4-6任一项所述的适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良方法，其特征在于，步骤S4的具体步骤为：

S4-1：当泥浆的加入量一定时，绘制泡沫剂水溶液的不同掺入量的搅拌扭矩曲线图和塌落度曲线图；

S4-2：当泡沫剂水溶液的添加量一定时，绘制泥浆的不同掺入量的渗透曲线图；

S4-3：当泡沫剂水溶液的添加量一定时，绘制泥浆的不同掺入量的渣土喷涌压力曲线图；

S4-4：当泥浆的加入量一定时，测定泡沫剂水溶液的不同掺入量的摩擦角；

S4-5：由步骤S4-1、S4-2、S4-3以及S4-4所得的搅拌扭矩曲线图、塌落度曲线图、渗透曲线图、渣土喷涌压力曲线图以及摩擦角确定改良剂的加入量。