土压平衡盾构掘进渣土改良方案-任已修改20161007

1、土压平衡盾构掘进渣土改良方 案一任（已修改20161007）南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案 TOC o 1-5 h z 1编制依据32工程概况3 HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 工程范围3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 工程地质6地形、地貌6地层描述 6隧道洞身穿越地层 11 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 水文地质14 HYPERLINK l bookmark16 o

2、 Current Document 周边环境143渣土改良16 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 渣土改良的原因16 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 渣土改良的方法16 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 渣土改良在盾构施工中的重要性164渣土改良试验17 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 试验目的17 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 改良剂的确

3、定17 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 试验19圆砾地层改良试验 19泥岩地层改良试验 23 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 试验结果275安全质量控制措施28 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 防喷涌控制措施 28喷涌原因分析28第1页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案 TOC o 1-5 h z 控制措施28 HYPERLINK l bookmark68 o

4、 Current Document 防刀盘结泥饼措施29刀盘结泥饼原因分析 29控制措施29第2页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案1编制依据垠西站（原桂春路站）青竹立交站（原竹溪大道站）区间设计图纸；南宁市轨道交通3号线工程（科园大道-平乐大道）垠西站（原桂春路站） 青竹立交站（原竹溪大道站）区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告；青竹立交站（原竹溪大道站）青秀山站区间设计图纸；南宁市轨道交通3号线工程（科园大道-平乐大道）青竹立交站（原竹溪 大道站）青秀山站区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告；南宁市轨道交通3号线一期

5、工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02 标土建8工区盾构区间建（构）筑物及管线调查报告；南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标 土建8工区合同文件；土工试验方法标准GB/T50123-1999；本企业在北京、广州、深圳、杭州、南京、成都、南宁等地铁施工中累积 的经验及地铁施工的研究成果和技术储备。2工程概况工程范围南宁市轨道交通3号线一期工程施工总承包02标土建8工区盾构区间包 含：金湖广场站垠西站（原桂春路站）区间（以下简称：金垠区间）、垠 西站（原桂春路站）青竹立交站（原竹溪大道站）区间（以下简称：垠青 区间）、青竹立交站（原竹溪大道站）青秀山站区间（以下简称

6、：青青区 间），区间设计为盾构隧道。本方案主要是针对垠青青区间土压平衡盾构 掘进时圆砾地层与泥岩地层的渣土改良。第3页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案垠西站音特立交站青秀山站南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案垠西站音特立交站青秀山站图2-1线路平面示意图（1）垠青区间垠青区间线路自垠西站大里程端驶入后沿金湖路向西南方向行至锦春路 口，开始以300m半径转弯，穿过广西水产畜牧学校运动场、竹排冲，然后驶入 青竹立交站的小里程。区间左线设计里程为ZD

7、K18+361.701ZDK19+153.994, 长度为766.240m；区间右线设计里程为YDK18+361.701YDK19+153.991,长度 为792.290m；区间总长度为1558.53m。区间线路由一段直线和两段曲线构成， 曲线半径分别为R700m、R300m,线路最大坡度为23.38%。，线间距14.0 17.0m,隧道埋深 13.2m20.7m。ZDK18+617,154（YDK18+589,571）处设联络通第4页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案道一处，不设区间泵房，联络通道长6,1m。区

8、间采用盾构法施工，盾构机由青 竹立交站始发至垠西站吊出。区睥联络地通ftStt大英雄与猪肚鸡楼胃竹立交站区睥联络地通ftStt大英雄与猪肚鸡楼胃竹立交站图2-2垠青区间线路平面走向图（2）青青区间青青区间线路由青竹立交站大里程端驶出后依次下穿竹溪大道、南宁第 四中等职业学校，然后从青秀湖西南侧驶入青秀山站小里程端。区间左线设计 里程 ZDK19+317.206ZDK20+035.230,长度为 739.841m （长链 18.384m）；区 间右线设计里程YDK19+311.734YDK20+035.230,长度为723.496m；区间总长 度为1463.337m。区间线路由两段直线和两段曲线

9、构成，曲线半径分别为 R360m、R400m,线路最大坡度为10.817%。，线间距7.3m11.0m,隧道埋深 17.6m23.5m。区间右线里程丫口口9+860.00处设置联络通道一处，不设废水泵 房，联络通道长26m。区间采用盾构法施工，盾构机由青竹立交站始发至青秀山 站主体平移吊出。第5页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程(科园大道-平乐大道)施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案图2-3青青区间线路平面走向图工程地质地形、地貌垠青区间为邕江低阶地亚区，为邕江i、n级阶地，地形相对平坦，局 部呈小土丘起伏，为内叠阶地。青青区间大部分(ZDK19+418.418YDK

10、19+605)为邕江低阶地亚区，为 邕江1、11级阶地，地形相对平坦，局部呈小土丘起伏，为内叠阶地。青秀山 区域(YDK19+605YDK20+035.230)为于邕江高阶地亚区，为邕江m、W级阶 地。地层描述(1)垠青区间穿越的地层本区间地层情况比较复杂，盾构在施工中穿越多处不同土层：粉质粘土4 (Q3al)4-2灰色、灰褐色，软可塑，韧性较高，干强度较高，切面较光滑、稍有光 泽。本次勘察有19个钻孔揭露该层，分布较广，间断分布于全区间。层厚第6页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程(科园大道-平乐大道)施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案 1.006.00m,平均层厚

11、3.54m。进行标贯试验23次，实测击数39击，平均 7.2击，修正击数平均5.74击。压缩系数平均值0.37Mpa-1,属中等压缩性 土。粉土(Q3al) 1深灰色，湿，稍密，摇震反应中等，干强度差，切面粗糙，无光泽；平均 黏粒含量18.4%。本次勘察有42个钻孔揭露该层，普遍分布于全区间。层厚 1.47.3m,平均层厚3.85m。进行标贯试验52次，实测击数414击，平均 9.06击，修正击数平均7.16击。压缩系数平均值0.19Mpa-1,属中等压缩性 土。粉土(Q3al)2黄色、灰白色，湿，中密，摇震反应中等，干强度差，切面粗糙，无光 泽。本次勘察有6个钻孔揭露该层。厚0.92.8m,

12、平均层厚1.78m。进行标贯 试验3次，实测击数1630击，平均22.33击，修正击数平均17.51击。粉细砂(Q3al)1-1深灰色，湿饱和，松散稍密，用手拍有显著翻浆现象；颗粒级配良 好，平均黏粒含量17.05%。本次勘察有28个钻孔揭露该层，间断分布于全区 间，层厚0.508.10m,平均层厚3.08m。进行标贯试验32次，实测击数316 击，平均8.04击，修正击数平均6.2击。粉细砂 (Q3al)1-2深灰色，湿饱和，稍密中密，颗粒级配不良，平均细粒含量26.5%。 本次勘察有7个钻孔揭露该层，间断分布于全区间，层厚0.504.701平均层 厚1.74m。进行标贯试验3次，实测击数1

13、424击，平均18.67击，修正击数 平均13.04击。圆砾1T (Q3al)灰色、灰白色，灰黄色等杂色，饱和，松散中密状，以稍密为主，主要 成分为圆砾及砂，砾石成分以石英岩、硅质岩为主，颗粒级配不良，粒径一般 220nlm，少量2050111m，粒径小于20111m的占86.9%,粉、黏粒含量14.6%；石 英含量16.857.6%,平均28.1%。磨圆度较好，以次圆状、圆状为主。本次第7页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程(科园大道-平乐大道)施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案 勘察所有钻孔均有揭露该层。层厚1.9030.60m,平均层厚12.11m。统计795

14、个重型动探击数数据，实测击数350击，平均16.25击，修正击数平均8.62 击。(2)垠青区间覆土地层情况本区间广泛分布第四系填土，位于场地浅部。分杂填土1圆砾填土和2 素填土。杂填土：杂色，干燥，松散，主要由沥青路面、混凝土、碎石块组 成，含少量粘性土，欠压实稍压实，均匀性差。素填土：黄褐色，杂色，主 要成分为粘性土夹碎石，可塑硬塑，稍湿湿，欠压实稍压实。本阶段勘 察钻孔揭露填土层厚度分布不均，区间隧道拟采用盾构法施工，填土对工程影 响较小。(3)青青区间穿越的地层根据岩土勘察报告，本区间除了具有垠青区间的地层外，还具有少量的 7层土及以下地层：圆砾1T (Q3al)灰色、灰白色，灰黄色等

15、杂色，饱和，稍密中密状，主要成分为圆砾及 砂，砾石成分以石英岩、硅质岩为主，粒径一般220mm，少量3050mm，粒 径小于20mm的占80.53%，粉、黏粒含量20.03%；石英含量4.132.7%，平均 含量18.4%。颗粒级配不良，磨圆度较好，以次圆状、圆状为主。本次勘察有 12个钻孔揭露该层。分布在邕江低阶地亚区，由区间起点往大里程方向逐渐歼 灭于K19+550与K19+570之间。层厚1.7013.00m，平均层厚5.93m；层顶埋 深14.819m，层顶标高55.359.79m。统计37个动探击数数据，实测击数 723击，平均13.35击，修正击数平均7.98击。泥岩、粉砂质泥岩1

16、-3(E)青灰色、泥质结构，局部粉砂质结构，厚层状结构，成岩程度较深，呈半 岩半土状，风干开裂，遇水易软化，局部含有深灰色、灰黑色薄层泥煤层或碳 质泥岩。该层普遍分布于全区间，本次勘察只有1个钻孔(MCZ3-ZQ-02)没有 揭露该层。层厚0.7030.30m，平均层厚10.37m。进行标贯试验39次，实测 击数50188击，平均91.22击，修正击数平均71.43击。天然状态下单轴抗 压强度为0.477.35Mpa，标准值为2.62Mpa。自由膨胀率21.55%57.52%，平第8页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程(科园大道-平乐大道)施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改

17、良方案 均值42.7%,属A2类膨胀土。相对膨胀率0.62%1.47%,平均1.06%,膨缩总 率1.75%8.04%,平均5.34%,属强等膨缩土。泥质粉砂岩、粉砂岩2-3(e)青灰色，粉砂质结构，成岩程度较深，呈半岩半土状，局部含泥质，厚层 状构造。该层普遍分布于全区间，本次勘察只有1个钻孔(MCZ3-ZQ-07)没有 揭露该层。层厚0.9020.70m,平均层厚7.16m。层厚0.9020.700,平均层 厚7.16m。进行标贯试验18次，实测击数50150击，平均84.33击，修正击 数平均61.31击。天然状态下单轴抗压强度为0.705.82Mpa,标准值为1.74Mpa。粉(细)砂

18、岩3-3 (E)青灰色，粉砂质结构，已固结成岩石状的半成岩，岩质较硬，厚层状构 造。本次勘察有12个钻孔揭露该层，主要在青秀山区域钻孔揭露，该层埋深较 大，揭露深度平均在56m左右，与泥质粉砂岩汽相似，多以透镜体状分布于 抬中。层厚1.3017.30m,平均层厚6.40m。天然状态下单轴抗压强度为 5.4017.1Mpa,平均值为 11.2Mpa。钙质泥岩3-5 (E)砖红色，泥质结构，钙质胶结，厚层状构造，已固结成岩石状的半成岩， 岩芯呈柱状，局部含泥灰岩砾石块。本次勘察有10个钻孔揭露该层，层厚2.208.70m,平均层厚4.72m。多以透镜体状分布于3中。天然状态下单轴 抗压强度为2.3

19、510.28Mpa,平均值为5.87Mpa。(4)青青区间覆土地层情况本区间广泛分布第四系填土，分杂填土1圆砾填土和2素填土。杂填 土：杂色，干燥，松散，主要由建筑垃圾、沥青路面、碎石块组成，含少量粘 性土，欠压实稍压实，均匀性差。有27个钻孔揭示该层，分布不均匀，位于 场地表层。素填土2：黄褐色，杂色，主要成分为粘性土夹碎石，可塑硬 塑，稍湿湿，欠压实稍压实。层厚0.60m8.0m,平均层厚321m,有39 个钻孔揭露该层，分布范围较广，位于场地浅部。(3)区间岩土主要物理力学参数表第9页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣

20、土改良方案表2-1岩土主要物理力学参数表岩土分层岩土名称时代与成因天然密度天然含水量孔隙比剪切 直接!J试验 融剪压缩系数压缩模量渗透系数单轴抗 压强度 标准值 （天然）地基 承载 力特 征值基床系数水平基床系数垂直静止 侧压 力系 数粘聚力摩擦角pwec巾aEsKffKKK0g/cm%kPa1-2MPa11-2MPam/dc kPaakkPahVMPa/m杂填 土Qml41.9527.800.90010.006.00/0.5/80340.82素填 十1.9326.300.78411.008.000.195.730.3/90550.67粉质 黏土Qal31.9625.500.75233.001

21、2.00.1710.570.01/20030300.37粉质 黏土1.9726.300.77322.408.100.287.190.04/17020200.43粉质 黏土1.8732.100.92811.777.350.375.130.01/12020150.61粉质 黏土1.8042.001.18210.807.300.583.920.01/901080.64粉土Qal 32.0321.100.60110.0012.10.189.400.5/11018150.54粉细 砂Qal32.0320.390.610/25.00.1511.202/12010120.432.0021.100.700/2

22、6.00.1311.202/15020200.39中砂2.00/0.700/29.00.1311.2020.00/17025250.50砾石Qal 32.0320.080.622/30.0/70/30040350.37卵石2.00/0.56/35.0/300.0/35025250.33泥岩、 粉砂 质泥 岩E2.0519.890.60145.0013.00.199.000.020.5025035350.472.1816.800.45760.0011.00.1510.900.021.0030060550.452.1416.000.47677.8015.460.1214.670.022.55400

23、100800.44粉砂 岩、泥 质粉 砂岩2.0318.600.57140.0020.630.199.000.40.5025020200.432.0518.400.56050.0025.00.1512.000.51.0030025250.412.1018.200.55060.0030.00.1215.550.82.55400100800.392-3第10页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区2.2.32.2.3隧道洞身穿越地层垠青区间穿越的地层主要为：粉土层粉砂层1-2、圆砾层1T。水位埋深5.111.60m。（粉土黝口 13*份质粘土4-2:

24、嗡细砂初中希士酰饬士（粉土黝口 13*份质粘土4-2:嗡细砂初中希士酰饬士2员宿二-L1-32-3平均埋深6.77m。详见附件一。1-32-3平均埋深6.77m。详见附件一。南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区图2-4垠青区间穿越主要地层图青青区间穿越的地层主要为：泥岩、粉砂泥质岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质粉砂岩（南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区圆哥母1-1泥吉、粉砂麻泥岩1粉地岩，泥盾粉秒岩泥责粉砂岩上2南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案水

25、文地质（1）地表水、地下水的赋存及类型：地貌形态主要为侵蚀堆积河谷阶地区，无地表水流；地下水主要有地下水 主要分为三种类型：一类为上层滞水，第二类为松散岩类孔隙水，第三类为基 岩裂隙水。上层滞水，主要赋存于场地素填土层中，主要是受大气降水和居民生活 用水的补给，水量不大，无稳定水位。松散岩类孔隙水，主要赋存于松散岩类的砂、砾含水层中，为孔隙承压 水，在砂、砾粒间隙呈分散状缓慢径流状。其上为填土层、粘性土层及粉土层 覆盖，圆砾层富水性强，渗透性强，属强透水层。孔隙水与邕江水系联系密 切，主要是受大气降水和邕江水系侧向补给，水量丰富。基岩裂隙水，主要赋存于下伏泥岩、粉砂岩的层间裂隙和构造裂隙中，

26、受上覆圆砾层中地下水的垂直向入渗补给，富水性差，水量小。本工程稳定地下水位为67.6768.05m,抗浮水位为75.28m,地下水位 高，渗透性强，基坑涌水量大。（2）地下水的补给、径流、排泄及动态特征：地下水主要受大气降水补给，其次受地表水补给，沿含水层渗流排泄。地下水 的渗流方向由相对较高水头处向相对较低水头处渗流，流速低，流量小。从地 下水位反映的形态看，地势高则地下水水位高，反之则地下水位低。（3）地下水的腐蚀性：该场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微 腐蚀性，对钢结构具微腐蚀性。周边环境垠青区间线路自垠西站大里程端驶入后沿金湖路向西南方向行至锦春路 口，开始

27、以300m半径转弯，穿过广西水产畜牧学校运动场、竹排冲，然后驶入 青竹立交站的小里程。区间主要穿越建（构）筑物有：双线正下穿广西水产畜 牧学校运动场旁大英雄与猪肚鸡楼（垂直近距14.5）、双线正下穿竹排冲河（垂 直近距5.96m）。第14页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案图2-6大英雄与猪肚鸡楼图2-7竹排冲河青青区间线路由青竹立交站大里程端驶出后依次下穿竹溪大道、南宁第 四中等职业学校，然后从青秀湖西南侧驶入青秀山站小里程端。区间主要穿越 建（构）筑物有：右线正下穿云星钱隆天下商住小区9#楼（垂直近距2.2m）

28、、 双线正下穿南宁市第四职业技术学校学生公寓3栋（垂直近距5.89m）、左线正下穿南宁市第四职业技术学校学生公寓4栋（垂直近距6.0.）。图2-9第四职业技术学校学生公寓3栋、4栋表2-2区间主要建筑物概况序号名称建筑 年代结构类型 及地面层 数地下室 层数基础隧道与建筑物关系类型标高（m）平面近距竖向近距1广西水产畜牧学校运 动场旁大英雄与猪肚1989框架2层0条形基础基础底73.24m双线正下穿14.1m第15页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案序号名称建筑 年代结构类型 及地面层 数地下室 层数基础隧道与建筑

29、物关系类型标高（m）平面近距竖向近距鸡楼2垠西村八组综合楼2002框架6层1筏板基础桩底8.4m右线5.37m7.66m3竹排冲综合治理工程C20砼挡墙2011砼挡土墙0底 63.65m左线4.0m1.3m4云星钱隆天下商住小 区9#楼2009框剪18层1桩基础桩底54.2059.75右线0.21m2.2m5南宁市第四职业技术 学校学生公寓3栋1986框架6层0桩基础桩底66.0m双线正下穿5.89m6南宁市第四职业技术 学校学生公寓4栋2009框架7层0桩基础桩底66.0m左线正下穿6.0m7南宁市第四职业技术 学校食堂培训中心2009框架6层0CFG桩地 基处理基础底74.0m双线正下穿，

30、切 CFG地基处理桩13.92m3渣土改良渣土改良的原因本工程选用的土压平衡盾构机，其刀盘直径为6280mm，同时装配了 1套泡 沫注入系统和膨润土注入系统。土压平衡盾构机，其特点是用开挖出的土砂作 为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的土砂必须具有良好的塑性 变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小的特点，而且必须防止刀盘产生泥饼、 螺旋输送机排土时出现喷涌现象。由于垠青青区间圆砾地层和泥岩地层不 能完全满足压平衡盾构机这些特性，所以要进行渣土改良。渣土改良的方法渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向掌子面，土仓内或螺旋输送机内 注入膨润土泥浆或泡沫剂等，利用刀盘和盾体的相对运动搅拌或者螺旋

31、输送机 旋转搅拌使膨润土泥浆或泡沫剂与渣土混合，使盾构切削下来的渣土具有良好 的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力。渣土改良在盾构施工中的重要性目前我国所应用的盾构机类型主要为土压平衡式盾构，其特点是用开挖出 的土体作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的土体具有良好的 塑性和流动性、良好的粘稠度、低的内摩擦力、低的透水性。由于一般土体不第16页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案 能完全满足这些特性，所以要进行改良，其技术要点是在泥土仓中注入水、膨 润土泥浆或泡沫剂等材料，经强力搅拌，改善开挖

32、土体的不稳定性和密度不均 匀性，降低土体对刀盘、刀具、螺旋机磨损程度和功率要求高的情况。渣土改 良系统已成为盾构法施工的一个重要组成部分，对盾构法隧道施工的发展有着 深远的影响。纵观目前国内各台盾构机的使用工况，不难发现土质改良技术应 用的好坏，对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。4渣土改良试验试验目的土压平衡盾构穿越圆砾地层及泥岩地层时，必须采取土体改良措施，目前 采用膨润土改良圆砾地层和泡沫剂改良泥岩地层已被广泛应用于盾构施工中。 本试验的主要目的是通过制定合理的方案，给出合理的膨润土改良圆砾地层及 泡沫剂改良泥岩地层的配比参数，已达到最佳的改良效果。改良剂的确定南宁1号线

33、15标南金会区间地层属于全断面的圆砾层，盾构在这种全 断面的圆砾层中掘进，这在国内属于首例，因为南宁的圆砾层不同于成都和北 京的卵石地层，它的自稳性非常松散，没有自稳时间，在盾构掘进中很容易出 现喷涌事件。南宁1号线15标项目部在盾构圆砾层掘进时，试验室对圆砾地层 反复通过添加膨润土泥浆来进行渣土改良试验，最终成功配置出适合南宁地层 的配比参数，并将其膨润土泥浆注入刀盘前方，有效的减小了刀盘的扭矩、保 持了土压的稳定，改善了出渣的效果，最终顺利完成全断面圆砾层的掘进。盾构法施工的主要机械就是盾构机，土压平衡式盾构机因其能较好地控制 地表沉降，保护环境、适应在市区和建筑密集施处施工等优点，以及在

34、经济上 的优势，正在我国的隧道施工中被广泛应用。经过20年的发展，土压平衡式盾 构适用的地质条件由软弱粘性土和砂砾土，范围不断扩展，得到广泛应用。纵 观国内外，随着土体改良技术等方面的发展，土压平衡式盾构的土体适应范围 将进一步扩大，越来越多的盾构机应用于地下隧道工程中，将创造巨大的社会 价值和经济价值。实践证明，在运用土压平衡式盾构机掘进时，采用膨润土泥 浆改良圆砾地层、泡沫剂改良泥岩地层作为盾构施工的最佳改良剂。第17页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案（1）膨润土膨润土在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮

35、液具有一定的粘带性、 触变性和润滑性，它和水、泥、砂等细琐屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。 膨润土在水化时，钠离子连接各层薄片，同时挤占与之接触的土颗粒之间的间 隙，积聚于土壤与泥水的接触表面，形成不透水的可塑性胶体，从而形成泥 膜。在富水圆砾层的盾构机掘进中使用，可提高圆砾的含泥量，补充土体的微 细颗粒组分，使土体的内摩擦角变小，增加开挖土体的流动性和不透水性，主 要作用如下：降低土体的渗透系数，使其具有较好的止水性，以控制地下水流失；可有效提高土体的保水性，防止渣土离析、沉淀板结；使渣土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；使土体具有较低的内摩擦角，降低刀盘扭矩，减少对刀具

36、和螺旋输送机 的磨损；使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土，提 高掘进速度。（2）发泡剂发泡剂是专门针对土压平衡盾构机在隧道中的一种辅助材料，是由发泡剂、 稳泡剂、净洗剂、乳化剂、渗透剂等多种表面活性剂调制而成。对不同土壤的 适应性用，能使砂岩类土层得到良好的止水性，具有一定的支撑作用，并辅以 水溶性润滑防腐剂等润滑材料，能起到良好的润滑作用，对粘性土发挥良好的 润滑作用，减少土体与刀盘上粘土的附着力，有效降低扭矩，改善盾构作业参 数，广泛适用于土压平衡式盾构机隧道掘进施工中。主要性能如下：发泡剂中含有水基润滑防锈成份，能保护刀盘，有效的降低磨损与锈蚀 现象对盾构机的损坏

37、；具有良好的润湿性、渗透性、发泡性、稳泡性，能保持丰富的泡沫；提高土层的工作性能，使之形成塑性变形，以提供均匀可控的支撑压力 使工作面稳定；减少渗漏，加强工作面的密封性。抗渗透性强，使整个掘进面传动均匀， 工作面压力变小，有利于调整土仓压力，保持盾构机掘进姿态，控制地表沉降;第18页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案润滑效果优异，减少了开挖土体的内摩擦角，较少了刀盘的扭矩，提高 了掘进土砂的流动性，改善盾构机的作业参数；降低土体粘度，粘度不粘附在土仓壁及刀盘，土体不固结不结饼，防止 堵塞发生；可生物降解，对土壤环境

38、无污染。试验圆砾地层改良试验为了研究膨润土泥浆对圆砾地层的改良效果，需要控制膨润土泥浆配合 比，做试验如下：步骤1：竟可能的模拟施工环境，试验圆砾取样要有代表性，因为南宁地 层条件复杂，所以取出比较有代表性的圆砾做配比试验，以降低盾构穿越这种 地层时的风险。步骤2：按照膨润土与水的质量比为1:6、1:8、1:10、1:12、1:14，配制 膨润土泥浆，测试泥浆的浓度、粘度及比重，绘制泥浆浓度一粘度、泥浆浓度 一比重关系曲线，给出膨润土膨化效果最优时的泥浆浓度。步骤3：按膨润土最优浓度配制膨润土泥浆，以膨润土泥浆与圆砾体积比 为1:10、1.5:10、2:10、2.5:10、3:10的比例计算泥

39、浆需要量后，分别加入圆 砾充分搅拌，测定经膨润土改良后拌合料的坍落度数据，分别给出单独使用膨 润土为改良剂时的最佳配合比。步骤4：通过以上步骤反复试验观察得出试验结论。第19页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案图4-1膨润土泥浆试验试验结果:泥浆浓度一粘度关系表及曲线图表4-1泥浆浓度一粘度关系表序号质量比浆液浓度/%粘度/s11:62.92021:82.8937631:102.8318641:122.756751:142.7321浆液粘度（s）T浆液粘度（s）T一浆霰粘度（5）2.72.752.82 852.92

40、.95图4-2泥浆浓度一粘度曲线图第20页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案由图可以看出，当膨润土与水的质量比为1:6到1:8时，膨润土泥浆从膏 状到缓慢流动，此种泥浆最易堵管；当膨润土与水的质量比为1:8到1:10时， 膨润土泥浆粘度处于最佳状态，且流塑性刚好；当膨润土与水的质量比为1:10 到1:14时，膨润土泥浆粘度降低到无粘度，且直至到无膨化现象。泥浆浓度一比重关系表及曲线图表4-2泥浆浓度一比重关系表序号质量比序号质量比浆液浓度/%比重g/cm311:62.921.0821:82.891.0731:102

41、.831.0641:122.751.0551:142.731.04图4-3泥浆浓度一比重曲线图曲线图由图可以看出，膨润土浆液浓度越大，比重越大；浓度越小，比重越小。当膨润土与水的质量比为1:6到1:8时，膨润土浆液比重由1.08g/cm3下降到 1.07g/cm3,浆液从稠向稀过渡；当膨润土与水的质量比为1:8到1:10时，膨 润土浆液比重由1.07g/cm3下降到1.06g/cm3,既能满足试验要求，又可以达到 节约工程成本的目的；当膨润土与水的质量比为1:10到1:14时，浆液出现离 析现象。第21页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压

42、平衡盾构掘进渣土改良方案拌合料体积比一坍落度关系表及曲线图图4-4膨润土与圆砾试验表4-3拌合料体积比一坍落度关系表序号体积比塌落度mm备注10.5:103021:108031.5:1015542:1018052.5:1021063:10240)200一塌落度（)200一塌落度（mm）100塌落度（mm图4-5拌合料体积比一坍落度曲线图第22页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案由图可以看出，坍落度随膨润土泥浆掺量的升高而增加，从0.5:10到3:10， 拌合料坍落度由30mm上升到240mm，可见随着膨润土泥浆掺

43、量的增加，坍落度 趋于稳定。膨润土泥浆掺量从0.5:10到1.5:10时，拌合料坍落度由30mm上升 到1551nm，拌合料粘性最强，但几乎无流塑性；而膨润土泥浆掺量从1.5:10到 2.5:10时，拌合料坍落度由1551nm上升到210mm,拌合料的流塑性最佳，粘性 最强；当膨润土泥浆掺量从2.5:10到3:10时，拌合料坍落度由2101nm上升到 2401nm，虽然拌合料的流塑性最强，但无粘性。泥岩地层改良试验为了研究泡沫主要对泥岩地层的改良效果，需要控制泡沫掺量，做试验如 下：步骤1：尽可能的模拟施工环境，试验泥岩取样要有代表性，以降低盾构 穿越这种地层时的风险。步骤2：对泡沫剂原液浓度

44、按1%、2%、3%、4%、5%、6%的掺量进行稀释， 绘制发泡剂浓度与半衰期关系图，给出泡沫稀释后最优时的泡沫浓度。步骤3：按最优泡沫浓度稀释液与泥岩质量比为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、 1:6的比例充分拌合，测定经泡沫剂改良后拌合料的坍落度数据，分别给出单 独使用泡沫剂为改良剂时的最佳配比。步骤4：通过以上步骤反复试验观察得出试验结论。第23页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案图4-6发泡剂稀释试验试验结果：发泡剂浓度一半衰期关系表及曲线图表4-4发泡剂浓度一半衰期关系表序号浓度（%）气泡半衰期（mi

45、n）备注117.52211.53313.544145514.56614.5图4-7发泡剂浓度一半衰期曲线图第24页/共28页 南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案由图可以看出，随着发泡剂浓度的提高，从1%到6%，溶液所发出的气泡的 半衰期由7.5min上升到14.5min，可见随着发泡剂浓度的上升，所发出气泡趋 于稳定。发泡剂浓度从1%到3%时，气泡的半衰期由7.5min上升到13.5min，气 泡的稳定性变化明显；而发泡剂浓度从3%到6%时，气泡的半衰期由13.5min上 升到14.5min，气泡的稳定性变化不大。发泡剂浓度

46、一最大发泡倍率关系表及曲线图表4-5发泡剂浓度一最大发泡倍率关系表序号浓度（%）最大发泡倍率（倍）备注112822453358445655576657图4-8发泡剂浓度一最大发泡倍率曲线图由图可以看出，发泡最大发泡倍率随发泡剂浓度的升高而增加，浓度在1%3%范围变化时，最大发泡倍率在2858倍之间变化；而浓度在3%6%范围第25页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案变化时，最大发泡倍率保持在约57倍，发泡倍率几乎不再受发泡剂浓度的影 响。拌合料质量比一坍落度关系表及曲线图图4-9泡沫与泥岩试验表4-6拌合料质量比一坍

47、落度关系表序号质量比塌落度mm备注11:126021:221031:319041:416051:59061:630第26页/共28页南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区土压平衡盾构掘进渣土改良方案由图可以看出，坍落度随发泡剂稀释液掺量的减少而降低，从1:1到1:6, 拌合料坍落度由260nlm下降到30mm，可见随着发泡剂稀释液掺量的减少，坍落 度趋于稳定。发泡剂稀释液掺量从1:1到1:2时，拌合料坍落度由260mm下降 到210mm,拌合料的流塑性最强，但无粘性；而发泡剂稀释液掺量从1:2到1:4 时，拌合料坍落度由210mm下降到160mm，拌合料的流塑性最佳，粘性最强；当 发泡剂稀释液掺量从1:4到1:6时，拌合料坍落度由160mm下降到30mm，虽然 拌合料粘性最强，但几乎无流塑性。试验结果经过多次试验，最终得出不同地层所需相应改良剂的配比参数。（1）圆砾地层所需膨润土的最佳配比参