盾構在砂卵石地層中掘進應用土體改良的技術

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1標區(qū)間隧道沿線地質情況

⑴成都地鐵1號線盾構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。盾構上覆土層主要為①雜填土、②2黏土、②8-3中密卵石土；在盾構始發(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盾構掘進過程中主要穿越土層物理力學性質如表2所列。

⑶按地下水賦存條件，成都地鐵1號線盾構1標區(qū)間隧道盾構穿越范圍內為第四系孔隙潛水，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、滲透系數大，地下水水量豐富。根據實測資料，卵石土綜合含水層滲透系數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臺盾構機（其中7臺土壓平衡盾構、1臺泥水平衡盾構），由于盾構在掘進過程中都存在著超挖的現象，因超挖而產生的地面沉降（塌陷）并未在盾構掘進過后直接顯現，而是在盾構過后1個月甚至更長一段時間內（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。分析表明盾構超挖的原因主要是土體改良不夠充分，導致泥餅及骨架效應的形成，因此，必須采取相應的土體改良措施，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盾構刀盤切削下來的細小顆粒、碎屑在盾構土艙內和刀盤區(qū)重新聚集而成半固結或固結的塊狀體，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機土艙內實際土壓力的顯示，盾構容易超挖，造成地面沉降甚至塌陷；高強度、硬度的泥餅在固結過程中，也增加刀盤旋轉時的阻力；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在盾構掘進通過局部飽和砂卵石土體時，螺旋機出口容易出現涌水現象，大粒徑的卵石不能被帶出而沉積在土艙內，大顆粒卵石堆積產生骨架效應，使刀盤的扭矩增大，嚴重時導致刀盤被“卡死”；在土艙內螺旋機出口、螺桿上方形成大顆粒骨架拱，使螺旋機的螺桿在旋轉時不能承受有效荷載，進而不能將進入土艙內的土體沿著螺旋帶出，造成土艙內的土壓力逐漸增大（只有進土，沒有出土的情況），最終導致盾構機無法向前掘進。

⑶粉細砂地層由于長時間停頓而產生的砂土固結，形成高強度的細砂板塊，俗稱“鐵板砂”。 盾構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 盾構穿越土層物理力學性質一覽表

2.3 土體改良的要求

⑴對刀盤前方的土體需預先及持續(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的土體和刀盤外土體之間的壓力平衡、維持盾構掘進過程中盾構切口上方的土體穩(wěn)定。

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

3 土體改良技術

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化為土顆粒和土顆粒之間的有效應力，在土壓平衡式盾構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，需要將土艙內的積土排空，此時，將膨潤土泥漿直接壓入密閉的土艙內，在刀盤上的攪拌棒攪拌作用下，增加進入土艙內的土體流動性，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，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，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 密閉土艙內加水

密閉土艙內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，防止泥餅的形成或將已形成的泥餅沖刷消散。

3.5 不同土質宜采用的改良措施

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；也可在盾構掘進過程中直接向土艙內注入膨潤土泥漿，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阻力。也可采用在土艙內注入膨潤土泥漿進行土體改良，以增加土艙內土體的黏性，進而提高流動性，同時防止土艙內“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，極大地影響了盾構掘進施工進度；平均掘進速度為1.79 cm/min，盾構超挖現象嚴重，地面出現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（盾構機最大允許扭矩 5400 kN·m）左右；盾構平均掘進速度達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合地層中掘進574 m不換刀的紀錄。各掘進施工參數如圖3所示。

5 結語

在成都砂卵石地層中進行盾構掘進施工，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濟且能有效改善土體流動性、防止泥餅形成促進盾構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生的熱量，冷卻刀具，延長刀具的使用壽命。

⑵增加土艙內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。

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和進土、出渣環(huán)節(jié)，增加刀盤旋轉阻力，減小土艙空間大小，破壞土壓平衡，最終導致刀盤被卡住，推進無法進行。因此，必須隨時關注土艙內各土壓計顯示值的變化，定期利用設置在土艙內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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