盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進應(yīng)用土體改良的技術(shù)

魏新良

（上海隧道工程股份有限公司，上海200082）

1 成都地鐵1號線盾構(gòu)1標區(qū)間隧道沿線地質(zhì)情況

⑴成都地鐵1號線盾構(gòu)1標區(qū)間隧道（包括紅花堰站-火車北站-人民北路站，全長4755單線延米）盾構(gòu)施工穿越的土層主要為③7和④4卵石土，局部穿越③4粉細砂、②8-3中密卵石土。盾構(gòu)上覆土層主要為①雜填土、②2黏土、②8-3中密卵石土；在盾構(gòu)始發(fā)和到達處附近，將穿越②2層-③7卵石土層。土層特征如表1所列。

⑵盾構(gòu)掘進過程中主要穿越土層物理力學(xué)性質(zhì)如表2所列。

⑶按地下水賦存條件，成都地鐵1號線盾構(gòu)1標區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)為第四系孔隙潛水，第四系孔隙水主要賦存于各個時期沉積的卵石土及砂層中，土體滲透性強、滲透系數(shù)大，地下水水量豐富。根據(jù)實測資料，卵石土綜合含水層滲透系數(shù)K平均為16.32 m/d，為強透水層。

2 砂卵石土體的改良

2.1 土體改良的重要性

成都地鐵1號線施工的8臺盾構(gòu)機（其中7臺土壓平衡盾構(gòu)、1臺泥水平衡盾構(gòu)），由于盾構(gòu)在掘進過程中都存在著超挖的現(xiàn)象，因超挖而產(chǎn)生的地面沉降（塌陷）并未在盾構(gòu)掘進過后直接顯現(xiàn)，而是在盾構(gòu)過后1個月甚至更長一段時間內(nèi)（0.5a,1a），在外部因素的作用下（如道路下方的土體在車輛荷載長期作用下，地表裸露地段在強降雨形成的地表徑流的滲透沖刷下等），才出現(xiàn)地面塌陷的情況，嚴重危害到隧道沿線周邊環(huán)境的安全。分析表明盾構(gòu)超挖的原因主要是土體改良不夠充分，導(dǎo)致泥餅及骨架效應(yīng)的形成，因此，必須采取相應(yīng)的土體改良措施，減少或杜絕超挖，確保隧道沿線地面及周邊環(huán)境的安全。

2.2 土體改良前存在的問題

⑴盾構(gòu)刀盤切削下來的細小顆粒、碎屑在盾構(gòu)土艙內(nèi)和刀盤區(qū)重新聚集而成半固結(jié)或固結(jié)的塊狀體，即形成泥餅。泥餅板塊的厚度直接影響到土艙的裝盛能力，隨著土艙內(nèi)的空間越來越小，進土能力受到制約，進而增加刀盤切削土體時磨損負擔，縮短刀具的使用壽命；同時，粘附于土艙壁上的泥餅也影響到土壓平衡盾構(gòu)機土艙內(nèi)實際土壓力的顯示，盾構(gòu)容易超挖，造成地面沉降甚至塌陷；高強度、硬度的泥餅在固結(jié)過程中，也增加刀盤旋轉(zhuǎn)時的阻力；容易增加刀具（滾刀）的啟動扭矩，也容易造成刀盤被卡住而不能啟動。

⑵在盾構(gòu)掘進通過局部飽和砂卵石土體時，螺旋機出口容易出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，大粒徑的卵石不能被帶出而沉積在土艙內(nèi)，大顆粒卵石堆積產(chǎn)生骨架效應(yīng)，使刀盤的扭矩增大，嚴重時導(dǎo)致刀盤被“卡死”；在土艙內(nèi)螺旋機出口、螺桿上方形成大顆粒骨架拱，使螺旋機的螺桿在旋轉(zhuǎn)時不能承受有效荷載，進而不能將進入土艙內(nèi)的土體沿著螺旋帶出，造成土艙內(nèi)的土壓力逐漸增大（只有進土，沒有出土的情況），最終導(dǎo)致盾構(gòu)機無法向前掘進。

⑶粉細砂地層由于長時間停頓而產(chǎn)生的砂土固結(jié)，形成高強度的細砂板塊，俗稱“鐵板砂”。 盾構(gòu)刀盤上的攪拌棒及開口位置被高強度的“鐵板砂”包裹后，刀盤的啟動扭矩增大，甚至無法啟動。

表1 土層特征表

表2 盾構(gòu)穿越土層物理力學(xué)性質(zhì)一覽表

2.3 土體改良的要求

⑴對刀盤前方的土體需預(yù)先及持續(xù)不斷地改良。

⑵將刀盤切削下來的土體改良成流動性好、能夠及時建立起土艙內(nèi)的土體和刀盤外土體之間的壓力平衡、維持盾構(gòu)掘進過程中盾構(gòu)切口上方的土體穩(wěn)定。

⑶增加土體的流動性，刀盤切削進入土艙內(nèi)的土體能及時排出，減少土艙內(nèi)泥餅的形成；不會形成大顆粒的骨架效應(yīng)及骨架拱效應(yīng)。

3 土體改良技術(shù)

3.1 加泡沫劑

在泡沫劑溶液中注入壓縮空氣，使其與水、氣混合、攪拌而產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫。在成都砂卵石地層中，泡沫劑主要適用于含水量大特別是飽和砂卵石土中，細顆粒砂土能在泡沫的吸附作用下與大顆粒卵石一起形成級配較好、流動性強的改良土體，便于土艙內(nèi)土體的排出及土壓平衡的建立。

3.2 加膨潤土

由于膨潤土具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性，以及良好的自封閉性能，在土粒內(nèi)部和土粒之間形成“濾餅”，可以演變?yōu)榈蜐B透性的薄膜，從而可以將過量的地下水壓力中的液體壓力轉(zhuǎn)化為土顆粒和土顆粒之間的有效應(yīng)力，在土壓平衡式盾構(gòu)掘進過程中及時建立壓力平衡，以穩(wěn)定地層、防止掘進中的地面沉降甚至塌陷。

膨潤土泥漿配方如表3所列。

表3 土體改良用膨潤土泥漿配方表（單位：kg/m3）

在進行刀具更換前，需要將土艙內(nèi)的積土排空，此時，將膨潤土泥漿直接壓入密閉的土艙內(nèi)，在刀盤上的攪拌棒攪拌作用下，增加進入土艙內(nèi)的土體流動性，便于排土。

3.3 加水

（1）加水的作用如下：

a.一定壓力的水與潤滑劑的混合液，通過刀盤前泡沫劑發(fā)生管路注射到土體內(nèi)，將沖刷下來的、流動性好的土體能及時通過開口率較小的刀盤面板進入土艙，減少了扇形刀、方刮刀的磨損；

b.冷卻刀盤面板上的各種刀具，特別是刀具的硬質(zhì)合金部分；

c.水與潤滑劑的混合液具有減摩作用，降低刀盤扭矩，延長刀具使用壽命；

d.加在刀盤前方的水隨土體進入土艙內(nèi)，在刀盤后方攪拌棒的攪拌下，土體流動性加大，有利于順利出土，減少卵石對螺旋機螺桿和葉片的磨損。

⑵采用帶氣加水方式 （利用氣壓提高出水壓力）可增強沖刷作用，使少量的黏性顆粒不能粘附于刀盤、刀具上方，同時切削下來的土體在進入土艙后，由于氣泡的潤滑作用及在氣體的壓力作用下，使土體的流動性加強，且加入水的總量減少。

3.4 密閉土艙內(nèi)加水

密閉土艙內(nèi)加水進行土體改良是對土體進行最直接的改良，加水后土體在攪拌棒的攪動下拌和均勻，增加了流動性，減少泥餅的形成。可在容易形成泥餅的部位（或其附近）設(shè)置加水管路，輔以高壓水對容易形成泥餅部位進行沖刷，防止泥餅的形成或?qū)⒁研纬傻哪囡灈_刷消散。

3.5 不同土質(zhì)宜采用的改良措施

⑴對黏性顆粒含量多的砂卵石土段，宜采用加水方式進行土體改良。當盾構(gòu)掘進速度在4 cm/min時，加水量控制在5～6 m3，每個注入孔的注水壓力一般為0.17～0.2 MPa，用水為不含雜質(zhì)的自來水；也可以進行帶氣加水作業(yè)，出水壓力一般為0.4 MPa左右。

⑵對砂性顆粒含量多的砂卵石土段，宜采用泡沫劑進行刀盤前土體改良，泡沫劑溶液的用量一般控制在3%～5%（相對于混合液中水、氣總量的比例），帶壓氣體的流量為250～300 L/min，發(fā)泡后的泡沫劑總流量（8個孔的劑量總和）為60～80 L/min；也可在盾構(gòu)掘進過程中直接向土艙內(nèi)注入膨潤土泥漿，每環(huán)（1.5 m）注入量為8 m3左右。

⑶對粉細砂地段宜采用加水方式進行土體改良，粉細砂在壓力水的沖刷下及刀盤旋轉(zhuǎn)震動作用下液化成流體狀，流動性大增，能有效地減少刀盤的旋轉(zhuǎn)阻力。也可采用在土艙內(nèi)注入膨潤土泥漿進行土體改良，以增加土艙內(nèi)土體的黏性，進而提高流動性，同時防止土艙內(nèi)“鐵板砂”的形成。

4 土體改良的效果

以紅花堰站-火車北站區(qū)間右線51～150環(huán)為例，采用加泡沫劑方式進行土體改良，盾構(gòu)于③7-3中密砂卵石土，采用加泡沫劑方式進行土體改良，泡沫劑管路使用2～3條（即刀盤面板上泡沫劑出口2～6個），其余管路加水。泡沫劑摻入量為3%～5%，用氣量200～250 L/min，用于中密砂卵石土體中掘進施工參數(shù)如圖1所示。

在上述掘進過程中，由于采用泡沫劑進行土體改良，刀具保護效果差，導(dǎo)致在該區(qū)段掘進過程中共進行3次刀具更換，平均每次更換的距離約為60m，極大地影響了盾構(gòu)掘進施工進度；平均掘進速度為1.79 cm/min，盾構(gòu)超挖現(xiàn)象嚴重，地面出現(xiàn)3次塌陷情況。

針對土層及土體改良情況，從244環(huán)開始進行加水方式土體改良，244～336環(huán)的掘進施工情況如圖2所示。

在上述的掘進過程中，采用加水方式進行土體改良，加水量每環(huán)6 m3，過程中檢查刀具一次，平均掘進速度達4.25 cm/min，掘進速度大幅提高，同時在這一階段掘進過程中，單次不換刀掘進距離達到247 m。

火車北站-人民北路站區(qū)間右線301～400環(huán)通過加水方式進行土體改良，使盾構(gòu)在③7砂卵石土中總推力控制在10020～14360 kN，較小的推力能有效地減少刀盤、刀具的磨損；刀盤扭矩控制在3910 kN·m（盾構(gòu)機最大允許扭矩 5400 kN·m）左右；盾構(gòu)平均掘進速度達3.2 cm/min，快速的掘進表示在相同的掘進距離下，所用時間較短，同樣也延長了刀具的使用壽命，還保證了施工的進度；創(chuàng)造了在成都砂卵石復(fù)合地層中掘進574 m不換刀的紀錄。各掘進施工參數(shù)如圖3所示。

5 結(jié)語

在成都砂卵石地層中進行盾構(gòu)掘進施工，摸索出一套土體改良的方法。

⑴對于黏性顆粒含量高的砂卵石土采用加水（或帶氣加水）進行土體改良是最經(jīng)濟且能有效改善土體流動性、防止泥餅形成促進盾構(gòu)掘進順利進行的方法；同時大量的水能及時帶走刀具與土體摩擦產(chǎn)生的熱量，冷卻刀具，延長刀具的使用壽命。

⑵增加土艙內(nèi)土體的流動性最有效的措施是加膨潤土泥漿，但由于膨潤土泥漿用量大，而且膨潤土泥漿發(fā)揮最佳效果需要一定的膨脹時間，因此為了滿足大量的膨潤土需求，需要一套龐大的泥漿制備、儲存系統(tǒng)。

⑶在長距離砂卵石土層中掘進，即使在前段掘進施工過程中土體改良效果很好，土艙內(nèi)土體能有很好的流動性，但隨著時間的累計，細顆粒仍然會在土艙內(nèi)沉積形成泥餅，特別是在刀盤攪拌棒攪動時影響不到的區(qū)域，泥餅會在細顆粒的沉積下逐漸發(fā)展，一直發(fā)展到影響到刀盤的旋轉(zhuǎn)和進土、出渣環(huán)節(jié)，增加刀盤旋轉(zhuǎn)阻力，減小土艙空間大小，破壞土壓平衡，最終導(dǎo)致刀盤被卡住，推進無法進行。因此，必須隨時關(guān)注土艙內(nèi)各土壓計顯示值的變化，定期利用設(shè)置在土艙內(nèi)的高壓加水管路對泥餅進行沖刷破壞，以消除泥餅的不利影響。

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