泥巖地層盾構渣土改良技術研究

單青紅

（中鐵十四局集團有限公司，濟南 250014）

1 引言

當盾構穿越黏性地層時，盾構刀盤切削下來的渣土會重新聚集并黏附在刀盤上，發生“結泥餅”現象。泥餅的產生會降低刀盤的有效開口率，從而影響刀盤切削下渣土的通過率；泥餅對刀具的包裹會減小刀具的切削能力，降低掘進速度，并造成滾刀的偏磨、刀具的損壞，嚴重時還會增加刀盤前方土體的阻力，降低盾構機的有效推力，泥餅和地層的劇烈摩擦下會產生大量熱量，導致渣土的溫度顯著提高，影響掘進施工的效率[1]。目前，盾構結泥餅問題尚未完全解決，盾構泥餅仍會對工程進度產生嚴重阻礙。本文以成都軌道交通資陽線工程穿越泥巖、砂巖地層雙模盾構為研究對象，分析泥餅形成過程，并提出相應的渣土改良方案。

2 工程概況

成都軌道交通資陽線工程寶臺大道站—萇弘廣場站盾構區間全長為2.45 km，區間最小埋深約11.9 m，最大埋深約45.3 m；平面最小曲線半徑570 m，最大曲線半徑690 m，最大縱向坡度28‰。工程線路平面位置如圖1 所示。

圖1 寶臺大道站—萇弘廣場站盾構區間線路平面圖

盾構機主要穿越地層為中風化泥巖、砂巖地層，局部穿越強風化泥巖、砂巖地層，地質縱斷面如圖2 所示，區間地層主要以泥巖為主。泥巖中所含黏土礦物是盾構結泥餅的重要因素。由于泥巖中的黏土礦物顆粒之間的結合力較弱，易于分層和變形，盾構刀盤切削下來的泥巖碎屑與水攪拌混合后會吸水膨脹并泥化。

圖2 寶臺大道站—萇弘廣場站區間線路地質圖

現場泥巖土樣的礦物成分表如表1、表2 所示。

表1 泥巖土樣礦物組成%

表2 黏土礦物成分比

從表中可以看出，現場泥巖中黏土礦物含量占比近40%，且主要包括伊利石和伊蒙混層。伊利石與蒙脫石均具有較大的比表面積和較強的親水性，易導致土倉堵塞以及刀盤結餅現象出現[2]。

3 渣土改良措施

通過地質情況調研，選取合理的改良材料，然后進行渣土改良效果評價試驗，初步確定渣土改良的相關參數，根據現場應用情況及時調整渣土改良劑的配比和添加量。施工工藝如圖3 所示。

圖3 施工工藝流程圖

3.1 改良材料選取

目前，在工程應用中使用的渣土改良劑主要包括水、泡沫劑、分散劑、黏土剝離劑等。

1）水是土三相的重要組成部分，獲取方便且成本低，是盾構掘進最常見的改良材料。天然土中，水以結合水或自由水的形式賦存，對于細粒土來說，可以減小土顆粒之間的摩擦，從而增大土體的流動性，降低抗剪強度，但在一定范圍內，含水率的提高可以增大土體的黏附性。

2）泡沫屬于一種典型的“氣液兩相體”，當泡沫劑在壓力作用下與大量空氣混合時，會形成一種薄膜結構，使溶液產生發泡的效果。在渣土改良應用中，通過發泡裝置產生大量泡沫，注入渣土之中，泡沫劑溶液中的表面活性劑成分可吸附于黏土顆粒的礦物晶片上，減弱顆粒間的液橋力和靜電力，能夠有效降低土的黏附性，從而起到改良效果。另外，泡沫的注入可以增加渣土的壓縮性，有助于盾構控制土倉內壓力的穩定。

3）分散劑可以使物質分散于水等介質中，并形成膠體，從向降低微粒間的黏合力。在黏土地層中添加分散劑可以減小土顆粒間的相互作用，減少土顆粒上的結合水，降低土的黏附性，從而降低盾構結泥餅的風險。

4）黏土剝離劑是用于盾構防結泥餅的新型改良劑，屬于陽離子表面活性劑，具有分散和滲透作用，可以顯著減少渣土、特別是黏性大的泥狀物附著在金屬表面。

3.2 渣土改良試驗

根據施工渣土級配配制盾構掘進中土倉內的渣土，并對其進行渣土改良效果評價試驗。通過坍落度試驗（見圖4）確定渣土改良效果較好的添加劑配比（泡沫原液中分散劑比例或剝離劑比例、注水量、泡沫比等）。渣土坍落度過小則排渣困難，結泥餅風險高；坍落度過大則保壓困難，螺旋機易噴涌。經測試，泥巖地層坍落度合理區間為15～18 cm。根據渣土改良試驗結果，可大致判斷影響渣土改良的參數之間的關系，初步確定渣土改良的相關參數泡沫原液濃度為2.5%～3.5%，泡沫混合液與空氣流量比例約為1∶20，泡沫注入率為80%～120%，并根據現場實際情況向原液中加入一定比例的分散劑（5%～15%）。

圖4 坍落度試驗

3.3 應用反饋與參數修正

施工時，選取既定的參數進行渣土改良，應定期檢查和維護泡沫水泵、電動閥、流量傳感器、泡沫管路等設備設施，確保其處于正常的工作狀態[3]。掘進過程中，注意觀察掘進參數，控制出土量，并注意觀察渣土性狀，及時改善泡沫發泡效果。在地質情況變化區段，應緩慢改良改變參數。在較易形成泥餅的地層中掘進時，應對每環渣樣進行多次取樣分析，掘進時，還需對渣樣溫度實施實時監控。如遇渣土性質變化，應及時排查變化原因，并調整相關參數。

4 掘進控制措施

在盾構機選型時，應結合地勘資料優先選用開口率較大的刀盤；盾構機泡沫系統選擇單管單泵模式，刀盤上泡沫孔及加水孔的數量夠多，能保證均勻改良切削下來的渣土[4]。在掘進時，泡沫系統要保持常開狀態，尤其是刀盤中心位置的泡沫管路。泡沫和水要保證通過刀盤面板加入掌子面，而不是加入土倉。在掘進黏土地層時，要保證在刀盤切削掌子面時改良好渣土流塑性。當刀盤結泥餅時，應首先打通中心泡沫管路，開啟泡沫系統，反復正反轉刀盤進行沖洗，或采用分散劑進行泡倉。

5 現場應用情況

軌道交通資陽線項目主要穿越中風化泥巖、砂巖地層，在項目初始階段，選擇注入水、泡沫（130～150 L/ 環）和分散劑（5%～15%）進行渣土改良，有效地改善了渣土的流動性，為盾構機快速有序掘進創造了條件。資陽線寶臺大道站—萇弘廣場站盾構區間常壓開倉共計9 次，開倉步距500～600 m。在進入全斷面泥巖地層區段時，單純泡沫和水對渣土改良效果作用有限，開倉檢查刀具時，中心刀區域及個別正面滾刀區域結有泥餅，滾刀刀箱泥巖碎屑、砂等混合物堵塞（見圖5），大部分滾刀仍能轉動；中心區域外刀盤其他開口處未被封閉，未對土倉有效進土量產生明顯影響；渣土溫度正常，對盾構機的機械設備影響不大，為初期結泥餅現象，盾構機仍能正常掘進。

圖5 滾刀被部分堵塞

在完成盾構刀盤泥餅清理后，通過添加一定比例的黏土剝離劑（5%～15%），有效降低了泥巖渣土的黏附性，整體施工過程平穩有序。優化的渣土改良方案改善了盾構掘進參數，盾構的掘進速度增加了約15%，推力減小了約10%，扭矩減小了約15%，提高了掘進效率，節約了施工成本。

6 結語

泥巖地層是發生盾構刀盤結泥餅的高風險地層，開倉清理雖然能有效地去除泥餅，但開倉耗時較久、費用高且具有一定的風險，因此，應采用有效方法預防結泥餅，以顯著降低安全風險。本文提出了適用于泥巖地層盾構渣土的改良方案，在添加黏土剝離劑后未出現因泥餅而產生的停機開倉。