土压平衡式盾构施工用泡沫混和土透水性试验研究

文章编号:1009-6582(2005)05-0017-05土压平衡式盾构施工用泡沫混和土透水性试验研究魏康林(广州市地下铁道设计研究院,广州510010)摘　要　文章从土力学角度研究了泡沫混和土这种多相介质的透水性,借助于改进的变水头试验方法,得出了泡沫掺入量、泡沫稳定性和土体性质对泡沫混和土透水性的影响规律。

从进水量和出水量的变化,以及泡沫混和土的微观结构,分析了泡沫混和土透水性降低的机理。

最后,对于泡沫掺入土体防治土压平衡式盾构施工中喷涌的效果作了简要的评价。

关键词　泡沫混和土　渗透系数　喷涌防治中图分类号:T U4;U455.43;U456 文献标识码:A1　前　言泡沫混合土已经越来越多的被应用于工程界,因其密度小、强度高、透水性低等特点,在堤防、路基、码头的填土工程中得到了广泛的应用,特别是在盾构施工中,利用泡沫注入掌子面土体形成泡沫混合土来改良天然土体的性质。

经过泡沫改良后的土体具有较小的抗剪强度、相对适中的可压缩性、较低的渗透性和一定的流动性,从而使得开挖、掘进和出土能够顺利进行,这种土体改良技术已经成为盾构施工成功的关键因素之一。

这其中,泡沫混合土体的透水性对于改良土体是一个非常重要的指标。

本文针对泡沫混合土这种特殊的多相介质,对室内常规的变水头试验测定渗透系数的方法进行了改进,研究了在不同的泡沫掺量下、不同的泡沫消散程度下和不同的土质条件下,泡沫混合土透水性的变化规律,并阐明了其变化的机理。

针对目前泡沫被广泛用于改良土压平衡式盾构施工中土体的现状,对泡沫加入土体防治土压平衡式盾构施工中喷涌问题的效果进行了简要的评价。

2　试验的材料及方法 本次试验分别选用了国内北京、广州两地实际土压平衡式盾构施工掘进中遇到的两种典型砂土,其颗分曲线如图1和图2所示。

试验选用的泡沫采用自行设计的发泡装置和自行研制的配方生产,本试验中选用的泡沫密度为0.02g/c m 3,自然消泡率达到50%所用的时间为80分钟,泡沫稳定性能曲线如图3所示[3]。

图1　北京砂砾土的颗分曲线Fig .1　Gradati on graph of Beijing sandy gravel s oil在制备渗透试验试样的过程中,先按照混合比例称取一定量的砂土和刚刚发制的泡沫,然后将砂土按照其饱和含水量浸湿,再与泡沫通过搅拌均匀混合。

在试验中针对泡沫混合土这种多相介质的特修改稿返回日期:2005-02-28作者简介:魏康林,男,工学硕士,工程师.・71・第42卷第5期2005年10月 现代隧道技术Modern Tunnelling Technol ogy Vol .42　No .5Oct .2005图2　广州粉砂土的颗分曲线Fig .2　Gradati on graph of Guangzhou silty sand图3　试验所研制的泡沫稳定性能曲线Fig .3　Stability characteristics of the foam manufacturedin laborat ory点,监测了试样内进水和出水流量的变化并充分延长了观测时间(分一小时、两小时和四小时三个时段观测),试验装置如图4所示。

图4　监测流量变化的变水头试验装置Fig .4　Testing apparatus with variable water p ressureheads for fl ow measure ment3　泡沫混和土的透水性变化规律(1)泡沫混和土透水性随泡沫掺入量的变化规律在试验中分别掺入质量百分比为2%、4%、6%、8%和10%的泡沫,得出的混合土体4小时后的渗透系数如图5所示。

可以看出,随着泡沫掺入质量比的增加,混合渗透系数明显减小,说明泡沫的掺入显著降低了土体的透水性。

以掺入泡沫10%为例,北京砂土的渗透系数从2.515×10-5m /s 降低到9.511×10-8m /s,降幅近265倍;广州砂土从3.577×10-6m /s 降低到3.322×10-7m /s,降幅近12倍。

(2)泡沫混和土体透水性随泡沫消散时间的变化规律图5　混合土渗透系数随泡沫掺量的变化Fig .5　Relati onshi p bet w een the per meability coefficient of the m ixed s oiland the quantity of the f oa m added 在试验中分三次(1小时、2小时和4小时)观测了混合土渗透系数的变化情况,结果如图6所示。

可以看到,观测的时间越往后,观测到的渗透系数越大,这一现象说明泡沫随时间在逐渐地消散和破灭,消散后的泡沫留给混合土更多的渗流通道,渗入的水流便很容易穿越混合土,所以混合土的止水性下降。

(3)泡沫混和土体透水性随土体性质的变化规律表1列出了两种混合土在不同的泡沫掺量下,4小时后渗透系数相对于原状土降低的倍数,其对比见图7。

从表1和图7中均可以看出,泡沫对北京砂砾的改良效果明显好于广州粉砂。

在试验的泡沫掺量范围内,北京砂砾土可以达到降低渗透系数・81・现代隧道技术图6　混合土渗透系数随泡沫消散时间的变化.6　Relati onshi p bet w een the per meability coefficient of the m ixed s oil and the ti m e of foa m dissi pati on表1　泡沫消散4小时后渗透系数降低倍数Table 1　M ulti ples of the reduced perm eab ility coeff i c i en t4hours after foam d issi pa ti on泡沫掺量2%4%6%8%10%北京砂土1683163217264广州砂土134811图7　不同土体泡沫消散4小时后渗透系数降低倍数比较Fig .7　Comparis on of the multi p les of reduced per meability coefficient 4hours after foa m dissi pati on f or different s oils1000倍的效果;而广州砂土最多仅仅只能降低33倍。

在试验进行4小时后,北京砂砾土渗透系数仍然可以达到原状土的1/264,而广州砂土的渗透系数居然已经几乎接近原状砂土。

其机理的解释和由此得出的结论如下:(1)泡沫更适合于颗粒级配相对良好的砂土相关文献[1]指出,泡沫在单纯的两相(水+气)中消散的速度要远远高于它在三相(土+水+气)中消散的速度。

这是因为在土体中,泡沫和土颗粒的充分接触可以使液膜的流动受阻,减少液膜脱水泡沫破灭的可能性。

在级配相对良好的砂土中,因为泡沫会和砂土颗粒结合的更完整和致密,能更充分地置换砂土中的孔隙水进而填充原来的孔隙,所以容易形成更多封闭的泡沫。

正是由于大量封闭泡沫的存在,才使得砂土的渗透系数降低、止水性增强。

(2)泡沫更适合平均粒径较大的砂土砂土的颗粒越细,越接近于粘性,矿物的亲水性越强,它们的吸力就越大。

显然颗粒细小的广州粉砂会对泡沫表面液膜内所含的自由水分产生吸附,导致液膜脱水后泡沫就会破灭,降低混合土体的止水性能。

4　泡沫混和土透水性变化机理前面已经提到,本试验虽然是在常规的变水头试验基础上进行的,但针对泡沫混合土体这一特殊材料,在试验方法方面也作了许多改进,其中非常关键的一点就是在试验中较为精确地监测了进入和渗出试样水体的体积。

图8中的两图分别是北京砂砾土在4%和8%的泡沫掺入量比情况下,在三个观测时间段内每4分钟内的进水流量和出水流量变化情况。

通过对图8中两图的对比分析可以看出,在任何泡沫掺入比情况下,在试验的三个观测时段内,均有一个共同的重要现象,就是进水流量总是大于出水流量,即相同的时间间隔内,进入试样的水体体积总是大于流出的水体体积。

这个现象充分说明了渗入的水体是如何经过泡沫混合土和其中的泡沫作用后流出来的。

外部水体流入混合土后,因为土体内大量封闭泡沫的存在,它会对泡沫形成挤压。

在这种作用力的驱使下,泡沫的液膜会脱水稀释导致一部分泡沫先行破灭,破灭后它原来的体积由进入的水体占满,由于破灭后出来的泡沫中所含有的水量是很少的(泡沫中的水占泡沫体积的10%左右),所以表现为进入的水量多于流出来的水量。

这个现象从反面证明了泡沫能够・91・土压平衡式盾构施工用泡沫混和土透水性试验研究图8　试样内进水和出水流量的比较Fig .8　Comparis on of the quantities of water infl ow and discharge in s oil sa mp les降低土体的透水性的机理就在于泡沫和天然土体混合时,泡沫置换了土体天然孔隙中的孔隙水进而封闭形成防水基质。

5　泡沫的掺入对土压平衡式盾构施工中喷涌的防治效果 在土压平衡式盾构施工中,经排土器排出的碴土中的水在排土器出口的压力一般临近零左右,然后由自重作用落入传送带。

当到达排土器出口的碴土中的水还具有一定的压力时,就会发生喷涌,主要发生于渗透性较大的砂性土地层中,原因是由于压力舱和排土器内的土体不能完全有效的抵抗开挖面上的较高的水压力,从而在螺旋排土器的出口处发生喷砂、喷泥和喷水的现象。

喷涌的发生会引起盾构机前方大幅度的地面沉降,对地面建筑和城市交通环境造成极具危害的影响。

经过对影响喷涌问题的一系列参数的敏感性分析,发现土体的渗透系数对喷涌的发生影响最大,同时在施工中也比较容易控制[2]。

目前,国内外土压平衡式盾构隧道施工中普遍加入较为先进的泡沫,通过降低土体的渗透系数来防治喷涌的发生。

河海大学的魏康林在其硕士学位论文中研究了泡沫的加入对北京地铁和广州地铁土压平衡式盾构施工中喷涌的防治效果。

经过试验和计算,得出的结论如下:(1)对于北京盾构施工中的砂砾土,在开挖面上压力水头为14.5m 的条件下,当泡沫掺入的质量百分比达到4%(渗透系数为3.042×10-7m /s )时,将会使严重喷涌降低到轻微喷涌;当掺量达到6%(渗透系数为1.543×10-7m /s )时,已经能够完全抑制喷涌事故的发生。

(2)对于广州盾构施工中的粉砂土,在开挖面上压力水头为12m 的条件下,当泡沫的质量百分比达到4%(渗透系数为1.418×10-6m /s )时,将会使严重喷涌降低到轻微喷涌;当掺量达到8%(渗透系数为4.631×10-7m /s )时,已经能够完全抑制喷涌事故的发生。

6　结　论本文通过改进常规变水头试验测定土体渗透系数的方法,研究了工程中常见的泡沫混和土这种特殊介质的透水性变化规律。