黏土地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230273

摘要/Abstract

摘要：

在黏土地层中掘进时，盾构会遇到刀盘“结泥饼”、土仓积土、排土不畅等问题.为此，依托沈阳地铁六号线文储路站—观音路站区间盾构项目，基于泡沫发泡倍率及半衰期试验、分散剂沉降试验、旋转剪切试验、流动度试验、搅拌试验进行渣土改良，并使用扫描电镜、Zeta电位及双电层理论对分散剂改良黏土的机理进行了分析. 研究表明：当泡沫剂体积分数为4%、六偏磷酸钠质量分数为2%时，改良剂性能较好；在含水率为30%的土体中，分散剂注入比为10%、泡沫注入比为30%~60%时，改良效果较好；扫描电镜及Zeta电位试验显示，质量分数为2%的六偏磷酸钠溶液能增加黏土双电层厚度，起分散黏土的作用.

关键词: 土压平衡盾构, 渣土改良, 双电层理论, 黏土地层, 评价指标

Abstract:

When tunneling in clay stratum， the shield may encounter some problems such as “mud cake” on the cutterhead， soil accumulation in the chamber， and poor soil discharge. Therefore， based on the shield project between Wenchu Road Station and Guanyin Road Station of Shenyang Metro Line 6， muck improvement was carried out based on foaming ratio and half-life test， dispersant settlement test， rotating shear test， mobility test and stirring test. Finally， scanning electron microscopy， Zeta potential and double electric layer theory were used to analyze the mechanism of clay improvement by dispersant. The results show that the performance of the modifier is better when the volume fraction of foam agent is 4% and the sodium hexametaphosphate mass fraction is 2%. The improvement effect is better when the moisture content of soil layer is 30%， the dispersant injection ratio is 10% and the foam injection ratio is 30%~60%. Scanning electron microscopy and Zeta potential tests showed that 2% sodium hexametaphosphate solution can increase the thickness of the clay double electric layer and disperse the clay.

Key words: earth pressure balance（EPB） shield, muck improvement, electric double layer theory, clay stratum, evaluation index

中图分类号:

U 45

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图/表 24

图1 黏土样品

Fig.1 Clay sample

图2 XRD试验结果

Fig.2 XRD test results

图3 颗粒粒径级配曲线

Fig.3 Particle size grading curve

表1 土层物理参数

Table 1 Physical parameters of soil layer

参数	试验方法	值
含水率/%	烘干法	25
塑限/%	液塑限联合测定法	23.11
液限/%	液塑限联合测定法	42.3
塑性指数	液塑限联合测定法	19.19
内摩擦角/(°)	直剪试验	12.7
黏聚力/kPa	直剪试验	31.6
压缩模量/MPa	压缩试验	6.84

图4 泡沫性能试验（a）—泡沫发泡倍率试验；（b）—泡沫半衰期试验.

Fig.4 Foam performance test

图5 发泡倍率和半衰期随泡沫剂体积分数变化曲线

Fig.5 Foaming ratio and half-life change curves with the volume fraction of foam agent

图6 分散剂黏土沉降试验图（a）—六偏磷酸钠；（b）—焦磷酸钠；（c）—硅酸钠.

Fig.6 Clay settlement test photo of dispersant

图7 黏土沉降厚度随分散剂溶液质量分数变化曲线

Fig.7 Curves of clay settlement thickness with mass fraction of dispersant solution

图8 渣土改良试验仪器（a）—搅拌试验；（b）—流动度试验；（c）—旋转剪切试验.

Fig.8 Soil conditioning test instrument

表2 改良剂注入比范围 (%)

Table 2 Range of improver injection ratio

序号	改良剂名称	含水率	注入比
1	水	20	0，5，10，15，20，25
2	泡沫	20，25，30	15，30，45，60
3	分散剂	20，25，30	5，10，15，20
4	组合改良剂	30	泡沫：15，30，45，60
4	组合改良剂	30	分散剂：5，10，15，20

图9 含水率为35%~45%黏土的流动度及黏附试验（a）—35%含水率；（b）—40%含水率；（c）—45%含水率.

Fig.9 Test of fluidity and adhesion of clays with a moisturecontent of 35%~45%

图10 水改良土体试验曲线

Fig.10 Water reclamed soil test curves

图11 泡沫改良土体黏附性试验曲线

Fig.11 Adhesion test curves of foam-modified soil

图12 泡沫改良土体流动度试验曲线

Fig.12 Fluidity test curves of foam-modified soil

图13 泡沫改良土体旋转剪切试验曲线

Fig.13 Curves of rotary shear test of foam-modified soil

图14 分散剂改良土体黏附性试验曲线

Fig.14 Adhesion test curves of soil improved by dispersant

图15 分散剂改良土体流动度试验曲线

Fig.15 Fluidity test curves of soil improved by dispersant

图16 分散剂改良土体旋转剪切试验曲线

Fig.16 Curves of rotary shear test of soil improved by dispersant

图17 加入分散剂和泡沫的黏附性试验曲线

Fig.17 Adhesion test curves of soil with dispersant and foam

图18 加入分散剂和泡沫的流动度试验曲线

Fig.18 Fluidity test curves of soil with dispersant and foam

图19 加入分散剂和泡沫的旋转剪切试验曲线

Fig.19 Rotary shear test curves of soil with dispersant and foam

图20 土样微观结构特征（a）（b）—未改良黏土；（c）（d）—分散剂改良黏土.

Fig.20 Microstructure characteristics of soil samples

表3 测定Zeta电位时各成分添加量 (the determination of Zeta potential)

Table 3 Amount of each component added during

六偏磷酸钠溶液添加比/%	加入水质量/g
0	1 000
2	998
4	996
6	994
8	992
10	990

图21 Zeta电位随六偏磷酸钠溶液添加比变化

Fig.21 Zeta potential changes with the addition ratio of sodium hexametaphosphate solution

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