长距离富水砂层盾构掘进渣土改良技术

长距离富水砂层盾构掘进渣土改良技术

邹晓艳

邹晓艳中铁隧道集团三处有限公司518052

[摘要]盾构法施工如今在城市地铁隧道修建中应用已十分广泛，但由于砂层等特殊地层对刀具磨损大而引起的刀盘结“泥饼”，盾构掘进困难、工期延长以及费用增加等问题已越来越明显，特殊地质条件下盾构掘进时的渣土改良已显得尤为重要。本文就南昌地铁某区间全断面砂层的特殊地质条件下盾构掘进时的渣土改良进行了同条件实验并总结，现场后期运用过程中效果明显，达到了预期的效果。

[关键词]盾构法富水砂层渣土改良掘进施工

引言

土压平衡盾构在长距离富水砂层中掘进时，由于砂层内摩擦角大，摩阻力大，流动性小，容易造成刀盘及螺旋机扭矩大，易结“泥饼”，掘进困难等一系列掘进难题，因此在富水砂层中掘进对渣土改良效果要求极高，只有渣土改良效果理想，才能有效解决刀盘扭矩高，“泥饼”等施工难题。

渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向刀盘面，土仓内或螺旋输送机内注入水、泡沫、膨润土或高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅拌，土仓内搅拌装置或螺旋输送机搅拌使添加剂与渣土混合，使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，可以有效减少刀盘扭矩，减少刀具的磨损情况，提高掘进效率。

1、地质情况

某区间场地范围内土体自上而下依次为①1杂填土、③1粉质粘土、③3中砂、③4-j粉质粘土、⑧5-j圆砾、③5砾砂、⑤3-1强风化粉砂质泥岩、⑤3-2中风化粉砂质泥岩、⑤3-3微风化粉砂质泥岩，拟建工程场地地下水按地下水类型可分为孔隙性潜水、孔隙微承压水、红色碎屑岩类裂隙孔隙水三种类型。区间隧道主要穿越的地层是砾砂、圆砾层，局部含有中砂及粗砂。隧道范围内各岩层物理特性如下表所示：

2、盾构机适应性分析长距离富水砂层盾构掘进的关键是碴土改良。设备需具备性能良好能力足够的碴土改良系统，主要是膨润土注入系统和泡沫注入系统，以及正确的注入方式。同时，地面需配置容量足够的膨润土膨化设施以及输送到盾构主机的输送系统，由于圆砾砂层为砂性碴土，即使对切削的碴土进行充分改良，砂性摩擦力仍较大，刀盘应具备足够的驱动扭矩能力。螺旋机采用轴式叶片，以利形成土塞。螺旋机出料口配置两道闸门形成阻力段有助于防止喷涌。

本区间砂层渗透率大，同步砂浆渗透率大，注浆填充率几乎能达到200%，凝固时间也要合适，否则影响填充率。如果填充不好，会导致地面后期沉降超标。盾构设备的同步注浆系统的压力流量检测设计应性能良好工作可靠。

圆砾砂层收敛围裹盾体，由于砂层的摩擦阻力大，盾体的推阻力很大导致发生卡盾。盾构应配置盾壳外膨润土润滑注入系统，可有效降低盾壳摩擦阻力。本盾构机前盾中盾共设计有12个壳外膨润土注入口，采用气动球阀循环注入控制，保证每个注入口都能输出等量的润滑膨润土，可减少砂层掘进的卡盾阻力。根据同类地层施工统计数据，采用盾壳外膨润土注入系统后，一般可降低推阻力600t左右，最大可降低1000t。

为满足长距离掘进的需求，刀盘配置了四种切削刀具：焊接撕裂刀、切刀和刮刀、保径刀、扩挖刀。其中，撕裂刀用于松动开挖面，减低切刀和刮刀的荷载。切刀和刮刀除了起主切削作用外，还起帮助进碴作用。

保径刀可长久保持开挖直径。切刀为双层耐磨设计，配有双层碳钨合金刀齿以提高刀具的额耐磨性，在第一排刀齿磨损后，第二排刀齿可以代替第一排刀齿继续发挥作用。同时在刀具的背部设双排碳合金齿。切刀在刀盘的安装采用背装式，可以从开挖仓内拆卸和更换。

3、初步试验配比确定为确保渣土改良效果，施工时选用质量较好的钠基膨润土，施工前项目部进行了同条件下的渣土改良配合比实验，以确定不同配比时渣土改良的效果。现场同等条件下做了以下四种不同配合比的膨润土浆液与原状土的混合实验：粘度30〞，钠基膨润土：工业碱：水＝1:0.001:11，与原状土的掺比为1:10和1:5；粘度40〞，钠基膨润土：工业碱：水＝1:0.001:10，与原状土的掺比为1:10和1:5，通过现场同条件试验，膨润土粘度40〞时比粘度为30〞时土体流塑性好，掺比为1:5时比1:10时土体流塑性好，不同配合比下的实验结果如下表所示：*现场同条件试验情况

4、实际工程中应用及效果

根据每环膨润土用量及每天最大掘进环数，在地面修建膨润土拌合基地，膨润土拌制后要经过充分膨化后方可使用。根据掘进环数确定每天膨润土使用量为120m3，在地面选取合适的场地修建容量共为120m?的膨化池四个（每个30m3），拌浆池两个，放浆池一个，以便满足盾构施工需要。

膨化时，利用反循环泥浆泵使泥浆循环，并通过移动泥浆泵的位置来确保泥浆不沉淀。膨化24小时后，利用反循环泥浆泵将泥浆抽至放浆池中，再通过管道输送至浆车运送至隧道内，然后用泥浆泵抽至加泥箱进行使用。

为保证施工质量，对原材料进场进行了严格的把关，并且在膨润土放浆前，由试验室对泥浆的性能进行测试，不符合指标的泥浆需经处理达到指标后方可使用。

为保证盾构在长距离富水砂层中掘进时土体的流塑性，减少刀盘扭矩及刀具磨损，根据现场渣土改良同条件试验所确定的配比，实际施工过程中在同地质条件下选用膨润土浆液粘度为40″，掺入比为1:5。某区间500~600环隧道范围内土体主要为圆砾层，其中500~540环局部含有砾砂层，地下水位位于隧道顶板以上，施工过程中根据水位情况及实际掘进参数，辅以砂性泡沫剂对土体进行改良。根据现场实际掘进情况可知，各项施工参数良好，盾构掘进平稳，刀具磨损控制在合理范围内，渣土改良效果明显，确保了盾构在长距离富水砂层不良地质条件下能平稳快速掘进。

施工参数与渣土改良液关系图

4、渣土改良效果总结

本区间使用的渣土改良材料主要为膨润土和泡沫剂，改良原理是通过加注膨润土和泡沫剂，增加砂土中的微细粒成份，减小砂土的内摩擦角，从而改善渣土的流动性，润滑刀具，降低刀盘温度的作用。

通过对本区间全断面砂层实际掘进情况进行分析及掘进参数的总结，需严格控制以下几点：

注：膨润土流量扩大500倍，泡沫剂流量扩大10倍，推进速度扩大100倍（1）膨润土采用质量较好的钠基膨润土，泡沫剂选用适合砂层的砂性泡沫剂。

（2）膨润土改良液拌制时粘度控制在40″，膨化时间22小时以上，泡沫原液比2.5%~3%，泡沫混合液流量为250~400L/min。

（3）无水状态砂层膨润土注入率15%~20%，即掘进时每环膨润土浆液注入量为6m?~8m?/环，渣土改良时以注入膨润土为主，辅以少量泡沫剂。

（3）有水状态砂层膨润土注入率10%~15%，即掘进时每环膨润土浆液注入量为4m?~6m?/环，同时适当提高膨润土浆液粘度，控制在50″。

（4）圆砾层掘进时，以膨润土与泡沫剂为主要改良材料进行渣土改良，主要以刀盘扭矩和渣土的流塑性对改良材料的注入量及配比进行适当调整。

通过盾构施工前现场同等条件渣土改良配合比实验以及掘进过程中配合比优化，盾构推进时，渣土流塑性好，形成的“土塞”效应好，刀盘扭矩及螺旋机扭矩在合理范围内，盾构掘进出现过单月突破500m的高产态势。

参考文献[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M]，北京：建筑工业出版社，2004.[2]唐益群等.土压平衡式盾构在砂性土中施工问题的实验研究[J]，岩石力学与工程学，2005.[3]崔学奇，吕宪俊，周国华.膨润土的性能及其应用[J]，中国非金属矿工业导刊，2000.[4]郭涛.盾构用发泡剂性能方法评价及研究[D]，河海大学硕士论文，2005