談土壓平衡盾構粘土地層渣土改良技術

葛照國 周 贊 吳 爍

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 210000)

盾構掘進中的理想渣土應有良好的流塑性、較低的內摩擦力、良好的止水性等性質，以滿足對開挖面支撐及順利出渣的要求[1]。目前，大部分盾構渣土改良技術針對砂層、砂卵石地層較多。如寧士亮、喬國剛等提出了北京地區富水粉細砂層渣土改良材料以膨潤土為主、泡沫為輔的措施[2,3]。姜厚停、王春河、郭彩霞等提出了北京無水砂卵石地層應采用泡沫和膨潤土作為混合添加劑來進行渣土改良[4-6]。對于粘土層中的盾構渣土改良技術研究相對較少，本文結合無錫地鐵3號線旺莊路站～黃山路站區間穿越全斷面⑥1粘土層盾構施工中所遇到的工程問題，提出相應粘土層渣土改良技術、盾構推進參數及相關輔助措施，以期為今后類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

該無錫地鐵3號線旺莊路站—黃山路站區間全長1 328 m，區間主要穿越④2粉砂夾粉土層、⑤1粉質粘土層、⑥1粘土層。其中區間穿越全斷面⑥1粘土層高達600 m。⑥1粘土層特性如下：暗綠～灰黃色，硬塑，局部可塑，含灰色條帶，團塊，含鐵錳質氧化物斑點，夾少量鐵錳質結核，偶夾薄層粉質粘土。

2 施工中出現的問題

2.1 排土不暢推進速度緩慢

由于⑥1粘土黏性較大，螺旋機擠出的粘土呈條型整體且連續不分散。由于黏性較大，粘土與地層水不融合，泥水附著表面，在皮帶機上打滑，皮帶機空轉，無法及時將粘土運輸至渣土斗，這就導致排土不暢，推進無法持續進行，嚴重制約了施工效率，如圖1所示。

2.2 螺旋機出土口卡土

由于粘土黏性較強，難以分離，條狀擠出后，易堆積在皮帶機出土口，造成出土口堵塞，皮帶機卡死，需要耗費大量人工清理，清理工作也因粘土黏性較大而變得十分困難，如圖2所示。

2.3 螺旋機出土口噴涌

渣土改良不到位，土體黏性大攪拌不均勻，加入的泡沫劑和水與土體無法有效融合，進入螺旋機后，分別擠出，進而導致螺旋機出渣口出現噴涌情況，噴涌引起皮帶機打滑、土體打滑等不良后果，造成惡性循環，大大降低施工功效。

3 解決措施

3.1 渣土改良

由于粘土黏性較大，在渣土改良過程中，發現僅用普通泡沫改良，無法達到較好的效果。在多次試驗后，推薦采用分散型泡沫劑，即在泡沫內按4∶1的比例摻入分散劑。分散劑在接觸土體后可以與土體發生化學反應，軟化土體，增加土體流塑性，降低土體黏性等效果。與泡沫混合后，通過泡沫系統，分路注入掌子面，在刀盤攪拌過程中，與土體混合反應，最終進入螺旋機的土體，即具有較好的土體流動性。改良效果如圖3所示。

3.2 皮帶機出土口改造

旺—黃區間采用的鐵建重工螺旋機出土口，開口寬度較大，土體被擠出后呈現大塊狀，易堆積在螺旋機出土口，為減小擠出土體的體積，對螺旋機出土口進行了局部改造，在螺旋機出土口上下左右各增加一塊延伸鋼板，鋼板厚度1 cm，螺旋機出土口縮小為35 cm×35 cm的一個正方形出土口，土體被擠壓出后，塊體減小，有效降低了土體堆積在出渣口的風險。改造情況如圖4所示。

3.3 調整推進參數

對于粘土層的推進，應當注意以下幾個問題：

1)半倉推進。對于粘土層的推進，由于粘土黏性較大，自身粘合力較大，攪拌困難，土倉存土不宜超過半倉，如需保壓，建議采用泡沫和土體虛實結合的方法。半倉推進，有利于粘土流動攪拌進而與分散型泡沫充分混合反應，到達螺旋機出土口后，形成流塑性較好的軟散型土體。2)均低速推進。根據渣土改良的效果，調整盾構機的推進速度，建議3 cm/min～4 cm/min。速度較快，會導致刀盤切削土體體積太大或者速度較快無法有效均勻攪拌。這都將影響渣土改良效果，造成出土不暢等問題。放慢速度，保證切削的土體能在土倉充分攪拌并及時被螺旋機運出，可以形成有效的良性循環，從而減小螺旋機堵塞、噴涌等風險。3)增加分散泡沫劑流量適當加水。分散劑泡沫通過刀盤注入到切削的掌子面，與粘土混合，開始攪拌、反應，但由于掌子面開挖面較大，故刀盤注入孔的數量應不低于4路，分散分布于刀盤各切削軌跡，保證與土體充分混合攪拌反應。另外，泡沫劑發泡率不低于5倍，增加發泡，有利于半倉推進和土倉保壓，氣體流量根據具體土壓力控制。由于粘土含水量較少，在推進過程中，應根據渣土改良效果，及時調整加水量，加水管路不應低于2路，流量不低于60 L/min。根據具體出渣情況，可做適當調整。4)刀盤轉速扭矩控制。刀盤轉速一般控制在1.2 rpm～1.4 rpm，刀盤轉速的提高有利于同一時間內，增加泡沫劑和土體的攪拌和反應效果，更好的實現渣土改良。刀盤扭矩不宜高于3 000 kN·m，當刀盤扭矩超過3 000 kN·m時，需做渣土改良調整，否則，高扭矩工作不僅對刀盤磨損造成影響，還會增加刀盤對土體干擾，造成切削土體較大等不良因素。最終都將影響渣土改良，造成出渣不暢、噴涌等。

4 現場應用效果

經過上述幾種方法的優化，渣土改良得到了較大的改善，出土松散，黏性降低，質地變軟，易于運輸，如圖5所示。盾構推進施工引起的地表沉降變形如圖6所示。由圖5和圖6分析可知，盾構掘進施工時，渣土出土狀況良好。盾構施工過程中，地面沉降最大值為-4.12 mm，地表沉降控制效果良好。因此，采取的渣土改良技術及推進參數安全有效，可保證盾構施工順利。

5 結語

無錫地鐵3號線⑥1粘土層，不僅具有較強的黏性，而且中間夾雜部分鐵錳質結核，硬度也較高。針對該地層首先要做好的便是渣土改良，增加分散型泡沫劑的成本投入是性價比較高的選擇。配合出渣口改良、參數調整等輔助措施，可以避免螺旋機噴涌、堵塞等問題，實現連續推進。在無錫后期的施工掘進中，全斷面⑥1粘土層的掘進效率由最初的8環/d提高到了14環/d～16環/d，現場監測顯示：地面沉降控制效果良好，最大為4 mm左右，對類似工程具有很好的借鑒意義。