大粒徑富水砂卵石地層惰性漿液置換渣土改良盾構土倉環境技術

韓濤

摘要：渣土改良是盾構施工中的重要環節，土倉的環境直接影響渣土改良的效果及盾構施工參數的穩定性。本文以成都地鐵10號線一期土建4標盾構施工利用惰性漿液改善土倉環境為例，對土倉環境進行分析，針對易出現的問題采用惰性漿液置換土倉渣土改善土倉環境，與常規做法進行對比得出了利用惰性漿液改善土倉環境安全風險控，成本低，時間周期短且效果良好為以后類似工程提供技術支持。

關鍵詞：渣土改良；惰性漿液；砂卵石；盾構

一、工程概況

本區間工程為華金中間風井至金花站盾構區間左線起訖里程為：ZDK5+634.830～ZDK7+197.331，區間全線1562.501m；右線起訖里程為：YDK5+617.704～YDK7+151.363，區間全長1533.659m。施工設計盾構從中間風井始發，向大里程方向行進，在金花站吊出。正線穿越廠房、新苗村住宅區等建筑物群，平行繞城高速方向向西北方向，在YDK7+013～YDK7+100處斜穿繞城高速（K48+216.80-K48+317）到達金花站。

本區間地表表層多為第四系全新統人工填土（Q4ml）覆蓋夾雜磚屑、卵石角礫等，其下為第四系全新統沖積層（Q4al）粉質粘土、粉土、卵石土夾粉細砂及大粒徑砂卵石根據成都區域水文地質資料及地下水的賦存條件，本區間地下水主要有兩種類型：一是賦存于黏性土、粉土層之上填土層的上層滯水，二是第四系黏性土，粉土、砂土、卵石土層的孔隙潛水。

二、盾構施工土倉環境分析

土倉作為盾構掘進渣土改良的重要場所，土倉環境的好壞決定著渣土改良的效果，直接影響盾構掘進參數，在富水砂卵石地層中，土倉常見的問題有以下兩種

2.1卵石堆積成拱

在施工過程中因卵石粒徑較大，極易造成渣土離析，大粒徑砂卵石堆積在螺旋機周圍，與螺旋機形成“拱橋”關系，后續進來的土體持續堆積造成土倉環境變小，使土倉沒有足夠的空間進行渣土改良，導致渣土改良效果越來越差。造成刀盤扭矩、推力等關鍵參數越來越大，加快刀盤磨損，最終無法繼續進行施工。

2.2土倉內“結餅”

在施工過程中因渣土改良未達到理想效果，導致螺旋機出土不順暢，造成扭矩等參數變大，土倉內溫度升高，土倉壁的土體在高溫的作用下粘貼在土倉壁及刀盤上，從而形成泥餅或者砂餅，最終造成刀盤開口處進土不順暢，土倉環境變小，扭矩越來越大，溫度越來越高，加速設備磨損，形成惡性循環，最終導致盾構機推進困難甚至無法推進。

三、常規處理方法

在遇到上述類似問題時，傳統做法主要有以下兩種：

3.1人工進倉清理

首先地面進行加固和降水，待達到強度后進行開倉，作業人員進入土倉進行處理，此種方法效果較為明顯，但安全風險不可控。在富水砂卵石地層中，掌子面穩定性較差，若地面降水和加固措施不到位，掌子面極容易發生坍塌。一旦掌子面在開倉作業過程中發生失穩坍塌，很可能會造成安全事故。同時，此種處理發放施工周期長，先行地層加固再進行降水施工，達到可以開倉條件時總體工期最少需要40天時間，也間接說明此種方法施工費用高。

3.2化學材料泡倉處理

采用分散劑通過渣土改良系統注入進土倉，后續經過長時間的浸泡使土體松散，此方法施工安全風險為零，施工費用略高，工期短，但很難達到理想效果，結果不明顯。

四、惰性漿液置換渣土改良土倉環境技術

4.1惰性漿液的作用機理

在本案例中，拌制的惰性漿液將細砂和粉煤灰作為為主劑，成分主要有粉煤灰、細砂、鈉基膨潤土和水。其中，粉煤灰能夠有效的改善惰性漿液的和易性及流動性，并且是作為調節漿液凝結時間的材料，膨潤土可以減弱成型漿液的材料分離，有效減小泌水率，細砂作為成型漿液的。

在本次工程的中使用的惰性漿液在富水的砂卵石環境中，不易產生稀釋現象。原材料來源多、實惠，施工管理方便，漿液配料簡單，造價低，和易性能好，漿液流動性好。同水泥漿液相比，凝結時間較長，通常能達到12小時以上。

在土倉內渣土發生卵石沉降，造成渣樣離析后，使用惰性漿液進行泡倉，漿液借助注漿壓力可以有效的將沉底渣土沖散，漿液中含有的細砂和水同卵石重新混合，再次建立土倉內渣土的平衡，減少土體堆積。同時膨潤土成分還能有效的避免泥餅或砂餅的形成，改善土倉環境，順利出渣。

4.2施工控制措施

（1）惰性漿液的拌制

當需要進行土倉環境改善時，需要先行進行試驗，來確定惰性漿液的配合比。在確定惰性漿液配合比的過程中，主要運用控制變量法來進行不同配比的試驗，通常情況下，需要進行5-7組配合比試驗，每組配置3組溶液。通過觀察記錄其和易性、流動性及初凝時間來確定需要實際使用的配合比。在本次工程中，使用的配合比如下：

（2）惰性漿液注入土倉

惰性漿液在拌合站拌制完畢后，通過同步注漿漿車拉進隧道，然后由漿車的電動泵將漿液注入盾構機注漿罐中，在此期間漿罐及漿車的葉片需要不停轉動，防止漿液發生離析。之后，通過盾構機自帶同步注漿設備將管路連接到土倉壁左下和右下兩側預留球閥處，通過注漿泵將惰性漿液注入土倉中，此過程主要利用惰性漿液具有一定的摩擦力和注漿設備的泵送能力將螺旋機周圍的土體沖散。

（3）土倉環境改良

在盾構機注入惰性漿液的施工過程中左下和右下的土倉壓力會有明顯的波動變化，證明堆積卵石已被沖散，后續繼續注入惰性漿液，達到6m?左右或者上部土壓達到2.5bar時停止注入，此時進行泡倉，待12小時后進行轉動刀盤，土倉內堆積的卵石通過惰性漿液的作用重新形成卵石土，最后通過螺旋輸送機排出。

4.3施工參數對比分析

土倉環境改善前，推力在1200t-1800t之間，平均值在1500t左右，整體數據偏大，盾構機掘進困難，對刀具磨損較大。土倉環境經過惰性漿液置換改善后，推力降至800t-1200t之間，平均值1000t左右，推力大幅下降。

進行惰性漿液置換前，盾構機掘進速度在30-50mm/min之間，平均值在41mm/min左右，這個速度掘進，盾構機掘進慢，同刀盤轉速以及灌入度匹配度不高，可調整性差，容易引起超方，今兒導致地面發生沉降。土倉環境經過惰性漿液置換改善后，速度得到大幅提升，平均值上升至56mm/min，可以讓參數調整更加靈活，更容易控制地面沉降，加快施工進度。

在前期的掘進過程中，盾構掘進扭矩過大，平均值在482 T·m，對螺旋機傷害較大。在土倉環境改善后的掘進過程中，扭矩平均值降至325 T·m，有效的緩解了螺旋機的壓力，加快了掘進速度。

通過實際施工參數對比，通過使用惰性漿液置換土倉內渣土，改善土倉環境，各項施工參數均得到好轉且穩定。有效地解決了推進過慢，盾構機壓力較大的問題。

4.4地表監測

為確保惰性漿液置換工作的順利進行，同時驗證其對地面沉降是否產生影響，測量人員每天對地面實時監測，監測結果如下圖所示，地面監測數據正常，安全風險可控。

4.5效益分析

在本工程中，使用惰性漿液置換改良土倉環境，省去了常規施工方法中的地面垂直加固以及降水施工的工序、時間周期短，直接發生成本僅為材料費用，按照6m?惰性漿液計算，全部費用不到2000元，遠遠低于常規做法。有效降低了人力、物力及時間成本，避免了一定的經濟損失。

同時，本施工方法避免了人工進倉清理渣土，在安全上得到了巨大的保證，將施工風險降至最低，最大限度的保證了安全效益。

五、結語

在富水砂卵石地層中施工的盾構項目，盾構掘進過程中，需要時刻關注盾構機的各項掘進參數。同時，對每環每斗的渣樣情況均要進行觀察分析，發現參數或者渣樣異常時，需要及時停止施工，研究對策進行處理一場情況。在富水砂卵石地層中，盾構出土時渣土的和易性及渣溫是十分關鍵的技術指標，通過這兩樣數據可以有效的分析土倉內的環境，通過此案例中的施工方法，可以有效改善由砂卵石沉降造成的土倉環境變差的問題，為今后相似地層中的盾構施工提供了一定的參考，具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] 王恩茂， 李冰寬. 基于系統動力學的地鐵盾構管片費用仿真研究[J]. 工程經濟， 2018， v.28；No.244（07）：14-18.

[2] 黃艷玲， 顧偉紅， 王挺. 基于系統動力學的地鐵盾構施工的工期控制模型研究[J]. 項目管理技術， 2018（1）：7-13.

（作者單位：中鐵六局集團有限公司交通工程分公司）