土壓平衡盾構在砂層中掘進的渣土改良技術

蔡 輝

(中鐵隧道集團公司專用設備中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

近年來，土壓平衡盾構技術得到快速發展，該技術通過改進設備、輔助工法等措施已適用于大部分地層;但砂性地層是一種典型的力學不穩定地層，土壓平衡盾構在砂性地層條件下掘進時，由于土體流塑性差，刀盤、刀具、螺旋輸送機等易磨損，刀盤扭矩和推力增大、開挖面易失穩崩塌、土倉結餅、渣溫升高、螺機噴涌等問題不斷出現，影響了盾構施工的順利進行。國內外眾多施工企業和研究機構通過現場實踐和室內試驗，對刀盤刀具選型、設備改良、掘進參數分析、添加劑配比、渣土改良的機制和效果等進行了大量的研究和試驗工作。文獻［1］從土壓平衡盾構的原理出發，論述了利用土塞效應、注入添加材料和機械輔助方法來提高土壓平衡盾構適應含水地層能力的理論和方法;文獻［2］介紹了土壓平衡盾構在無水砂卵石地層中掘進時，通過渣土改良后對主要參數如土壓力、刀盤扭矩、注漿量等進行分析，嚴格管理，從而保證盾構掘進的順利進行;文獻［3］分析了大粒徑無水砂卵石地層土壓平衡盾構選型對土體改良設備及注漿系統等方面的影響;文獻［4］提出了土壓平衡盾構施工“理想狀態土體”的概念(即較低的滲透性，相對適中的壓縮性，較小的抗剪強度，一定的流動性)，并認為只要有效、有針對性地使用外加劑，就可將施工難題控制在最小的發生概率之內;文獻［5］基于砂卵石土物理力學指標分析，進行渣土改良劑比選，確定使用泡沫劑作為渣土改良劑，試驗得出泡沫劑的最佳配比為＜3%，改良后的渣土內摩擦角由42.56°減小為38.24°，滲透系數由2.315×102cm/s提高到5.328×102cm/s;文獻［6］針對砂卵石地層渣土不均勻、卵石含量高、流動性差、摩擦系數大、單塊卵石強度高、黏聚力小、結構松散等特點，進行塌落度、滲水、滑動、電機攪拌等渣土改良試驗，總結出不同類型的改良方法及其成本;文獻［7］根據砂卵石地層特點進行了砂卵石塑流化改良技術探討，初步總結得出注入泥漿和泡沫劑的混合液對砂卵石地層塑流化改善效果良好;文獻［8］根據工程地質條件合理選擇塑流化改良技術和塑流性管理方法，確定適宜的塑流性管理值，以確保開挖面穩定，實現正常掘進;文獻［9］對氣泡的基本性能進行了研究，得出了氣泡改良開挖土體的主要影響因素;文獻［10］提出了國內常用的2種外加劑(泡沫劑、膨潤土泥漿)與土體相互作用的內在機制，并基于微觀試驗得出對于盾構掘進中不同土質和土性應該使用何種類型的外加劑。

土壓平衡盾構對砂層等不良地質條件的適應性是一個比較復雜的綜合技術問題，需要從設備的性能配置、施工工藝參數、輔助工法、渣土改良等諸方面綜合考慮。渣土改良是保證土壓平衡盾構在砂性地層中掘進的關鍵技術手段，能有效降低盾構的扭矩和推力，減輕設備部件的磨損，提高效率。目前主要采用添加膨潤土泥漿、泡沫劑、聚合物等材料和方法對渣土進行改良，但在應用中缺乏相應的依據和實踐經驗來統一指導施工。本文主要介紹在南昌、鄭州和西安地鐵區間隧道施工期間，盾構在砂層中掘進時所出現的問題和采用的渣土改良技術，如添加劑種類的選擇、漿液配比、性能參數和指標的確定、注入參數的選定及合理控制等，總結探討盾構在不同砂性地層中掘進的渣土改良技術應用，并提出建議。

1 砂層的分類與特點

1.1 砂層的分類

常見的砂層主要分為細砂、粉砂、中砂、粗砂、礫砂、砂礫等。

1.2 砂層的特點

1)穩定性。砂層屬于軟弱地層，工作面無法自穩，受到擾動后不采取有效支護易造成塌方。

2)摩擦性。砂層中的細顆粒以石英、長石為主，摩擦阻力大，在高溫高壓作用下會對鋼結構件進行研磨，造成設備過量的非正常磨損。

3)透水性。砂層顆粒之間沒有黏聚力(黏性)，滲透系數大，止水效果差，在高水頭壓力下，一旦有泄壓縫隙或通道，涌水和涌砂就會同步發生。

4)氣密性。砂層無黏性，地層顆粒之間間隙大，一定氣壓的壓縮空氣很容易泄漏、逃逸。

5)流動性。砂層顆粒之間的內摩擦角大，再加上顆粒之間的摩擦阻力較大，盾構掘進切削下來的渣土流動性較差。

2 渣土改良的目的，添加劑的分類和特性

2.1 渣土改良的目的

1)使開挖下來的渣土具有良好的土壓平衡效果，利于穩定開挖面，控制地表沉降。

2)提高渣土的不透水性，使渣土具有較好的止水性，從而控制地下水流失。

3)提高渣土的流動性，利于螺旋輸送機排土。

4)防止開挖下來的渣土粘結刀盤而產生泥餅或堵艙。

5)防止螺旋輸送機排土時出現噴涌現象。

6)降低刀盤和螺旋輸送機的扭矩，同時減少對刀盤、刀具和螺旋輸送機的磨損，提高盾構的掘進效率。

2.2 添加劑的分類和特性

常用添加劑材料大致分為4類，可單獨或組合使用，其特性歸納見表1。

目前在國內的土壓平衡盾構施工中，膨潤土泥漿和泡沫劑是使用最廣泛的2種添加劑。

1)膨潤土泥漿適用于細顆粒含量少的砂層、砂礫層、卵石、漂石等地層。膨潤土是以蒙脫石為主要成分的非金屬黏土類化合物，其配比漿液能夠補充砂礫地層中相對缺乏的細黏性顆粒含量，并滲透進入砂礫地層形成低滲透性泥漠(見圖1)，潤滑并包裹砂礫，從而提高砂層的和易性，以便于攜渣排土(見圖2)，減小噴涌。

表1 盾構施工常用添加劑比較表Table 1 Comparison and contrast among different additives used in shield tunneling

圖1 膨潤土泥漿與土體作用形成混合土體結構Fig.1 Mixture formed due to interaction between bentonite slurry and soil

圖2 膨潤土泥漿攜帶出的砂土Fig.2 Sand carried out by bentonite slurry

2)泡沫劑多用于細顆粒土層中(如黏土地層等)，一般情況下，在滲透性較大的粗顆粒地層中不適用，因為泡沫中的氣體很容易泄漏逃逸，無法有效地與砂土混合成彈性體，從而導致渣土沉淀、板結，如圖3所示。

3 渣土改良技術在工程實例中的應用

近年來在南昌、鄭州、西安等地的砂層中使用的多數是土壓平衡盾構，在這種地層中掘進時，渣土改良技術十分關鍵。

3.1 南昌地鐵一號線土建八標艾西站—艾東站區間隧道

穿越地層主要是③3中砂層、③5礫砂層、③6圓礫層。出現的問題為中鐵38號盾構螺旋輸送機筒體磨穿，突發涌砂現象，幾min涌砂達10多m3，造成中鐵38號盾構刀盤、刀具異常磨損。

圖3 泡沫混合比例與土體作用形成混合渣土結構Fig.3 Mixing proportion of foam and soil-foam mixture

渣土改良技術的應用:

1)渣土改良材料為膨潤土泥漿和泡沫劑。

2)現場同條件下渣土改良配合比與原狀土的混合試驗，如表2所示。

3)渣土改良效果。根據試驗確定配合比，嚴格按配合比拌制漿液。掘進中按技術交底要求注入膨潤土泥漿量，并輔以泡沫劑進行渣土改良，改良效果較好，如圖4所示。其中，刀盤扭矩控制在4 100 kN·m以內(額定扭矩為5 500 kN·m)，總推力為13 000 kN左右(最大推力為37 000 kN)，掘進速度為50 ～60 mm/min。

4)渣土改良總結。①以鈉基膨潤土∶工業堿∶水 =1∶0.001∶10(質量比)配制漿液，浸泡至膨化反應，保持足夠的膨化時間使其充分溶解(保持在15 h以上，最佳為22 h)。②漿液的黏度保持在40 Pa·s左右，摻入量為6% ～7%，即每環注入量為8～10 m3。③當圓礫層占比例較高時，必須輔以泡沫劑進行改良，原液比為2% ～3%，流量為2 500 L/min，其他地層泡沫劑流量可適當進行調整。④膨潤土泥漿、泡沫劑必須加注到刀盤面板前方，才可以充分攪拌改良渣土，減磨刀盤、刀具，注入通道堵塞時必須及時疏通。

表2 膨潤土改良配合試驗Table 2 Tests on ground conditioning by means of bentonite slurry

圖4 膨潤土改良渣土效果Fig.4 Effect of ground conditioning by means of bentonite slurry

3.2 鄭州地鐵二號線一期02標東風路站—北環路站區間隧道

穿越地層主要是稍密－密實的粉土、中密－密實的細砂和軟塑－硬塑狀粉質黏土，局部穿越中密粉砂層及密實中砂層。出現的問題為中鐵2號盾構掘進過程中出現堵艙、堵螺機等，造成掘進、出渣困難。

渣土改良技術的應用:

1)渣土改良材料為膨潤土泥漿和泡沫劑。

2)施工初期渣土改良效果較差，之后對渣土改良方式進行了改進。①在砂層掘進中由單一泡沫劑渣土改良改為以膨潤土泥漿為主、泡沫劑為輔的渣土改良方式;②在刀盤上增加2路膨潤土泥漿注入管路，保證向刀盤前方和土艙內膨潤土泥漿及具有分散作用的泡沫劑的注入量;③膨潤土泥漿輸送方式由傳統的罐車運輸改為洞外泵送方式;④膨潤土泥漿的配比、制作攪拌、泵送運輸如圖5和圖6所示。

3)渣土改良效果。①在區間右線200～292環(全斷面富水細砂層)掘進過程中，卡刀盤、堵艙、堵螺機現象得到有效緩解，地表沉降控制在規定范圍以內，掘進較為順利;②在區間砂層掘進時，刀盤扭矩控制在3 500 kN·m左右(額定扭矩為4 377 kN·m)，總推力為14 000 kN左右(最大推力為31 650 kN)，掘進速度為35 mm/min左右，改良后的渣土成可塑狀，降低了刀盤、刀具的磨損，如圖7所示。

圖5 膨潤土泥漿的配比、制作、運輸示意圖(其中每個水泥罐約有60 m3)Fig.5 Mixing proportion， production and transportation of bentonite slurry

圖6 洞外膨潤土泥漿制作及運輸實物圖Fig.6 Pictures of production and transportation of bentonite slurry outside tunnel

4)渣土改良總結。①在全斷面富水砂層掘進中，膨潤土泥漿注入量為7～11 m3/環，即注入體積為富水砂層總體積的15% ～24%;泡沫混合液注入量為38～60 L/環，即注入體積為富水砂層總體積的0.08% ～0.13%。②采用洞外膨潤土泥漿管路泵送工法，縮短了在掘進過程中輸送膨潤土泥漿工序所占用的時間，建立了良好的通信機制，保證了盾構連續快速掘進。③膨潤土泥漿要有足夠的膨化時間使其充分溶解(保持在15 h以上，最佳為22 h)，在膨化過程中要不停地攪拌，以維持其流塑性。④膨潤土泥漿的配比、制作攪拌及濃度嚴格按要求控制，否則將泵送不到預定的長度或造成管路堵塞。

3.3 西安地鐵三號線TJSG—4標科技路站—太白南路站區間隧道

穿越地層主要是2－5層中砂及2－6層粗砂層，砂層為密實狀態，標貫在45～90擊。砂層的礦物成分以石英為主(44%)，斜長石為38%。出現的問題為中鐵17和18號盾構掘進過程中刀盤、刀具磨損較大，土艙保壓困難，渣溫高，噴渣現象嚴重，掘進困難。

圖7 膨潤土泥漿改良后的渣土Fig.7 Mucks conditioned by bentonite slurry

渣土改良技術的應用:

1)渣土改良材料為膨潤土泥漿和泡沫劑。

2)在現場同條件下進行了多次膨潤土泥漿配比試驗，如表3所示。

表3 膨潤土泥漿配比試驗Table 3 Tests on mixing proportion of bentonite slurry

3)渣土改良效果。①根據砂層比例及渣土改良效果確保膨潤土泥漿的加入量，其中，當地層中黏土含量為20%～50%時，渣土改良采用泡沫劑和膨潤土泥漿;地層中黏土含量在40%以上時，采用泡沫劑改良為主。②渣土改良效果良好，能連續成型，盾構掘進基本順利。刀盤扭矩控制在3 000 kN·m左右，推力為16 000 kN 左右，刀盤轉速為 1.6 ～1.8 r/min，掘進速度為40～50 mm/min。

圖8 膨潤土泥漿洞外泵送至盾構Fig.8 Pumping bentonite slurry to the shield machine

4)渣土改良總結。①渣土改良以膨潤土泥漿為主，泥漿黏度為35～40 Pa·s，泥漿注入到刀盤前方，注入量為10 m3左右，約是砂量的20%，使渣土改良好后塌落度為12～16 cm，以手握緊松開不散狀為準。②采用優質納基膨潤土拌制泥漿，膨潤土與水的質量比為1∶8左右，粉細砂配比可適當調小，摻加制漿劑(CMC)可提高泥漿的黏度，1∶8的泥漿膨化12 h黏度為30 Pa·s左右，摻入膨潤土量為2%的制漿劑膨化12 h黏度為35～40 Pa·s。③膨化漿液池容量為100 m3左右，采用管道輸送泥漿，避免渣車運送泥漿影響掘進時間，如圖8所示。④使用質量達標的鈉基膨潤土，對膨潤土泥漿的配比、膨化時間、黏度要嚴格把關，首先應對工人進行技術交底，保證膨潤土泥漿配比的準確度，值班工程師應對每環所用膨潤土泥漿的膨化時間、黏度進行監測并記錄，以便分析、判斷注入膨潤土泥漿的效果，如圖9所示。

圖9 地面、隧道內測量膨潤土泥漿黏度Fig.9 Measuring bentonite slurry viscosity on the ground surface and in tunnel

4 渣土改良技術探討

4.1 有水砂礫土、砂卵石地層

該地層適用膨潤土泥漿進行渣土改良。主要原因是膨潤土泥漿能夠補充砂礫土中微細顆粒的含量并填充孔隙，提高渣土的和易性、級配性，從而提高其止水性。

4.2 無水砂礫土、砂卵石地層

混合使用膨潤土泥漿+泡沫劑進行渣土改良。主要原因是砂礫土、砂卵石顆粒間流塑性差、摩擦阻力大，單獨加入大量膨潤土泥漿可以改良渣土的流動性，減少摩擦阻力;但施工中易出現砂卵礫石在重力作用下沉到土艙底部，渣土不能均勻混合，進而造成刀盤“抱死”現象。改為泥漿和泡沫劑混合使用后，充分利用泡沫劑的潤滑性和擴散性，降低了刀盤、螺旋輸送機扭矩及千斤頂推力，大大減輕刀盤、刀具磨損，刀盤“抱死”現象極少發生。

4.3 全斷面粉細砂層(或含少量黏土)

顆粒級配相對良好的地層適用泡沫劑進行渣土改良。主要原因是泡沫劑(泡沫劑+水+氣)與渣土顆粒攪拌的更加均勻、致密，使渣土的滲透系數降低、止水性增強、流動好。氣泡發泡倍率為10～15倍，氣泡注入率為20% ～40%(與渣土的體積比)，建議每環用量為30～40 L。

4.4 全段面(或極密實)中粗砂層

混合使用膨潤土泥漿+泡沫劑進行渣土改良。主要原因是混合使用2種材料進行充分攪拌，改良了渣土的流動性和止水性，穩定開挖面，防止了噴涌、冒頂等。膨潤土泥漿注入量為10 m3/環(膨潤土與水的質量比為1∶10)，黏度為35～40 Pa·s，膨潤土使用量為100～200 kg/m，氣泡發泡倍率為15～20倍，氣泡注入率為20% ～40%(與渣土的體積比)，建議每環用量為30～40 L。使渣土改良好后塌落度為12～16 cm，以手握緊松開不散狀為準。

4.5 富水砂層(粉細砂、中砂)

混合使用膨潤土泥漿+高分子聚合物進行渣土改良。主要原因是采用膨潤土泥漿進行渣土改良，有效地降低了刀盤扭矩，改善了渣土的和易性;但卻增大了盾構掘進時的噴涌風險，不利于掘進參數的控制和掌子面的穩定。輔助使用高分子聚合物可以中和掉渣土中的多余水分，有效增加了渣土的止水性和黏稠度，可以防止或減輕螺旋輸送機噴涌的問題。膨潤土泥漿注入量為10 m3/環(膨潤土與水的質量比是1∶8)，黏度為30～35 Pa·s，膨潤土使用量為200～300 kg/m，高分子聚合物混合液注入量為富水砂層每環總體積的6%～10%。

5 結論與建議

渣土改良技術是土壓平衡盾構在砂層中掘進的關鍵，渣土改良技術的應用有效地降低了盾構的扭矩和推力，減輕了設備部件磨損，對提高效率、降低工程造價有著決定性作用。在南昌、鄭州、西安等地鐵區間盾構隧道掘進中，根據不同的砂層地質條件，反復研究掘進參數，采用相應的渣土改良技術，優化施工方案，保證了盾構安全、連續、快速地掘進，所采用的渣土改良技術是合理可行的，可為今后類似工程提供參考和借鑒。

目前，盾構法隧道施工主要采用添加膨潤土泥漿、泡沫劑、泥漿和泡沫混合液、泥漿和聚合物混合液等材料和方法對渣土進行改良，但總體上在應用中缺乏相應的規范標準、添加改良劑種類的選擇、漿液配比和性能參數及指標的確定，注入參數的選定及合理控制等均依靠現場試驗或施工經驗來提供參考。因此，從工程質量和進度、工程事故的影響及善后建設資金的浪費等方面綜合考慮，土壓平衡盾構在砂層中掘進的渣土改良技術值得進一步研究和規范。

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