土壓平衡盾構(gòu)施工中渣土改良技術(shù)的應(yīng)用

潘 真

（中交第二航務(wù)工程局有限公司工程裝備分公司，湖北 武漢 430000）

0 前言

盾構(gòu)掘進(jìn)由于其隧道洞身范圍內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，掘進(jìn)過程中會遇遭遇諸多困難。對于地下水豐富的地區(qū)(例如成都地區(qū))，掘進(jìn)過程中掌子面易塌陷，造成地表沉降變形；砂卵石地層自穩(wěn)性差，渣土進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)土倉后，流塑性差，土倉壓力不穩(wěn)定，施工中不易保壓，容易造成超挖和掌子面塌陷；同時，在卵石地層掘進(jìn)，刀盤刀具在摩擦過程中，易造成刀盤和刀具的非正常磨損與損壞，嚴(yán)重影響施工速度和效率，若進(jìn)行停機(jī)更換刀具，風(fēng)險較高。

為提高盾構(gòu)施工效率，綜合考慮各種因素十分必要，其中，土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)在工程實(shí)踐中具有重要作用，通過取樣試驗(yàn)測試土體的坍落度，進(jìn)而得到地層含水量與泡沫比之間的函數(shù)關(guān)系，通過添加劑進(jìn)行渣土改良，提高流動性和排土效率。本文將對試驗(yàn)情況和應(yīng)用效果進(jìn)行闡述。

1 盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中掘進(jìn)時可能出現(xiàn)的不利情況

(1)當(dāng)砂卵石地層處于無水狀態(tài)時，由于砂粒之間相互咬合，產(chǎn)生了內(nèi)摩擦，土體流動性差，在土倉中充填渣土?xí)r，刀盤扭矩增大，螺旋式輸送機(jī)輸送土渣的扭矩隨之增大，造成土倉排土不暢，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，直接影響盾構(gòu)掘進(jìn)。

(2)無水砂卵石地層中未改良的渣土的流塑性較差，造成掘進(jìn)時刀盤的阻力較大，盾構(gòu)機(jī)的推力增加，刀盤刀具由于摩擦產(chǎn)生的熱溫度升高，磨損加劇，從而影響盾構(gòu)機(jī)的工作性能和掘進(jìn)效率。

(3)由于砂卵石地層流塑性差，開挖面自穩(wěn)性差，土倉壓力控制波動頻繁，使開挖面穩(wěn)定性難以維持，直接影響地表隆沉幅度的增加，造成地表沉降和建筑物沉降難以控制。

2 土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)

2.1 渣土級配以及渣土的含水率

通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，影響渣土流動狀況的因素很多，其中級配較為顯著。所以在實(shí)際操作中對級配要求把握準(zhǔn)確，可通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)顆粒大小達(dá)到一定數(shù)值時，對結(jié)泥餅影響較小。實(shí)際資料表明，在盾構(gòu)施工過程中，渣土的含水量仍處于一種變化狀態(tài)。綜合統(tǒng)計結(jié)果選取了粒徑不同但性質(zhì)相同的樣本為試驗(yàn)對象，下述實(shí)驗(yàn)選取了三組樣本為實(shí)驗(yàn)對象，分別測試其含水量。

2.2 泡沫改良劑以及渣土改良的具體試驗(yàn)

本次試驗(yàn)選擇改性泡沫劑為對象，并和業(yè)內(nèi)廣泛使用的一些改性泡沫劑進(jìn)行對比。為便于記錄數(shù)據(jù)和參數(shù)，對改良后的渣土坍落度狀況設(shè)定了明確的評價指標(biāo)。實(shí)際上，坍落這一評價指標(biāo)包含了許多內(nèi)容，其中又以土質(zhì)和稠度為主要影響因素，因此根據(jù)具體情況，試驗(yàn)確定較為合適的坍落度值。

3 土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)過程中詳細(xì)記錄試驗(yàn)中對盾構(gòu)施工渣土改良的結(jié)果，對土質(zhì)狀況也做了詳細(xì)的分析。實(shí)驗(yàn)過程中改良效果的確定依賴于觀測方法，通過觀察渣土的流動性來判斷。研究結(jié)果表明，狀態(tài)良好的土體，其坍落度參考值保持在17～20mm之間。通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在用泡沫改良劑對其進(jìn)行改良試驗(yàn)時，當(dāng)土壓平衡盾構(gòu)渣土的含水量較高時，對其使用的泡沫改良劑較少。在含水量較低時，更多的泡沫改良劑將被使用。

3.2 渣土改良參數(shù)范圍選定

在選擇渣土改良參數(shù)范圍時，應(yīng)結(jié)合渣土改良效果，包括渣土的含水量和用于渣土改良的泡沫改良劑量，通過擬合這些數(shù)據(jù)，可以得到二者之間的函數(shù)關(guān)系，從而確定渣土改良輔助工法的各項(xiàng)參數(shù)。在一般工程施工中，土壓平衡的建立需要適當(dāng)?shù)臈l件，如果遇到含水率較高或者較低的地層，則建立土壓平衡比較困難，盾構(gòu)施工的復(fù)雜性增加了其施工難度。因此，要想對渣土進(jìn)行改良，最好的方法就是把渣土含水量控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。在具體試驗(yàn)中還需考慮渣土改良泡沫劑用量和配比問題，由于不同泡沫劑配比導(dǎo)致渣土的狀態(tài)不同，因此應(yīng)注意渣土物理性質(zhì)指標(biāo)。這樣就可以客觀、綜合的選擇出渣土改良添加劑使用的一些參數(shù)范圍。

3.3 渣土改良施工參數(shù)的形成

在土壓式盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)結(jié)束后，對試驗(yàn)得到的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，對實(shí)際應(yīng)用才有意義。改進(jìn)后的施工參數(shù)可用于現(xiàn)場施工，除考慮改進(jìn)后的發(fā)泡劑濃度和起泡速率外，還應(yīng)結(jié)合氣壓和土壓。在此過程中，需注意各參數(shù)的精度，所以必須綜合基本情況，結(jié)合精確的參數(shù)控制得出盾構(gòu)施工每環(huán)渣土改良的參數(shù)范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注水量為550～110L/環(huán)時，其泡沫劑用量應(yīng)在30～50 L/環(huán)。同時，為了保證參數(shù)能夠真正指導(dǎo)實(shí)踐，對于土壓平衡盾構(gòu)渣的改良具有實(shí)踐意義，需要在改良參數(shù)的過程中確定相應(yīng)的原則，增加水流量時，應(yīng)按增加的比例控制泡沫劑的用量的增減，最后得到的參數(shù)結(jié)果也是有效的。

4 土壓平衡盾構(gòu)渣土改良精細(xì)化控制

4.1 渣土改良施工控制參數(shù)

為加強(qiáng)土壓式盾構(gòu)施工渣土改良控制參數(shù)的有效性，必須后續(xù)對其參數(shù)控制進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。通常情況下，影響渣土改良參數(shù)的主要因素是所處盾構(gòu)施工項(xiàng)目的工況，例如盾構(gòu)掘進(jìn)時的速度對渣土改良參數(shù)的影響占比就很大。因此需要將這些因素結(jié)合起來確定渣土改良參數(shù)。在此需要三個參數(shù)，一是盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)速度，二是泡沫劑用量，三是注水量，然后綜合掘進(jìn)速度、泡沫劑用量和注水量之間的關(guān)系，最終確定渣土改良施工控制參數(shù)。

4.2 渣土改良參數(shù)現(xiàn)場驗(yàn)證

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可信度，需要對改良措施采用后的盾構(gòu)施工渣土適應(yīng)性性進(jìn)行驗(yàn)證。除對改良參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析外，還應(yīng)觀察掌握改良前后土渣的性質(zhì)狀態(tài)，并進(jìn)行記錄。每環(huán)添加劑注入率若有較大浮動，往往是由于盾構(gòu)掘進(jìn)速度與添加劑注入率匹配不夠所致。若盾構(gòu)掘進(jìn)速度和添加劑注入率相互匹配，盾構(gòu)掘進(jìn)就會進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。研究結(jié)果表明，因?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)過程中地質(zhì)情況的變化，會出現(xiàn)某些不可控的情況，所以須根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整改進(jìn)改良添加劑的用量。這樣一來，盾構(gòu)掘進(jìn)中各項(xiàng)參數(shù)才會得到優(yōu)化，對實(shí)際施工產(chǎn)生的效益才會明顯。

5 渣土改良相關(guān)建議

施工中渣土含水率調(diào)整至15%，膨潤土添加3～5%，泡沫劑添加10～15%(原液比例3%)，土質(zhì)坍落度可達(dá)140～180 mm，滿足土壓平衡盾構(gòu)渣土改良的需要，渣土具有良好的流動性，排土運(yùn)輸較為理想。

（1）對于砂卵石地層，單獨(dú)用泡沫劑改良砂卵石渣土的效果并不理想，需要考慮同步加入一些膨潤土的方式進(jìn)行渣土改進(jìn)。但施工過程中泡沫劑和膨潤土泥漿在掌子面上會有流失，為確保改善渣土的效果，施工時添加的添加劑的比例要比試驗(yàn)室結(jié)果稍大。

（2）在工程實(shí)踐中，通過室內(nèi)試驗(yàn)得出的渣土改良添加劑的最佳比例，使盾構(gòu)掘進(jìn)速度明顯提高，刀盤扭矩減小，土倉土壓控制較好，總推力減小，掌子面穩(wěn)定性增強(qiáng)，施工效果顯著改善。

6 結(jié)語

在國內(nèi)，土壓盾構(gòu)渣土改良技術(shù)作為其施工工法的一個重要組成部分，對地鐵施工有著深遠(yuǎn)的影響，對降低盾構(gòu)施工成本，提高掘進(jìn)進(jìn)度有著重要的作用。本文對渣土改良技術(shù)中的泡沫劑的使用進(jìn)行了初步試驗(yàn)探索，但因?yàn)樵囼?yàn)中往往不能考慮施工過程中的所有客觀因素，導(dǎo)致最終試驗(yàn)結(jié)果仍然不夠精確，推廣使用的指導(dǎo)意義較為局限。為此，后續(xù)還將進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)方法和論證改良效果，以得出更為有效的數(shù)據(jù)，為其他同類型項(xiàng)目施工提供參考數(shù)據(jù)。