穿越砂層盾構(gòu)施工渣土改良及施工參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

摘要：盾構(gòu)在全斷面砂層中掘進(jìn)時(shí)，因?yàn)樯皩硬痪哂姓尘哿Γ矣休^好的滲透性和較高的標(biāo)準(zhǔn)貫入值，使得盾構(gòu)機(jī)刀盤在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)較大磨損，難以建立土倉壓力。若不對(duì)渣土進(jìn)行改良，將會(huì)出現(xiàn)地面沉降等情況。結(jié)合現(xiàn)有研究和施工經(jīng)驗(yàn)，通過膨潤(rùn)土對(duì)砂地層進(jìn)行改良，開展不同工況下的渣土改良試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)性提出建議措施。

關(guān)鍵詞：砂層；盾構(gòu)施工；渣土改良；優(yōu)化

0" "引言

作為不穩(wěn)定軟弱地層中的一種，砂粒土層有較小的粘聚力和較高的靈敏度。當(dāng)盾構(gòu)刀盤在對(duì)土體進(jìn)行切削時(shí)容易出現(xiàn)較大擾動(dòng)，導(dǎo)致原有地層相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)受到破壞，使得開挖面失去穩(wěn)定性，嚴(yán)重的可能引發(fā)地表塌陷等情況[1]。砂土流塑性較差，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)刀片在切削和輸送土體時(shí)的效果較差，在全斷面砂層掘進(jìn)時(shí)難以控制開挖面土壓力，使得建立土壓平衡存在一定難度，容易引發(fā)噴涌等情況，對(duì)施工和地上建筑物安全造成一定影響[2]。因此，通過渣土改良改善盾構(gòu)機(jī)在砂質(zhì)地層的施工狀況非常必要。

1" "渣土改良試驗(yàn)內(nèi)容

從現(xiàn)有研究可以知道，在對(duì)砂性土改良中，通過添加泡沫劑的方式，可使砂性土滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度有所降低，通過添加膨潤(rùn)土的方式，則可使砂性土保水性和流動(dòng)性等有所提高。基于此，本文希望通過試驗(yàn)的方式，確定類似項(xiàng)目的膨潤(rùn)土和改良劑參數(shù)[3]。

試驗(yàn)內(nèi)容如下：采集現(xiàn)場(chǎng)級(jí)配參數(shù)不同的砂土，并進(jìn)行試驗(yàn)用砂土的配置；對(duì)改良前后的各類砂土粘聚力和內(nèi)摩擦角強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定；對(duì)改良前后的配置砂土滲透系數(shù)、坍落度進(jìn)行測(cè)試；對(duì)膨潤(rùn)土泥漿稠度和比重進(jìn)行測(cè)定。

2" "渣土改良試驗(yàn)方案

基于試驗(yàn)?zāi)康摹⑸巴练N類和結(jié)構(gòu)特性等設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)。

工況一：拌制膨潤(rùn)土成濃度不同的泥漿。測(cè)試各試驗(yàn)組的黏度和比重，并繪制各關(guān)系曲線，以取得泥漿濃度和膨化時(shí)間的最佳值。

工況二：根據(jù)砂土級(jí)配曲線收集各材料，確定原始含水量和密度，并加水使其飽和后，再對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。基于不同的體積比配置纖維素鈉和砂土，根據(jù)比例對(duì)砂土中纖維素鈉和泥漿用量進(jìn)行計(jì)算。在充分進(jìn)行攪拌之后，對(duì)各類土在改良后的物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，得出最佳比例的纖維素鈉和砂土。不同工況下的試驗(yàn)組合如下：在工況1下，水土質(zhì)量比分別為6：1、8：1、9：1、10：1、12：1、14：1；在工況1下，纖維素鈉與砂土體積比分別為1：8、1：9、1：10、1：12、1：14。

試驗(yàn)步驟如下[4]：為確保膨潤(rùn)土質(zhì)量有所保障，需對(duì)進(jìn)場(chǎng)材料參數(shù)做出嚴(yán)格控制，應(yīng)對(duì)每一車進(jìn)場(chǎng)材料進(jìn)行檢測(cè)。在試驗(yàn)室中配置比例不同的膨潤(rùn)土。經(jīng)調(diào)研和比選，決定使用2臺(tái)自動(dòng)攪拌設(shè)備，并添加400m3的膨化池進(jìn)行試驗(yàn)，在拌和膨潤(rùn)土至均勻之后，基于試驗(yàn)要求應(yīng)確保膨化時(shí)間在24h以上。

按照工程需要，改良后的砂層應(yīng)呈現(xiàn)出流塑狀的渣樣。針對(duì)該種情況，決定使用坍落度法結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)塌落度法可以知道，渣樣在坍落度（120±20）mm時(shí)有較好的改良效果。而通過經(jīng)驗(yàn)法可知，在滿足用手握渣樣時(shí)，指縫中有渣樣流出，且用手掂砂時(shí)，可將砂掂起來而又不至于全部流出手掌時(shí)，其具有較好的改良效果[5]。所配備渣土改良漿液的配合比如表1和表2所示。

經(jīng)過和專家組的溝通之后，為更加便于操作，決定只使用1：9和1：6兩組膨潤(rùn)土開展試驗(yàn)。在1：9的比例適合在小于16%土體含水率的工況中使用，1：6的比例適合在大于16%土體含水率的工況中使用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件適當(dāng)添加纖維素鈉，以使黏度有所增長(zhǎng)。

3" "渣土改良試驗(yàn)結(jié)果分析

所依托項(xiàng)目處于黃土層和全斷面砂層，因其砂層的粘聚力為0，且有較好的滲透性和較高的標(biāo)準(zhǔn)貫入值，導(dǎo)致在全斷面砂層中使用盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，刀盤和刀具均有較大的磨損，且難以建立土倉壓力。借鑒現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合業(yè)內(nèi)專家的意見，決定通過膨潤(rùn)土改良砂層地質(zhì)。

3.1" " 渣土改良試驗(yàn)方案

經(jīng)24h以上的膨化之后，對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行攪拌以使其黏度大于35s，并將其運(yùn)輸至盾構(gòu)機(jī)以儲(chǔ)存起來。同時(shí)在刀盤前方注入泡沫，以增大土體流動(dòng)性，通過刀盤和攪拌棒充分混合泡沫、膨潤(rùn)土以及土體，使土體粘聚力和流動(dòng)性有所增強(qiáng)。為使切土量和出土量平衡，確保開挖面保持平穩(wěn)，需適當(dāng)調(diào)整螺旋機(jī)閘門開合度和轉(zhuǎn)速。為增強(qiáng)土體和易性，在砂層施工時(shí)，需在盾構(gòu)機(jī)中注入配置好的漿液。

3.2" " 改良劑參數(shù)分析

基于現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇膨潤(rùn)土改良劑的注入量，得到左、右線膨潤(rùn)土改良劑參數(shù)變化如圖1和圖2所示。從圖1、圖2可以看到：在膨潤(rùn)土改良劑使用情況中，在左線地層中，中砂地層、中砂和粉細(xì)砂復(fù)合砂層、礫砂地層、中砂和礫砂復(fù)合砂層分別的使用量分別2.95m3、2.99m3、3m3、3.2m3；在右線地層中，粗砂地層的使用量為5m3，其他兩種地層的使用量均為3m3。將隧道下穿施工的各參數(shù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可以看出，相比于右線，左線有更加平穩(wěn)的參數(shù)控制效果，參考價(jià)值更高。

3.3" " 改良參數(shù)控制

綜合上述分析，確定該隧道施工時(shí)各項(xiàng)參數(shù)的控制如下：

控制左上部土艙壓力保持在0.075～0.090MPa范圍內(nèi)。考慮土倉壓力在拼裝管片時(shí)會(huì)出現(xiàn)約0.03MPa的損失，因此在推進(jìn)一環(huán)直到快結(jié)束時(shí)應(yīng)該以0.1MPa作為土倉壓力的控制值，以避免失壓導(dǎo)致土倉壓力過低。

盾構(gòu)在下穿輔橋時(shí)保持1500t的推力和0.083MPa的平均土壓；在下穿涵洞時(shí)保持1773t的推力和0.075 MPa的平均土壓；在下穿輔道時(shí)保持1850t的推力和0.075MPa的平均土壓。以0.65%～1.5%控制泡沫劑百分比，以1：8～1：11控制發(fā)泡率，以35L/環(huán)的數(shù)值控制泡沫原液。

盾構(gòu)刀盤直徑為6287mm，理論建筑空隙為4.16m3。以每環(huán)1.43～1.69倍理論空隙作為管片空隙的實(shí)際壓注量，即以6～7m3作為每環(huán)同步注漿量，每環(huán)注漿量必須在6m3以上。使用4h初凝漿液作為同步注漿液，單位體積的材料質(zhì)量如下：膨潤(rùn)土60kg，水泥185kg，粉煤灰230kg，砂860kg，水40kg。注漿壓力為0.03～0.05MPa。

4" "砂性地層掘進(jìn)控制措施

隧道需在中砂和粗砂地層中施工。砂層缺乏穩(wěn)定性和均勻性，施工時(shí)容易出現(xiàn)地面變形和難以調(diào)整控制盾構(gòu)姿態(tài)的情況。砂性土具有較好的滲透性，在土倉壓力作用下容易排除水分而提高土體強(qiáng)度，并使推進(jìn)摩阻力有所增強(qiáng)，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩和總推力下降。砂層土有較高的密實(shí)度，盾構(gòu)刀盤容易出現(xiàn)較大磨損[7]。因此，需結(jié)合砂層特性確定盾構(gòu)機(jī)的類型，再通過對(duì)應(yīng)的施工措施相輔助，以確保盾構(gòu)施工的安全性。

4.1" " "盾構(gòu)掘進(jìn)建議措施

4.1.1" "優(yōu)化施工參數(shù)

為對(duì)隧道的施工穩(wěn)定性進(jìn)行控制，需按以下要求調(diào)整相關(guān)的施工參數(shù)：一是控制土壓力。提高土倉壓力，以降低后期沉降量。二是控制掘進(jìn)速度。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越粉砂等密實(shí)地層時(shí)，刀盤扭矩和推力將會(huì)有所增大，應(yīng)將盾構(gòu)掘進(jìn)的速度控制在25～35mm/min。三是盾構(gòu)糾偏量的控制。在確保連續(xù)施工的前提下適量變化盾構(gòu)姿態(tài)，基于緩糾和勤糾的原則糾偏盾構(gòu)姿態(tài)。四是控制同步注漿量。在粉砂等土層施工時(shí)，應(yīng)使同步注漿量大于土層，施工時(shí)應(yīng)使注漿量適當(dāng)提高，并基于監(jiān)測(cè)情況作出適當(dāng)調(diào)整。五是壓注盾尾油脂控制。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越粉砂土層時(shí)，盾尾容易出現(xiàn)漏水或漏砂等現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)盾尾油脂壓注量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

4.1.2" "合理使用渣土改良劑

采用泡沫劑壓注和添加膨潤(rùn)土改良的方式，可使土的流塑性有所提高。為使盾構(gòu)得以順利掘進(jìn)砂層，項(xiàng)目決定設(shè)置200m3的膨潤(rùn)土發(fā)酵池，根據(jù)施工情況適當(dāng)加入膨潤(rùn)土發(fā)酵液，以使土倉壓力穩(wěn)定。為確保掌子面土體的穩(wěn)定性，在將渣土改良劑注入時(shí)還需控制排土和地表沉降。因?yàn)樯靶酝翝B透系數(shù)較大，孔隙水壓變化率較快，土體可在較短時(shí)間內(nèi)疏干，因此需對(duì)千斤頂伸縮速度進(jìn)行調(diào)整，使兩者相互配合，以確保盾構(gòu)機(jī)保持良好的推進(jìn)速度。

4.2" nbsp; 優(yōu)化同步注漿和二次補(bǔ)壓漿

在掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)使足夠的漿液材料充填入管片背面空隙處，并同步進(jìn)行注漿，以使地面沉降有所減小。凝固后漿液約有1.4%的體積縮小和一定體積的流失，會(huì)使管片背面出現(xiàn)空腔，對(duì)地層穩(wěn)定較為不利，因此應(yīng)及時(shí)填充空腔，以控制地面下沉。

隧道成形后，若漿液凝固或同步注漿不足，管片背面會(huì)產(chǎn)生空腔。富水地帶常會(huì)有地下水匯集，并出現(xiàn)水囊，對(duì)此應(yīng)及時(shí)加固管片止水條，以避免該位置出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。再使用二次注漿對(duì)空隙進(jìn)行完全填充，使水囊得到消除。二次注漿可以使盾構(gòu)穿越粉砂土?xí)r因漿液干縮導(dǎo)致的地表沉降有所減小。

一般將雙液漿作為二次注漿漿液，具體配合比如下：對(duì)于水泥漿液，水泥和水的質(zhì)量比為1：1.3；對(duì)于水玻璃液，水玻璃和水的體積比為1：1。水泥漿液和水玻璃液的比值為1：1，以35s作為初凝時(shí)間。一般在管片脫出盾尾5環(huán)時(shí)開始進(jìn)行二次注漿，下穿各建筑物時(shí)應(yīng)按照高出同步注漿0.05MPa的要求進(jìn)行二次注漿，并結(jié)合隧道埋深和地下水壓等因素綜合考慮，確保設(shè)定準(zhǔn)確無誤。

5" "結(jié)語

盾構(gòu)在全斷面砂層中掘進(jìn)時(shí)，因?yàn)樯皩硬痪哂姓尘哿Γ矣休^好的滲透性和較高的標(biāo)準(zhǔn)貫入值，使得盾構(gòu)機(jī)刀盤在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)較大磨損，難以建立土倉壓力。若不對(duì)渣土進(jìn)行改良，將會(huì)出現(xiàn)地面沉降等情況。

本文結(jié)合現(xiàn)有研究和施工經(jīng)驗(yàn)，通過采用膨潤(rùn)土對(duì)砂地層進(jìn)行改良，開展不同工況下的渣土改良試驗(yàn)，得到以下成果：16%的砂樣含水率適合使用1：9的膨潤(rùn)土，20%的砂樣含水率適合使用1：6的膨潤(rùn)土，具體施工時(shí)應(yīng)以該配比配置渣土改良劑。可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件適當(dāng)添加“纖維素鈉”，以使渣土黏度有所提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉哲.盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)優(yōu)化分析[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué).2015.

[2] 魏綱，周洋，魏新江.土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地面隆起影響的研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8（S2）：1703-1709.

[3] 何川，李訊，等.黃土地層盾構(gòu)隧道施工的掘進(jìn)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（9）：1736-1743.

[4] 何川，汪洋，等.土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)過程的相似模型試驗(yàn)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012，45（2）：162-169.

[5] 江英超，何川，等.砂土地層盾構(gòu)隧道施工對(duì)地層擾動(dòng)的室內(nèi)掘進(jìn)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（12）：2550-2559.

[6] 寧士亮.富水砂層盾構(gòu)渣土改良技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2014（3）：86-90.

[7] 蔡向輝.城市軌道交通盾構(gòu)下穿既有高速鐵路的相互作用研究[D].北京：北京交通大學(xué).2015.