砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良分析

1、砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良分析摘要：盾构在卵石含量高、粒径大的砂卵石地层中掘进时，由于土体流塑性差， 土体在土仓内无法及时排出，时常出现盾构推力、刀盘扭矩增大，推进速度极其 缓慢等现象；由于土仓内土体颗粒间的传力是点对点，使支护压力不能有效施加 到开挖面上，极易出现地表沉降超限、塌方等事故。通过试验表明，采用泡沫+ 膨润土作为土体改良剂对砂卵石地层进行改良是可行的，能够显著降低盾构的推 力和扭矩以及渣土的温度。膨润土和泡沫混合注入后在掌子面形成泥膜具有良好 的保压性，能有效提高盾构机停机状态下的安全性。关键词：盾构隧道；渣土改良；砂卵石地层1引言土压平衡盾构施工过程中，如何防止渣土在刀

2、盘上形成泥饼、在土仓内积压、 堵仓，在螺旋输送机口产生堵塞、喷涌、刀盘和刀具磨损，仍是隧道施工面临的 主要难题。在砂卵砾石地层施工，地层力学性质不稳定，砂卵石含量高，颗粒之间空隙 大，无黏聚力，使得开挖土体塑流性差，盾构推力及扭矩大，刀盘。刀具及螺栓 输送机磨损严重，推进速度极其缓慢，且地层在盾构施工中稳定性较差，给施工 造成困难。如何进行有效的渣土改良，至关重要。渣土改良的好坏，将直接影响 到盾构掘进速度、开挖成本，甚至工程成败。目前关于渣土改良性能评价主要是 以室内试验研究为主的塌落度试验、搅拌试验、渗透试验、压缩试验、稠度试验、 剪切试验、安定性试验等等。2 土体改良剂的选择在砂卵石地层

3、中施工时，为避免土体的塑流性不佳而发生一系列施工问题， 通常的办法就是向开挖面及土仓内注入一定比例的土体改良剂来改变土体的状态， 使其达到盾构正常掘进的要求。土体改良常用类型泡沫和膨润土最为常见。（1）泡沫与土体的匹配关系；土压平衡盾构施工用的泡沫一般由发泡剂、稳泡剂和助剂组成。目前盾构使 用的泡沫剂绝大部分是由阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂复配构成主发泡 剂，再配以稳泡剂，所有成分按照一定比例，采取合理的混合方式形成泡沫剂产 品。适用于泡沫剂进行土体改良的地层主要有，颗粒级配相对良好的土体、平均 粒径较大的土体、水量较高的土体。（2）膨润土与土体的匹配关系；盾构掘进过程中使用的膨润土是黏

4、土的一种，由于膨润土具有吸湿膨胀性、 低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能，土压平衡盾构施工对加入的膨润土泥浆 要求是能形成滤饼”，可以形成于土粒内部和土粒之间，由胶结和固结的膨润土 组成。适用于膨润土进行土体改良的地层主要有细粒含量少的土体，透水性高的 土体。（3）土体改良剂配合比；Na基膨润土用量为Ca基膨润土用量的1/61/5, Na基膨润土较为细腻，Ca 基膨润土具有砂质感。Na基膨润土与卵石的最优体积配合比1：（45）。现场 搅拌站采用的配合比为每3m3膨润土加入纳基膨润土（50kg/袋）910袋，盾构 机泡沫系统主要设置参数包括原液混合比、发泡倍率及各路分倍率。在掘进过程 中原液混合

5、比设为3%5%,发泡倍率设在610倍（可根据地层含水量适当调 节），泡沫流量控制在400500L/min。（4）土体改良参数确定；单独注入泡沫时，土体的改良效果较差，除推力、扭矩较大及掘进速度较慢 外，螺旋输送机还有喷涌现象。此外，单独注入膨润土时，推力、扭矩大及掘进 速度慢的现象依然存在。因此确定最优注入量为泡沫400500L/min，膨润土 90110L/min.单加泡沫和单加膨润土时刀盘扭矩基本在80%以上，掘进速度基本 无法提高，而膨润土和泡沫混合时，扭矩稳定在50%60%，且掘进速度得到大幅 提高，推力也明显下降。单独加泡沫时，由于渣土中细颗粒较少，且只有部分大颗粒能从螺旋输送机 转

6、出，导致土仓下部沉积大量卵石，刀盘回转时，扭矩大幅增加。土仓下部沉积 大量卵石，渣土无法顺利从刀盘下部开口进入土仓，油缸推力也增大。单独加膨润土时，由于膨润土从土仓中加入，刀盘前方掌子面土层相对干燥， 无法形成较厚的泥膜，刀盘切削土体时，扭矩较大，油缸推力偏大。当混合加入膨润土和泡沫时，土仓内的大颗粒可以顺利通过螺旋输送机排出， 且泡沫不断深入掌子面，不仅能疏松土体，还能和膨润土一起在掌子面上形成泥 膜，有效降低油缸推力和刀盘扭矩，同时提高了掘进效率。3土体改良效果分析（1）刀盘转速与推力、扭矩的关系；以砂卵石为主的地层刀盘转速一般设为1.01.3rpm。刀盘转速增加，推力降 低，扭矩增高。渣

7、土改良以后，膨润土与泡沫深入掌子面土层中改善了土体性状， 降低了刀盘切削扭矩。（2）渣土改良对渣温的影响；当只采用注入泡沫的渣土改良时，大颗粒卵石无法从土仓中排出，且大都沉 积在土仓底部。此外，由于卵石间摩擦力大，刀盘转动过程中会产生大量的热量， 同时由于掘进速度缓慢，一环掘进时间过长，也会产生大量热量。当采用膨润土和泡沫混合注入后，土仓内沉积的大颗粒卵石被顺利排出。此 外颗粒间由于填充有膨润土和泡沫，摩擦力降低，且掘进速度大幅增高，每环产 生的热量较以前大幅降低。（3）渣土改良对土压的影响；渣土改良技术对土压的影响主要在停机后土仓的保压状况。砂卵石地层中， 由于卵石颗粒间含有大量的孔隙，在停

8、机状态下，土仓泄压快，幅度大，采用膨 润土与泡沫混合注入后，掌子面上形成的泥膜具有良好的防渗性能，良好的保压 性能有效防止停机状态下掌子面的土体塌落，从而减少地表沉降。（4）经济效益；土体改良后，对比发现良好的土体改良技术不仅提高了掘进速度和降低了掘 进需要时间，材料用量也大幅度降低。4结束语（1）盾构设备选型对盾构施工地层适应性至关重要，但是设备选型不能完全 决定掘进效能，盾构施工过程中可以通过土体改良和盾构掘进模式的调整，从而 有效提高设备的掘进效能。（2）在保证土体改良剂质量的前提下采用泡沫和膨润土泥浆相结合，并在刀 盘前方分区注入的方式进行土体改良是合理的，其效果比单独使用泡沫或者膨润

9、 土改良有了很大的改善。（3）采用刀盘转速、刀盘扭矩、盾构推力、土压力、渣土温度等盾构掘进参 数来评价土体改良效果，具有量化指标明确、容易操作的优点。土体改良显著降 低了刀盘、螺旋输送机的油压以及盾构推力，减小了刀盘扭矩，有效的降低了开 挖面前方土体与土仓内渣土的内摩擦角，从而降低盾构刀盘与开挖土体、盾构背 面搅拌棒等设备与渣土的摩擦系数，减轻了砂卵石地层对盾构设备的磨损，提高 了设备的使用寿命。（4）相同土体改良剂条件下，满仓欠压掘进模式下的土体改良效果优于满仓 保压模式，在确保盾构出土量可控的条件下，砂卵石地层满仓欠压掘进模式可以 大大改善盾构掘进效率。（5）良好的土体改良能显著提高掘进速度和减少每环所需要的掘进时间。每 环掘进时间的减少使得各种耗材用量大幅度降低，从而降低了施工成本。参考文献：王明胜.复杂地