大粒徑富水砂卵石地層惰性漿液置換渣土改良盾構(gòu)土倉環(huán)境技術(shù)

韓濤

摘要：渣土改良是盾構(gòu)施工中的重要環(huán)節(jié)，土倉的環(huán)境直接影響渣土改良的效果及盾構(gòu)施工參數(shù)的穩(wěn)定性。本文以成都地鐵10號線一期土建4標(biāo)盾構(gòu)施工利用惰性漿液改善土倉環(huán)境為例，對土倉環(huán)境進(jìn)行分析，針對易出現(xiàn)的問題采用惰性漿液置換土倉渣土改善土倉環(huán)境，與常規(guī)做法進(jìn)行對比得出了利用惰性漿液改善土倉環(huán)境安全風(fēng)險控，成本低，時間周期短且效果良好為以后類似工程提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：渣土改良；惰性漿液；砂卵石；盾構(gòu)

一、工程概況

本區(qū)間工程為華金中間風(fēng)井至金花站盾構(gòu)區(qū)間左線起訖里程為：ZDK5+634.830～ZDK7+197.331，區(qū)間全線1562.501m；右線起訖里程為：YDK5+617.704～YDK7+151.363，區(qū)間全長1533.659m。施工設(shè)計盾構(gòu)從中間風(fēng)井始發(fā)，向大里程方向行進(jìn)，在金花站吊出。正線穿越廠房、新苗村住宅區(qū)等建筑物群，平行繞城高速方向向西北方向，在YDK7+013～YDK7+100處斜穿繞城高速（K48+216.80-K48+317）到達(dá)金花站。

本區(qū)間地表表層多為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）覆蓋夾雜磚屑、卵石角礫等，其下為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）粉質(zhì)粘土、粉土、卵石土夾粉細(xì)砂及大粒徑砂卵石根據(jù)成都區(qū)域水文地質(zhì)資料及地下水的賦存條件，本區(qū)間地下水主要有兩種類型：一是賦存于黏性土、粉土層之上填土層的上層滯水，二是第四系黏性土，粉土、砂土、卵石土層的孔隙潛水。

二、盾構(gòu)施工土倉環(huán)境分析

土倉作為盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良的重要場所，土倉環(huán)境的好壞決定著渣土改良的效果，直接影響盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，在富水砂卵石地層中，土倉常見的問題有以下兩種

2.1卵石堆積成拱

在施工過程中因卵石粒徑較大，極易造成渣土離析，大粒徑砂卵石堆積在螺旋機周圍，與螺旋機形成“拱橋”關(guān)系，后續(xù)進(jìn)來的土體持續(xù)堆積造成土倉環(huán)境變小，使土倉沒有足夠的空間進(jìn)行渣土改良，導(dǎo)致渣土改良效果越來越差。造成刀盤扭矩、推力等關(guān)鍵參數(shù)越來越大，加快刀盤磨損，最終無法繼續(xù)進(jìn)行施工。

2.2土倉內(nèi)“結(jié)餅”

在施工過程中因渣土改良未達(dá)到理想效果，導(dǎo)致螺旋機出土不順暢，造成扭矩等參數(shù)變大，土倉內(nèi)溫度升高，土倉壁的土體在高溫的作用下粘貼在土倉壁及刀盤上，從而形成泥餅或者砂餅，最終造成刀盤開口處進(jìn)土不順暢，土倉環(huán)境變小，扭矩越來越大，溫度越來越高，加速設(shè)備磨損，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致盾構(gòu)機推進(jìn)困難甚至無法推進(jìn)。

三、常規(guī)處理方法

在遇到上述類似問題時，傳統(tǒng)做法主要有以下兩種：

3.1人工進(jìn)倉清理

首先地面進(jìn)行加固和降水，待達(dá)到強度后進(jìn)行開倉，作業(yè)人員進(jìn)入土倉進(jìn)行處理，此種方法效果較為明顯，但安全風(fēng)險不可控。在富水砂卵石地層中，掌子面穩(wěn)定性較差，若地面降水和加固措施不到位，掌子面極容易發(fā)生坍塌。一旦掌子面在開倉作業(yè)過程中發(fā)生失穩(wěn)坍塌，很可能會造成安全事故。同時，此種處理發(fā)放施工周期長，先行地層加固再進(jìn)行降水施工，達(dá)到可以開倉條件時總體工期最少需要40天時間，也間接說明此種方法施工費用高。

3.2化學(xué)材料泡倉處理

采用分散劑通過渣土改良系統(tǒng)注入進(jìn)土倉，后續(xù)經(jīng)過長時間的浸泡使土體松散，此方法施工安全風(fēng)險為零，施工費用略高，工期短，但很難達(dá)到理想效果，結(jié)果不明顯。

四、惰性漿液置換渣土改良土倉環(huán)境技術(shù)

4.1惰性漿液的作用機理

在本案例中，拌制的惰性漿液將細(xì)砂和粉煤灰作為為主劑，成分主要有粉煤灰、細(xì)砂、鈉基膨潤土和水。其中，粉煤灰能夠有效的改善惰性漿液的和易性及流動性，并且是作為調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時間的材料，膨潤土可以減弱成型漿液的材料分離，有效減小泌水率，細(xì)砂作為成型漿液的。

在本次工程的中使用的惰性漿液在富水的砂卵石環(huán)境中，不易產(chǎn)生稀釋現(xiàn)象。原材料來源多、實惠，施工管理方便，漿液配料簡單，造價低，和易性能好，漿液流動性好。同水泥漿液相比，凝結(jié)時間較長，通常能達(dá)到12小時以上。

在土倉內(nèi)渣土發(fā)生卵石沉降，造成渣樣離析后，使用惰性漿液進(jìn)行泡倉，漿液借助注漿壓力可以有效的將沉底渣土沖散，漿液中含有的細(xì)砂和水同卵石重新混合，再次建立土倉內(nèi)渣土的平衡，減少土體堆積。同時膨潤土成分還能有效的避免泥餅或砂餅的形成，改善土倉環(huán)境，順利出渣。

4.2施工控制措施

（1）惰性漿液的拌制

當(dāng)需要進(jìn)行土倉環(huán)境改善時，需要先行進(jìn)行試驗，來確定惰性漿液的配合比。在確定惰性漿液配合比的過程中，主要運用控制變量法來進(jìn)行不同配比的試驗，通常情況下，需要進(jìn)行5-7組配合比試驗，每組配置3組溶液。通過觀察記錄其和易性、流動性及初凝時間來確定需要實際使用的配合比。在本次工程中，使用的配合比如下：

（2）惰性漿液注入土倉

惰性漿液在拌合站拌制完畢后，通過同步注漿漿車?yán)M(jìn)隧道，然后由漿車的電動泵將漿液注入盾構(gòu)機注漿罐中，在此期間漿罐及漿車的葉片需要不停轉(zhuǎn)動，防止?jié){液發(fā)生離析。之后，通過盾構(gòu)機自帶同步注漿設(shè)備將管路連接到土倉壁左下和右下兩側(cè)預(yù)留球閥處，通過注漿泵將惰性漿液注入土倉中，此過程主要利用惰性漿液具有一定的摩擦力和注漿設(shè)備的泵送能力將螺旋機周圍的土體沖散。

（3）土倉環(huán)境改良

在盾構(gòu)機注入惰性漿液的施工過程中左下和右下的土倉壓力會有明顯的波動變化，證明堆積卵石已被沖散，后續(xù)繼續(xù)注入惰性漿液，達(dá)到6m?左右或者上部土壓達(dá)到2.5bar時停止注入，此時進(jìn)行泡倉，待12小時后進(jìn)行轉(zhuǎn)動刀盤，土倉內(nèi)堆積的卵石通過惰性漿液的作用重新形成卵石土，最后通過螺旋輸送機排出。

4.3施工參數(shù)對比分析

土倉環(huán)境改善前，推力在1200t-1800t之間，平均值在1500t左右，整體數(shù)據(jù)偏大，盾構(gòu)機掘進(jìn)困難，對刀具磨損較大。土倉環(huán)境經(jīng)過惰性漿液置換改善后，推力降至800t-1200t之間，平均值1000t左右，推力大幅下降。

進(jìn)行惰性漿液置換前，盾構(gòu)機掘進(jìn)速度在30-50mm/min之間，平均值在41mm/min左右，這個速度掘進(jìn)，盾構(gòu)機掘進(jìn)慢，同刀盤轉(zhuǎn)速以及灌入度匹配度不高，可調(diào)整性差，容易引起超方，今兒導(dǎo)致地面發(fā)生沉降。土倉環(huán)境經(jīng)過惰性漿液置換改善后，速度得到大幅提升，平均值上升至56mm/min，可以讓參數(shù)調(diào)整更加靈活，更容易控制地面沉降，加快施工進(jìn)度。

在前期的掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)掘進(jìn)扭矩過大，平均值在482 T·m，對螺旋機傷害較大。在土倉環(huán)境改善后的掘進(jìn)過程中，扭矩平均值降至325 T·m，有效的緩解了螺旋機的壓力，加快了掘進(jìn)速度。

通過實際施工參數(shù)對比，通過使用惰性漿液置換土倉內(nèi)渣土，改善土倉環(huán)境，各項施工參數(shù)均得到好轉(zhuǎn)且穩(wěn)定。有效地解決了推進(jìn)過慢，盾構(gòu)機壓力較大的問題。

4.4地表監(jiān)測

為確保惰性漿液置換工作的順利進(jìn)行，同時驗證其對地面沉降是否產(chǎn)生影響，測量人員每天對地面實時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如下圖所示，地面監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，安全風(fēng)險可控。

4.5效益分析

在本工程中，使用惰性漿液置換改良土倉環(huán)境，省去了常規(guī)施工方法中的地面垂直加固以及降水施工的工序、時間周期短，直接發(fā)生成本僅為材料費用，按照6m?惰性漿液計算，全部費用不到2000元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)做法。有效降低了人力、物力及時間成本，避免了一定的經(jīng)濟損失。

同時，本施工方法避免了人工進(jìn)倉清理渣土，在安全上得到了巨大的保證，將施工風(fēng)險降至最低，最大限度的保證了安全效益。

五、結(jié)語

在富水砂卵石地層中施工的盾構(gòu)項目，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，需要時刻關(guān)注盾構(gòu)機的各項掘進(jìn)參數(shù)。同時，對每環(huán)每斗的渣樣情況均要進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)參數(shù)或者渣樣異常時，需要及時停止施工，研究對策進(jìn)行處理一場情況。在富水砂卵石地層中，盾構(gòu)出土?xí)r渣土的和易性及渣溫是十分關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，通過這兩樣數(shù)據(jù)可以有效的分析土倉內(nèi)的環(huán)境，通過此案例中的施工方法，可以有效改善由砂卵石沉降造成的土倉環(huán)境變差的問題，為今后相似地層中的盾構(gòu)施工提供了一定的參考，具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 王恩茂， 李冰寬. 基于系統(tǒng)動力學(xué)的地鐵盾構(gòu)管片費用仿真研究[J]. 工程經(jīng)濟， 2018， v.28；No.244（07）：14-18.

[2] 黃艷玲， 顧偉紅， 王挺. 基于系統(tǒng)動力學(xué)的地鐵盾構(gòu)施工的工期控制模型研究[J]. 項目管理技術(shù)， 2018（1）：7-13.

（作者單位：中鐵六局集團有限公司交通工程分公司）