土压平衡盾构法施工渣土改良试验方案Word文档格式.docx
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泥浆制备及测试装置如图3、4、5所示，包括泥浆桶、电动机、推车、搅拌叶片等，泥浆桶固定在推车面板上，底部留有直径3cm的泥浆排出管。
本试验主要目的是制备适合改良土体的各种泥浆，以泥浆的漏斗粘度、比重和PH值为试验指标通过正交试验制备合适的泥浆。
泥浆制备和试验步骤如下：
1.按设定的泥浆浓度称取膨润土和水，放入泥浆桶，启动电动机搅拌泥浆直到搅拌均匀。
为了更好发挥膨润土泥浆功效，静置24小时后使用；
2.用乳胶吸水球吸取少量泥浆滴在PH试纸上，测试泥浆PH值，必要时可添加泥浆改良剂，如纯碱；
3.先测试清水的漏斗粘度，用左手食指堵住泥浆粘度计漏斗管口，用量杯量取700mL清水倒入漏斗中，右手握秒表，在放开左手食指的同时按动秒表，使清水流入量杯500mL的一端，当清水流满时，立即停止秒表，并用食指堵住管口，读取秒表tw。
然后用同样的方法测试泥浆的漏斗粘度，读取秒表ts；
4.泥浆杯中注满清水，加盖后擦净溢出的水，将秤杆的刀口放在支架的刀口座里，将游码置于1.0处，通过增减平衡重容器的钢珠调平泥浆比重计，使水准气泡处于正中。
同样的方法向泥浆杯中注入泥浆，拨动游码，使秤杆水平（水准器气泡位于正中），记录游码在秤杆上所指的刻度值，此值即为泥浆的比重γn；
5.清洗泥浆粘度计和比重计，以备下次试验；
6.至少进行三次平行试验，分别取泥浆比重、泥浆漏斗粘度和PH值的平均值即为最终试验值。
1-推车2-泥浆桶3-电动机4-搅拌叶片5-电动机变速器
图3泥浆制备装置
1006型泥浆漏斗粘度计是常用的一种测量泥浆粘度的仪器，由漏斗、量杯、滤网等组成，如图4所示，泥浆粘度由漏斗中流出500ml泥浆所需的时间来表示。
1-漏斗2-滤网3-量杯4-水桶
图41006型泥浆漏斗粘度计
NB-1型泥浆比重计，由支架、泥浆杯、秤杆、游码、平衡重容器等组成，如图5所示，秤杆刻度围为1.0~2.0，其测量精度为0.01。
1-泥浆杯2-秤杆3-游码4-平衡容器5-支架
图5NB-1型泥浆比重计
（3）坍落度试验[4][~[6]
坍落度试验装置主要包括磅秤（量程50kg，精度1g）、坍落度筒、钢板（尺寸为600mm×
600mm左右，表面平整）、直尺（量程500mm，最小刻度1mm）、铁铲和抹刀等。
为了适应不同颗粒大小的土样，采用大、小两种坍落度筒（筒顶直径×
筒高×
筒底直径分别为：
100mm×
200mm×
300mm和150mm×
300mm×
450mm）。
当土体中最大颗粒直径小于40mm时，使用小坍落度筒，即标准坍落度筒；
当土体中最大颗粒直径大于40mm小于60mm时，使用大坍落度筒，如图6所示。
坍落度试验操作简单、方便快捷，广泛应用于现场盾构施工和实验室的渣土改良试验，能初步评价改良土体塑流性。
1.取大约12L土样，称取土样质量
，烘干后放在干燥的室冷却至室温，称量土样质量ms；
2.称取重量为m1的清水，将烘干的土样和清水混合，测得含水率W1；
3.按照添加剂配比方案，量取添加剂加入土样，人工拌合均匀；
4.用水湿润坍落度筒壁，将筒放在已准备好的不吸水钢板上，用脚踩住脚踏板固定坍落度筒；
5.将改良土体装入坍落度筒，装满后轻压土体，用抹刀刮去多余土体并抹平，清除筒外渣土，保持坍落度筒静止一分钟；
6.将坍落度筒徐徐垂直提起，轻放于试样旁边。
坍落度筒的提离过程应在5～10s完成；
7.用钢尺量出土样顶部中心与坍落度筒的高度之差，用捣棒轻轻敲打坍落的土体测面测试其黏聚性，观察土样的析水情况，测量此时的含水量W2；
8.清理试验后的渣土，清洗坍落度筒，以备下次试验；
9.至少做两次平行试验，取坍落度平均值即为最终试验值。
1-把手2-脚踏板
图6坍落桶
（4）搅拌试验[7][8]
本试验装置如图7所示所示。
本试验可以根据不同土层选用不同直径的搅拌桶，试验过程中实时记录搅拌过程中电动机电流随时间的变化规律，通过电流值计算搅拌叶片扭矩，研究搅拌扭矩与不同添加剂改良土体之间的关系。
底座可以升降和水平滑动，便于试样的添加和清理，试验程序简单、方便，具有良好的实验效果。
搅拌试验是利用搅拌装置模拟刀盘和搅拌翼板对渣土的搅拌过程，评价改良土体的搅拌性能和粘附性，为研究刀盘扭矩、螺旋排土器扭矩的影响因素提供了一种直观有效的试验手段。
1.启动电脑，连接电流表数据采集线，打开数据采集系统；
2.开动电动机，调节变速器设定适当的电动机转速
，记录搅拌叶片空转时电流值Io，电流稳定后关闭电动机；
3.准备好试验土样，降低升降架使得底座落在底座轨道上，取出搅拌桶，放入足量土样（以土样没过搅拌叶片为宜），然后将搅拌桶推到支架的中心位置，使得底座轮子与槽钢对齐，升高升降架，直到搅拌叶片和搅拌桶底部接触为止；
4.启动电动机，记录搅拌土样时电流I，直到电流值达到稳定后停止试验，观察搅拌叶片上土体粘附情况，关闭电动机；
5.降低升降架使得底座落在底座轨道上，取出搅拌桶，清理土样，以备下次试验。
1-电动机2-电流表3-电动机变速器4-传动轴5-搅拌叶片6-不锈钢搅拌桶
7-底座8-升降架9-底座轨道10-槽钢框形支架
图7搅拌装置
（5）LCPC磨擦试验[9]
磨擦试验机由电动机、传动轴、金属测试板、进料口、进料口盖、试样桶和控制面板（包括启动开关和控制开关）组成，如图8所示。
LCPC试验原用于岩石摩擦性测试，是常用的岩石磨损性的试验指标之一。
其试验原理接近刀具与土体及岩体作用的真实状况，可以用于土体及岩体的摩擦特性测试。
1.称取一定量的土样，进行筛分试验，绘制颗粒继配曲线S0；
2.取一个金属测试板并编号，利用高精度天平（精度至少为0.01）称取重量P0，将金属测试板安装在试验机的传动轴末端，安装好试样桶；
3.将直径为10mm以下土样筛选出来，取试样500g放入试样桶，盖好进料口盖；
4.将控制面板上的控制开关置于5min档位，按下启动开关按钮，待试验机停止后卸下试样桶，清理测试板上残留的土样，取下测试板然后称取其质量P；
5.清理试样桶，收集试验后土样并称取质量m，然后将土样再次进行筛分试验，绘制颗粒继配曲线S1；
6.至少做三次磨擦试验，取磨擦性指数ABR平均值即为最终值。
7.对改良的土体按2、3、4至少做三次摩擦试验，取摩擦性指数ABR平均值即为最终值。
8.清理试样筒的土样，以备下次试验。
1-电动机2-控制面板3-传动轴4-金属测试板5-试样桶6-进料口7-进料口盖
图8LCPC磨擦试验机
3、试验材料
（1）土样
根据调查和统计已施工隧道的工程地质及水文地质条件，按照盾构施工的特点与差异，地区适合室试验的地层可分为以下五类：
粉质黏土，粉土，细砂粉、细砂，中粗砂、粗砂，圆砾、卵石。
试验所用土样由钻井取得。
（2）发泡剂
发泡剂是盾构施工中应用最广泛的添加剂所购买的发泡剂应具有如下优点：
1润滑效果优异。
2抗渗透性强。
3能显著降低粘土的粘性。
4可生物降解，对土壤环境无污染。
发泡剂选取标准[11]：
1.发泡倍率高
发泡剂的发泡率越高，相同发泡剂溶液发出的气泡体积多，泡沫体存留的未发挥作用的发泡剂溶液越少，发泡剂利用越充分，同时发泡率越高，说明发泡剂溶液越易发泡，对盾构机发泡装置的性能要求越低，越有利于盾构施工中气泡状态的控制，对土体的改良效果越好。
2.泡沫稳定性好
土压平衡式盾构施工时，泡沫被发泡装置发出到与开挖土混合，对土体进行改良有一个间隔时间，根据盾构机的制造工艺，这一间隔时间约为2～3min，开挖土体从被开挖进入压力舱到排土器排出有一个时间过程，这一过程根据施工的情况不同有一定差别，因此，盾构用气泡必须有一定必须稳定性，才能保证与开挖土体混合之前不至气泡过量衰变破灭，与开挖土混合后，对开挖土的改良效果必须能够维持一段时间，由此，盾构用气泡需要具有一定的稳定性才能满足盾构施工的要求。
（3）膨润土
盾构施工中的经验值是开挖土中的微细颗粒必须达到30%～35%左右[12]。
若开挖土体中的微细颗粒不足,此时最常用的是把粘土、蒙脱土等作为添加材料制成泥浆进行补给。
膨润土由于具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能,国外从20世纪60年代就已经开始将膨润土用作防渗材料。
膨润土的选取标准：
1.造浆率高、失水量低
膨润土的造浆率直接表示泥浆造浆效率的高低，以此评价泥浆的宏观性能。
泥浆的失水量越低其使用效率越高，施工中掌子面上离析的泥浆越少，失水量是评价泥浆的一个重要标准。
2.防渗性好
膨润土泥浆这种添加材料适用于高透水性的土体,这主要是因为在透水性较低的地层中,膨润土泥浆相对难以渗入土体并填充孔隙,渗入的距离短因此难以和土体广围结合从而包裹土体颗粒[13]。
3.高膨胀倍率
不同压实密度的膨润土的主要差别在于其土体颗粒间孔隙的大小,当密度大时,单位空间中的土体颗粒及吸附水层所占的体积就大,渗流液体通道就窄。
由于膨润土的高吸湿膨胀性和自封闭性,遇水时极度膨胀,其密度越大,膨胀倍数越大,同样的渗流空间留给过流液体的通道就越窄,其渗流系数也就降低了。
[14]
（4）粘土，通常配合膨润土同时使用。
（5）其他添加剂
1.高吸水性树脂
由于高吸水性树脂可以吸收自重几百倍的地下水成为胶凝状态,所以对防止高水压地层的喷涌有很好的效果。
2.水溶性高分子类
它与树脂一样是高分子化合物构成的材料,并具有可以使开挖土体的粘性增大的效果。
它是木材树皮经化学处理后的高分子糊，溶于水成极高的粘性，主要用于砂砾石地层，又降低虑水量，防止逸泥和抵抗阳离子污染。
在过去盾构施工中,很多情况下都使用了CMC,但有时由于渣土会成为泥糊状而需要作为工业废弃物来处理。
3.纯碱
纯碱的作用是增加泥水的活性，以降低泥水的密度、粘度。
可根据泥水实际的密度、粘度情况掺入。
4、试验方案及时间安排
试验测试的容包括泡沫试验、泥浆试验、坍落度试验、搅拌试验、LCPC试验等，图9为渣土改良试验技术方案图。
图9渣土改良试验技术方案图
4.1泡沫试验
泡沫试验是通过控制气体压强、气体流量、液体流量、发泡液浓度制取泡沫的过程，以泡沫的半衰期和发泡倍率为指标评价产生泡沫的稳定性和发泡液的发泡效率。
由于不同的土质条件对泡沫有不同的改良要求：
砂砾、砂地层土体基本无塑性、渗透性高，使用相对稳定的泡沫、泡沫的注入率高；
粉砂、粘砂地层土体的塑性取决于细颗粒的含量，使用稳定性适中、泡沫的注入率低到中[15]；
砂粘、粘土地层土体塑性高、粘聚性取决于粘土的种类，使用高分散性的泡沫、泡沫的注入率中到高。
本试验通过正交试验代替全面试验，通过对部分实验结果的分析，了解全面试验的情况。
本试验以气体压强、气体流量、液体流量、发泡液浓度为试验因素，针对所取的土层所需要的泡沫进行正交试验设计[16][17]。
以下是针对砂砾、砂地层土所需要相对稳定的泡沫而设计的L9（34）正交试验见表4-1。
表4-1泡沫正交试验方案
A、发泡液浓度（%）
B、气体流量（L/min）
C、液体流量（ML/min）
D、气体压强（MP）
试验1
1
1
试验2
2
试验3
3
试验4
2
试验5
试验6
试验7
3
试验8
试验9
泡沫试验周期包括试验准备时间（试验仪器调试、发泡剂性能测试）、试验时间、数据处理时间。
具体试验时间分配见表4-2。
表4-2泡沫试验进度表
试验准备（天）
试验（天）
数据处理（天）
总计（天）
时间
7
4.2泥浆试验
国外对土压平衡盾构泥浆的研究较少，大部分的参数停留在施工经验的基础上，没有完善的试验评价标准。
本课题通过泥浆试验配制适合改良粘土、粉土、中粗砂粗砂、砾石砂卵石地层的泥浆。
并研究纯碱、CMC对泥浆性能的影响。
本试验以泥浆漏斗粘度、比重、PH值为指标评价制备的泥浆的性能。
由于不同的土质条件对泥浆有不同的改良要求[18]：
粉质黏土地层土体塑性高、粘聚性取决于粘土的种类，配制浓度较低的基浆：
膨润土+水。
第一步：
配制浓度为8%、10%、12%、14%、16%的膨润土基浆，搅拌均匀，静置24小时。
第二步：
测试泥浆的漏斗粘度、比重、PH值。
第三步：
选择2~3组合适的基浆进行坍落度试验。
基浆的注入比分别取5%、10%、15%、20%、25%。
粉砂、粘砂地层土体的塑性取决于细颗粒的含量，配制浓度适中的基浆：
配制浓度为10%、12%、14%、16%、18%的膨润土基浆，搅拌均匀，静置24小时。
选择3~4组合适的基浆进行坍落度试验。
中粗砂、粗砂地层土体的塑性低、渗透性高，配制浓度适中的泥浆A：
基浆+10~15%的粘土（粘土配比由颗粒的级配曲线决定）。
配制浓度为10%、12%、14%、16%、18%的泥浆A，搅拌均匀，静置24小时。
泥浆A的注入比分别取5%、10%、15%、20%、25%。
砂砾、砂地层土体基本无塑性、渗透性高，使用浓度较高且含增塑聚合物的泥浆B：
基浆+10~15%的粘土（粘土配比由颗粒的级配曲线决定）+0.02%~0.06%CMC。
配制浓度为10%、12%、14%、16%、18%的泥浆，根据土样的级配曲线得到粘土的配比（土样中微细颗粒达到30%左右），搅拌均匀，静置24小时。
测试泥浆的漏斗粘度、比重、PH值，并观察失水情况。
泥浆B的注入比分别取5%、10%、15%、20%、25%。
第四步：
在以上的基础选择合适的泥浆浓度及注入比，分别添加0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%的CMC，测试改良效果。
泥浆试验周期包括试验准备时间（试验仪器调试、膨润土性能测试、CMC性能测试、纯碱性能测试）、试验时间、数据处理时间。
具体试验时间分配见表4-4。
表4-4泥浆试验进度表
9
13
4.3渣土改良试验
渣土改良试验主要解决盾构掘进施工中压力舱闭塞、土体固结或排土器喷涌等常见技术难题，达到稳定开挖面土体、改良土体流塑性能、降低刀盘扭矩、减缓刀具磨损、提高掘进和出土效率。
渣土改良试验是在添加剂优化试验的基础上进行的，其具体的流程见图10。
图10渣土改良试验流程图
在盾构机穿越的土层中取土样，测其自然含水量，并进行筛分试验，分析土样的粗、细颗粒含量对土体改良的影响，初步选择适用的添加剂及计算理论添加剂注入量。
（1）添加剂注入量初步计算：
[19]
对于常用的添加剂，无论是泡沫还是膨润土泥浆，其改良过程都是通过改变土体颗粒级配曲线来改善土体的塑性流动状态，如膨润土泥浆增加土层中的细颗粒成分，泡沫填充土颗粒之间的空隙，客观上都改变了土层的颗粒级配曲线。
故反过来可以通过土样的颗粒级配曲线计算初步的添加剂注入量。
1.泡沫注入比初步计算
根据日本盾构施工经验，可根据土体颗粒级配曲线计算泡沫注入比FIR，具体计算公式如下所示。
FIR（%）=
[（60-4.0·
）+（80-3.3·
）+（90-2.7·
）]……………………
（1）
式中：
P0.074—粒径小于0.074mm土颗粒的百分含量，当4.0·
>
60时，取4.0·
=60
P0.25—粒径小于0.25mm土颗粒的百分含量，当3.3·
80时，取3.3·
=80
P2.0—粒径小于2.0mm土颗粒的百分含量，当2.7·
90时，取2.7·
=90
a是与不均匀系数Cu相关的系数：
当Cu≥15时，a=1.0
当4＜Cu＜15时，a=1.2
当Cu≤4时，a=1.6
初步的泡沫注入比可以通过式1直接算出，但当FIR＜20%时，取FIR=20%。
2.泥浆浓度及注入量的初步确定：
泥浆的浓度因地层土颗粒组成和颗粒形状的不同而不同，根据日本盾构施工经验，具体膨润土泥浆浓度D大小可按土层颗粒级配曲线得到，其计算公式如下所示。
D=a[2.0·
（30-P0.074）+0.5·
（40-P0.25）+0.2·
（60-P2.0）]…………………………………
（2）
P0.074—粒径小于0.074mm土颗粒的百分含量当，P0.074>
30时，取P0.074=30
P0.25—粒径小于0.25mm土颗粒的百分含量，当P0.25>
40时，取P0.25=40
P2.0—粒径小于2.0mm土颗粒的百分含量，当P2.0>
60时，取P2.0=60
a是与不均匀系数Cu相关的系数
当Cu≥4时，a=1.0
当3＜Cu＜4时，a=1.10.
当1＜Cu≤3时，a=1.2
泥浆注入量Q由盾构机每掘进1cm时的添加量来表示，单位是L/bcm。
当D=0%，W>
1.2WL时，Q=0
当D=0%，W<
1.2WL时，则需要添加清水，清水注入量QW=0~150l/bcm（减小土层黏聚性）
当1%<
D<
10%时，Q=60l/bcm（减小土体黏聚性）
当11%<
15%时，Q=90l/bcm（减小土体摩擦角）
当D>
15%时，Q=6Dl/bcm（减小土体摩擦角）
其中，w为土体含水量，WL为土体液限含水量，D为泥浆浓度。
考虑到不同土层的需要，必要时可添加高分子聚合物混合使用。
（2）各土样的改良方案
根据调查和统计已施工隧道的工程地质及水文地质条件以及以上试验参数的初步计算，按照盾构施工的特点与差异，对地区适合室试验的以下几类地层进行试验设计[14]：
1.粉质黏土
容易发生塑性变形和破坏。
含水量的大小对其状态（坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑）和强度、稳定性影响较大。
一般情况下该土层的稳定性较好。
对该地层改良只需加泡沫，必要时需加水进行改良。
对该地层渣土改良需注入高分散性泡沫，泡沫的注入率中等到高，试验所需泡沫由泡沫试验制取（选取正交试验中分散性高且发泡液浓度低的作为试验所用泡沫）。
第一步，对所取土样的初始含水量进行测试，取7×
6L的土样，分别注入0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%的水，进行坍落度试验并观察坍落度随含水率变化的规律，选取合适的含水率围。
在以上试验的基础上取5×
6L的土样，分别注入5%、10%、15%、20%，25%的泡沫，进行坍落度试验并观察坍落度随泡沫注入率变化的规律。
第二步，以水注入率为A因素、泡沫注入率为B因素，在以上试验的基础上选取合适的注入率围进行两因素试验，试验设计方案见表4-5。
第三步，根据试验方案分别进行搅拌试验、坍落度试验、LCPC试验。
每个试验后，所得结果都可以通过SPSS软件进行分析处理，通过处理分析A、B因素对试验结果的显著性效果以及确定最优配比。
[15]
表4-5粉质黏土改良两因素试验方案
水注入率（A）
泡沫注入率（B）
B1（a0%）
B2（b0%）
B3（c0%）
A1（a%）
A2（b%）
4
5
6
A3（c%）
8
各因素的三个水平可能需要进一步调试。
粉质黏土改良试验周期包括试验准备时间（取土样、调试仪器）、试验时间（含水率围测试、泡沫注入率围测试、两因素试验）、数据处理时间。
具体试验时间分配见表4-6。
表4-6粉质黏土改良试验进度表
11
2.粉土
一般情况粉土的稳定性尚可。
但饱和粉土在振动荷载作用下容易液化，从而使地基和隧道围岩失稳，泡沫的注入率低到中等。
该地层土体的改良可以考虑与粉质粘土类似的试验方案，表头试验水平选取与粉质粘土略有不同，具体情况视具体的添加剂而定。
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