吕松1，肖海鹏2，黎泽富1，李昂1，毛凤杰1
（1.中铁五局集团有限公司，湖南长沙410000；2.长沙理工大学，湖南长沙410114）
摘要：在盾构施工过程中，渣土改良显得尤为关键，根据土层的差异性，改良剂的种类及其配比各有所异。成都是目前国内大范围存在砂卵石地层的城市之一，依托成都地铁13号线某区间盾构施工工程，采用水和泡沫对砂卵石土体进行改良试验研究，找到合适的泡沫改良剂及其配比，以期加快施工效率、促进盾构项目高质量发展，为后续类似工程项目提供一定的参考。研究结果表明：卵石含量（质量分数）为60％左右的无水砂卵石土体可用水和泡沫进行改良，且水的合适注入率为2％，巴斯夫泡沫注入率在60％左右；在初始相同的泡沫剂浓度下，巴斯夫泡沫性能优于国产泡沫，性能相差30％左右；浓度越高这一差异越小；以砂卵石土体坍落度为参考，泡沫性能相同的情况下，低泡沫注入率的巴斯夫改良效果优于国产泡沫，45％～60％注入率下国产泡沫的改良效果更优；坍落度在150ｍｍ～200ｍｍ时，砂卵石土体具有良好流塑性，国产泡沫能以更少的注入率（低5％左右）达到巴斯夫泡沫相同的改良效果。
０引言
近年来，随着我国社会经济不断发展，城市逐渐扩大、人口汇集，传统交通已经很难满足人们的出行需求。城市轨道交通，作为我国“起步晚发展快”的交通出行方式，具备速度快、承载方便、经济环保的优点，已经逐渐成为普罗大众首选的城市交通出行方式。土压力平衡盾构机相比于泥水平衡盾构机，具有竖井占地少、适用范围广的特点，所以近年来广泛应用于城市地铁隧道建设中。EPB盾构机掘进的基本原理是［1］：推进时，前端刀盘旋转掘削地层，掘削下的土体进入土舱；当土舱内充满渣土时，由于盾构机的推进作用，土舱内的掘削土体对开挖面形成加压压力，当该压力与掘削地层的水土压相等时，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，则能保持开挖面的稳定。
但是在实际工程中，渣土在原有状态下很难具备良好的流塑性，这使得盾构机排渣困难；并且在加压和搅拌作用下易产生泥饼、固结和土舱闭塞等危害。若不能及时处理这些问题，则很容易使得开挖面失稳、刀盘磨损，极大降低施工效率。因此，为了改善渣土性质，必须向刀盘面、土舱或螺旋输送机内注入改良材料。常见的改良材料除水以外，主要分为界面活性材料、矿物材料、高吸水性树脂类和水溶性高分子类［2］。然而，不同的施工项目，所使用的改良剂种类、配比也不尽相同；对此，国内外学者展开了大量研究。黄逢源等学者［3］基于坍落度试验、渗透性试验、直剪试验确定了饱和砾砂和中风化泥质粉砂岩的改良剂合理添加比。朱碧堂等［4］认为富水砾砂层含量高易发生“喷涌”、掌子面失稳，泥岩地层含量高则易发生结泥饼、刀具抱死及偏磨、出渣困难等问题，并且根据现场渣土改良进行统计分析和效益对比，提出优化后区间施工成本可节约90万元～170万元。邱龑针对深圳的富水砂层，采用泡沫、膨润土以及高分子聚合物等添加剂改良盾构施工渣土，进行现场坍落度试验，结果发现用一定配比和注入率下的膨润土改良效果最好；泡沫可降低地层的压缩性，但对渗透性改良有限［5］；而高分子聚合物对此类地层改良效果一般。Quebaud对土体性质的改变进行研究，通过盾构施工中经验总结出：对于细颗粒含量较少的砂砾、卵石地层，开挖土中的微细颗粒必须达到30％～35％左右；而在砾石土体中，如果没有充分的细砂颗粒，即使细粒达到30％，土体也不会具有良好的流塑性［6］。Peila和Oggeri对四组土体样本开展试验，研究得出较适合于改良土体开挖的坍落度范围为200ｍｍ～250ｍｍ［7］。Houlsby开展了搅拌试验、压缩试验、渗透性试验和直剪试验等土工试验进行土体改良研究［8］，得出泡沫混合砂在直剪试验中表现出了较小的剪力，这说明泡沫的注入对混合砂的抗剪强度减小效果十分明显；泡沫混合砂的渗透系数是饱和砂渗透性系数的1/10；通过粗砂和细砂与泡沫组成混合砂的性能比较，发现颗粒的大小是决定土体性能的重要参数之一。
上述学者主要对改良剂的性能和适用条件进行了研究，并且根据不同土质和施工条件进行渣土改良的现场试验与室内试验，得出特定工程或土层的改良建议；然而，大多数研究主要针对黏土或砂性土层，对于砂卵石地层盾构施工的渣土改良相关研究较少且缺乏统一定论。因此，本文以成都地铁13号线一期工程杜甫草堂—青羊宫区间盾构施工为依托，对砂卵石地层盾构施工渣土改良进行试验研究。通过室内试验探究不同泡沫的性能差异，找到泡沫改良剂的合适配比；利用现场坍落度试验评判改良土体流塑性情况，对比不同泡沫注入率下的改良效果，得出水和泡沫改良无水砂卵石土体的规律。最后，将试验结论运用于工程中，找到更加经济高效的改良方案，为后续类似工程提供一定的参考。
１工程概况
成都是目前国内大范围存在砂卵石地层的城市之一，根据已运行或在建地铁施工的地质勘测汇总统计可知，成都地铁穿越的地层大致分为两类：一是砂卵石地层，往往富含地下水和大粒径漂石；二是泥岩、砂岩地层。
本文依托成都地铁13号线一期工程杜青区间施工项目，盾构区间长度约640ｍ，埋深8ｍ～15ｍ，区间地质纵断图如图1所示。勘测范围内土层自上而下依次主要为杂填土、粉质黏土、松散卵石土、稍密卵石土、中密卵石土和密实卵石土，其中盾构掘进地层为②-5-3中密砂卵石土，卵石含量（质量分数）60％左右，颗粒粒径较大，颗粒间的摩擦力较大，刀盘转动时卵石土的流动性差。如果不对渣土进行改良，容易产生压力舱闭塞、刀盘及压力舱内结泥饼、喷涌、开挖面失稳等一系列问题。
区间采用辽宁三三土压力平衡盾构机，渣土改良的关键就是要将刀盘切削下来的土体在土舱内调配成“塑性流动状态”。对于砂卵石地层，常用泡沫和膨润土进行改良。但是，区间采用的盾构机刀盘开口较小，综合开口率40％，若采用膨润土改良渣土，极易造成刀盘口阻塞、泥饼形成［9］。另一方面，砂卵石地层的渗透系数较大，通常达到22ｍ/d，所以“喷涌”现象本应该是值得关注的问题［10］，然而现场施工始终保持对地下水位的监控，并积极采取降排水措施，从源头上控制了喷涌危害的发生。经地勘报告得出盾构区间砂卵石土层富水性中等，且经开挖排出的渣土基本呈现无水状态，故掘进地层属于无水砂卵石。
根据以上特点，杜青区间首先采用水和泡沫进行渣土改良，泡沫改良剂选用行业内认可的“巴斯夫”泡沫剂。但是这种改良剂价格较高，而且现场对泡沫的使用量把握不定，导致排渣困难现象时有发生。针对此问题，本研究通过室内试验和现场坍落度测试，考察泡沫性能、确定泡沫使用量，以期找到性价比更高的改良方案。
2试验设计与方法
2.1室内试验设计
影响泡沫性能的主要指标有泡沫剂体积浓度、发泡倍率和泡沫半衰期，泡沫剂的体积浓度是指泡沫溶液（原液）与水混合后的体积比。一般来说，泡沫剂浓度越高，泡沫的发泡倍率和泡沫半衰期越大。泡沫的半衰期指的是泡沫剂发泡后泡沫消散一半时的时间，半衰期越长，泡沫存在的时间就越长，泡沫性能就越好。在实际工程中，只要大部分泡沫能存在于土颗粒间，具有保证渣土顺利排出的时间就能满足要求，一般至少5min就能满足现场施工要求［11］。而泡沫的发泡倍率，是指一定浓度泡沫剂与空气结合后形成的泡沫体积的倍率，一般情况下发泡倍率越大，泡沫性能越好；但过大的发泡倍率会使泡沫稳定性降低，因此，在实际工程中，往往将发泡倍率控制在10～20之间。
现场使用的巴斯夫泡沫剂，是公认的性能优秀的品牌泡沫溶液，但它的价格普遍较高，约是国产通用型泡沫剂单价的3倍，是国产分散型泡沫剂的2倍。本文先通过泡沫性能试验，深入比较国产泡沫与巴斯夫泡沫的相似性和差异性，以找到合适的国产泡沫剂配比。
在室内试验中，采用泡沫壶和自制的半衰期测试装置，分别测试三种泡沫剂在不同体积浓度下的发泡倍率和半衰期，试验步骤如图2所示。
其中泡沫型喷雾器是一种手动加压的泡沫壶，它的原理是：将配置好的一定浓度泡沫剂放入泡沫壶中，利用壶上方的加压装置打入空气，最后液体和空气一起吸入到壶嘴中的泡沫发生器内，将泡沫喷出。值得注意的是，这种手动加压泡沫壶显然达不到实际工程中的加压条件；并且一般实验室中的泡沫生成设备［12］会使用空气压缩机，并配合精密的气液管道系统，通过发泡装置混合发泡。受施工现场实验条件限制，本文采用简易发泡壶，但其发泡原理相同，且在一定浓度下泡沫剂发泡效果良好。
如图２所示的泡沫半衰期测试装置，是参照实验室半衰期测试仪［13］自主研制的简易测试装置。测试泡沫半衰期时，首先通过泡沫壶发泡，将泡沫充满测试装置上部塑料容器瓶中（500ｍL），同时开始计时；然后记录泡沫壶中的泡沫剂的消耗量amL，等待观察量筒中的液体达到a／2mL时（考虑到低浓度泡沫剂在塑料瓶中“液化”的速度大于液体滴落到量筒的速度，故已事先在瓶口附近标定了容积刻度），暂停计时，就能得到该类泡沫溶液在设定体积浓度下的半衰期。对于泡沫剂发泡倍率，只需将配置好的1000ｍL泡沫剂完全发泡，测量出泡沫体积VｍL，则发泡倍率FER=（V＋500）/1000。
2.2现场试验准备
根据现场施工情况，到区间车站人工取砂卵石土样60kg（约0.05ｍ³土）。盾构施工渣土改良的目的是将削切下的渣土顺利排出。一般情况下，渣土的流塑性越好就越容易排出。坍落度桶是现场常用的测试现拌混凝土和易性的主要工具，近年来众多学者将此方法引入到盾构渣土改良领域，用坍落度值来评价改良渣土的塑流性［14］。坍落度试验要求颗粒的最大粒径不大于40ｍｍ，因此在车站取土样去除了大粒径的卵石［15］。
本次现场试验主要采用坍落度试验来对比渣土改良效果。选用的改良剂的种类有水、巴斯夫泡沫剂、国产HT－A通用型泡沫剂和HT－C分散型泡沫剂。其中，水被很多学者认为也是一种渣土改良剂，它直接影响土体的含水率。因此，试验首先对水进行考察，确定其对砂卵石土体的改良影响。
在杜青区间前期盾构施工过程中，通过向刀盘注入一定量的水（约8％），一方面冷却刀盘，降低刀盘磨损；另一方面改善渣土含水率，使之具备一定的流塑性，以便出渣。根据现场实际情况，试验拟取用砂卵石土样10L，逐加水拌合，进行坍落度试验，记录不同注水率下坍落度值和坍落土堆形态。其中，注水率从1.2％逐加至10％左右，具体注入量由实际操作时量定。
对于泡沫改良试验，考察泡沫改良的3个因素是泡沫剂浓度、发泡倍率和注入率。其中，发泡倍率是泡沫性能的体现，它受泡沫剂浓度的影响。因此，泡沫剂浓度和发泡倍率由性能试验结果进行裁定，不作为现场试验的研究变量。根据现场施工情况，区间盾构掘进时主要采用1.5％～2％体积浓度的泡沫剂，每环的泡沫溶液注入量在100L左右。所以，首先通过坍落度试验，考察验证巴斯夫泡沫对砂卵石土体改良的影响。具体试验流程为：在给定巴斯夫泡沫浓度下，改变泡沫注入率（15％，30％，45％，60％，75％，90％），通过土体坍落的变化情况，标定其改良效果对应的坍落度值；然后，使用性能相近的国产HT－Ａ通用型泡沫剂和HT－Ｃ分散型泡沫剂分别进行类似试验，找到合适的泡沫注入率；最后，对比不同泡沫剂的改良效果，找到其中最佳的改良方案。
3试验结果与分析
3.1泡沫性能试验
在室内试验中，我们利用泡沫壶发泡，测试了3种泡沫剂在不同浓度下的发泡倍率和半衰期。试验过程中发现，泡沫剂浓度较低时，发泡倍率低，发泡壶喷出的泡沫如液体一般，不满足盾构渣土改良的要求；浓度越高发泡倍率也越大，但过大的发泡倍率可能使得泡沫的半衰期降低。每次试验泡沫壶发泡都在相同压强下，即加压至泡沫壶最大承压，具体实验结果如图3，图4所示。
根据图3，图4的试验结果，不难发现三类泡沫剂的发泡倍率和半衰期，都随泡沫剂浓度的增大而增加。并且巴斯夫泡沫的性能曲线始终位于最上方，国产分散型泡沫和通用型泡沫的性能曲线接近。通过三种泡沫性能曲线比较，可以得出巴斯夫泡沫性能好于国产泡沫，国产分散型泡沫好于通用型泡沫。具体来看，巴斯夫的发泡性能比国产泡沫高约30％，直到4％体积浓度下分散型泡沫发泡性能才与巴斯夫泡沫接近。
另外，值得注意的是，一开始对巴斯夫的性能试验是体积浓度从1％进行到8％，但结果发现高浓度下的泡沫发泡倍率和半衰期变化不明显。这一原因可能是受试验设备的影响，泡沫壶达不到更高的气压；另一方面，实际工程中也不会用浓度过高的泡沫剂，通常３％左右的泡沫剂就能满足施工发泡要求。因此，对于通用型泡沫和分散型泡沫，只测试体积浓度在1.5％～4％间的泡沫性能变化。
对于泡沫的半衰期，在实验中三种泡沫剂显然都满足要求（大于5min）。但是，对于膨胀率来说，试验中的三种泡沫剂都很难达到施工预期效果。例如，施工中2％的巴斯夫泡沫能达到10倍膨胀率，而在实验中只能达到5倍左右。因此，试验的数值结果不能直接应用到实际施工中；实际工程中，每环消耗的泡沫溶液的体积计算如式（1）所示［16］。但是在同样试验条件下，以上对三种泡沫剂进行定性分析和定量对比却是合理的。
其中，Ｐａ 为大气压；Ｐ′为土舱压力；Ｋ为泡沫剂溶液浓度；Ｎ为施工时的泡沫剂溶液发泡率；Ｄ为盾构开挖直径；Ｌ为每环管片宽度；ξ为土体的松散系数；FIR为泡沫添加比。
通过性能试验，验证了泡沫性能随泡沫剂浓度的增大而提升的特点；同时也可以明显观察到巴斯夫和国产泡沫剂之间的性能差异，即国产泡沫的性能曲线相比巴斯夫，滞后1％左右的体积浓度。为了控制变量，本文采用2％巴斯夫泡沫剂、3％分散型泡沫剂和3.5％通用型泡沫剂发泡注入砂卵石土样，进行坍落度试验。
3.2坍落度试验
3.2.1注水改良试验结果
含水率对渣土的性质影响很大，同时也可能影响其他改良剂的改良效果［17］，因此试验先对水进行了考察，现取土约10L，土样质量11249g，逐加水量，验证和探究水对砂卵石土的改良影响。图5，表1是试验结果和典型坍落情况。
根据表1的试验结果可知，坍落度值随注水率的提高而先略微提升，之后长期保持坍落度为0的状态；当注水率达到10％时，土体初具塑性，直到注水率达到12.4％才到达140ｍｍ的坍落度值，这一过程具有突变性。
具体来看，在注水率到10％之前，土体坍落度值都应为0：注水率在3.6％～7.5％时，土样固结成型、用捣棒拍打不倒；注水率在1.2％～2.4％时，出现坍落是因为土体含水率较低、过于松散所致。当注水率达到10％时，土体性质开始逐渐变化；在试验过程中，土样装入坍落度桶时底部略有水析出，垂直迅捷提出桶后，土堆出现坍落；试验结束后，用捣棒拍打四周，土堆缓慢下降，塑性良好。
对于实际工程中来说，按渣土量每环注水1％～2％对渣土改良的效果不明显，只会对冷却刀盘、润滑刀具有所帮助；要杜绝4％～8％的注水情况，因为此时土样呈现一种“固结”状态，坍落度为0，这会加大刀盘磨损和结泥饼风险；另外，若加大水的注入（注入率达到12％以上），虽然会使得渣土具有流塑性，但是过多的注水可能导致土颗粒间结合水膜变厚，逐渐达到饱和状态，在盾构加压搅拌作用下，颗粒间水自由流出，很容易引发喷涌危害。因此，针对砂卵石土体，单独添加水往往不能达到理想的改良效果，因为这种土质的颗粒结构和孔隙特性使其对水的吸收和保持能力有限［18］，为了让渣土具备良好流塑性，还需使用泡沫剂进行改良。
3.2.2巴斯夫泡沫改良试验
对现场使用的２％巴斯夫泡沫剂的改良情况进行验证和指标标定，取土样约10Ｌ（11631ｇ），利用坍落度试验考察2％巴斯夫发泡后注入15％，30％，45％，60％，75％，90％情况下，砂卵石土体的改良情况。试验结果如表2，图6所示。
根据表２的坍落度试验结果和图6土样的坍落状况，可以看出在泡沫低注入率（15％，30％）下，土堆没有出现“固结成型，久拍不倒”的情况，而是比较松散、容易坍塌。出现这样的原因，得益于泡沫的特殊结构。泡沫跟水一样都是通过填充土颗粒间隙来达到改良目的，而且由于砂卵石土颗粒不均匀，所以大小不一的泡沫再配合一定的水有利于掺入填充砂卵石土体。与单独注水不同的是，泡沫表面的活性分子能够在气－液界面和液－固界面上吸附，起到稳定气泡和润滑土颗粒、降低颗粒间摩擦系数的作用。另一方面，泡沫能够阻断渗流通道，并且气泡产生的“轴承效应”也能防止大小颗粒间黏结。
当泡沫注入率达到45％时，渣土具有一定塑性。出现塑性的原因可能是砂卵石土体中的细粒土充分被泡沫“湿润”，使之黏聚砂粒，最后再包裹卵石形成一个塑性整体。当注入率达到60％时，坍落度发生突变，达到了200ｍｍ。这种坍落度的突变，是因为泡沫在颗粒间隙中逐渐饱和，泡沫含量突破一个零界点后，土颗粒间的黏聚力大幅下降，使土体表现出流动性。此时，土体具备流塑性，符合盾构施工排渣要求。这也验证了该类砂卵石土细粒含量大，细颗粒能够填充满粗颗粒孔隙并包裹住卵石，仅用泡沫就能将砂卵石渣土改良成流塑状态［１９］。
3.2.3国产泡沫改良试验
根据之前2％巴斯夫泡沫改良结果，发现低注入率和高注入率的坍落度试验没有实际的改良意义，前者坍落度为0或是颗粒松散；后者坍落度达到200ｍｍ后没有明显变化，且有明显泡沫析出，土体的泡沫吸收达到饱和甚至失去塑性，不符合盾构施工排渣要求。因此，接下来两组国产泡沫改良试验考察的注入率为30％～65％，以验证是否有类似巴斯夫泡沫改良试验的坍落度结果。试验结果如表3，表4，图７所示，其中A1试验组使用的3.5％国产通用型泡沫剂，A2试验组使用的是3％国产分散型泡沫剂，并且与巴斯夫泡沫试验结果放在一起对比。
根据图７中三组坍落度试验对比，发现3％分散型泡沫和3.5％通用型泡沫的改良土体试验结果类似：在注入率为40％时，土体初具塑性；而后坍落度发生突变（120ｍｍ以上），直到注入率达到55％时，拌合土样时有泡沫泛出，泡沫掺入达到饱和，坍落度值达到200ｍｍ。
不同的是，在低注入率下（30％左右），巴斯夫试验组出现坍落度是由于松散坍塌；但国产泡沫改良下土样并未立刻坍塌。并且，分散型泡沫在35％注入率下，甚至出现了“固结不倒”的情况，这表明国产泡沫在低注入率下会出现改良不佳的情况。当注入率达到45％时，国产泡沫改良土体的流塑性大幅提高，坍落度达到了130ｍｍ，而巴斯夫泡沫注入45％时的坍落度只有50ｍｍ，也就是说在中高注入率下（45％～60％），国产泡沫的改良效果更优，巴斯夫改良曲线相比国产泡沫滞后５％左右的注入率。
根据试验情况，当坍落度为150ｍｍ～200ｍｍ时，发现土样具备良好流塑性，认为此时的泡沫注入率为砂卵石土体改良的合适范围：国产泡沫的合适注入在50％～55％，巴斯夫泡沫在60％左右。因此，国产泡沫剂在略微增加泡沫剂浓度下，以更少的注入率达到巴斯夫泡沫的类似改良效果，采用国产泡沫改良是一种新质生产力。
４工程应用
在杜青区间盾构施工过程中，现场会记录每一环的注水量和泡沫原液使用量，依照每一环的出土量和泡沫性能情况，可以计算出盾构区间改良剂使用的注入率。根据注水改良土体坍落度试验结果，在4％～8％的注水下，坍落度试验中的土样呈现一种“固结”状态，坍落度为0。因此，盾构区间由之前6％左右的注水率，降低到2％，如图8所示。这从一定程度上减少渣土固结堵塞的情况，促进了渣土顺利排出。
从图9中泡沫注入率的散点密度，可以明显注意到区间泡沫注入率主要集中在45％左右，根据坍落度试验结果，可以将泡沫注入率设定到55％左右（泡沫溶液115Ｌ/环），以使土体更具流动性，有利于渣土排出。另外，由之前泡沫改良坍落度试验可知，在略微提高国产泡沫剂浓度、土体具备同样流塑性的情况下，国产泡沫的注入率要比巴斯夫泡沫低，是性价比更高的改良方案。因此，根据杜青区间左线的泡沫注入情况（见图9），现场使用的巴斯夫泡沫剂单价为9.8元／kg，泡沫剂成本约1127元／环；改用3.5％国产通用型泡沫在泡沫注入率基本不变情况下，成本降低到559元／环；受部分黏性土颗粒影响，有结泥饼［20］风险时，采用3％国产分散性泡沫，成本降低到949元／环。
5结论与建议
1）性能试验的结果表明，巴斯夫泡沫性能优于国产泡沫，国产ＨＴ－Ｃ分散型泡沫剂略好于ＨＴ-Ａ通用型泡沫剂；它们之间的性能差异在30％左右，且浓度越高这种差异越小。在一般情况下，略微提高国产泡沫剂浓度，就可以达到巴斯夫泡沫剂同样的发泡效果。
2）给刀盘注水时，要避免注水区间处于4％～8％。根据坍落度试验结果，这一注水区间下的砂卵石土体的坍落度为0，这种情况在实际工程中更易造成土体固结成块形成“泥饼”，加快刀盘磨损。
3）根据泡沫改良无水砂卵石坍落度试验结果可知，在低注入率（30％左右）下，巴斯夫泡沫的改良效果好于国产泡沫，没有出现坍落度值为０且固结不坍塌的情况；在中高注入率（45％～60％）下，国产泡沫使土样坍落度值更大，渣土流塑性相比巴斯夫泡沫改良更佳。
4）无水砂卵石（卵石的质量分数为60％）适合用体积浓度为3％左右泡沫剂进行改良，泡沫注入率在50％～60％之间。渣土具备流塑性时，坍落度范围处在150ｍｍ～200ｍｍ。并且在改良合适范围内，性能相近的国产泡沫要比巴斯夫泡沫注入率低5％左右，是更加经济高效的新质改良剂。
转载文献来源：中国知网-山西建筑
