盾构渣土改良研究报告

第一章课题来源、研究内容、研究目标及技术路线第④利用泡沫，分散剂来分解泥饼。硬岩地层降低刀盘刀具和螺旋输送机的磨损，防止涌水，降低刀盘温度泡沫，并视渣土情况可加少量水或不加水富水地层防止涌水、喷涌、降低刀盘扭矩一般注入膨润土泥浆，也可以向渣土中添加高分子聚合物4北京地铁八号线三期05标渣土改良4.1工程概况天桥站～永定门外站区间为八号线三期工程中一段区间，根据线路布置情况，区间平面自天桥站后南行，下穿永定门街心公园，侧穿先农坛体育场，从永定门及永定门桥西侧绕避通过，下穿南护城河、京津城际框构桥、14号线永定门外站后进入永定门外大街的永定门外站。区间起讫里程K33+381.448~K35+016.918，全长1635.47m；区间线路出天桥站后以26‰、15‰的下坡后再以27‰的上坡至永定门外站，区间隧道顶板覆土厚度约10.422~27.32m，隧道底板标高在6.888m~25.007m。图4-1天～永区间平面全景图4.2工程地质和水文地质概况4.2.1工程地质根据北京地铁8号线三期工程勘察01合同段天桥站～永定门外站区间（路西方案）岩土工程详细勘察报告（勘察编号：K1207-042详-05（2），证书编号：010083-kj），本合同段拟建线路在地质构造单元上处于丰台凹陷，地貌单元位于金沟河古道及漯水古道交替冲洪积影响形成的阶地及其间台地上，第四纪覆盖层厚度60～90m。拟建天桥站～永定门外站区间场地地形基本平坦，地面高程约35.36～42.10m。根据野外勘探结果和土工试验成果，依据国家相关规范对本次所勘探地层进行划分，本次勘探最大孔深55m深度范围内所揭露地层，按成因年代分为人工堆积层、一般第四纪沉积层两大层，按地层岩性进一步分为7个亚层。各层土的地层岩性及其特点自上而下依次为：1）人工堆积层：杂填土①层：杂色，松～稍密，稍湿，含砖块、灰渣、水泥块、碎石和腐殖物等，局部夹粉土填土薄层，局部表层为沥青路面；粉土填土①2层：褐色～黄色，松～稍密，稍湿～湿，含少量草根、砖渣、灰渣、砖块等；人工堆积层连续分布，厚度为1.0～7.2m，层底标高为31.76～39.78m。2）一般第四纪沉积层：粉质粘土③层：褐黄色，很湿，可塑，压缩模量平均值=5.09MPa，=5.86MPa，含云母、氧化铁、局部夹粉土或细砂薄层；粉土③2层：褐黄色，中密～密实，湿，压缩模量平均值=9.55MPa，=10.81MPa，含云母、氧化铁，局部夹粉质粘土或细砂薄层；粉砂～细砂③3层：褐黄色，中密～密实，湿～饱和，标贯击数平均值为27，主要成分为石英、长石、云母，局部夹粉质粘土、粉土薄层；圆砾～卵石③6层：杂色，中密～密实，湿～饱和，亚圆形为主，一般粒径1~5cm，最大粒径大于10cm，细砂充填约30～35％；粉质粘土④层：褐黄色，很湿，可塑，压缩模量平均值=8.93MPa，=9.84MPa，含云母、氧化铁，局部夹粉土或细砂薄层；粉土④2层：褐黄色，中密～密实，湿，压缩模量平均值=14.0MPa，=15.8MPa，含云母、氧化铁，局部夹粉质粘土或细砂薄层；粉砂～细砂④3层：褐黄色，中密～密实，湿～饱和，主要成分为石英、长石、云母；卵石⑤层：杂色，密实，湿～饱和，重型动力触探数平均值为92，亚圆形，级配连续，磨圆度中等，一般粒径2~6cm，最大粒径大于15cm，中粗砂充填约35％，局部夹有粉质粘土；细砂～中砂⑤2层：褐黄色，中密～密实，湿～饱和，主要成分为石英、长石、云母，含氧化铁、少量圆砾；粉质粘土⑤4层：褐黄色，很湿，可塑，压缩模量平均值=12.0MPa，=13.0MPa，含云母、氧化铁,少量姜石，局部夹粉细砂、粉土或粘土薄层；粉质粘土⑥层：褐黄色，很湿，可塑，压缩模量平均值=11.30MPa，=12.41MPa，含云母、氧化铁,少量姜石，局部夹粉细砂、粉土或粘土薄层；卵石⑦层：杂色，密实，饱和，重型动力触探数平均值为124，亚圆形，级配连续，磨圆度中等，一般粒径4~8cm，最大粒径大于15cm，中粗砂充填约35～40％；细砂～中砂⑦2层：褐黄色，密实，饱和，主要成分为云母、石英、长石，含少量圆砾及卵石土薄层；粉质粘土⑦4层：褐黄色，很湿，可塑，压缩模量平均值=13.0MPa，=15.0MPa，含云母、氧化铁、姜石；卵石⑨层：杂色，密实，饱和，重型动力触探数平均值为144，亚圆形为主，一般粒径4~8cm，最大粒径大于15cm，细砂充填约35～40％；细砂～中砂⑨2层：褐黄色，密实，饱和，主要成分为云母、石英、长石，含少量圆砾，局部夹粉质粘土薄层。表4-1岩土物理力学性质综合统计表地质年代与成因岩土名称天然密度ρ压缩模量Es（MPa）天然快剪静侧压力系数KO垂直机床系数Kc水平机床系数Ks分层承载力特征值fak粘聚力c内摩擦角φPZ+100PZ+200（g/cm3）（kPa）（kPa）（kPa）(。)(MPa/m)(MPa/m)(kPa)人工堆积层粉土填土（1.65）(8)(8)杂填土1（1.60）(0)(10)卵石填土4（1.65）(0)(12)新近沉积层粉细砂（2.00）（10-15）（0）（28）（0.28）（22）（26）160粉土21.816.257.07(10)(23)(0.30)(30)(35)110第四纪沉积层卵石（2.12）（40-50）（0）（45）（0.28）（50）（60）400粉质粘土2.0219.421.9（0.40）（30）（35）200粉土2（2.12）21211128.5（0.30）（40）（45）230粉细砂3（2.03）（35-40）（0）（33）（0.35）（32）（28）260卵石（2.15）（80-100）（0）（48）（0.23）（70）（80）450粉土2（2.00）（18-22）（15）（25）（0.36）（40）（45）270卵石（2.15）（100-120）（0）（48）（0.20）（85）（100）6004.2.2水文地质本次详细勘察钻孔最大深度为55m，在勘察深度范围内，根据区域水文地质资料和现有的勘察资料，本区间线路主要赋存有三层地下水，其类型分别为上层滞水（一）、潜水（二）和层间潜水（三）。地下水详细情况如下：上层滞水（一）：该层地下水本次勘察施工钻孔未能测得，根据本段线路地层情况及往年勘察资料，该层地下水局部地段可能存在，含水层岩性为粉土层③2层及局部填土层，其分布不连续，透水性较差，主要接受大气降水、绿化灌溉等垂直补给，以蒸发、侧向径流、向下越流补给的方式排泄。潜水（二）：含水层岩性为粉砂～细砂③3层、圆砾～卵石③6层、粉土④2层，该层地下水分布不连续，在本次勘察范围内未能测得，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流方式排泄。层间潜水（三）：含水层岩性为卵石⑤层、卵石⑦层、细砂～中砂⑦2层、卵石⑨层、细砂～中砂⑨2层，水位标高为16.62～17.36m，水位埋深为20.50～24.90m，观测时间为2012年9月或2013年9月。该含水层由于粉质粘土⑥层的存在而表现有一定的承压性，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流和人工开采的方式排泄。4.2.3纵断面工程地质和水文地质情况从天桥站到永定门外站方向，盾构区间前275m以细砂、粉质粘土为主；中间554m全断面砂卵石层掘进；后809m以卵石、粉质粘土为主。 图4-2盾构区间地质概化纵剖面图4.3改良对象和添加剂的确定由北京市地铁号线三期工程05标段盾构所穿越地层情况可知，盾构所穿越地层主要为粉质黏土、无水砂卵石、富水砂卵石地层，所以改良对象主要为粉质黏土、砂卵石渣土。根据前面3章的分析，建议采用以下渣土改良方案：在粉质黏土地层中，使用泡沫和水进行渣土改良；在无水及富水砂卵石地层中，主要以泡沫和膨润土为主，在过重要建筑物、发生喷涌等关键段时使用高分子聚合物；在既有卵石又有粉质粘土的地层，若粉质粘土含量在15~20%以上，可按粉质粘土层的改良方式改良，若粉质粘土含量在15%以下，可按卵石层的改良方式改良。4.4渣土改良试验内容在工程施工前期，可针对泡沫在盾构施工渣土改良的效果进行室内试验和现场试验，通过试验结果选择渣土改良材料的最佳配比。4.4.1室内试验1）直剪试验直接剪切试验目的是测定盾构掘进地层中重塑土以及加入改良剂土体的抗剪强度参数（粘聚力c和内摩擦角值）。采用直剪仪，取添加不同配比改良剂的试样，分别施加不同垂直压力，再分别对它们施加水平剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力，亦即抗剪强度S。以抗剪强度为纵坐标，垂直压力P为横坐标，绘制S-P关系曲线，然后根据库仑定律得出土的抗剪强度参数——粘聚力c和内摩擦角值。2）渗透试验渗透是水在土孔隙中运动的现象。当土中渗透水呈层流状态时，则渗透速度与水力坡降成正比，当水力坡降为1时的渗透速度成为土的渗透系数。渗透试验目的是测定盾构穿越土层的土体在加入泡沫剂改良前后的渗透系数变化的情况，以此来选择能够满足盾构施工要求的渣土。压缩试验土的压缩试验采用压缩仪，根据压缩试验的数据，可以得到在每一级荷载作用下土的竖向变形量随时间的的变化过程，由此可得到孔隙比e与所施荷载p之间的关系，绘制e—p曲线，求得p=100~200kPa的压缩系数。4.4.2现场试验1）坍落度试验通过对按不同配比加入改良剂的土体进行现场坍落度试验，比较渣土的和易性。2）观察土体状态除了做坍落度试验之外，还可观察不同配比下渣土的状态，理想状态应为渣土流动性好，呈塑性状态，渣土上有明显的水的光泽，用手抓渣土时，能比较轻松的抓取；螺旋输送机出渣连续且在皮带机上铺展良好，没有产生泥饼及球状渣土；在渣土中，能明显的闻到渣土中有泡沫剂味。4.4.3试验方案1）粉质黏土层根据经验，泡沫的体积浓度一般为3%~4%，分别按3%、5%、7%不同的外参比加入泡沫，按外参比8%、10%、12%加入水，取9组试样，分别做坍落度试验、直剪试验、压缩试验及渗透试验，数据记录表格如下：表4-2粉质粘土层渣土改良试验表格粉质粘土层列行泡沫水塌落度试验直剪试验压缩试验渗透试验外参外参塌落度黏聚力内摩察角压缩系数渗透系数13%8%23%10%33%12%45%12%55%8%65%10%77%10%87%12%97%8%砂卵石地层根据经验，在无水砂卵石层泡沫的体积浓度一般为2%~3%，在富水砂卵石层泡沫的体积浓度取3%~4%，膨润土配置质量比：1:7。分别按2%、4%、6%不同的外参比加入泡沫，按外参比6%、8%、10%加入膨润土，取9组试样，分别做坍落度试验、大型直剪试验及渗透试验，数据记录表格如下：表4-3砂卵石层渣土改良试验表格卵石层列行泡沫膨润土塌落度试验大型直剪试验渗透试验外参外参塌落度黏聚力内摩察角渗透系数12%6%22%8%32%10%44%10%54%6%64%8%76%8%86%10%96%6%4.5本标段渣土改良总结1）在粉质黏土地层中，使用泡沫和水进行渣土改良，泡沫配置浓度可取3%~4%；2）在无水及富水砂卵石地层中，主要以泡沫和膨润土为主，无水砂卵石中泡沫配置浓度可取2%~3%，富水砂卵石中