工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1617-1623   (2333 KB)    
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  • 收稿日期:2017-05-17
  • 收到修改稿日期:2017-07-30
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    孟祥连
    赵晓彦
    范智浩
    张士强
    齐磊
    昆明泥炭质土地铁盾构等代层压缩模量试验研究
    孟祥连, 赵晓彦, 范智浩, 张士强, 齐磊    
    ① 中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043;
    ② 西南交通大学地球科学与环境工程学院 成都 610031;
    ③ 中国铁建十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司 北京 101100;
    ④ 西藏大学工学院 拉萨 850000
    摘要:在城市地铁盾构施工过程中,地表沉降是重要的工程问题之一,不但影响地铁隧道的安全建设,更直接关系到周边紧临建筑物的正常运营。等代层压缩模量是控制地表沉降的关键参数,特别是软弱土层中的地铁盾构。等代层注浆材料与土体的混合比例关系、注浆后的养护时间是直接影响其压缩模量的重要因素。本文依托昆明地铁3号线石咀段泥炭质土层盾构工程,进行注浆材料与泥炭质土的不同比例关系及不同养护时间条件下的压缩模量试验研究。探索泥炭质土层中盾构等代层中浆体与土体的合理比例关系,并提出注浆后何时能达到预期的等代层压缩模量,为泥炭质土地区地铁盾构施工提供参考。
    关键词泥炭质土    地铁盾构    等代层    压缩模量    
    EXPERIMENTAL STUDY ON COMPRESSIVE MODULUS OF METRO SHIELD GENERATION ZONE IN KUNMING CUMULOSOLS
    MENG Xianglian, ZHAO Xiaoyan, FAN Zhihao, ZHANG Shiqiang, QI Lei    
    ① China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi'an 710043;
    ② Faculty of Geoscience and Environmental Engineering at Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031;
    ③ Beijing Rail Transport Engineering Construction Co., Ltd. of China Railway 16 th Bureau Group Co., Ltd., Beijing 101100;
    ④ Tibet University Institute of Technology, Lhasa 850000
    Abstract: In the construction process of city metro shield, the ground surface subsidence is one of the most important engineering problems, which not only affects the safety of the subway tunnel construction, but also directly relates to the normal operation of the surrounding buildings. The compressive modulus of generation zone is one of the key shield parameters that control the ground surface subsidence, especially to the shield tunneling in soft soil zone. The mixing proportion of the generation zone grouting material and the soil, and the waiting time after grouting are the important factors that affect the compressive modulus. This paper is based on the cumulosol shield tunneling project of Kunming Metro Line 3 Shiju section, with a compressive modulus test of mixtures which have different proportions of grouting materials and cumulosol and different curing times. The reasonable proportion relationship between the shield generation zone paste in the cumulosol zone and the soil are explored. The time to get expected compressive modulus of generation zone after grouting is put forward, which can provide reference for the shield tunneling construction in the cumulosol area.
    Key words: Cumulosol    Metro shield    Generation zone    Compressive modulu    

    0 引言

    滇池盆地第四纪沉积深厚,软弱土体尤其是泥炭质黏土分布广泛,此类土体力学性质较差,压缩性高,给昆明市的经济建设带来了许多问题,如地铁盾构施工中的地层损失及地表变形问题。国内外学者以往对泥炭质土及有机质含量更高的泥炭进行了较深入系统的研究。Baird et al.(2000)认为土中泥炭的孔隙结构对其导水性起控制性作用,对溶质的运移也有很大的影响。Link et al.(1998)通过试验研究了影响泥炭压缩性的因素及其影响程度。斯克雷尼科娃(1985)对莫斯科泥炭质土做了大量室内试验和室外调研,研究了该类土的化学组分和物理化学特征。我国学者熊恩来等(2006)曾多次选取七甸及滇池的泥炭质土进行研究,分析其成因及力学特性。阮永芬等(2003)结合工程实例研究了昆明泥炭质土的工程力学性质及其对建筑地基稳定性及变形性质的影响。李琳等(2012)采用正交试验方法对滇池泥炭质土进行土体改良,得到了试验条件下的固化剂最佳配比。王丹微等(2006)研究发现滇池盆地泥炭质土的有机质分解度较高,并认为分解度对泥炭质土的物理力学性质有较大影响。以上研究多集中于土体本身成因及物理力学性质,对其注浆后作为地铁盾构等代层力学性质方面的研究较少。

    目前的城市地铁施工中,盾构法应用广泛。盾构施工过程中,在衬砌管片与隧道洞壁围岩间会形成环形柱状空隙,使围岩土体暂时处于无支护状态,该空隙即为盾尾间隙。为了最大限度地减少地层损失及由此引起的地表沉降,地铁盾构实践中多采用同步注浆方法充填该空隙(赵晓彦等,2017):通过安装在盾构机上的注浆管和管片上的注浆孔将浆液高压注入盾尾空隙,与空隙中的土体混合形成等代层(图 1)。它是在衬砌周围被概化为一均质等厚的过渡圈层。由图 1可知,等代层的压缩性直接影响围岩的变形,继而导致地层损失甚至地表沉降。泥炭质土由于其本身的高压缩性,在该类土层中进行盾构施工时,等代层更是直接决定了作为围岩的周围泥炭质土的变形量,最终显著影响地表沉降量。故研究该等代层的压缩特性,对该类土体中地铁盾构施工有良好的理论意义和实际应用价值。

    图 1 等代层示意图 Fig. 1 Sketch of the generation zone

    本文以昆明地铁3号线石咀段为工程背景进行泥炭质土地铁盾构等代层压缩特性的研究,主要研究其压缩模量与注浆材料掺量及注浆后等待时间的关系。该依托工程自西向东依此穿越西山区、五华区和盘龙区(图 2),穿越区均有泥炭质土分布。本研究通过实地取样(取样平面位置如图 2),进行不同浆料配比和静置养护时间条件下的试样压缩试验,探索等代层压缩模量的变化规律,以期提出合理的注浆参数。

    图 2 昆明地铁三号线展布图 Fig. 2 Plan of Kunming Metro Line 3

    1 研究区泥炭质土的基本性质

    本文以石咀车辆段泥炭质土为对象进行研究,该车辆段位于春雨路以东,石咀米轨车站以南,成昆铁路以西的石咀村旁普坪村南侧,原昆明市水泥厂区附近。地质构造上,该段位于昆明断陷湖积盆地西缘,地势自南向北、自西向东缓慢下降,为古湖滨与山前冲洪积扇交错沉积环境,总体地势平坦,为滇池沉积区典型的泥炭质土形成环境(王丹微等,2006)。由于车辆段面积较大,勘探孔布置范围较大,该处也是昆明地铁泥炭质土揭露较系统、完整的区段。钻探查明,该车辆段泥炭质土分布于标高1869m至1872m,地铁隧道中上部穿越该泥炭质土层(图 3)。该处泥炭质土由于处于隧道中上部,易于形成地层损失,故在该处取样,对于面向地表沉降的研究具有良好的代表性。

    图 3 取样点位置图 Fig. 3 A profile of the stratum and the sampling location

    取样点埋深18.8m,该泥炭质土层厚2.8m,取样点纵剖面位置图(图 3)。该层泥炭质土在场地内呈带状及透镜体状分布,多呈软塑,局部呈流塑状,地铁隧道拱顶位于该泥炭质土层(图 3)。通过室内试验,泥炭质土样的物理力学指标(表 1)。

    表 1 研究区泥炭质土物理力学指标 Table 1 Physical-mechanical index of the studied cumulosol

    泥炭质土的压缩模量会受含水量的影响。盾构施工过程难免会对土体造成扰动,使得其含水量产生变化,经开挖过程取样试验,含水量变化一般不超过±3%。为了全面了解土体的压缩性,本文在天然含水量45%的基础上,取变化梯度为3%,分别测含水量为42%和48%时扰动样的压缩模量Es1-2。采用取自上述取样位置的泥炭质土进行扰动样的制作,试样制备中控制扰动样的干密度与原状样天然干密度一致,即1.2g ·cm-3,在此基础上,按照含水量不同,控制扰动样的密度。经计算,含水量为42%和48%的试样密度分别为1.70g ·cm-3和1.77g ·cm-3,以此为标准进行扰动样的制作(试验方法及操作流程严格按照《土工试验方法标准》GB/T50123-1999和《岩土工程勘察规范》GB50021-2001)。实测ε-p曲线(图 4),由图可知,含水量为42%和48%时的压缩模量Es1-2>分别为2.43MPa和2.03MPa。可见,在含水量42%到48%变化范围内,土体均为高压缩性土。可见,在盾构施工过程中需要对土体进行必要的注浆加固措施,以减小高压缩性土体受扰动造成的地表沉降(赵晓彦等,2017)。

    图 4 不同含水量泥炭质土的应力-应变曲线 Fig. 4 Stress-strain relation of virious cumulosol moisture content

    2 等代层压缩模量试验研究

    在盾构开挖的过程中,会对隧洞周围的土体产生不可避免的扰动,造成地层土体损失,从而引起地表沉降(郑刚等,2016)。因此在实际盾构开挖过程中,常采用补偿注浆的方式来弥补土体损失,减小地表沉降量。但在盾尾间隙高压注浆充填的过程中,隧道洞壁的土体难免会扰动掉落,力学性质较差的泥炭质土尤其如此,从而与注浆材料混合构成等代层的填充材料。进入盾尾间隙的土体含量的多少,会影响等代层压缩模量的大小。为此,本文分别进行净浆材料、不同比例泥炭质土与净浆材料混合体的压缩试验。

    2.1 净浆材料压缩试验

    如前所述,等代层主要由浆体和混入的泥炭质土构成。为了研究等代层的压缩性,首先研究净浆的压缩模量。本文研究石咀段施工实际注浆材料压缩模量Es1-2>随静置养护时间t的变化特征。目的在于:(1)获得净浆材料的稳定压缩模量。(2)达到稳定压缩模量所需的养护时间,为后续浆材与泥炭质土混合体养护时间的选取提供依据。为此,设置了6组不同养护时间的试验,养护时间分别为6h、12h、18h、24h、30h、36h,各养护时间下进行3个试样的压缩试验,当3次试验平行误差小于5%时,取其平均值作为试验结果,若误差大于5%,则重新进行该组试验。浆液材料及配合比配(表 2)。试验为30cm2(底面积)×2cm(高)的标准环刀样。每组样品静置养护达到预定时间后,测定其压缩模量。

    表 2 浆液配合比 Table 2 The material proportion of synchronous grouting

    试验得出净浆材料压缩模量随养护时间的变化曲线(图 5)。

    图 5 净浆材料压缩模量随养护时间的变化 Fig. 5 Variety of the compressive modulus of the pure grouting with different nursing duration

    图 5可知,随着静置养护时间t增加,净浆材料压缩模量Es1-2持续提高。试验过程中观察发现,浆液在静置养护时间达到4~6h方具有一定的抗压强度,可通过试验测出其压缩模量。净浆材料静置养护30h之前,其压缩模量随养护时间增加而明显提高,自6h的6.77MPa提高到9.23MPa,24h提高了36.3%,平均超过9%/6h;30h之后,提高不再明显,养护时间自30h增至36h,压缩模量Es1-2自9.23MPa提高至9.39MPa,仅提高0.16MPa,不足2%/6h。故认为静置养护30h后Es1-2达到稳定值,亦即净浆达到较稳定的压缩模量需要30h。基于此,本文进行后续泥炭质土与净浆混合材料(即等代层)的压缩性试验时,采用的最大静置养护时间为30h。

    2.2 泥炭质土和净浆材料混合体压缩模量

    记掺入比i为泥炭质土和净浆材料混合体中,土体所占的体积比。试样制作中,很难准确计量各组分的体积,故用掺入的土体质量控制掺入比。计掺入质量m为在掺入比i时,单个标准环刀样中所需掺入土的质量,并由式(1)计算确定,控制标准为掺入土体的干密度等于其天然干密度。

    $m = {\rho _d}vi\left( {1 + \omega } \right)$ (1)

    其中,m为掺入量(g);ρd为土的天然干密度(g ·cm-3);v为试验体积(cm3);i为掺入比(%);ω为土的天然含水率(%)。

    试验以5%为变化梯度,共进行i分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%的6组等代层压缩模量试验。由式(1)计算的不同掺入比i所对应掺入量m表 3

    表 3 不同试样的土体掺入质量 Table 3 Added masses of the soil in samples with different volume ratio

    与前述净浆压缩模量试验相同,试样为30cm2(底面积)×2cm(高)的标准环刀试样,每组包括3个平行试样,分别计为A、B、C。在实际施工中,常采用高压旋喷注浆法,等代层孔隙较少,因此,将浆料填入环刀中时,应少量、逐层的压入浆料,尽可能的减少样品孔隙率,降低试验误差。制样标准和制样方法仍按照《土工试验方法标准》GB/T 50123-1999和《岩土工程勘察规范》GB50021-2001进行。试验中的净浆养护时间t分别设置在6~30h,仍以6h为变化梯度,分别为6h、12h、18h、24h和30h。将上述制备完成后的6组标准环刀样,在室内条件下(温度11℃,相对湿度77%)分别静置养护6h、12h、18h、24h及30h,然后进行压缩试验。

    试验结果如图 6图 7所示。图 6是静置养护时间为18h条件下,等代层压缩模量随掺入比的变化(其余养护时间条件下的压缩模量变化规律与此相同,文中仅以18h养护时间的试验结果进行说明)。由该图可知,养护时间一定时,随着掺入比i的增加,压缩模量Es1-2逐渐减小。i从0~5%这一变化过程中,压缩模量Es1-2值下降最快,3组平行试验的压缩模量平均值自7.7MPa下降到6.55MPa,下降15%,有较为明显的初始影响效应,可见不应忽视早期少量泥炭质土混入对等代层压缩性的影响;i从5%到20%这一变化过程中,泥炭质土的掺入比对等代层的压缩性影响不太显著,平均值自6.55MPa下降到5.09MPa,即i每增大5%,压缩模量Es1-2仅下降7%左右;i从20%增大至25%,等代层压缩模量Es1-2自5.09MPa下降至4.19MPa,下降比例高达17%,可见该阶段泥炭质土的掺入比对等代层的压缩模量影响显著;之后,等代层压缩模量趋于平稳,可能是因为此时的压缩性主要由泥炭质土决定,注浆体的改良效果已不明显。由此可见,欲得到显著的改良效果,获得良好的压缩模量,泥炭质土的掺入比应小于20%,即注浆体应占盾尾孔隙总体的比例不小于80%。图 6中的3组平行试验结果曲线几乎完全平行,可见3组试验结果反映的压缩模量与泥炭质土掺入比的关系规律是一致的,这说明上述结果分析是正确可信的。

    图 6 养护18h下压缩模量随掺入比的变化 Fig. 6 Compressive modulus varies with the mixing ratio under 18 hours' maintenance condition

    图 7 各掺入比下压缩模量随养护时间的变化趋势 Fig. 7 Trend of compressive modulus varies with time under different mixing ratio

    图 7为不同掺入比条件下,压缩模量Es1-2随静置养护时间的变化曲线。具体数据如表 4。由图 7可知,等代层压缩模量Es1-2随着静置养护时间的持续而增大。当静置养护时间到达24h后,压缩模量Es1-2达到稳定,不再有显著变化,可将混合后浆料的最大静置养护时间视为24h。掺入比为25%和30%的两条曲线基本重合,趋于稳定,可知此时继续提高掺入比对等代层压缩模量的改变已无明显影响。

    表 4 各种试验条件组合下的混合体压缩模量 Table 4 Mixture's compression modulus of various experimental conditions

    3 结论

    (1) 研究区泥炭质土压缩模量仅2.20MPa左右,为减小地层损失和地表沉降,有必要在盾尾孔隙注浆,形成合理等代层。

    (2) 等代层压缩模量随着泥炭质土的掺入比增加而逐渐减小,当掺入比超过20%时压缩性主要由泥炭质土决定,为此,泥炭质土的掺入体积比应小于20%,亦即浆体注入体积量占盾尾孔隙体积的比例不小于80%。在掺入比从0变化至5%这一过程中,压缩模量下降速率最大,隧道周围岩土体有较为明显的初始受扰动效果,可见在注浆加固初期,对隧道洞室的稳定性影响最大。

    (3) 等代层压缩模量Es1-2随静置养护时间持续而增大,为达到稳定的等代层压缩模量值。养护时间不应小于24h。工程实践中,应重点观测盾构施工完成24h内的地表沉降观测,即施工后的危险期为24h。一般情况下,可认为24h地表沉降达到稳定。

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