土壓平衡盾構法隧道施工渣土改良指標探討

鄒超（中國中鐵一局第四工程有限公司，陜西咸陽712000）

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土壓平衡盾構法隧道施工渣土改良指標探討

鄒超
（中國中鐵一局第四工程有限公司，陜西咸陽712000）

摘要：為了改良土壓平衡盾構法隧道施工中渣土性能指標，根據多個城市地鐵土壓平衡盾構法隧道施工的實踐經驗，結合設計和施工規范，對渣土性能指標的改良進行了試驗。結果表明，渣土性能改良后,土體流塑性得到了改善，摩擦性顯著降低，刀盤扭矩顯著減小，盾構刀具磨損減少，支掌面穩定性提高。

關鍵詞：土壓平衡；盾構法；隧道施工；渣土改良

土壓平衡盾構施工的關鍵是用開挖出的土體作為支撐開挖面穩定的介質，因此要求作為支撐介質的土體具有良好的流塑性和保水性。為此，國內外學者對土壓平衡式盾構施工中的渣土改良做了深入研究。Raffaele Vinai[1]等通過室內圓錐坍落度試驗和壓力艙模型試驗設備對改良土進行研究；宋克志[2]研究了無水砂卵石地層在土壓平衡式盾構工法下的土體改良，利用泡沫技術對砂卵石地層進行了室內試驗和現場應用；周永攀[3]對卵石地層土壓平衡盾構法施工土體的改良進行了研究。為此，本文通過渣土滲透性、粘聚性、保水性和塌落度等室內試驗，為改良了渣土配合比提供了試驗數據。

1　概述

通過廣州地鐵3號線、鄭州地鐵1號線、石家莊地鐵1號線、鄭州地鐵2號線、成都地鐵4號線以及北京地鐵7號線等城市的土壓平衡盾構法隧道施工實踐，結合設計與施工規范，對渣土改良進行了一些試驗，充分認識到渣土改良效果對盾構刀具磨損、地表沉降控制、綜合施工功效、施工成本控制等的影響，利用科學的試驗手段，總結提煉出土壓平衡盾構法隧道施工渣土改良的相關指標。

2　土壓平衡盾構法施工原理

土壓平衡式盾構機利用改良好的渣土形成土倉壓力，來平衡前方掌子面的水土壓力(如圖1所示)。保證開挖面的相對穩定，并通過控制盾構推進千斤的速度和螺旋輸送機的旋轉速度，來保持土艙內改良渣土的壓力與掌子面前方水土壓力達到平衡，盾構機持續向前掘進，螺旋輸送機持續排土，實現盾構連續掘進。

圖1　土壓平衡式盾構開挖面穩定原理示意圖

3　設計及施工規范對渣土改良的要求

盾構施工規范《盾構法隧道施工與驗收規范》GB50446-2008中7.3.1條規定盾構機需要配置渣土改良系統，并在盾構現場驗收階段要納入驗收。7.5.2條掘進中應監測和記錄盾構運轉情況，排出渣土情況并及時分析反饋，調整掘進參數。7.5.5條要求根據盾構穿過的地層條件，可有選擇地向土倉內適當注入泥漿或水、泡沫劑、聚合物等，以改良倉內土質，使其保持一定程度的塑性流動狀態。建立土倉內平衡土壓力，保持開挖面的穩定，同時易于排土。8.2.8條規定采用土壓平衡盾構通過砂卵石地段時，應進行渣土改良。而對具體的渣土改良指標與方法沒有提及，不利于實施與控制。

4　渣土改良相關指標的提出

4.1渣土改良的原則、目的和意義

在土壓平衡盾構施工中，土倉內渣土能形成良好的流塑性，是盾構順利推進的重要前提。通常中粗砂地層流塑性差、力學穩定性也較差，粘土地層粘聚性太大，為了使開挖土體有良好的流動性，在盾構機掘進時如遇中粗砂地層，需向掌子面添加膨潤土泥漿，以改善中粗砂地層的物理特性；如遇粘土地層，需向掌子面注入泡沫，最終形成具有低透水性和較好流塑性的混合渣土，經土倉向掌子面傳遞設定的平衡壓力，使盾構機始終在保持水土壓力動態平衡的條件下持續向前掘進。

盾構掘進中添加改良材料對不良地層進行改良的目的和意義：

1）通過改良可有效地保持開挖面穩定。改良材料能有效提高開挖面土體的強度，從而對開挖面土體起到支護作用，進一步減少掌子面失穩的可能。

2）減小渣土對刀盤與刀具的磨損。中粗砂或卵石層顆粒松散，幾乎無粘聚力，顆粒通過內摩擦角傳力，向開挖面土體添加改良材料后，有效增加顆粒間的粘聚力，減小渣土的密實度，增加渣土的流塑性，改善土體的受力狀況，從而并減小渣土對刀盤與刀具的磨損。

3）防止渣土粘附在刀盤、刀具及螺旋輸送機內，造成泥餅與堵塞現象，降低刀盤扭矩，減小盾構機的負荷，進而提高掘進速度。

4.2渣土改良指標提出

根據土壓平衡盾構原理及需要達到的結果，結合室內試驗數據，對渣土改良室內試驗提出以下重要指標。

4.2.1渣土流動性

土壓平衡盾構渣土流動性主要用坍落度來表達，根據室內渣土試拌試驗結果顯示，渣土坍落度在90～120mm時，消耗的扭矩較小。

4.2.2保水性

土壓平衡盾構施工時，渣土的保水性嚴重影響盾構臨時停機時間的長短，如果保水性好，盾構臨時停機后渣土不會離析或大量失水而導致渣土性能嚴重變化，致使盾構啟動困難，啟動階段刀盤扭矩過大，甚至無法正常啟動。根據試驗分析，渣土保水率在75%～80%時，渣土靜置3h后，流動性影響較小，坍落度損失約10～15mm。

4.2.3粘聚性

土壓平衡盾構施工時泥餅形成的機理指出，其影響因素主要有：刀盤開口形式、刀盤溫度情況、臨時停機時間、土壓設定情況、渣土的粘聚性等。但主要原因之一還是土壓平衡盾構機當遇上渣土粘聚性較大時，一旦刀盤溫度稍高就容易從刀盤中心開始，形成強度很高的泥餅，這將嚴重影響掘進效率，甚至會損傷設備。

4.2.4滲透性

土壓平衡盾構法施工時，地質條件、水文情況、掘進參數是引發螺旋輸送機噴涌的決定性因素，在砂卵石等富水地層地下水的通路沒有阻斷、泡沫、膨潤土等改良材料使用不當，渣土改良不理想，未能有效降低渣土的滲透性，極易引發螺旋輸送機噴涌。土壓平衡盾構渣土滲透性主要用滲透系數來表達，如果滲透系數太大，則在富水地層掘進時，容易導致螺旋噴涌，而引發事故。

5　渣土改良配合比設計原理

渣土拌和物是由膨潤土、砂、水及攪拌時混入的空氣組成的多相分散體系,塑性渣土中的膨潤土漿是連續相,砂粒成了膨潤土漿中的分散相,這是渣土拌和物在重力或外力作用下能流動變形的原因。低塑、中塑和高塑的差別就在于膨潤土漿的粘度及砂粒間膨潤土漿的厚度不同。渣土中還有一定量的氣相,以氣泡狀態分布在膨潤土漿中,也能增加渣土的流動性。如圖2所示。

圖2　渣土多相示意圖

5.1渣土流動性試驗

5.1.1渣土試拌

渣土改良初步配合比設計后，設計專用機械攪拌儀器，在恒定轉速條件下，將不同坍落度的等量渣土放入攪拌儀器內進行拌和，并記錄每次正常拌和時試驗的扭矩值以及停機后啟動階段扭矩值，從而找出：

1）正常拌合階段攪拌儀器的扭矩與渣土坍落度之間的關系。

2）停機一段時間后啟動階段扭矩與渣土保水率之間的關系。

5.1.2渣土改良后的坍落度試驗

用測定拌和物和易性的方法，測定渣土拌和物在自重作用下的流動性。如圖3所示。

圖3　渣土坍落度試驗示意圖

5.2渣土改良后保水性試驗

渣土保水率試模用規定流動度范圍的新拌渣土，按規定的方法進行吸水處理。渣土保水率就是吸水處理后渣土中保留水的質量，并用原始水量的質量百分數來表示。

渣土保水率計算式：

式中：w——渣土保水率（%）；

m1——底部不透水片與干燥試模質量（g），精確至1g;

m2——15片濾紙吸水前的質量（g）,精確至0.1g;

m3——試模、底部不透水片與渣土總質量（g），精確至1g;

m4——15片濾紙吸水后的質量（g）,精確至0.1g;

a——渣土含水率（%）。

5.3渣土改良后的粘聚性試驗

利用直接剪切試驗，測定泥餅在不同垂直壓力下的水平剪切破壞，求得測定土樣的摩擦角和粘聚力。以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線，直線傾角為摩擦角，直線在縱坐標軸上截距為粘聚力。

5.4渣土改良后的滲透性試驗

在實驗室中測定滲透系數k的儀器和試驗方法很多，但從試驗原理上大體可分為“常水頭法”和“變水頭法”兩種。常水頭試驗適用于測定透水性大的沙性土滲透參數，而改良后的渣土滲透系數很小，滲透水量很少，須改用變水頭試驗。液體在空隙介質中流動時，因液體粘性會引起水頭損失，且滲流流速極微小，所以，流速水頭可忽略不計。因此，總水頭H可用測壓管水頭h來表示。水頭損失hw可用測壓管水頭差表示。

5.5原土試驗

根據區間地質勘察報告，提煉出盾構開挖面所主要包括的地層，在車站施工時，對相應的地層號取出原狀土進行室內土工試驗。通過試驗確定土樣的顆粒級配、天然含水率、密實度等主要指標，為渣土改良試驗配合比設計提供依據。

5.6試掘進階段改良配合比動態調整

試掘進時，根據區間土層含水量對理論配合比進行調整。根據土壓平衡盾構操作原理與步驟，地質與水文資料，計算出主動土壓力，輸入推力、刀盤轉速，反饋掘進速度和刀盤扭矩。當土壓、推力、刀盤轉速一定時，刀盤扭矩與渣土改良有一定的關系，在施工配合比的條件下，分多組進行試驗。

推進過程中膨潤土改良液的輸入量計算：

Q=k·v·A·t

式中：k——膨潤土液與原狀土的比例；

A——土壓平衡盾構刀盤開挖面積m2；

t——單位掘進時間min；

v——土壓平衡盾構推進速度mm/min。

盾構試掘進階段參數統計見表1。

表1　盾構試掘進階段參數統計

圖4　盾構試掘進階段刀盤扭矩與掘進速度及膨潤土液注入速度關系圖

由圖4可知，當膨潤土液注入速度與盾構掘進速度基本匹配時，刀盤扭矩在掘進速度為20～40mm/min時，基本穩定在1850kN·m左右，渣土坍落度也基本穩定在110mm左右。掘進速度提高到45～65mm/min時，刀盤扭矩隨掘進速度的增大明顯增加（從1970kN·m迅速上升到3010kN·m），同時坍落度波動嚴重（波動幅度達55mm）。分析原因可能是在刀盤轉速不變的情況下，掘進速度過快，渣土在土倉中攪拌不均勻，導致扭矩明顯增加，坍落度波動嚴重。

6　總結

影響渣土性能指標因素除了渣土的表面光滑程度外，取決于渣土相對運動時渣土粒的接觸點多少，渣土粒不是均勻理想地分散在改良液中的，其中一些渣土粒互相接觸,流動過程中相互摩擦。在攪拌均勻的情況下，影響渣土接觸點多少的因素是渣土顆粒間改良漿液的厚度；改良漿液越厚,接觸幾率越少，渣土顆粒間摩擦力就小，渣土的流動性就大，反之則小。影響渣土顆粒間改良漿液厚度的因素是改良漿液量、渣土顆粒的空隙率和比表面，改良漿液量多、渣土顆粒粗及空隙率小時，渣土顆粒間改良漿液的厚度就大，流動性就越好。

參考文獻:

[1] Raffaele Vinai, Claudio Oggeri, Daniele Peila. Soil conditioning of sand for EPB applications: A laboratory research[J]. Tunnelling and Underground Space Technology. 2007.

[2]宋克志.無水砂卵石地層土壓盾構施工泡沫技術研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(13):2327-2332.

[3]周永攀.北京地區卵石地層土壓平衡盾構法施工土體改良技術研究[D].北京工業大學碩士論文，2012.

[4]馬連叢.富水砂卵石地層盾構施工渣土改良研究[J].隧道建設,2010,30(4):411-415.

[5]王明勝.復雜地層中盾構法隧道渣土改良技術[J].地下空間與工程學報,2007,3(8):1445-1447,1463.

[6]寧士亮.富水砂層盾構渣土改良技術[J].鐵道建筑技術，2014，（3）86-90.

中圖分類號：TU432