富水砂性地层盾构施工泡沫改良渣土渗透特性试验研究

摘 要：针对在砂土、砂卵石地层盾构施工中易出现喷涌现象等问题，对取自广州地铁12号线某区间的泥质粉砂岩进行了泡沫改良渗透性试验。

   结果表明：渗透压差、泡沫注入率、发泡液浓度、土体含水率以及气液比对泡沫改良渣土的渗透性有不同程度的影响；压差越大、泡沫注入率和发泡液浓度越小，改良土体的抗渗性越差，存在临界压差（0.5bar），当压差超过临界压差后，改良渣土的抗渗性将大幅度降低；改良渣土的抗渗性随土体含水率升高呈先增大后减小的变化特征，随气液比的增大呈先减小后增大的变化特征；在试验砂土级配下，最佳改良参数为：泡沫注入率40％、发泡液浓度3％、土体含水率6％、气液比10。研究成果可为地铁土压平衡盾构施工泡沫改良渣土提供理论和技术支撑。

0. 引言

   进入21世纪以来，我国的轨道交通建设迎来了全面的发展热潮，土压平衡盾构技术相对成熟、成本相对更低，在地铁隧道掘进施工中最为常见。随着盾构技术的不断发展，盾构机施工面临从最初的软土地层到现在的软硬复合地层，会存在各种各样的施工困难，如刀具磨损大、刀具脱落崩裂及盾构进尺不足等问题，严重制约着盾构施工效率。

    复杂的地质条件是制约盾构施工效率的主要因素之一，在砂性土层这样的强渗透性地层中，除了面临一般的施工困难外，还可能因为掌子面前方水体涌入而发生喷涌现象，喷涌会造成土压平衡盾构施工时螺旋出土器的排土速度无法有效控制，导致土仓内的压力无法建立，从而影响盾构施工安全，解决此类问题的最好方式之一就是进行泡沫渣土改良。影响泡沫渣土改良效果的因素有很多，如土体含水率、气液比、泡沫注入率、渗透压差、发泡液浓度等，虽然在以往的研究当中已有一些关于这方面的研究，但并没有形成一个系统的共识，特别是关于泡沫改良砂土的渗透性的专门性研究还比较鲜见。

   本文针对当前土压平衡盾构施工中泡沫改良渣土技术存在的不足，设计了不同的压差、泡沫注入率、发泡液浓度、土体含水率以及气液比影响下的改良渣土（砂土）渗透性试验，以期能为指导现场地铁盾构施工提供技术支撑和借鉴。

1. 试验概况

1.1 试验土体

   广州地铁12号线某区间全长1.8km，采用盾构法施工，管片外径大小为6ｍ，内径大小为5.4ｍ，隧道上覆地层厚度约为11～22.3ｍ，从上至下依次为杂填土、黏土、细砂、中砂、粗砂、砂砾、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩等，隧道主要穿越中风化泥质粉砂岩地层，其平均含水率为7.2％，平均干密度2.12ｇ/cm3，平均粘聚力为0.6Mpa，平均内摩擦角为39°，平均泊松比0.28。对现场中风化泥质粉砂岩渣样进行取样，经充分晒干后进行筛分，为确保试验精确性，同时与国际标准接轨，剔除粒径大于20ｍｍ的颗粒，然后按照每组10kg的重量配制对应颗粒级配的干燥土样，并加水制备成不同含水率的试验土体，配制的试验土级配曲线见图1。

1.2 试验设备

   根据国内外相关试验规定，渗透仪器的内径应是试验土体最大颗粒尺寸的8～12倍，本次试验渗透仪的内径大小为200ｍｍ（即最大颗粒尺寸的10倍），高度为650ｍｍ，环向约束为1cm厚的有机玻璃，上下均用1cm厚的不锈钢板进行约束，上部不锈钢板设置注水调压孔、注气孔，下部不锈钢板设置1个排水孔，在侧面布置3个测压孔，测压表的量程为0.6Mpa，精度为0.001Mpa。为方便观察试验过程中土体的变化情况，在渗透仪中下部设置了一个边长为7cm的观察窗口。

1.3 试验分组

   本次试验使用巴斯夫发泡剂制备发泡液，发泡气压为0.3Mpa，参考以往研究成果，将渗透压差0.1bar、泡沫注入率40％、发泡液浓度3％、含水率6％、气液比10作为基础工况，主要探讨渗透压差、泡沫注入率、发泡液浓度、含水率以及气液比五个因素对泡沫改良渣土渗透性的影响。因此将试验分为５组：第1组为渗透压差试验组，渗透压差为0.1bar、0.3bar、0.5bar、0.8bar和1.0bar，其余参数同基础工况；第２组为泡沫注入率试验组，泡沫注入率分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％和60％，其余参数同基础工况；第3组为发泡液浓度试验组，发泡液浓度分别为1％、2％、3％、4％和5％，其余参数同基础工况；第4 组为含水率试验组，含水率分别为0％、1％、3％、6％和9％，其余参数同基础工况；第5组为气液比试验组，气液比分别为8、10、12、14、16和18，其余参数同基础工况。试验分组具体情况见表1。

1.4 试验步骤

   试验过程分为5个步骤：①将配制好的土体静置1ｈ，使土体与水充分混合；②将发泡液浓度、发泡压力和气液比调制成试验所需值，同时向土体中注入指定量的泡沫，然后用搅拌机拌合均匀；③将拌合好的土样分层填充到渗透仪中，每层高度为3cm；④向渗透仪中注入3.14Ｌ的渗流水（保证液面高度高于土体高度10cm），在注入渗流水过程中下部排水孔处于开启状态；⑤将空压机与渗透仪上方注气孔进行连接，并将气压调至指定的渗透压后进行试验，试验过程中记录滤液的体积和质量变化，当滤液体积达到2000ML后结束试验。

2. 试验结果分析

2.1 渗透压差的影响

   不同压差下渗流体积的变化特征见图2。从图2（a）渗流体积时程曲线可以看出：当渗流时间＜30s时，压差0.1bar、0.3bar和0.5bar的渗流体积基本相等，压差0.8bar和1.0bar的渗流体积基本相等。随着渗流时间的增加，渗流体积逐渐出现差异，且差异越来越明显，这是因为在渗流初期作用于泡沫改良渣土的水压可视为均布压力，在均布压力作用下土体内部颗粒重新分布排列，因而具备较好的抗渗能力，当渗流一段时间后，土体内部土颗粒已经完成了重分布，随着渗流时间增加，一部分气泡被带出改良渣土，从而在土体内部形成了新的渗流通道，导致渗流体积迅速增加；当压差≤0.5bar时，相同时间内的渗流体积相差不大，当压差大于0.5bar后，渗流体积出现较大变化，表明在颗粒级配一定的情况下，存在一个临界压差，当压差大于该临界压差时，可能会导致改良土体的抗渗性大幅度降低，在本次试验的土颗粒级配下，临界压差为0.5bar。

   从图2（b）中可以看到：随着压差的逐渐增大，渗流体积达到2000ｍＬ所需的时间越来越短，当压差为0.1bar时，渗流体积达到2000ｍＬ所需时间为550s，当压差为0.3bar和0.5bar时，所需时间分别为510s 和480s，分别较0.1bar时下降了7.3％和12.7％，当压差为0.8bar和1.0bar时，渗流体积达到2000ｍＬ所需时间分别为300s和225s，分别较0.1bar时减少了45.5％和59.1％，当压差达到0.8bar之后，泡沫改良渣土的抗渗能力较0.1bar时下降40％以上，可见在高压差作用下，改良渣土内部难以自稳，较细的土颗粒随渗流水大量排出，从而导致抗渗性大打折扣。

2.2 泡沫注入率的影响

   不同泡沫注入率下渗流体积的变化特征见图3。从图3（a）中可知：随着渗流时间的增加，渗流体积基本呈线性增长；当泡沫注入率为0或者10％时，渗流体积很快达到2000ｍL，这是因为当泡沫注入率太低时，泡沫在土体内难以赋存，土颗粒之间的间隙和泌水通道没有被气泡完全封闭，因而很难起到改良效果，当气泡注入率达到20％后，在渗流初期，土体内部土颗粒和气泡会经历重分布，然后再经历气泡被渗流水带出阶段，因而渗流体积达到2000ｍL的时间大大延长，特别是当泡沫注入率达到长至40％后，渗流体积达到2000ｍL的时间可以延550s以上。

从图3（b）中可知：渗流体积达到2000ｍL用时随泡沫注入率增加呈逐渐增大的变化趋势，但可以分为稳定、快速增加以及缓慢增长三个阶段：当注入率为0、10％时，用时很短，仅为20s，当注入率为20％和30％时，用时分别为270s 和360s，相 比注入率为0时，所用渗流时间为其13.5倍和18倍，当泡沫注入率达到40％、50％和60％时，渗流体积达到2000ｍL用时所用分别为570s、600s和605s，与注入率为0时相比，渗流时间为其28.5倍、30倍和30.25倍，而注入率为60％时仅比注入率为40％时渗流时间延长6.1％，由此可见，当泡沫注入率为40％时是最经济的，同时还能保证改良渣土具备较好的抗渗性能。

2.3 发泡液浓度的影响

   不同发泡液浓度下渗流体积变化特征见图4。从图4（a）中可知：渗流体积与时间之间仍然近似呈线性关系，在低发泡液浓度（1％和2％） 下，渗流体积随时间增长较快，在较高发泡液浓度（3％、4％、5％）下，渗流体积随时间增长较为缓慢，表明高发泡液浓度对于渣土改良具有更好的效果，这是因为当发泡液浓度较高时，其表面活性剂成分较高，泡沫液膜具备更强的稳定性，可以保证在砂土 拌合过程以及水压作用下泡沫均不会发生破裂，因而改良效果更佳。

   从图4（b）可知：渗流体积达到2000ｍL的用时随泡沫液浓度的增大而逐渐增加，当泡沫液浓度为1％和2％时，用时分别为275s和325s，当发泡液浓度为3％、4％和5％时，用时分别为575s、605s和630s，3％浓度下的用时比1％浓度增加了109％，而5％浓度下的用时仅比3％浓度增加了9.6％，由此可见，当泡沫注入率为40％时，发泡液浓度为3％，可以使改良渣土具备较好的抗渗性和经济性，这是因为，当发泡液浓度为3％时，有效成分基本接近ＣＭＣ（临界胶束浓度），表面活性剂可以在气相和液相相交界面达到饱和状态，这大大增加了溶液的表面粘度和弹性，可以延长泡沫排 液和衰退的时间，增强气泡的强度，使得气泡稳定性更好，更不易发生破裂，但是，当发泡液浓度继续增大时，可能会在溶液中生成过量的胶束，反而对发泡能力和泡沫稳定性产生不利影响，因而建议发泡液最佳浓度为3％。

2.4 土体含水率的影响

   不同土体含水率下渗流体积变化特征见图5。从图5（a）中可知：土体含水率对渣土改良影响较大，当含水率为0或者1％时，泡沫改良作用很小，渗流体积在20s后便达到2000ｍL，这是因为低含水率下，气泡无法在渣土中赋存，当含水率达到3％后，渣土表现出一定的改良效果，抗渗性有明显的增强，6％含水率下改良渣土的渗流时间已远超3％含水率下的渗流时间，但是当含水率继续增大至9％时，抗渗性反而有所回落，这主要是因为当含水率过高时，土体内部会充斥较多的游离水，导致颗粒之间无法紧密接触，从而使气泡很难稳定地搭接在土颗粒与土颗粒之间，最终无法起到封堵渗流路径的效果。

   从图5（b）可知：渗流体积达到2000ｍL的用时随土体含水率的增大呈先增大后减小的变化特征，当含水率为6％时，用时最长，达到570s，因此在本次试验所采用的土颗粒级配条件下，含水率为6％时可以保障渣土获得最佳的改良效果。

2.5 气液比的影响

   不同气液比下渗流体积变化特征见图6。从图6（a）可知：气液比对泡沫改良渣土的抗渗性影响相对较小，不同气液比下渗流体积均随时间近似呈线性增大，且渗流体积达到2000ｍＬ用时基本在520～620s。从图6（b）可知：渗流体积达到2000ｍＬ的用时随气液比的增大呈先减小后增大的变化特征，当气液比为14时，所需时间最短，仅为525s，而气液比在8或者18时，所需时间分别为620s和595s，这是因为在不同气液比下，泡沫粒径的不均匀系数有较大的区别，在气液比14时，不均匀系 数最小，不均匀系数越小，表示气泡基本都处于同一粒径水平，从而缺乏不同粒径气泡的配合，导致在土颗粒之间留有大量的渗流路径，因而改良效果不佳；但是，气液比取较小值时，产生相同体积泡沫所需的发泡剂更多，也会导致渣土改良的经济性不佳，而采用较高气液比时，会导致气泡表面活性剂含量大大降低，从而使气泡强度降低，影响改良效果。权衡各项因素，建议气液比取值在10左右为最佳。

3. 渣土改良后渗流表现

   在土压平衡盾构施工中，需要根据土体物理力学性质选择合理的改良参数，气泡注入量并不是越多越好，气泡注入不足时，易造成欠改良现象，而注入过量时，则容易造成过量改良。欠改良时，渣土颗粒之间缺乏足够的气泡填充，导致大量的渗流通道存在于土体中，土体抗渗性不佳；过量改良主要是因为土体中存在过量的气泡，而这些气泡无法与土体中的颗粒进行有效充分结合，从而在土体中没有足够的支撑，容易在渗流作用下被带走，同时还会顺便带走一些细小颗粒，从而在土体中产生渗流通道，在土体表面形成一种类似于“蜂窝”状的结构，随着渗流作用的继续，渗流通道不断扩大，最终导致土体改良失效。不同改良效果的示意图见图7。

4. 结论

   基于室内试验方法，对渗透压差、泡沫注入率、发泡液浓度、土体含水率以及气液比五种参数影响下泡沫改良渣土的抗渗性能进行了研究，得出如下结论。

   （1）随着渗透压差的增大，改良渣土的抗渗性逐渐变差，且存在临界压差（0.5bar），当压差超过临界压差后，改良渣土的抗渗性将大幅度降低。

   （2）泡沫注入率和发泡液浓度对改良渣土抗渗性有较大的影响，泡沫注入率越大，发泡液浓度越高，改良渣土的抗渗性越好，综合考虑经济性和改良效果，认为本工程中泡沫注入率最佳值为40％，发泡液浓度最佳值为3％。 

   （3）随着土体含水率的增大，改良渣土的抗渗性能呈先增大后减小的变化特征，当含水率为6％时，渣土具有最佳的改良效果。

   （4）气液比对改良渣土抗渗性的影响相比其他因素要小，随着气液比的增大，抗渗性呈先减小后增大的变化特征，权衡改良效果及经济性，建议本工程的气液比取值为10。 

   （5）在实际施工过程中，必须严格控制改良参数，否则易造成欠改良或者过量改良。本文仅针对常见的砂土层进行了改良试验，关于其他类型地层的改良则需要根据地层岩性和地质环境设计对应的方案，这将在今后做进一步的补充研究。

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知识点：富水砂性地层盾构施工泡沫改良渣土渗透特性试验研究