土壓平衡盾構施工中渣土改良技術的應用

潘 真

（中交第二航務工程局有限公司工程裝備分公司，湖北 武漢 430000）

0 前言

盾構掘進由于其隧道洞身范圍內地質條件復雜，掘進過程中會遇遭遇諸多困難。對于地下水豐富的地區(例如成都地區)，掘進過程中掌子面易塌陷，造成地表沉降變形；砂卵石地層自穩性差，渣土進入盾構機土倉后，流塑性差，土倉壓力不穩定，施工中不易保壓，容易造成超挖和掌子面塌陷；同時，在卵石地層掘進，刀盤刀具在摩擦過程中，易造成刀盤和刀具的非正常磨損與損壞，嚴重影響施工速度和效率，若進行停機更換刀具，風險較高。

為提高盾構施工效率，綜合考慮各種因素十分必要，其中，土壓平衡盾構渣土改良試驗在工程實踐中具有重要作用，通過取樣試驗測試土體的坍落度，進而得到地層含水量與泡沫比之間的函數關系，通過添加劑進行渣土改良，提高流動性和排土效率。本文將對試驗情況和應用效果進行闡述。

1 盾構機在砂卵石地層中掘進時可能出現的不利情況

(1)當砂卵石地層處于無水狀態時，由于砂粒之間相互咬合，產生了內摩擦，土體流動性差，在土倉中充填渣土時，刀盤扭矩增大，螺旋式輸送機輸送土渣的扭矩隨之增大，造成土倉排土不暢，嚴重時還會產生刀盤結泥餅現象，直接影響盾構掘進。

(2)無水砂卵石地層中未改良的渣土的流塑性較差，造成掘進時刀盤的阻力較大，盾構機的推力增加，刀盤刀具由于摩擦產生的熱溫度升高，磨損加劇，從而影響盾構機的工作性能和掘進效率。

(3)由于砂卵石地層流塑性差，開挖面自穩性差，土倉壓力控制波動頻繁，使開挖面穩定性難以維持，直接影響地表隆沉幅度的增加，造成地表沉降和建筑物沉降難以控制。

2 土壓平衡盾構渣土改良試驗

2.1 渣土級配以及渣土的含水率

通過相關研究發現，影響渣土流動狀況的因素很多，其中級配較為顯著。所以在實際操作中對級配要求把握準確，可通過現場試驗得到。試驗結果表明，當顆粒大小達到一定數值時，對結泥餅影響較小。實際資料表明，在盾構施工過程中，渣土的含水量仍處于一種變化狀態。綜合統計結果選取了粒徑不同但性質相同的樣本為試驗對象，下述實驗選取了三組樣本為實驗對象，分別測試其含水量。

2.2 泡沫改良劑以及渣土改良的具體試驗

本次試驗選擇改性泡沫劑為對象，并和業內廣泛使用的一些改性泡沫劑進行對比。為便于記錄數據和參數，對改良后的渣土坍落度狀況設定了明確的評價指標。實際上，坍落這一評價指標包含了許多內容，其中又以土質和稠度為主要影響因素，因此根據具體情況，試驗確定較為合適的坍落度值。

3 土壓平衡盾構渣土改良試驗結果

3.1 試驗結果

在試驗過程中詳細記錄試驗中對盾構施工渣土改良的結果，對土質狀況也做了詳細的分析。實驗過程中改良效果的確定依賴于觀測方法，通過觀察渣土的流動性來判斷。研究結果表明，狀態良好的土體，其坍落度參考值保持在17～20mm之間。通過試驗結果可以看出，在用泡沫改良劑對其進行改良試驗時，當土壓平衡盾構渣土的含水量較高時，對其使用的泡沫改良劑較少。在含水量較低時，更多的泡沫改良劑將被使用。

3.2 渣土改良參數范圍選定

在選擇渣土改良參數范圍時，應結合渣土改良效果，包括渣土的含水量和用于渣土改良的泡沫改良劑量，通過擬合這些數據，可以得到二者之間的函數關系，從而確定渣土改良輔助工法的各項參數。在一般工程施工中，土壓平衡的建立需要適當的條件，如果遇到含水率較高或者較低的地層，則建立土壓平衡比較困難，盾構施工的復雜性增加了其施工難度。因此，要想對渣土進行改良，最好的方法就是把渣土含水量控制在適當范圍內。在具體試驗中還需考慮渣土改良泡沫劑用量和配比問題，由于不同泡沫劑配比導致渣土的狀態不同，因此應注意渣土物理性質指標。這樣就可以客觀、綜合的選擇出渣土改良添加劑使用的一些參數范圍。

3.3 渣土改良施工參數的形成

在土壓式盾構渣土改良試驗結束后，對試驗得到的各項參數進行驗證和優化，對實際應用才有意義。改進后的施工參數可用于現場施工，除考慮改進后的發泡劑濃度和起泡速率外，還應結合氣壓和土壓。在此過程中，需注意各參數的精度，所以必須綜合基本情況，結合精確的參數控制得出盾構施工每環渣土改良的參數范圍。實驗結果表明，注水量為550～110L/環時，其泡沫劑用量應在30～50 L/環。同時，為了保證參數能夠真正指導實踐，對于土壓平衡盾構渣的改良具有實踐意義，需要在改良參數的過程中確定相應的原則，增加水流量時，應按增加的比例控制泡沫劑的用量的增減，最后得到的參數結果也是有效的。

4 土壓平衡盾構渣土改良精細化控制

4.1 渣土改良施工控制參數

為加強土壓式盾構施工渣土改良控制參數的有效性，必須后續對其參數控制進行進一步優化。通常情況下，影響渣土改良參數的主要因素是所處盾構施工項目的工況，例如盾構掘進時的速度對渣土改良參數的影響占比就很大。因此需要將這些因素結合起來確定渣土改良參數。在此需要三個參數，一是盾構每環掘進速度，二是泡沫劑用量，三是注水量，然后綜合掘進速度、泡沫劑用量和注水量之間的關系，最終確定渣土改良施工控制參數。

4.2 渣土改良參數現場驗證

為了保證試驗結果的可信度，需要對改良措施采用后的盾構施工渣土適應性性進行驗證。除對改良參數進行統計分析外，還應觀察掌握改良前后土渣的性質狀態，并進行記錄。每環添加劑注入率若有較大浮動，往往是由于盾構掘進速度與添加劑注入率匹配不夠所致。若盾構掘進速度和添加劑注入率相互匹配，盾構掘進就會進入穩定狀態。研究結果表明，因為盾構掘進過程中地質情況的變化，會出現某些不可控的情況，所以須根據實際情況調整改進改良添加劑的用量。這樣一來，盾構掘進中各項參數才會得到優化，對實際施工產生的效益才會明顯。

5 渣土改良相關建議

施工中渣土含水率調整至15%，膨潤土添加3～5%，泡沫劑添加10～15%(原液比例3%)，土質坍落度可達140～180 mm，滿足土壓平衡盾構渣土改良的需要，渣土具有良好的流動性，排土運輸較為理想。

（1）對于砂卵石地層，單獨用泡沫劑改良砂卵石渣土的效果并不理想，需要考慮同步加入一些膨潤土的方式進行渣土改進。但施工過程中泡沫劑和膨潤土泥漿在掌子面上會有流失，為確保改善渣土的效果，施工時添加的添加劑的比例要比試驗室結果稍大。

（2）在工程實踐中，通過室內試驗得出的渣土改良添加劑的最佳比例，使盾構掘進速度明顯提高，刀盤扭矩減小，土倉土壓控制較好，總推力減小，掌子面穩定性增強，施工效果顯著改善。

6 結語

在國內，土壓盾構渣土改良技術作為其施工工法的一個重要組成部分，對地鐵施工有著深遠的影響，對降低盾構施工成本，提高掘進進度有著重要的作用。本文對渣土改良技術中的泡沫劑的使用進行了初步試驗探索，但因為試驗中往往不能考慮施工過程中的所有客觀因素，導致最終試驗結果仍然不夠精確，推廣使用的指導意義較為局限。為此，后續還將進行進一步優化試驗方法和論證改良效果，以得出更為有效的數據，為其他同類型項目施工提供參考數據。