土壓平衡盾構在黏土層及中風化石英砂巖中渣土改良措施研究

盾構施工雖然對地層有著廣泛適應性、施工安全高等優點，但因地質情況不同，施工環境復雜，在盾構施工中一定存在盾構機的適應性和施工方法、措施的調整。為明確土壓平衡盾構施工在黏土層及中風化石英砂巖中相匹配的施工措施或方法，通過廣泛文獻、資料和技術的調研，從土層的概述、盾構施工掘進控制技術分析、改良系統、黏土及中風化石英砂巖地層渣土改良技術果多個方面總結分析了盾構法在面對上述條件下的具體處置措施。結果表明：采取分散型的泡沫劑就能夠對土壤進行改良，這種物質和土壤能夠產生反應，讓土壤軟化下來，并且能夠減少黏性。中風化石英砂巖的處理方式可以進行強化，僅僅使用泡沫改良的效果有限。相關研究成果可為黏土層及中風化石英砂巖條件下的盾構施工提供參考借鑒。

盾構； 黏土； 中風化石英砂巖； 改良措施

TU455.43A

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-03-07

［作者簡介］孟曄（1995—），男，本科，主要從事地鐵施工工作。

0" 引言

查閱相關的技術論文及成果，發現：（1）針對軟硬混合復雜多變地質條件下盾構法隧道施工技術國內已有相關文獻報道，但針對黏土地質變化至中風化巖地層復雜變化對盾構法隧道施工的影響尚未發現相關研究報道；（2）不同地質情況的盾構法隧道施工技術研究國內外已有相關的文件，但涉及多種不同地質的上軟下硬施工控制及相應地面沉降變化的研究較少。

1" 某工程土層概述

1.1" 土層介紹

隧道推進遇到的土層較多，有②1層淤泥質粉質黏土、③1層黏土、⑤層粉質黏土、⑥1黏土、⑥2層黏土、B142含碎石粉質黏土、B182強風化石英砂巖和B183中風化石英砂巖。區間范圍內地質軟硬不均，復雜交互。地層強度和壓縮性差異較大。以上的土層狀況擁有較大的差異性，并且軟硬的程度也是不同的，同時也能夠融合在一起。地層強度和壓縮性差異普遍較大，所以在這種狀況下要使用土壓平衡盾構隧道需要面臨較大的難度，因此要進行突破。

1.2" 土層的特性

對于黏土層進行分析，它的切面特點是帶有一定的光澤，并且擁有良好的韌性和強度，其中也包括了鐵錳物質，但是黏土的顯著特點是黏性過大，在盾構過程當中會導致盾構設備出現堵塞問題，會影響工程進度［1］。

中度風化石英砂巖的整體結構出現了膠狀的特征，并且它的中心是短柱的形狀，通過外部的敲擊可以產生清脆的聲音，并且屬于裂隙發育狀態，在實施盾構工程時這些巖石會被設備切削成碎片，但是過程較為繁瑣，會磨損盾構機的刀盤。因為巖石被外界風化以后，會出現眾多的紋理特征，并且巖石的縫隙當中擁有大量的水，如果水壓過高，在土倉當中也會形成噴涌狀態。大量的水會流入刀盤的開口位置，并且巖石軟硬并不均勻，掘進過程當中盾構機會出現抬頭現象，這就導致盾構的姿態無法掌控，所以表面會出現塌陷等現象，同時也會磨損盾構機的刀具。基巖可能會產生小范圍的頂板冒落，對工程建設產生一定影響，對區間的隧道施工風險控制也是極大考驗。

1.3" 推進的難點

1.3.1" 黏土地質情況下施工的難點

（1）機器在黏土層推進的過程，在遇水軟化后的土有很高的黏性，在以上區域還會產生大量的泥土污垢，造成刀盤上出現強大的阻力，機器會在推進過程中推力變大而速度變慢，使刀盤不轉，導致影響施工。

（2）盾構機黏土中不易改良，改良差的情況下容易造成悶倉，影響正常施工進度。

（3）黏土掘進時土質較硬，容易對螺旋機造成損傷。

1.3.2" 風化石英砂巖地質情況下施工的難點

（1）掌子面不穩定，清理土倉泥巴、更換刀具不易，停機時間長，重新掘進后比較容易出現塌方現象，導致地面沉降。

（2）易造成螺旋機出口出現噴涌、盾尾刷損壞的情況發生幾率較大，影響隧道施工的進度，造成巨大的安全隱患。

（3）在盾構機推進的過程中石英砂巖地層對刀盤、刀具、螺旋機系統等磨損較為嚴重，造成換刀的次數增加，螺旋機等運輸設備需得到及時的修復，過程中會消耗太多的時間，及人力物力。

（4）巖石層推進過程中容易使刀盤扭矩過高，造成機器的機刀盤、螺旋機等設備卡死。

（5）地面沉降量不好控制，同步注漿、二次注漿、地面注漿對控制地面的情況較差，不容易控制情況。

施工時應特別關注。巖石段推進的時候，盾構機的姿態不好控制，非常容易出現變動較大的現象，容易對地層造成大的擾動，刀具出現磨損較為嚴重的現象，需要時刻注意著盾構機的姿態以便及時的控制盾構機的姿態，避免盾構機的姿態發生大偏離軸線現象，推進過程中糾偏需要“勤糾偏、緩糾偏”，不能大幅度的糾偏，導致管片出現碎裂、錯臺。為了控制地面的沉降，需要采用同步注漿后及時的進行二次注漿［1］。

2" 盾構施工掘進控制技術分析

2.1" 土壓平衡盾構在黏土地層中渣土改良技術分析

螺旋機里面擠出來的黏土不會分散會呈整根土塊出現。黏土層的黏性太大，，黏土與土層里面的水不能有效的融合，水會附在泥巴的表面，在皮帶機上出現打滑、空轉的現象，無法及時將土運輸至土箱導致推進過程變慢，無法繼續推進，影響施工進度，造成經濟損失［2］。

黏土的黏性比較大，不容易端口，條狀擠出后，易堆積在皮帶機出土口造成出土口堵塞，機器設備一旦出現故障以后，必須要進行處理，但是會占用額外的時間。

如果沒有對渣土進行充分的改良，必然會影響黏土的均勻程度。在這種情況下，水和土體加入泡沫劑以后仍然無法進行融合，在螺旋機器啟動以后，水和土體就會被帶出，因此會出現大量的噴涌現象，此時機器的皮帶就會隨之滑動［4］，這樣一來就給施工帶來了眾多問題，也影響到效率。

2.2" 土壓平衡盾構在中風化石英砂巖地層中渣土改良技術分析

在全斷面中風化石英砂巖中，由于巖層裂隙較多，地下水在裂隙中形成多個匯水面，造成掘進時，打開螺旋機閘門時就立即噴涌（噴涌時，需要關閉閘門，一些較大石塊又卡在閘門處，造成閘門不能及時關閉），噴涌的渣土含水量極大，大顆粒的石塊能滿足皮帶輸送，但一些顆粒小的會混合水直接泄露在皮帶機滾筒下面流向盾尾或直接滴漏在后方臺車區域流向隧道。為保證管片拼裝質量，拼裝前需要盾尾清潔后才能拼裝，這就造成施工效率低，隧道施工文明差。

如圖1所示，在全斷面硬巖中掘進，開挖面范圍內受力后都是不易變形的，所以不像在軟土中掘進容易糾偏;而且在硬巖中過多的對姿態進行糾偏也會造成刀具的損壞。由于盾構機在推進時刀盤轉動掌子面會反作用產生扭矩，造成盾構機盾體旋轉，硬巖中盾體無法像在軟土中可以釋放部分扭矩，所以盾體易出現扭轉。

3" 改良系統

為了對盾構系統進行改良，可以配備兩種改良方式讓盾構機正常運轉，分別有泡沫系統以及膨潤土系統［5］。兩種系統可以同時備用，在啟動期間只需要使用一套，可以使用球閥將兩個系統隔離起來，通過手動就能完成切換。

3.1" 泡沫系統

利用泡沫系統能夠改善渣土的特性，泡沫系統包括了泡沫泵、高壓水泵、泡沫發生器、壓力傳感器、各種管路等［3］。在控制室內部就可以對泡沫系統進行掌控，并且在控制方式上有手動模式、自動模式以及半自動的模式，如果啟用手動模式，需要工作人員進行手動的調整，對泡沫水和氣流進行掌控。半自動模式：可預先設置好每個泵及氣體調節器的參數，由系統自動配比，司機只需根據現場情況控制每路泡沫的開關。自動模式：根據土艙壓力、掘進速度等，由系統自動控制，無需人為干涉。

巖土工程與地下工程孟曄，崔剛，姚峰： 土壓平衡盾構在黏土層及中風化石英砂巖中渣土改良措施研究

3.2" 膨潤土系統

圖2的內容展示了膨潤土系統的運行原理，利用該系統可以對渣土展開有效的改良，但是要確保泡沫系統是關閉的狀態，因為雙方是共用的管道，要關閉泡沫泵的球閥［6］。開啟系統以后，膨潤土可以在輸入泵的作用下來到普倉以及刀盤內部，在機器運轉過程當中就能夠改善渣土。在管道附近可以啟動球閥，通過10 s的等待，膨潤土的管路和周邊的設施就能夠共同運轉起來，同時該系統也可以保護其他設備的運行，達到目的以后可以關閉球閥，根據不同的功能將膨潤土與泥漿混合在一起。

3.3" 渣土改良的目的

對于渣土進行改良主要是實現土壓平衡，達到這一目的以后，在后期的開挖工程期間就能夠進行快捷的施工，同時還可以穩定表面讓地表不會出現沉降問題，并且讓渣土的防水性能也會有所提升，能夠對地下水的狀態進行調整，讓渣土保持良好的流動性，使用輸送機可以更好的排土，避免刀盤形成大量的泥污。同時也能夠防止設備的噴涌問題，維護了刀盤的運轉，確保刀盤的扭矩處于平衡的狀態，避免刀盤出現快速的磨損，也能夠帶動效率的提升。

3.4" 渣土改良的方法

可以使用多種方式改良渣土，比如盾構機會配備刀盤螺旋機，在以上部位添加一定的添加劑，比如膨潤土、泡沫等物質，和水進行融合以后，在刀盤內部進行旋轉大量的攪拌之后，膨潤土和添加劑就能夠充分的混合在一起，這樣可以改善渣土的特性，具備了更好的粘稠度，并且產生的摩擦力也會下降。

4" 黏土及中風化石英砂巖地層渣土改良技術

4.1" 渣土改良劑的選擇

4.1.1" 渣土改良劑的功能

盾構機推進過程當中，在每一個環節都會添加對應的改良劑，利用改良劑能夠達到改善的效果，具體內容可參考表1的內容，在石英砂巖土層方面可以起到防止滲水的作用，同時還可以讓土與石塊融合在一起。遇到沙性土壤以及巖石期間能夠支撐土層，并且改善土壤的流動性特征，遇到黏土層之后，可以改善黏土的性質，避免黏土附著在刀盤上改良劑當中含有眾多氣泡，可以將土壤當中的縫隙水替換出來，所以可以起到止水的作用。

4.1.2" 泡沫劑使用

運用泡沫器需要提前設置好泡沫劑和水的比例，雙方混合在一起，調配不同的比例來滿足不同的需求，通常情況下滿足正常的絕境需求信息要按照固定的值，可以選擇3.2的比值，如果長時間的超扭矩工作，就要調整比例，流量無法進行掌控，很容易出現噴涌現象，所以可以將比例設置為3.5，泡沫的注入系統有三種使用方式，比如手動模式半自動的模式以及全自動模式。打開了自動模式以后泡沫的使用量通常較大，但購機在行進期間建議使用手動的控制模式，這樣也能夠減少泡沫的使用量，要求盾構機駕駛人員采取手動控制的模式，并且要觀看刀盤的扭矩狀態，根據外部的壓力以及土壤的性質，以這些參數為主調整系統的流量，假如含水量過高，土壤的泡沫注入量就必須要進行調整［6］。

4.1.3" 膨潤土使用

膨潤土在盾構機使用過程當中也有較多的，應用膨潤土可以看作是黏土的類型，其中有蒙脫石以及硅的成分。在遇到同類物質時，混凝土當中的物質可以被置換在此過程當中，蒙脫石的晶體表面會出現電荷其中的靜電，具備吸附的作用。所以蒙脫石的成分非常特殊，這也讓膨潤土能夠產生膨脹和吸附能力。

鈣基彭潤土以及鈉基彭潤土是彭潤土的常見應用類型，在施工方面鈉基彭潤土應用是最廣泛的，所以此次的實驗同樣以納基膨潤土為例［7］。該類型的盆儲當中含有眾多的鈉離子，這些離子可以讓水充分的進入其中，水與鈉離子融合以后，晶體就會出現膨脹，這種膨脹可以達到40倍左右，膨潤土遇水吸收以后可以形成防滲漏的土層，并且還能夠保持較長時間膨脹，土的顆粒在此過程當中也會變成膏狀物質，滲透系數可以調整為1×10-7 m/s以下，在這種情況下隔水性能非常優秀，所以使用膨潤土能夠有效改善渣土，避免刀盤出現扭矩過大的現象［8］。

應用膨潤土要作好配比，渣土和膨潤土的漿液必須要有合理的搭配，提前作好配比試驗，在施工期間要按照這種比例配備膨潤土和砂。

不同的比例配制出的膨潤土特點是不一樣的，比如按照1∶7制作出的土具備較大的流動性。如果使用1∶9的比例流動性就會減弱，采取1∶10的比例配制出的土樣流動性較差，并且可塑性較干。所以綜合以上試驗，沙土和膨潤土的漿液配置比例，建議設置為1∶9。如果將泡沫劑加入到膨潤土中，這種效果將會得到提升。

在盾構機上通常會設置兩種改良系統，以膨潤土漿液注入系統為例，該系統有注射泵、土罐、管道組成。膨潤土也會通過管道到土倉內部，并且內部配備了4個出口，這樣可以確保膨潤土的漿液均勻地噴灑到工作面上。

4.2" 黏土渣土改良措施

采取不同的泡沫劑產生的作用是不同的，以分散型的泡沫劑為例，如果要配置這種泡沫劑，可以采取4∶1的比例將分散劑和泡沫劑融合在一起，詳情可參考圖3內容。分散劑與土壤完成了接觸之后，可以讓土壤的性質出現變化，能夠軟化土壤的特性。這樣能夠讓土壤的流性更好，減少土壤的黏度。泡沫與改良劑混合到一起以后，通過刀盤的攪拌就能夠讓土體產生流動性（圖4）。

4.3" 中風化石英砂巖渣土改良措施

泡沫劑和膨潤土配合，可以有效改良土壤［9］。盾構機在掘進的過程中，各項參數要作出調整［10］。根據不同的狀況設置參數。膨潤土的漿液比例要按照1∶0.2進行配制，要滿足20 h的膨化效果，并且相對密度設置為1.08，粘度值是23 s。泡沫的配置參數設置為3.0發泡率控制在15%，并且設置4個管路完成輸入。

使用以上方式改善了土壤，為后期施工創造了有利條件，膨潤土具備良好的吸附性能和膨脹性，并且與石英砂層融合可以產生良好的潤滑作用，并具備流動性。將膨潤土以及泡沫劑混合起來，能夠讓分散的土層融合在一個區域具備了更好的可塑性，提升工作效率（圖5）。

5" 結論及建議

施工遇到了黏土層，建議采取分散型的泡沫劑改良土壤，泡沫劑與土壤混合，讓土壤軟化，并且能夠減少粘性。螺旋機的土體也會受到影響流動性更好。

中風化石英砂巖的處理方式可以進行強化，僅僅使用泡沫改良的效果有限。應該同步注入膨潤土來改良土體，填充土倉，建立穩定的刀盤土壓，中和渣土中石塊和易性。同時使用泡沫劑及膨潤土改良土體比單一使用泡沫劑改良土體既經濟又能有效改良土體塑流性。

對施工的建議：

（1）泡沫注入過程中必須嚴密注意壓力顯示，有堵塞情況時加大氣流疏通，嚴重時可用增壓水泵的水壓來疏通。保持合理的推進速度，不能過快或者過慢，否則就會影響推進的效果［11］。

（2）操作司機每個交接班前單獨操作每一管路，檢查堵

塞情況。如有堵塞情況發生，單獨用加大流量的方法疏通堵塞部位，嚴重時可用超挖刀泵的液壓油疏通。

（3）在配置膨潤土漿方面，必須要參考實驗室的比例，確保效果能夠持續20 h。

（4）中風化石英砂巖在推進的過程當中可以按照以下步驟進行改良，首先混合膨潤土以及泡沫，啟動刀盤穩定運行一段時間以后再開始推進，與此同時要將水注入其中，完成了一環推進以后，然后停止3 min再重復以上流程。

參考文獻

［1］" 楊紀中. 淺析盾構施工如何有效控制建筑物沉降［J］. 中華民居，2012（19）：320-321.

［2］" 羅盛. 某公路大橋靜載試驗研究與分析［J］. 山西建筑，2019（11）：121-123.

［3］" 鄭佳佳. 長沙市軌道交通5號線一標四工區盾構適應性評估［J］. 建筑工程技術與設計，2018（34）：3350-3351.

［4］" 高棟. 富水復合地層中土壓平衡盾構掘進參數控制［J］. 施工技術，2018（9）：75-79.

［5］" 李傳新. 小半徑、富水砂卵石地層盾構施工技術研究［J］. 低碳世界，2017（23）：190-191.

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

［7］" 裴銳南. 對鈣基膨潤土鈉化改型研究［J］. 廣西輕工業，2008（5）：24-25.

［8］" 魏康林. 土壓平衡盾構施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析［J］. 現代隧道技術，2007（1）：73-77.

［9］" 陳章. 盾構施工中渣土改良劑的快速配置［J］. 建筑機械化，2016（5）：49-50.

［10］" 徐福旺. 地鐵盾構穿越密集建筑物群施工技術研究［J］. 工程技術研究，2018（8）：26-27.

［11］" 尹凡. 富水軟弱粉細砂地層土壓平衡盾構掘進對土體擾動研究［D］. 北京：北京交通大學，2010.