第一章課題來源、研究內容、研究目標及技術路線第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北京地鐵八號線三期05標渣土改良4.1工程概況天橋站～永定門外站區間為八號線三期工程中一段區間，根據線路布置情況，區間平面自天橋站后南行，下穿永定門街心公園，側穿先農壇體育場，從永定門及永定門橋西側繞避通過，下穿南護城河、京津城際框構橋、14號線永定門外站后進入永定門外大街的永定門外站。區間起訖里程K33+381.448~K35+016.918，全長1635.47m；區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，區間隧道頂板覆土厚度約10.422~27.32m，隧道底板標高在6.888m~25.007m。圖4-1天～永區間平面全景圖4.2工程地質和水文地質概況4.2.1工程地質根據北京地鐵8號線三期工程勘察01合同段天橋站～永定門外站區間（路西方案）巖土工程詳細勘察報告（勘察編號：K1207-042詳-05（2），證書編號：010083-kj），本合同段擬建線路在地質構造單元上處于豐臺凹陷，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地上，第四紀覆蓋層厚度60～90m。擬建天橋站～永定門外站區間場地地形基本平坦，地面高程約35.36～42.10m。根據野外勘探結果和土工試驗成果，依據國家相關規范對本次所勘探地層進行劃分，本次勘探最大孔深55m深度范圍內所揭露地層，按成因年代分為人工堆積層、一般第四紀沉積層兩大層，按地層巖性進一步分為7個亞層。各層土的地層巖性及其特點自上而下依次為：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；人工堆積層連續分布，厚度為1.0～7.2m，層底標高為31.76～39.78m。2）一般第四紀沉積層：粉質粘土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、局部夾粉土或細砂薄層；粉土③2層：褐黃色，中密～密實，濕，壓縮模量平均值=9.55MPa，=10.81MPa，含云母、氧化鐵，局部夾粉質粘土或細砂薄層；粉砂～細砂③3層：褐黃色，中密～密實，濕～飽和，標貫擊數平均值為27，主要成分為石英、長石、云母，局部夾粉質粘土、粉土薄層；圓礫～卵石③6層：雜色，中密～密實，濕～飽和，亞圓形為主，一般粒徑1~5cm，最大粒徑大于10cm，細砂充填約30～35％；粉質粘土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，局部夾粉土或細砂薄層；粉土④2層：褐黃色，中密～密實，濕，壓縮模量平均值=14.0MPa，=15.8MPa，含云母、氧化鐵，局部夾粉質粘土或細砂薄層；粉砂～細砂④3層：褐黃色，中密～密實，濕～飽和，主要成分為石英、長石、云母；卵石⑤層：雜色，密實，濕～飽和，重型動力觸探數平均值為92，亞圓形，級配連續，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％，局部夾有粉質粘土；細砂～中砂⑤2層：褐黃色，中密～密實，濕～飽和，主要成分為石英、長石、云母，含氧化鐵、少量圓礫；粉質粘土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，局部夾粉細砂、粉土或粘土薄層；粉質粘土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，局部夾粉細砂、粉土或粘土薄層；卵石⑦層：雜色，密實，飽和，重型動力觸探數平均值為124，亞圓形，級配連續，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％；細砂～中砂⑦2層：褐黃色，密實，飽和，主要成分為云母、石英、長石，含少量圓礫及卵石土薄層；粉質粘土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，飽和，重型動力觸探數平均值為144，亞圓形為主，一般粒徑4~8cm，最大粒徑大于15cm，細砂充填約35～40％；細砂～中砂⑨2層：褐黃色，密實，飽和，主要成分為云母、石英、長石，含少量圓礫，局部夾粉質粘土薄層。表4-1巖土物理力學性質綜合統計表地質年代與成因巖土名稱天然密度ρ壓縮模量Es（MPa）天然快剪靜側壓力系數KO垂直機床系數Kc水平機床系數Ks分層承載力特征值fak粘聚力c內摩擦角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第四紀沉積層卵石（2.12）（40-50）（0）（45）（0.28）（50）（60）400粉質粘土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水文地質本次詳細勘察鉆孔最大深度為55m，在勘察深度范圍內，根據區域水文地質資料和現有的勘察資料，本區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得，根據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，透水性較差，主要接受大氣降水、綠化灌溉等垂直補給，以蒸發、側向徑流、向下越流補給的方式排泄。潛水（二）：含水層巖性為粉砂～細砂③3層、圓礫～卵石③6層、粉土④2層，該層地下水分布不連續，在本次勘察范圍內未能測得，主要接受側向徑流及越流補給，以側向徑流方式排泄。層間潛水（三）：含水層巖性為卵石⑤層、卵石⑦層、細砂～中砂⑦2層、卵石⑨層、細砂～中砂⑨2層，水位標高為16.62～17.36m，水位埋深為20.50～24.90m，觀測時間為2012年9月或2013年9月。該含水層由于粉質粘土⑥層的存在而表現有一定的承壓性，主要接受側向徑流及越流補給，以側向徑流和人工開采的方式排泄。4.2.3縱斷面工程地質和水文地質情況從天橋站到永定門外站方向，盾構區間前275m以細砂、粉質粘土為主；中間554m全斷面砂卵石層掘進；后809m以卵石、粉質粘土為主。 圖4-2盾構區間地質概化縱剖面圖4.3改良對象和添加劑的確定由北京市地鐵號線三期工程05標段盾構所穿越地層情況可知，盾構所穿越地層主要為粉質黏土、無水砂卵石、富水砂卵石地層，所以改良對象主要為粉質黏土、砂卵石渣土。根據前面3章的分析，建議采用以下渣土改良方案：在粉質黏土地層中，使用泡沫和水進行渣土改良；在無水及富水砂卵石地層中，主要以泡沫和膨潤土為主，在過重要建筑物、發生噴涌等關鍵段時使用高分子聚合物；在既有卵石又有粉質粘土的地層，若粉質粘土含量在15~20%以上，可按粉質粘土層的改良方式改良，若粉質粘土含量在15%以下，可按卵石層的改良方式改良。4.4渣土改良試驗內容在工程施工前期，可針對泡沫在盾構施工渣土改良的效果進行室內試驗和現場試驗，通過試驗結果選擇渣土改良材料的最佳配比。4.4.1室內試驗1）直剪試驗直接剪切試驗目的是測定盾構掘進地層中重塑土以及加入改良劑土體的抗剪強度參數（粘聚力c和內摩擦角值）。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，再分別對它們施加水平剪切力進行剪切，求得破壞時的剪應力，亦即抗剪強度S。以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力P為橫坐標，繪制S-P關系曲線，然后根據庫侖定律得出土的抗剪強度參數——粘聚力c和內摩擦角值。2）滲透試驗滲透是水在土孔隙中運動的現象。當土中滲透水呈層流狀態時，則滲透速度與水力坡降成正比，當水力坡降為1時的滲透速度成為土的滲透系數。滲透試驗目的是測定盾構穿越土層的土體在加入泡沫劑改良前后的滲透系數變化的情況，以此來選擇能夠滿足盾構施工要求的渣土。壓縮試驗土的壓縮試驗采用壓縮儀，根據壓縮試驗的數據，可以得到在每一級荷載作用下土的豎向變形量隨時間的的變化過程，由此可得到孔隙比e與所施荷載p之間的關系，繪制e—p曲線，求得p=100~200kPa的壓縮系數。4.4.2現場試驗1）坍落度試驗通過對按不同配比加入改良劑的土體進行現場坍落度試驗，比較渣土的和易性。2）觀察土體狀態除了做坍落度試驗之外，還可觀察不同配比下渣土的狀態，理想狀態應為渣土流動性好，呈塑性狀態，渣土上有明顯的水的光澤，用手抓渣土時，能比較輕松的抓取；螺旋輸送機出渣連續且在皮帶機上鋪展良好，沒有產生泥餅及球狀渣土；在渣土中，能明顯的聞到渣土中有泡沫劑味。4.4.3試驗方案1）粉質黏土層根據經驗，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、直剪試驗、壓縮試驗及滲透試驗，數據記錄表格如下：表4-2粉質粘土層渣土改良試驗表格粉質粘土層列行泡沫水塌落度試驗直剪試驗壓縮試驗滲透試驗外參外參塌落度黏聚力內摩察角壓縮系數滲透系數13%8%23%10%33%12%45%12%55%8%65%10%77%10%87%12%97%8%砂卵石地層根據經驗，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%，膨潤土配置質量比：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%加入膨潤土，取9組試樣，分別做坍落度試驗、大型直剪試驗及滲透試驗，數據記錄表格如下：表4-3砂卵石層渣土改良試驗表格卵石層列行泡沫膨潤土塌落度試驗大型直剪試驗滲透試驗外參外參塌落度黏聚力內摩察角滲透系數12%6%22%8%32%10%44%10%54%6%64%8%76%8%86%10%96%6%4.5本標段渣土改良總結1）在粉質黏土地層中，使用泡沫和水進行渣土改良，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