土壓平衡式盾構穿越全斷面砂層渣土改良技術研究

徐鵬（中交二公局鐵路工程有限公司，西安710065）

1 工程概況

西安地鐵二號線北客站—北苑站區(qū)間位于渭河一級階地，其中10m 左右為砂層埋深。盾構所穿越地層基本為全斷面砂層，砂層分層較為明顯，頂部為不連續(xù)的粉細砂，洞身處主要為中砂，底部為粗砂和礫砂。盾構所穿越地層的細砂、粗砂的平均標貫擊數(shù)在54 擊以上，最大標貫擊數(shù)在88 擊以上；中砂、礫砂的平均標貫擊數(shù)在75 擊以上，最大標貫擊數(shù)為150 擊，特別是盾構隧道穿越的主要地層——中砂層的平均標貫擊數(shù)在101 擊（＞30 擊為密實砂層）。該區(qū)間的地下水位埋深為11.03～12.60m，略高于隧道頂部或與頂部持平。由此可見，該區(qū)間含水量豐富和砂層標貫擊數(shù)高是一個較為顯著的特征，尤其是標貫擊數(shù)高，這給掘進帶來了極大的難度。

2 全斷面砂層掘進存在的問題

因砂性土具有滲透性強、流塑性差、顆粒間幾乎無黏聚力等特點，土壓平衡式盾構機在全斷面砂層掘進時存在以下困難與問題：

1）因砂性土顆粒間的摩擦力較大，其流動性較差，當土艙和螺旋輸送機內充滿渣土時，易導致刀盤扭矩、千斤頂推力以及輸送機的轉矩增大，甚至出現(xiàn)無法排渣現(xiàn)象；并且在掘進過程中，刀盤溫度易超過正常工作溫度，加劇刀盤的磨損，影響整個盾構機的工作性能，甚至導致盾構機停機[1]。

2）砂性土的顆粒粒徑并不均勻，當顆粒粒徑較大（＞5cm）的礫石進入輸送機時，將導致輸送機因油壓升高，進一步導致其溫度超過工作溫度，影響輸送機的運作，嚴重時甚至導致輸送機停轉。

3）砂性土幾乎無黏聚力，流塑性較差，在掘進時容易出現(xiàn)較大粒徑的礫石堆積在土艙底部，并在螺旋機旋轉時向葉片四周移動，使土艙壓力的控制難度加大。

4）在全斷面砂層掘進時，難以實現(xiàn)掘進速度、螺旋機轉速、刀盤扭矩之間的平衡關系，并且刀盤扭矩將隨掘進速度的加快而增加，極易發(fā)生刀盤近乎滿載運行的情況，不利于盾構機的安全掘進[2]。

5）在砂層掘進時，難以形成拱效應，且土艙建壓較難，因此，通過螺旋機控制壓力極為重要，較高的螺旋機轉速將易導致出土量的增加和土艙壓力的降低，較低的螺旋機轉速又難以保證掘進的進行。

針對上述問題，在全斷面砂層中應用土壓盾構機掘進時，必須對開挖面土體和渣土進行一定程度的改良，才可滿足掘進要求，實現(xiàn)盾構機長距離快速掘進。

3 渣土改良試驗方案

渣土改良的本質是增加渣土單位體積內的黏粒含量，改變土層的c、φ等物理力學特性，增加砂土的流塑性，從而改善建壓和出土的效果，使盾構機可長距離快速掘進。

3.1 泡沫劑改良方案

相對于黃土隧道掘進，在行政中心站—運動公園站區(qū)間，部分地段砂層僅占到隧道斷面的80%左右，且地層中含有黃土，僅使用泡沫便可實現(xiàn)渣土的有效改良。當隧道在全斷面砂層地段掘進時，依舊采用泡沫為主要改良劑對土體進行改良，但泡沫用量顯著增加后，其改良效果相對于第一區(qū)間并無改善。

在掘進過程中，因渣土改良效果不佳而出現(xiàn)螺旋齒輪箱進砂等情況，從而致使螺旋機故障，進一步造成盾構機停機1～2 個星期，增加了工期壓力和盾構施工成本。并且，在實際的盾構掘進施工中，盾構機土艙上部土壓僅為0.01MPa，土艙壓力僅能達到掘進的標準，但其掘進過程不受控，難以保證地面建筑物及地下管線的安全。因此，需針對地層條件，對渣土改良方案進行完善改進。

3.2 膨潤土泥漿+泡沫改良方案

經過試驗室數(shù)據(jù)采集及對比分析及現(xiàn)場實踐結果，通過對右線運動公園站—北苑站土體改良試驗，對于全斷面砂層（地下水位未超過螺旋后閘門高度）渣土改良參數(shù)為：鈉基膨潤土和水的質量比為1：10，漿液密度1.07，黏度35s，注入率10%～20%（與渣土體積比）；泡沫劑：發(fā)泡倍率12 倍，原液注入量30～50L，注入率3%～5%（與渣土體積比）。在具體的施工中，要充分結合推進參數(shù)進行調整，保證掘進順利。

根據(jù)計算，盾構雙線每天掘進的總環(huán)數(shù)最多為20 環(huán)，膨潤土用量為120m3，在地面修建膨化池2 個（每個90m3）、鋼制拌漿池2 個、放漿池1 個、拌黃土漿池1 個，可以滿足盾構施工需要。同時采用箱體運輸，需對編組列車進行新的編組，需在最后一節(jié)渣車和砂漿車之間增加運輸膨潤土的箱體車。膨化時，利用反循環(huán)泥漿泵使泥漿循環(huán)，并通過移動泥漿泵的位置來確保泥漿不沉淀。膨化24h 后，利用反循環(huán)泥漿泵將泥漿抽至放漿池中，再通過管道放至7m3漿車或用渣車改造的12m3漿車運送至隧道內，然后用泥漿泵抽至加泥箱進行使用。

3.3 膨潤土+黃土混合泥漿改良方案

在該區(qū)間掘進進行中，發(fā)現(xiàn)刀盤扭矩波動越來越大，刀盤扭矩與總推力、螺旋轉速很難達到協(xié)調，通過對渣樣進行分析，發(fā)現(xiàn)渣土的顆粒粒徑由最大2～3cm 增大至最大5～10cm。

根據(jù)現(xiàn)象分析，造成刀盤扭矩與其他參數(shù)不協(xié)調的原因是地層變化為礫砂層，地層中礫石的含量明顯增多。當盾構機切削含有大粒徑礫石時，由于普通膨潤土泥漿密度較低（僅能達到1.07），在出渣時，較大粒徑的礫石易堆積在盾構機土艙的下部，導致刀盤旋轉時的扭矩增大。對于此種現(xiàn)象，可通過增大膨潤土泥漿的比重，使較大粒徑的礫石被順利排出，從而降低刀盤旋轉的扭矩。因黃土在西安地區(qū)便于收集，故考慮在膨潤土泥漿中加入部分黃土。

經過反復試驗，最終確定膨潤土：黃土為3：2，泥漿密度由1.07 增加至1.17，盾構機可順利排出較大粒徑的礫石，刀盤扭矩趨于平穩(wěn)。

4 渣土改良的效果評價

4.1 降低刀盤內外周溫度

因砂性土的流塑性較差、內摩擦角大等特點，盾構在全斷面砂層掘進時易造成刀盤內外周溫度急劇上升，迅速超出正常的工作溫度（30～40℃）達到停機溫度（60℃），甚至達到刀盤物理變形溫度（70℃），從而導致盾構機停機，影響施工速度，增加工期和經濟壓力。

當盾構機穿越北三環(huán)輔道時，此段砂層因受地面車輛動荷載的影響而較為密實。在此段掘進時，刀盤的內周溫度在30min 內迅速升至60℃，土體溫度升至42℃，此時須停機降溫。為降低刀盤密封溫度，向刀盤前方注入大量膨潤土和泡沫，但效果并不理想，僅將刀盤溫度降至40～50℃，勉強滿足掘進要求。為使刀盤密封溫度進一步降低，適當改造了盾構機的加泥管路，將主要加泥管路連至刀盤面板后，刀盤密封溫度顯著降低，由之前的46～48℃降至32～35℃。具體有：

在盾構機掘進至40～90 環(huán)時，刀盤的平均密封溫度約為50℃；當掘進至90～140 環(huán)時，因提高了膨潤土和泡沫用量，并適當改造了盾構機的加泥管路，刀盤密封溫度有一定程度的降低，約為40～50℃；在盾構機穿越繞城高速（140 環(huán)）后，刀盤密封溫度進一步降低，約為30～40℃，后期溫度基本保持在30℃上下。由此可知，通過渣土改良結合對加泥管路改造技術可將刀盤溫度降低至正常工作溫度。

4.2 流塑性增加，和善性改善

渣土過干將導致螺旋機油壓增大、排渣困難的現(xiàn)象發(fā)生，嚴重時將導致螺旋機卡死，須進行人工排渣，盾構機才可恢復正常工作；渣土過稀則會造成渣土從皮帶與皮帶架的間隙處流出，進一步污染雙軌下的管片和已成型隧道，須進行人工清理；可見，渣土不論是過干還是過稀，均會增加不必要的人工勞力，增大工期和經濟壓力。因此，為改善這種狀況，使渣土可以被順利排出，對渣土進行改良，增加渣土的流塑性和改善其和易性極為必要。

一般可通過塌落度試驗來側面驗證渣土的改良效果。渣土進行改良后，能具有較好的流動性，并且可黏結在一起，使流塑性得以改善，且改良效果較好。在施工現(xiàn)場，因現(xiàn)場情況復雜，可在施工時通過以下方法判斷評價渣土的改良效果：（1）觀察螺旋機的回轉壓力以及出渣狀況；（2）直接取皮帶上的渣土進行觀察。

圖1 為渣土改良對螺旋機回轉壓力影響曲線，從中可以看出，在掘進至40～120 環(huán)時，因渣土改良技術暫不成熟，螺旋機回轉壓力大致為6MPa，有較大的波動；隨著盾構繼續(xù)掘進至160 環(huán)后，因改良技術的不斷完善，回轉壓力顯著降低，最終穩(wěn)定在3MPa 上下，渣土改良效果明顯。實踐表明，膨潤土泥漿+泡沫改良方案可有效改良砂性土的和善性以及流塑性，具體表現(xiàn)為螺旋機回轉壓力的降低程度和出渣順利程度。

圖1 渣土改良對螺旋機回轉壓力的影響曲線

4.3 潤滑作用

該區(qū)間基本為全斷面砂層，但少量地段為粉質黏土與中砂組成的復合地層，在這種地層中掘進時，由于刀盤切屑和土艙旋轉，黏土塊和砂粒黏結在一起，處于砂裹泥的狀態(tài)，雖有利于出土和掘進，但加劇了螺旋機與砂粒間的摩擦，從而致使螺旋機損壞。

盾構掘進遇到此類地質條件時，膨潤土泥漿的使用也是必不可少的。此時，膨潤土泥漿不以改良渣土為首要目的，而是以潤滑為主，尤其是對螺旋機及其葉片的潤滑作用，可有效降低施工難度和經濟成本。

5 結語

針對土壓盾構機在全斷面砂層中掘進所遇到的問題，根據(jù)地層中砂礫的含量、粒徑等特點，不斷優(yōu)化和改進對渣土改良劑的配比、性能，并結合現(xiàn)場實際試驗，將渣土調整至最佳的塑流狀態(tài)，使得土壓平衡盾構能很好地適應全斷面砂層掘進，實現(xiàn)盾構機長距離快速掘進。