盾構(gòu)渣土改良研究報(bào)告

第一章課題來源、研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)及技術(shù)路線第④利用泡沫，分散劑來分解泥餅。硬巖地層降低刀盤刀具和螺旋輸送機(jī)的磨損，防止涌水，降低刀盤溫度泡沫，并視渣土情況可加少量水或不加水富水地層防止涌水、噴涌、降低刀盤扭矩一般注入膨潤(rùn)土泥漿，也可以向渣土中添加高分子聚合物4北京地鐵八號(hào)線三期05標(biāo)渣土改良4.1工程概況天橋站～永定門外站區(qū)間為八號(hào)線三期工程中一段區(qū)間，根據(jù)線路布置情況，區(qū)間平面自天橋站后南行，下穿永定門街心公園，側(cè)穿先農(nóng)壇體育場(chǎng)，從永定門及永定門橋西側(cè)繞避通過，下穿南護(hù)城河、京津城際框構(gòu)橋、14號(hào)線永定門外站后進(jìn)入永定門外大街的永定門外站。區(qū)間起訖里程K33+381.448~K35+016.918，全長(zhǎng)1635.47m；區(qū)間線路出天橋站后以26‰、15‰的下坡后再以27‰的上坡至永定門外站，區(qū)間隧道頂板覆土厚度約10.422~27.32m，隧道底板標(biāo)高在6.888m~25.007m。圖4-1天～永區(qū)間平面全景圖4.2工程地質(zhì)和水文地質(zhì)概況4.2.1工程地質(zhì)根據(jù)北京地鐵8號(hào)線三期工程勘察01合同段天橋站～永定門外站區(qū)間（路西方案）巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告（勘察編號(hào)：K1207-042詳-05（2），證書編號(hào)：010083-kj），本合同段擬建線路在地質(zhì)構(gòu)造單元上處于豐臺(tái)凹陷，地貌單元位于金溝河古道及漯水古道交替沖洪積影響形成的階地及其間臺(tái)地上，第四紀(jì)覆蓋層厚度60～90m。擬建天橋站～永定門外站區(qū)間場(chǎng)地地形基本平坦，地面高程約35.36～42.10m。根據(jù)野外勘探結(jié)果和土工試驗(yàn)成果，依據(jù)國家相關(guān)規(guī)范對(duì)本次所勘探地層進(jìn)行劃分，本次勘探最大孔深55m深度范圍內(nèi)所揭露地層，按成因年代分為人工堆積層、一般第四紀(jì)沉積層兩大層，按地層巖性進(jìn)一步分為7個(gè)亞層。各層土的地層巖性及其特點(diǎn)自上而下依次為：1）人工堆積層：雜填土①層：雜色，松～稍密，稍濕，含磚塊、灰渣、水泥塊、碎石和腐殖物等，局部夾粉土填土薄層，局部表層為瀝青路面；粉土填土①2層：褐色～黃色，松～稍密，稍濕～濕，含少量草根、磚渣、灰渣、磚塊等；人工堆積層連續(xù)分布，厚度為1.0～7.2m，層底標(biāo)高為31.76～39.78m。2）一般第四紀(jì)沉積層：粉質(zhì)粘土③層：褐黃色，很濕，可塑，壓縮模量平均值=5.09MPa，=5.86MPa，含云母、氧化鐵、局部夾粉土或細(xì)砂薄層；粉土③2層：褐黃色，中密～密實(shí)，濕，壓縮模量平均值=9.55MPa，=10.81MPa，含云母、氧化鐵，局部夾粉質(zhì)粘土或細(xì)砂薄層；粉砂～細(xì)砂③3層：褐黃色，中密～密實(shí)，濕～飽和，標(biāo)貫擊數(shù)平均值為27，主要成分為石英、長(zhǎng)石、云母，局部夾粉質(zhì)粘土、粉土薄層；圓礫～卵石③6層：雜色，中密～密實(shí)，濕～飽和，亞圓形為主，一般粒徑1~5cm，最大粒徑大于10cm，細(xì)砂充填約30～35％；粉質(zhì)粘土④層：褐黃色，很濕，可塑，壓縮模量平均值=8.93MPa，=9.84MPa，含云母、氧化鐵，局部夾粉土或細(xì)砂薄層；粉土④2層：褐黃色，中密～密實(shí)，濕，壓縮模量平均值=14.0MPa，=15.8MPa，含云母、氧化鐵，局部夾粉質(zhì)粘土或細(xì)砂薄層；粉砂～細(xì)砂④3層：褐黃色，中密～密實(shí)，濕～飽和，主要成分為石英、長(zhǎng)石、云母；卵石⑤層：雜色，密實(shí)，濕～飽和，重型動(dòng)力觸探數(shù)平均值為92，亞圓形，級(jí)配連續(xù)，磨圓度中等，一般粒徑2~6cm，最大粒徑大于15cm，中粗砂充填約35％，局部夾有粉質(zhì)粘土；細(xì)砂～中砂⑤2層：褐黃色，中密～密實(shí)，濕～飽和，主要成分為石英、長(zhǎng)石、云母，含氧化鐵、少量圓礫；粉質(zhì)粘土⑤4層：褐黃色，很濕，可塑，壓縮模量平均值=12.0MPa，=13.0MPa，含云母、氧化鐵,少量姜石，局部夾粉細(xì)砂、粉土或粘土薄層；粉質(zhì)粘土⑥層：褐黃色，很濕，可塑，壓縮模量平均值=11.30MPa，=12.41MPa，含云母、氧化鐵,少量姜石，局部夾粉細(xì)砂、粉土或粘土薄層；卵石⑦層：雜色，密實(shí)，飽和，重型動(dòng)力觸探數(shù)平均值為124，亞圓形，級(jí)配連續(xù)，磨圓度中等，一般粒徑4~8cm，最大粒徑大于15cm，中粗砂充填約35～40％；細(xì)砂～中砂⑦2層：褐黃色，密實(shí)，飽和，主要成分為云母、石英、長(zhǎng)石，含少量圓礫及卵石土薄層；粉質(zhì)粘土⑦4層：褐黃色，很濕，可塑，壓縮模量平均值=13.0MPa，=15.0MPa，含云母、氧化鐵、姜石；卵石⑨層：雜色，密實(shí)，飽和，重型動(dòng)力觸探數(shù)平均值為144，亞圓形為主，一般粒徑4~8cm，最大粒徑大于15cm，細(xì)砂充填約35～40％；細(xì)砂～中砂⑨2層：褐黃色，密實(shí)，飽和，主要成分為云母、石英、長(zhǎng)石，含少量圓礫，局部夾粉質(zhì)粘土薄層。表4-1巖土物理力學(xué)性質(zhì)綜合統(tǒng)計(jì)表地質(zhì)年代與成因巖土名稱天然密度ρ壓縮模量Es（MPa）天然快剪靜側(cè)壓力系數(shù)KO垂直機(jī)床系數(shù)Kc水平機(jī)床系數(shù)Ks分層承載力特征值fak粘聚力c內(nèi)摩擦角φPZ+100PZ+200（g/cm3）（kPa）（kPa）（kPa）(。)(MPa/m)(MPa/m)(kPa)人工堆積層粉土填土（1.65）(8)(8)雜填土1（1.60）(0)(10)卵石填土4（1.65）(0)(12)新近沉積層粉細(xì)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第四紀(jì)沉積層卵石（2.12）（40-50）（0）（45）（0.28）（50）（60）400粉質(zhì)粘土2.0219.421.9（0.40）（30）（35）200粉土2（2.12）21211128.5（0.30）（40）（45）230粉細(xì)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水文地質(zhì)本次詳細(xì)勘察鉆孔最大深度為55m，在勘察深度范圍內(nèi)，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料和現(xiàn)有的勘察資料，本區(qū)間線路主要賦存有三層地下水，其類型分別為上層滯水（一）、潛水（二）和層間潛水（三）。地下水詳細(xì)情況如下：上層滯水（一）：該層地下水本次勘察施工鉆孔未能測(cè)得，根據(jù)本段線路地層情況及往年勘察資料，該層地下水局部地段可能存在，含水層巖性為粉土層③2層及局部填土層，其分布不連續(xù)，透水性較差，主要接受大氣降水、綠化灌溉等垂直補(bǔ)給，以蒸發(fā)、側(cè)向徑流、向下越流補(bǔ)給的方式排泄。潛水（二）：含水層巖性為粉砂～細(xì)砂③3層、圓礫～卵石③6層、粉土④2層，該層地下水分布不連續(xù)，在本次勘察范圍內(nèi)未能測(cè)得，主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流方式排泄。層間潛水（三）：含水層巖性為卵石⑤層、卵石⑦層、細(xì)砂～中砂⑦2層、卵石⑨層、細(xì)砂～中砂⑨2層，水位標(biāo)高為16.62～17.36m，水位埋深為20.50～24.90m，觀測(cè)時(shí)間為2012年9月或2013年9月。該含水層由于粉質(zhì)粘土⑥層的存在而表現(xiàn)有一定的承壓性，主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流和人工開采的方式排泄。4.2.3縱斷面工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況從天橋站到永定門外站方向，盾構(gòu)區(qū)間前275m以細(xì)砂、粉質(zhì)粘土為主；中間554m全斷面砂卵石層掘進(jìn)；后809m以卵石、粉質(zhì)粘土為主。 圖4-2盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)概化縱剖面圖4.3改良對(duì)象和添加劑的確定由北京市地鐵號(hào)線三期工程05標(biāo)段盾構(gòu)所穿越地層情況可知，盾構(gòu)所穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、無水砂卵石、富水砂卵石地層，所以改良對(duì)象主要為粉質(zhì)黏土、砂卵石渣土。根據(jù)前面3章的分析，建議采用以下渣土改良方案：在粉質(zhì)黏土地層中，使用泡沫和水進(jìn)行渣土改良；在無水及富水砂卵石地層中，主要以泡沫和膨潤(rùn)土為主，在過重要建筑物、發(fā)生噴涌等關(guān)鍵段時(shí)使用高分子聚合物；在既有卵石又有粉質(zhì)粘土的地層，若粉質(zhì)粘土含量在15~20%以上，可按粉質(zhì)粘土層的改良方式改良，若粉質(zhì)粘土含量在15%以下，可按卵石層的改良方式改良。4.4渣土改良試驗(yàn)內(nèi)容在工程施工前期，可針對(duì)泡沫在盾構(gòu)施工渣土改良的效果進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果選擇渣土改良材料的最佳配比。4.4.1室內(nèi)試驗(yàn)1）直剪試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定盾構(gòu)掘進(jìn)地層中重塑土以及加入改良劑土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力c和內(nèi)摩擦角值）。采用直剪儀，取添加不同配比改良劑的試樣，分別施加不同垂直壓力，再分別對(duì)它們施加水平剪切力進(jìn)行剪切，求得破壞時(shí)的剪應(yīng)力，亦即抗剪強(qiáng)度S。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力P為橫坐標(biāo)，繪制S-P關(guān)系曲線，然后根據(jù)庫侖定律得出土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)——粘聚力c和內(nèi)摩擦角值。2）滲透試驗(yàn)滲透是水在土孔隙中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)土中滲透水呈層流狀態(tài)時(shí)，則滲透速度與水力坡降成正比，當(dāng)水力坡降為1時(shí)的滲透速度成為土的滲透系數(shù)。滲透試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定盾構(gòu)穿越土層的土體在加入泡沫劑改良前后的滲透系數(shù)變化的情況，以此來選擇能夠滿足盾構(gòu)施工要求的渣土。壓縮試驗(yàn)土的壓縮試驗(yàn)采用壓縮儀，根據(jù)壓縮試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可以得到在每一級(jí)荷載作用下土的豎向變形量隨時(shí)間的的變化過程，由此可得到孔隙比e與所施荷載p之間的關(guān)系，繪制e—p曲線，求得p=100~200kPa的壓縮系數(shù)。4.4.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1）坍落度試驗(yàn)通過對(duì)按不同配比加入改良劑的土體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)坍落度試驗(yàn)，比較渣土的和易性。2）觀察土體狀態(tài)除了做坍落度試驗(yàn)之外，還可觀察不同配比下渣土的狀態(tài)，理想狀態(tài)應(yīng)為渣土流動(dòng)性好，呈塑性狀態(tài)，渣土上有明顯的水的光澤，用手抓渣土?xí)r，能比較輕松的抓取；螺旋輸送機(jī)出渣連續(xù)且在皮帶機(jī)上鋪展良好，沒有產(chǎn)生泥餅及球狀渣土；在渣土中，能明顯的聞到渣土中有泡沫劑味。4.4.3試驗(yàn)方案1）粉質(zhì)黏土層根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，泡沫的體積濃度一般為3%~4%，分別按3%、5%、7%不同的外參比加入泡沫，按外參比8%、10%、12%加入水，取9組試樣，分別做坍落度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄表格如下：表4-2粉質(zhì)粘土層渣土改良試驗(yàn)表格粉質(zhì)粘土層列行泡沫水塌落度試驗(yàn)直剪試驗(yàn)壓縮試驗(yàn)滲透試驗(yàn)外參外參塌落度黏聚力內(nèi)摩察角壓縮系數(shù)滲透系數(shù)13%8%23%10%33%12%45%12%55%8%65%10%77%10%87%12%97%8%砂卵石地層根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在無水砂卵石層泡沫的體積濃度一般為2%~3%，在富水砂卵石層泡沫的體積濃度取3%~4%，膨潤(rùn)土配置質(zhì)量比：1:7。分別按2%、4%、6%不同的外參比加入泡沫，按外參比6%、8%、10%加入膨潤(rùn)土，取9組試樣，分別做坍落度試驗(yàn)、大型直剪試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄表格如下：表4-3砂卵石層渣土改良試驗(yàn)表格卵石層列行泡沫膨潤(rùn)土塌落度試驗(yàn)大型直剪試驗(yàn)滲透試驗(yàn)外參外參塌落度黏聚力內(nèi)摩察角滲透系數(shù)12%6%22%8%32%10%44%10%54%6%64%8%76%8%86%10%96%6%4.5本標(biāo)段渣土改良總結(jié)1）在粉質(zhì)黏土地層中，使用泡沫和水進(jìn)行渣土改良，泡沫配置濃度可取3%~4%；2）在無水及富水砂卵石地層中，主要以泡沫和膨潤(rùn)土為主，無水砂卵石中泡沫配置濃度可取2%~3%，富水砂卵石中