土壓平衡盾構(gòu)區(qū)段粉質(zhì)黏土渣土改良技術(shù)探討

孟憲雷

摘 要：在土壓平衡式盾構(gòu)施工過程中，通過對渣土進(jìn)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(nèi)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(jìn)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(biāo)段粉質(zhì)黏土改良情況進(jìn)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(shù)方案，施工的實施結(jié)果驗證了技術(shù)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：地鐵;土壓平衡盾構(gòu);粉質(zhì)黏土;渣土改良;技術(shù)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(shè)置地下站20座，高架站1座 。

5號線TJSG-3標(biāo)段阿房宮—西窯頭區(qū)間深度60.0m范圍內(nèi)的地層主要由人工填土、中砂、沖積粉質(zhì)黏土、粗砂及粉質(zhì)黏土等組成。盾構(gòu)通過地段主要為粉質(zhì)黏土地層，其中粉質(zhì)黏土約占50%。區(qū)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(fā)影響較大，夏季天氣炎熱，蒸發(fā)量大，年水位變幅1.0～2.0m。

阿房宮—西窯頭區(qū)間地層地質(zhì)構(gòu)成見圖1。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)初始參數(shù)確定

根據(jù)西安地鐵粉質(zhì)黏土地段盾構(gòu)推進(jìn)數(shù)據(jù)分析，同時借鑒類似工程地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工參數(shù)，初步設(shè)定盾構(gòu)推進(jìn)的各項初始參數(shù)。

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

（2）土艙壓力。根據(jù)太沙基公式計算并結(jié)合始發(fā)階段的實際推進(jìn)情況，初步設(shè)定土壓為100 kPa，根據(jù)地面沉降監(jiān)測報告及時進(jìn)行調(diào)整。

（3）刀盤轉(zhuǎn)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(jìn)速度。30～50 mm/min。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)情況分析

（1）土壓波動較大。本標(biāo)段粉質(zhì)黏土黏性大，滲透率低，刀盤的開口率56%，推進(jìn)過程中易出現(xiàn)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(zhì)黏土推進(jìn)過程中，當(dāng)推進(jìn)速度超過50mm/min時，刀盤扭矩快速增大，說明掌子面土體強(qiáng)度高;土艙內(nèi)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(dá)到3 000 kN · m以上。

（3）出土困難。本標(biāo)段粉質(zhì)黏土強(qiáng)度高，渣土的和易性和流塑性較差，渣土與螺旋機(jī)殼體間的摩擦力大，螺旋機(jī)需要克服的阻力過大;螺旋輸送機(jī)出渣口設(shè)計方面存在不足，渣土在出土口處易失水固結(jié)，造成螺旋機(jī)壓出土困難現(xiàn)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(jié)，盾構(gòu)試推進(jìn)產(chǎn)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(gòu)掘進(jìn)渣土改良技術(shù)方案及試驗驗證

粉質(zhì)黏土吸水膨脹，失水收縮，黏性強(qiáng)，滲透率低，不能滿足施工要求。結(jié)合地質(zhì)實際情況，采用泡沫劑進(jìn)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(jù)實際推進(jìn)及出土情況調(diào)整注水量。

4.1 渣土改良技術(shù)方案選擇

（1）方案1，向螺旋機(jī)內(nèi)注入泡沫劑進(jìn)行渣土改良。粉質(zhì)黏土在通過螺旋機(jī)排出時，黏性土體充滿螺旋機(jī)腔內(nèi)，渣土改良效果無明顯改善。

（2）方案2，利用泡沫進(jìn)行土倉內(nèi)渣土改良，利用膨潤土系統(tǒng)進(jìn)行土艙加水。該方案結(jié)果表明，螺旋機(jī)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(nèi)，易出現(xiàn)泥水分離，造成皮帶機(jī)輸送能力降低。通過觀察，渣土塊外部有一層泥漿，內(nèi)部硬度依然較高，渣土從螺旋機(jī)口掉落在皮帶輸送機(jī)表面打滑堆積，以至于皮帶輸送機(jī)被堆積的渣土壓停，表明土艙內(nèi)渣土改良效果無明顯改善。

（3）方案3，增壓水泵對土艙進(jìn)行加水，適當(dāng)提高泡沫注入量，對推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：①提高盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速，降低盾構(gòu)掘進(jìn)速度，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.2～1.3r/min，掘進(jìn)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(nèi);③掘進(jìn)時，利用增壓水泵將水注入到土艙內(nèi)，并適當(dāng)提高注入到刀盤面板上的泡沫量，根據(jù)出土情況調(diào)整注水量;④將螺旋后門的開口度適當(dāng)減小，避免大塊渣土堆積在皮帶上。該方案結(jié)果表明，通過優(yōu)化施工參數(shù)，渣土改良效果明顯改善，滿足施工進(jìn)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(jìn)一步驗證方案3對粉質(zhì)黏土的改良效果，特進(jìn)行如下試驗。

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

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

（3）按最優(yōu)泡沫濃度稀釋液與泥巖質(zhì)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(jīng)泡沫劑改良后拌合料的坍落度數(shù)據(jù)，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(jié)果。

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

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

（3）圖5給出了拌合料質(zhì)量比-坍落度關(guān)系曲線，由圖5可以看出，坍落度隨發(fā)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(fā)泡劑稀釋液摻量的減少，坍落度趨于穩(wěn)定;發(fā)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(qiáng)，但無黏性;發(fā)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(qiáng);發(fā)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(qiáng)，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(shù)據(jù)記錄分析可知，隨著注水量增大，出土?xí)r間縮短;盾構(gòu)掘進(jìn)速度為40mm/min、轉(zhuǎn)速為1.3 r/min，泡沫注入量為60 L/min，增壓水每環(huán)注入量為2 m3時，每斗出土?xí)r間趨于穩(wěn)定，渣土的均一性良好，基本無大塊狀土;盾構(gòu)掘進(jìn)速度加快，渣土容易出現(xiàn)攪拌不勻的現(xiàn)象，出土效率降低，推進(jìn)時間延長。

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

（3）推進(jìn)速度與扭矩。盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速1.3 r/min，盾構(gòu)掘進(jìn)速度30～45 mm/min時，刀盤扭矩小于1500kN · m;

盾構(gòu)掘進(jìn)速度超過50mm/min時，盾構(gòu)刀盤扭矩迅速增大。

6 結(jié)束語

渣土改良是盾構(gòu)施工過程中的重點和難點。本文對粉質(zhì)黏土改良技術(shù)進(jìn)行了探討和分析，通過理論分析和現(xiàn)場試驗驗證，最終確定了粉質(zhì)黏土渣土的有效改良方法和相適應(yīng)的配合比，并在工程施工中得到了良好的應(yīng)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(zhì)條件的渣土改良提供借鑒。

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收稿日期 2019-11-16

責(zé)任編輯 朱開明