土壓平衡盾構區段粉質黏土渣土改良技術探討

孟憲雷

摘 要：在土壓平衡式盾構施工過程中，通過對渣土進行改良，改善渣土塑性、流動性，降低渣土的透水性，使之具有良好的塑性變形、軟稠度、小內摩擦角及低滲透率。渣土改良效果對降低工程造價、提高工程施工進度都有著決定性的作用。文章通過對西安地鐵 5 號線 TJSG-3 標段粉質黏土改良情況進行分析研究，并通過不同渣土改良方案的實施對比，提出合理的渣土改良技術方案，施工的實施結果驗證了技術方案的可行性。

關鍵詞：地鐵;土壓平衡盾構;粉質黏土;渣土改良;技術探討

中圖分類號：U445.9

1 工程概況

西安地鐵5號線一期工程西起西郊和平村，東至紡織城火車站，工程全長25.24km，其中地下線24.04km、高架線1.05km，地面線0.15km，共設置地下站20座，高架站1座 。

5號線TJSG-3標段阿房宮—西窯頭區間深度60.0m范圍內的地層主要由人工填土、中砂、沖積粉質黏土、粗砂及粉質黏土等組成。盾構通過地段主要為粉質黏土地層，其中粉質黏土約占50%。區間地下水為第四系松散層孔隙潛水，地下水水位埋深13.1～22.1m，水位高程383.27～385.40m。潛水位埋深受蒸發影響較大，夏季天氣炎熱，蒸發量大，年水位變幅1.0～2.0m。

阿房宮—西窯頭區間地層地質構成見圖1。

2 盾構掘進初始參數確定

根據西安地鐵粉質黏土地段盾構推進數據分析，同時借鑒類似工程地質條件下的盾構施工參數，初步設定盾構推進的各項初始參數。

（1）推力。初始推力盡量控制在1 000 t以內，最大不得超過1 500 t。

（2）土艙壓力。根據太沙基公式計算并結合始發階段的實際推進情況，初步設定土壓為100 kPa，根據地面沉降監測報告及時進行調整。

（3）刀盤轉速。1.2～1.3 r/min。

（4）刀盤扭矩。一般控制在2 000 kN · m以下。

（5）推進速度。30～50 mm/min。

3 盾構掘進情況分析

（1）土壓波動較大。本標段粉質黏土黏性大，滲透率低，刀盤的開口率56%，推進過程中易出現大塊土體，渣土改良效果較差，對土壓傳感器形成沖擊，造成土壓波動幅度較大。

（2）扭矩變化較大。在粉質黏土推進過程中，當推進速度超過50mm/min時，刀盤扭矩快速增大，說明掌子面土體強度高;土艙內的渣土流塑性比較差，刀盤需要克服的阻力增大，扭矩能迅速達到3 000 kN · m以上。

（3）出土困難。本標段粉質黏土強度高，渣土的和易性和流塑性較差，渣土與螺旋機殼體間的摩擦力大，螺旋機需要克服的阻力過大;螺旋輸送機出渣口設計方面存在不足，渣土在出土口處易失水固結，造成螺旋機壓出土困難現象。這說明渣土改良效果較差，渣土黏稠度過高，流塑性、和易性不好。

通過分析總結，盾構試推進產生的以上問題主要是由渣土黏性大及渣土改良效果差造成的。

4 盾構掘進渣土改良技術方案及試驗驗證

粉質黏土吸水膨脹，失水收縮，黏性強，滲透率低，不能滿足施工要求。結合地質實際情況，采用泡沫劑進行渣土改良，泡沫劑的配合比為2%，泡沫劑注入率為75%，膨脹率為8%。在注入泡沫劑的同時，通過增壓水泵適量注水，并根據實際推進及出土情況調整注水量。

4.1 渣土改良技術方案選擇

（1）方案1，向螺旋機內注入泡沫劑進行渣土改良。粉質黏土在通過螺旋機排出時，黏性土體充滿螺旋機腔內，渣土改良效果無明顯改善。

（2）方案2，利用泡沫進行土倉內渣土改良，利用膨潤土系統進行土艙加水。該方案結果表明，螺旋機出土能力有一定的提高，但由于膨潤土管路位于土艙下方，水壓較低，無法注入渣土內，易出現泥水分離，造成皮帶機輸送能力降低。通過觀察，渣土塊外部有一層泥漿，內部硬度依然較高，渣土從螺旋機口掉落在皮帶輸送機表面打滑堆積，以至于皮帶輸送機被堆積的渣土壓停，表明土艙內渣土改良效果無明顯改善。

（3）方案3，增壓水泵對土艙進行加水，適當提高泡沫注入量，對推進參數進行優化：①提高盾構刀盤轉速，降低盾構掘進速度，刀盤轉速控制在1.2～1.3r/min，掘進速度控制在30～45mm/min;②減小刀盤的貫入度，將刀盤的扭矩控制在2000kN · m以內;③掘進時，利用增壓水泵將水注入到土艙內，并適當提高注入到刀盤面板上的泡沫量，根據出土情況調整注水量;④將螺旋后門的開口度適當減小，避免大塊渣土堆積在皮帶上。該方案結果表明，通過優化施工參數，渣土改良效果明顯改善，滿足施工進度要求。

本工程推薦方案3。

4.2 渣土改良效果試驗驗證

為了進一步驗證方案3對粉質黏土的改良效果，特進行如下試驗。

（1）盡可能模擬施工環境，試驗黏土取樣要有代表性，以降低盾構穿越這種地層時的風險。

（2）對泡沫劑原液濃度按1%、2%、3%、4%、5%、6%的摻量進行稀釋（圖2），繪制發泡劑濃度與半衰期關系圖，給出泡沫稀釋后最優時的泡沫濃度。

（3）按最優泡沫濃度稀釋液與泥巖質量比為1：1、1 ： 2、1 ： 3、1 ： 4、1 ： 5、1 ： 6的比例充分拌合，測定經泡沫劑改良后拌合料的坍落度數據，分別給出單獨使用泡沫劑為改良劑時的最佳配比。

通過以上試驗得出如下試驗結果。

（1）圖3給出了發泡劑濃度-半衰期關系曲線，由圖3可見，發泡劑濃度從1%提高到6%，溶液所發出的氣泡的半衰期由7.5 min上升到14.5 min，所發出的氣泡趨于穩定;發泡劑濃度從1%提高到3%時，氣泡的半衰期由7.5 min上升到13.5 min，氣泡穩定性變化明顯;發泡劑濃度從3%提高到6%時，氣泡的半衰期由13.5 min上升到14.5 min，氣泡穩定性變化不大。

（2）圖4給出了發泡劑濃度-最大發泡倍率關系曲線，由圖4可見，發泡最大發泡倍率隨發泡劑濃度的升高而增加，濃度從1%提高到3%時，最大發泡倍率為28～58;濃度從3%提高到6%時，最大發泡倍率保持在57，表明發泡倍率不再受發泡劑濃度的影響。

（3）圖5給出了拌合料質量比-坍落度關系曲線，由圖5可以看出，坍落度隨發泡劑稀釋液摻量的減少而降低，從1 ： 1到1 ： 6，拌合料坍落度由260 mm下降到30mm，可見，隨著發泡劑稀釋液摻量的減少，坍落度趨于穩定;發泡劑稀釋液摻量從1 ： 1到1 ： 2時，拌合料坍落度由260 mm下降到210 mm，拌合料的流塑性最強，但無黏性;發泡劑稀釋液摻量從1：2到1 ： 4時，拌合料坍落度由210 mm下降到160 mm，拌合料的流塑性最佳，黏性最強;發泡劑稀釋液摻量從1 ： 4到1 ： 6時，拌合料坍落度由160 mm下降到30 mm，雖然拌合料黏性最強，但幾乎無流塑性。

5 工程實施效果

（1）注水量與出土效率。通過試驗數據記錄分析可知，隨著注水量增大，出土時間縮短;盾構掘進速度為40mm/min、轉速為1.3 r/min，泡沫注入量為60 L/min，增壓水每環注入量為2 m3時，每斗出土時間趨于穩定，渣土的均一性良好，基本無大塊狀土;盾構掘進速度加快，渣土容易出現攪拌不勻的現象，出土效率降低，推進時間延長。

（2）注水量與螺旋壓力。注水量增加，螺旋機壓力下降;盾構掘進速度為40 mm/min，泡沫注入量為60 L/min，螺旋轉速為8～10 r/min時，螺旋機壓力降低為7～8 MPa，可以實現螺旋的順暢連續出土;注水量繼續增加，渣土比較稀，螺旋機壓力降低到6 MPa以下，皮帶機運送渣土能力下降，出土效率降低。

（3）推進速度與扭矩。盾構刀盤轉速1.3 r/min，盾構掘進速度30～45 mm/min時，刀盤扭矩小于1500kN · m;

盾構掘進速度超過50mm/min時，盾構刀盤扭矩迅速增大。

6 結束語

渣土改良是盾構施工過程中的重點和難點。本文對粉質黏土改良技術進行了探討和分析，通過理論分析和現場試驗驗證，最終確定了粉質黏土渣土的有效改良方法和相適應的配合比，并在工程施工中得到了良好的應用，取得了較好的渣土改良效果。希望本文能夠為類似工程地質條件的渣土改良提供借鑒。

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收稿日期 2019-11-16

責任編輯 朱開明