适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良施工工法

成都富水砂卵石地层具有“高富水、卵石含量高、卵石强度高”的三高地质特点。因不均匀性和强度高等特点导致盾构机掘进施工过程出现施工进度缓慢，甚至是施工安全问题。以往该地层所采用土压平衡盾构为6.3m，而成都轨道交通17号线一期工程明九区间2#中间风井~九江北站盾构区间采用的8.6m大直径盾构在富水砂卵石地层尚无成果例子借鉴。该区间盾构隧道洞身主要穿越Q3fgl+al的高强度卵石土夹透镜体砂层，卵石土分选性、均匀性差，抗压强度高，自稳性较差，渗透系数大，透水性强，富水性良好。盾构掘进过程中，易出现喷涌现象，出渣效果不佳，渣土改良存在滞后性，增加了渣土改良的难度，针对此类盾构于富水砂卵石地层施工，渣土改良配比未有明确改良方式，改良效果不佳易出现刀盘异常磨损、糊死、喷涌及地表塌陷等问题，国内并未相关数据可借鉴。项目通过对区间地层地质情况、卵石含量进行分析，确定实际施工过程中渣土成分及含量。通过组合不同改良剂配比，试验结合实践论证改良效果，进行分析对比。最大程度的提高了渣土改良效果，提出适应性改良剂配比，从而保证渣样良好的流塑性，同时保证掌子面的稳定性，避免喷涌、超方甚至地面塌陷等问题的出现。针对在富水砂卵石地层施工中，所采用的渣土改良配比优化进行总结，形成本工法。该工法在我项目左右线区间以及成都17号线、9号线项目应用中，均取得了显著的效益，成功的证明了该工法的可应用性，并在全国质量创新大赛中研究项目获QIC-IV级技术成果，具有巨大的潜在价值。2.1理论指导性强：通过分析砂卵石地层中细颗粒与粗颗粒的含量初步确定改良的方法；通过试验进一步验证初步确定的改良方法有效性。2.2效果现场确认：将以上确定的成果在盾构施工现场应用，并确认效果。2.3提高了掘进速度，减少故障发生率：盾构掘进故障率明显降低，盾构掘进速度得到明显提高，确保了工期。2.4施工安全可靠、操作简单、施工速度快，安全、质量保障措施充足。3.1适用于砂卵石地层土压盾构掘进时流塑性渣土改良、掘进控制。盾构机掘进基本原理就是尽可能在不扰动地层的条件下进行开挖掘进。如何做到不扰动不超挖首选要做到两个平衡：一是开挖面支护压力平衡，即压力舱内堆满渣土形成对开挖面前方土体支撑作用；二是螺旋排土器排出的渣土量应与理论开挖量一致，避免超挖，也是一种量上的平衡。在砂卵石地层中盾构由于地层“三高”特点，地层的细颗粒缺乏导致砂卵石渣土改良成流塑状态存在明显困难，刀盘或螺旋排土器被糊死、滞排或喷涌故障频频发生。防止刀盘糊死以及地表塌陷最好的方式即进行砂卵石渣土的流塑性改良。流动性较好的渣土能够保证土仓内渣土的顺利输出，降低刀盘扭矩，避免刀盘糊死；低粘性的渣土可以维持掌子面的稳定，控制土方超挖，从而防止地表塌陷。首先，通过砂卵石理论模型计算确定临界细颗粒含量，并与砂卵石地层颗分曲线中的细颗粒含量进行对比，初步确定改良方法，选择外掺剂的种类及掺入量；二是通过室内渣土改良试验确定初步确定的外掺剂及掺入量的有效性；三是进行盾构掘进现场确认效果后，在加强外掺剂拌和和现场渣土状态控制的基础上进行持续快速推进。5.1施工工艺流程5.1.1砂卵石地层土压盾构渣土流塑性改良主要流程1、根据地勘报告确定所穿越的砂卵石地层细颗粒占地层总质量的含量。2、根据砂卵石流动性模型确定临界状态时的细颗粒含量。3、根据以上两种状态细颗粒含量初步确定砂卵石渣土改良方法——改良剂种类及掺入4、进行室内砂卵石土改良试验，确定初步选定的渣土改良方法的有效性。5、进行盾构施工现场确认改良效果后，并进行泥浆调配等外掺剂掺入量现场控制，以及出渣状态监控。5.1.2根据地层地勘报告确定所穿越砂卵石地层细颗粒含量成都地区砂卵石地层成因由上更新冲洪积成因至中更新冰债、冰水堆积、冲洪积成因逐渐转换为晩更新世冰水-流水堆积成因，直至现代的河流阶地-河漫滩成因；砂卵石层主要分布于平原部分，大多数厚度13~27米，最大厚度可超30米，埋深1~3米，最大埋深可超7米。横向上，由北西向南东，砂卵石层埋深由小到大，含泥量由少到多，砂卵石比由小到大。纵向上，砂卵石地层自老到新，风化程度渐减弱，卵石层密实度及承压力随深度增加。砂卵石地层为非连续级配地层，粒径大于20mm的颗粒质量占比在55%~90%之间，在地层组份中占绝对比重，粒径小于0.075mm质量占比小于3%。区间漂石含量均在0.75%以上，主要集中在深度10m~30m。漂石的平均天然抗压强度为157MPa，抗荷能力强，对刀盘的。成都砂卵石地层由于卵石含量较高、强度较大、含水量多，土体的塑流性较差，目前给土压盾构带来的渣土改良难点如下：1、刀盘切削下来的砂卵石土进入土舱和螺旋机内时，会发生“离析”，大粒径的卵石沉底难以排出，使得刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩增大，掘进速度降低，甚至导致土压盾构无法推进。由于砂卵石硬度很高，对盾构机刀盘及螺旋磨损较大。若土舱内的渣土比较多，可能会使刀盘周围的温度提高，最终造成刀盘的磨损破坏。2、由于地层中的卵石镶嵌结构，刀盘切削掌子面土体时，容易产生超挖，可能导致开挖面平衡状态被破坏而产生坍方。3、砂卵石地层埋深在地下水位线以下，其孔隙率大、渗透系数大。盾构施工中密封舱和螺旋排土器内的土体若不能有效抵抗开挖面上的水压力，在螺旋排土器出口处容易发生喷砂、喷泥和喷水的现象，不仅会造成隧道内开挖土难以处理，严重时也会导致开挖面失稳。4、土压盾构机在砂卵石地层掘进时，由于盾构机压力舱内的开挖土具有较大的内摩擦角，土体与侧壁的摩擦系数较大，开挖面的压力和压力舱隔板承受的盾构千斤顶的推力较大时，土体在压力舱的侧壁容易发生粘附现象，此时上部的土体不能掉下来,粘附的土体逐渐增加,就容易发生开挖土的拱作用。由于开挖土体在密封舱成拱,使盾构机不能正常出土，时间一长土体就会压实充满压力舱，经过压实的土体又使密封舱内搅拌翼板的阻力上升，加大了刀盘扭矩，进而造成刀盘磨损破坏。根据地勘报告，可知典型的成都砂卵石地层特性如下：<3-8-1>稍密卵石土(Q3fgl+al)：青灰色、灰白色，稍密，饱和，粉细砂充填，卵石成份主要为石英岩、花岗岩，呈圆状，亚圆状，层厚3.3~9.0m，场地内普遍分布。<3-8-2>中密卵石土(Q3fgl+al)：青灰色、灰白色，中密，饱和，粉细砂或中砂充填，卵石成份主要为石英岩、花岗岩，呈圆状，亚圆状，层厚3.0~9.9m，场地内普遍分布。<3-8-3>密实卵石土(Q3fgl+al)：青灰色、灰白色，密实，饱和，卵石粒径20~150mm为主，最大可达250mm，粉细砂或中砂充填，卵石成份主要为石英岩、花岗岩、石灰岩，呈圆状，亚圆状。层厚较大，场地内普遍分布，本次勘察范围内钻孔皆未见底，呈层状分布于基岩之上所示。从中可以看出，小于2mm的细颗粒含量βs=33%左右。5.1.1-1粒径/mm>6020-602-200.5-20.25-0.50.075-0.25含量/%765.1.1-15.1.3根据砂卵石流动性模型确定临界状态时的细颗粒含量把砂卵石渣土中的卵砾石粗颗粒(粒径≥2mm)类比石子，其他细颗粒(粒径<2mm)类比砂子，当砂卵石渣土中的卵砾石与细颗粒均匀分布时，即可建立砂卵石渣土细颗粒填充卵砾石孔隙物理模型，如图5.1.2-1所示。实际上对于土压盾构施工的砂卵石地层渣土改良而言，这里“细颗粒”是指除卵砾石以外其它物质，包括粗砂、细砂、粉土、黏土、水和膨润土、泡s沫等添加剂的总和，此时以β表示细颗粒的质量与砂卵石渣土总质量的比值。s5.1.3-1建立如图5.1.3-1所示的砂卵石地层粗颗粒与细颗粒的二相图。 ߩߩ细颗粒(考虑质量颗粒间孔隙)卵砾石(不考虑ߩߩ5.1.3-2(1)(2)ߩߩ(2)ߩߩ’ߩ’ߩs——细颗粒(粒径<2mm)的堆积密度(g/cm3)；’ߩg——卵砾石(粒径≥2mm)的堆积密度(g/cm3)；ߩg——卵砾石的颗粒密度(g/cm3)；n——卵砾石的孔隙率；α——细颗粒孔隙率系数。进行多次试验，测试细颗粒填充粗颗粒孔隙的临界细颗粒含量试验。如表5.1.3-1所示。5.1.3-1ߩ(kg/m3)ߩ(kg/m3)ߩ(kg/m3)270027002700拨开系数a孔隙率.43.41.50 30.6%28.8%32.3%ββ s通过以上计算可知，细颗粒刚好填充粗颗粒形成的孔隙时的临界含量βs=30%左右。5.1.4对比以上两种细颗粒含量，初步确定砂卵石渣土改良剂种类及掺入量根据以上计算结果，很明显地层的细颗粒含量处于βs<βs<1.2βs之间。根据研究成果：当βs>1.2βs时，通过掺入泡沫和膨润土稀泥浆即可将砂卵石改良到塑性流动状态；当βs<βs<1.2βs时，通过掺入泡沫、稠膨润土泥浆即可将砂卵石改良到塑性流动状态；当βs<βs时，则需要掺入泡沫、含聚合物的膨润土稠泥浆才能将砂卵石改良到塑性流动状态。很明显，成都地铁土压盾构施工符合第二种情况，需要在注入泡沫剂同时，注入稠膨润土泥浆进行渣土流塑性改良。较为经济的掺入比例为：掺入的泡沫体积为渣土体积的30~40%，膨润土采用钠基膨润土泥浆，膨水比为1:4至1:6，膨润土掺入量为每环10方左右，质量掺入比为8~9%。5.1.5进行室内渣土改良试验及验证1、膨润土泥浆改良效果分析1)搅拌试验对于砂卵石地层，膨润土泥浆掺入后渣土的改良过程一般为：初始的砂卵石地层颗粒松散、无粘聚力。加入适宜的泥浆之后，水分和细颗粒含量增多，渣土颗粒间粘聚力增加使得卵石逐渐被细颗粒包裹，渣土开始形成一定的流动性、整体性和裹挟性。继续添加泥浆后，渣土整体的流动性明显增大，形成较为均匀的整体，搅拌功率也逐渐减小。此时泥浆的添加量需要谨慎控制，一旦超过适宜添加量渣土极易出现“离析”现象。此时渣土保水性很差，卵石颗粒(与细颗粒分离后)几乎全部沉底，指标上表现为搅拌扭矩较之前反而会有所增加。之后继续添加泥浆，泥浆仅会悬浮在渣土的上部，无法起到改良的作用。从搅拌扭矩图可以看出，随着泥浆加入量的增多，各种地层的渣土搅拌扭矩变化速率基本符合由大变小的趋势，表明当掺入适量改良剂后，随着改良剂掺入量的增加渣土搅拌功率呈现前期降低较快，后期变化较慢的状态。但是对于卵石含量过高的地层，即超过67%时，当搅拌扭矩达到最低点之后，搅拌扭矩随着泥浆掺入量增加而增大，之后搅拌扭矩保持稳定。结合表面观察与数据分析可以得出此种变化为渣土产生了“离析”现象，卵石颗粒与细颗粒分离之后沉入底部，渣土整体的塑流性减弱，卵石堆积导致搅拌叶直接搅拌沉积的卵石，扭矩增加较为明显。5.1.5-12)坍落度试验5.1.5-2从图5.1.5-2中可以看出，对于不同的砂卵石地层，在加入适量的膨润土泥浆之后，渣土的坍落度都会在某个剂量范围内呈现快速增加，之后逐渐减弱的过程。对于卵石含量为20%-40%的砂卵石地层，添加泥浆后卵石颗粒被细颗粒包裹，拥有较好的整体流动性，达到较好的流动性时基本在坍落度为150-200mm左右；而卵石含量大于40%之后，泥浆掺入较少时，渣土较干，坍落度数值较小，多数的粗颗粒“垒砌”在一起。之后，添加适量泥浆后渣土的坍落度可以达到150mm左右，坍落之后的渣土仍能保持一个较好的整体裹挟性。卵石含量到达60%时明显存在部分被包裹的卵石颗粒脱离、散落于渣土整体外部。继续添加改良剂渣土坍落度基本无变化，易出现“离析”。3)渗透试验5.1.5-35.1.5-4达到10-4cm/s以下时，那么在卵石含量为20%-50%的砂卵石地层经过足量的膨润土泥浆改良后可以达到要求，具有较强的抗渗性从而有助于抑制喷涌现象的发生。而卵石含量为67%以上的砂卵石地层，其渗透系数难以降低到10-4cm/s以下，掺入过量的泥浆反而会出现添加过量而导致渗透性变大(“离析”现象)，增大施工的危险性。4)外摩擦角试验砂卵石摩擦角过高带来了刀盘刀具严重磨损，不得不多次开舱换刀带来的安全风险和工期风险。根据泥浆掺入量开展了改良后渣土的外摩擦角试验，如表3所示。从中可以看出，外摩擦角大多降低到30-40°之间，膨润土润滑效果明显。但当地层细颗粒过多时，泥浆改良效果不明显。5.1.5-1 含卵石量/%泥浆掺入量/g质量比角度/°8404507.5%6.3%7.5%6.3%7.5%3.8%6.3%7.5%6005)综合分析通过以上一系列膨润土改良渣土室内试验，可以看出：各地层中卵石含量不同，卵石含量越多对应的初始和最低搅拌扭矩越大；由于各地层粗颗粒含量不同，改良时膨润土泥浆的添加量也不同，粗颗粒越多添加量越少，因此搅拌扭矩最低时对应的掺入比也不同；采用膨润土泥浆作为改良剂，各地层的渣土搅拌功扭矩下降趋势基本一致，都是先快后慢，出现渣土“离析”现象会导致扭矩升高。对于卵石含量为20%-40%的砂卵石地层，达到较好的流动性时基本在坍落度为150-200mm左右；而卵石含量大于40%时，添加适量泥浆后渣土流动性良好时对应的坍落度为150mm左右，之后继续添加泥浆渣土坍落度变化缓慢。卵石含量为20%-50%的砂卵石地层经过足量的膨润土泥浆改良后渗透性降低，较强的抗渗性有助于提高渣土的临界喷涌压力。而卵石含量为60%的砂卵石地层，采用本试验中的膨润土泥浆改良后其渗透系数最低也只够达到4.21×10-4cm/s，最大临界喷涌压力为0.1MPa，实际工程中无法满足施工要求。继续添加泥浆反而会出现添加过量而导致渗透性变大(“离析”现象)，因此需要考虑其他改良方法。通过积累外摩擦角试验的积累，可以总结出搅拌叶上颗粒黏附情况的界限情况对应的界限倾斜角度为40°。渣土的细颗粒黏附搅拌叶，一定程度上影响对渣土的搅拌扭矩。当卵石含量在40%以下时，加入膨润土泥浆作为改良剂(未足量)的渣土通常都会出现颗粒黏附搅拌叶片的情况；当卵石含量在40%及以上时，不出现黏附搅拌叶的情况。2、泡沫改良效果分析1)搅拌试验将砂卵石调整至适宜的含水量之后，渣土本身具有一定的整体性与流动性，掺入泡沫之后一般会在两个方面起作用：由于搅拌时的碰撞，少部分泡沫会破裂后起到补充渣土水分的作用；另一部分泡沫加入砂卵石渣土中不仅改善砂卵石土粒状构造，而且充填在砂卵石土颗粒之间减少了渣土颗粒之间的摩擦，改良后的砂卵石颗粒表面附着细小的泡沫，降低土体的抗剪强度及内摩擦角，起到减摩、润滑的作用，在掺入足量的泡沫之后渣土整体的流动性得到提高，有效降低了搅拌扭矩，如图5.1.5-5所示。以泡沫作为改良剂，各个地层的渣土在搅拌扭矩方面的变化基本一致，改良效果由大变小并最终趋向稳定。在泡沫注入体积比达到20%-40%之间时，泡沫充分的填充于颗粒间的缝隙之中，搅拌扭矩下降趋势较快，渣土的流动性增强较为明显；在泡沫注入比达到40%之后搅拌扭矩下降趋势变得减缓，可以认为是泡沫所带来的减摩、润滑作用基本达到饱和状态，继续添加泡沫会出现泡沫在渣土表面析出现象。5.1.5-52)坍落度试验由试验结果图5.1.5-6可以看出，卵石含量为20%、30%的地层，经泡沫改良后坍落度的变化趋势基本为慢-快-慢，在泡沫注入比为50%时基本达到较好的流动性，坍落度处于20-25cm之间，之后坍落度增加缓慢；卵石含量为40%、50%的地层，初始坍落度(适宜含对于卵石含量60%的砂卵石地层，加入泡沫后坍落度数值持续增加，并最终停留在15cm，依然会出现粗颗粒累积的“骨架”现象，无法完全达到追求的塑性流动状态。5.1.5-63)渗透试验5.1.5-75.1.5-830.30.0%渗透系数的变化趋势为：随着泡沫注入比的增加，所有地层渣土的渗透系数减小的趋势均为由快到缓，在注入比到达40%之后渗透系数的变化不再明显。由此可见，以泡沫作为改良剂，卵石含量小于50%的地层在掺入适量的泡沫后均能够达到10-5cm/s这一数量级要求，此时的渣土具有较低的渗透性，能够满足土压盾构在砂卵石地层中施工要求。但是卵石含量为60%的地层，掺入足量的泡沫后，其渗透性仍过高，最小的渗透系数也只能达到8.88×10-4cm/s，临界喷涌压力仅为120kPa，故仍需寻求别的改良方法。4)外摩擦角试验从试验结果分析可知，采用泡沫作为改良剂时，所有的地层渣土的黏附现象得到明显的改善，倾斜角度基本保持在40°之下，搅拌叶片上也不再出现之前叙述的黏附搅拌叶的情况，因此也不会对搅拌试验的结果产生附加影响。由此可见，泡沫作为一种优良的渣土改良剂，不仅带来提高渣土流动性，减小摩擦角的优势，同时也缓解了可能出现的渣土黏附盾构机刀盘、搅拌棒等现象。5.1.5-2含卵石量/%泡沫掺入量/ml体积比/°024003000360024003000360024003000360024003000360040.0%.0%60.0%30.0%40.0%.0%60.0%30.0%40.0%.0%60.0%30.0%40.0%.0%60.0%30.0%30.0%24003000360040.0%.0%60.0%5)综合分析将设计的砂卵石地层调整至适宜的含水状态后，流动性均有增强，在不产生离析的状态下卵石含量为50%的地层所达到的坍落度最大且整体包裹性良好，说明卵石颗粒与其他颗粒结合良好，基本上与砂卵石改良机理中细砂等细颗粒填充卵石的孔隙并包裹隔离卵石之间的直接接触的机理基本一致为砂卵石地层渣土改良提供了重要的参考。泡沫的掺入有助于增加砂卵石的流动度，降低了各个地层的搅拌扭矩，基本在体积掺入比为40%之后达到改良的饱和状态，搅拌扭矩基本保持平稳。卵石含量为20%、30%的地层，经泡沫改良后坍落度的变化趋势为慢-快-慢，在泡沫注入比为40%时基本达到较好的流动性，坍落度接近20cm；而卵石含量为40%、50%的地层，适宜含水率下继续加入泡沫变化较为缓慢，最终坍落度也可以达到接近20cm。卵石含量60%的砂卵石地层，加入泡沫后坍落度数值持续增加，并最终停留在15cm左右，会出现粗颗粒累积的“骨架”现象。卵石含量小于50%的地层在掺入适量的泡沫后其渗透性均能够达到10-5cm/s这一数量级，能够承受较大喷涌压力。卵石含量为60%的地层，掺入足量的泡沫后，最小的渗透系数也只能达到8.88×10-4cm/s，且临界喷涌压力较低，在100kPa左右。采用泡沫作为改良剂时，所有的地层渣土的外摩擦角试验中倾斜角度基本保持在40°之下，搅拌叶片上也不再出现黏附搅拌叶的情况。对比采用膨润土泥浆作为改良剂的试验结果可以看出，黏附情况的存在在一定程度上增加了渣土的搅拌扭矩，在实际施工过程中也会带来相关问题。3、膨润土泥浆+泡沫改良效果分析由上述试验可知，对于卵石含量60%及以上的地层，仅以单一的改良剂无法达到理想中的“塑性流动状态”，运用在实际施工中也必定会出现不同方面的工程问题。比较之前的试验数据可以发现，卵石含量50%与60%前后的改良效果存在很大差异，卵石含量为60%及以上的地层掺入足量改良剂后普遍会出现卵石颗粒无法被细颗粒完全包裹、累积、离析等现象，需要从颗粒补充、提高泥浆粘度和携渣能力等方面进行改善。因此考虑采用泥浆+聚合物+泡沫的复合改良剂对卵石含量60%、70%、80%的地层进行改良，以期达到理想的改良针对卵石含量60%的地层易出现“离析”等现象，对使用的膨润土泥浆进行了调整：泥浆膨水比改为1:4并加入CMC，对60%、70%、80%的地层进行改良工作。在进行改良试验之后发现，使用调整后的泥浆+泡沫对卵石含量70%、80%的地层改良效果并不理想，仍存在离析等问题。因此再次调整使用的泥浆方案，向泥浆中加入0.25-0.075mm的细砂颗粒用以补充地层中的细颗粒缺失，增加泥浆稠度。(质量比=该物质质量/泥浆质量)对于卵石含量60%的地层，依据之前的泥浆改良数据和现场观察渣土状态，选取泥浆掺入质量比为5%作为起点，继续向渣土中加入泡沫，同时进行相关试验；卵石含量为70%、80%的地层则使用新泥浆进行掺入，掺入适量的新泥浆后继续加入泡沫，并进行后续试验。5.1.5-3地层泥浆膨水比cmc质量比细砂质量比密度卵石含量60%1:4卵石含量70%1:4卵石含量80%1:41)搅拌试验在使用膨润土泥浆作为单一改良剂时，对于卵石含量为60%的地层当泥浆掺入质量比为5%时，渣土的搅拌扭矩降低效率较为显著(之后再添加泥浆出现“离析”)，因此取质量比为5%的泥浆掺入，之后向渣土中不断添加泡沫，探究搅拌扭矩的变化规律。5.1.5-9通过图5.1.5-9可以看出，卵石含量60%时，在泥浆掺入质量比为5%的基础上，继续添加泡沫作为改良剂，渣土的搅拌扭矩仍能进一步减小，当泡沫掺入体积比为20%时，搅拌扭矩达到的平均最小值26，小于单一改良剂所能够达到的最小值。从表观上看，渣土也保持了良好的整体性和流动性。卵石含量70%、80%在掺入新泥浆后变化的情况类似，改良后的渣土具有更好的整体性，卵石颗粒被细颗粒和泥浆所包裹和悬浮。从数据上来看，卵石含量70%的地层在泥浆掺入质量比达到20%时扭矩较小，卵石含量80%的地层在泥浆掺入质量比接近30%时扭矩达到稳定状态。之后继续掺入泥浆会逐渐产生离析，出现卵石沉底导致搅拌扭矩升高的现象。向扭矩较低状态的渣土继续添加泡沫，扭矩变化并不明显。5.1.5-102)坍落度试验5.1.5-11对卵石含量60%的地层采用泥浆+泡沫的混合改良剂后，在泥浆提供了细颗粒及黏聚力的基础上，泡沫的添加又提高了渣土整体的流动性，因此坍落度数值也有所提高，改良后，状态明显优于单一改良剂的改良效果。3)渗透试验5.1.5-125.1.5-13以泥浆或者泡沫作为改良剂时，对于卵石含量为60%的地层，改良后的渣土渗透系数最低只能达到10-4数量级的渗透系数，所能够承受的最大喷涌压力也仅为0.1MPa，并不能满足土压盾构在砂卵石地层施工条件下的要求，极易发生喷涌事故。当泥浆掺入质量比5%以及泡沫掺入体积比12.5%，渣土的渗透系数最低达到了3.8×10-5cm/s，临界喷涌压力为4)外摩擦角试验对于卵石含量60%的砂卵石地层，掺入泥浆质量比为5%+泡沫(掺入体积比30%-60%)之后，渣土在金属平板上发生倾斜的角度均保持在40°之下，几乎不发生渣土颗粒对于搅拌叶片的黏附现象。掺入足量的带细砂泥浆和泡沫之后，卵石含量70%、80%地层的渣土摩擦角均保持在较小的数值。5.1.5-4含卵石量/%泥浆掺入质量比/%泡沫掺入体积比/%/°5555029.25)综合分析对于卵石含量60%及以上的地层，分别采取了泥浆+泡沫、泥浆+聚合物+细砂+泡沫的改良方式，一系列室内试验表明改良效果良好，可以达到追求的流动性、整体性、渗透性。对于卵石含量70%、80%的地层，通过计算可得出添加足量的泥浆+聚合物+细砂+泡沫复合添加后渣土中的卵石含量分别为65%、68%，此结果与建立的砂卵石填充包裹模型具有一致性，同时验证了模型具有一定的正确性。5.2操作要点5.2.1泥浆调配及性能泥浆调配时需要根据试验的情况，现场采取称重计量办法进行。先放入计量的水，然后倒入钠基膨润土，反复搅拌2h以上，充分膨化。需要测试泥浆的漏斗粘度和密度等指标，根据实验室的测试成果，其性能指标参考下5.2.1-1膨水比粘度/s表观粘度/mPa.s塑性粘度/mPa.s4.35.2.2泡沫剂选择泡沫剂主要考虑泡沫的稳定性即半衰期，以及发泡倍率两个指标。根据目前常用泡沫剂的主要指标，本工法提出半衰期10分钟以上和发泡倍率在20以上即认为合格。根据表5.2.2-1中实验数据，盾构掘进时，应调整泡沫剂与水的质量比例为2.5%较为合5.2.2-1泡沫剂质量浓度/%发泡倍率半衰期/min25.53455.2.3正常掘进时渣土改良在盾构掘进时，应将泡沫剂发泡后通过刀盘注入到开挖面前方，润滑刀盘减少磨损，并对渣土进行改良；另外注入8-10m3左右的钠基膨润土泥浆。在盾构掘进过程中需要不断观察螺旋排土器出口的渣土状态，以便决定是否外掺剂掺入量是否合适或调整。经过多次反复调整，渣土状态由初始施工的离析状态改良成流塑状态，如图17所示。ab5.2.3-15.3.4停机后渣土改良盾构掘进过程中，出现设备故障或工序衔接中断等问题，必须采用相应处置措施，避免盾构停机过程中掌子面坍塌及复推是掘进参数异常等问题出现。在盾构掘进即将结束时，增加膨润土的注入量，保证停机时间内，仓内渣土的流动性，以及土仓压力的稳定。若停机时间超过2h，则需要向压力舱内注入2m³膨润土，防止渣土固结过于密实。在下一次盾构掘进启动前，先加大泡沫的注入量充分润滑刀盘和刀具，可以起到降低刀盘启动扭矩和提高渣土的流动性的作用，防止刀盘糊死。5.3现场渣土改良效果5.3.1渣土改良配方盾构掘进过程中以及停机前，通过刀盘管路注入膨润土(1、3、5、8)及泡沫(2-10)，通过刀盘回转中心处6路注水管路进行注水(如图18所示)，三者共同作用进行渣土改良，从而保证出渣顺畅，顺利掘进。掘进过程中，渣土改良选用钠基膨润土，并掺入适量的泡沫进行改量，其中膨润土泥浆配比为钠基：水=1:6，膨润土泥浆按照渣土重量的7%添加，泡沫用量按照体积35%掺入，从而达到掘进过程所需渣土改良效果。5.3.1-15.3.2现场渣土改良每掘进1斗，电瓶车需要开至井口，待渣土吊装卸渣完成，电瓶车渣箱停至皮带机出渣口位置后，继续推进下一斗。因此，不连续的出土导致盾构司机无法更好的保证渣土改良效果，并且停机过程中，容易造成仓内渣土粘结，且在压力下固结，导致刀盘糊死。在盾构掘进即将结束时，增加膨润土的注入量，保证停机时间内，仓内渣土的流动性，以及土仓压力的稳定。若停机时间超过2h，则需要注入2m³膨润土。在下一次盾构掘进时，加大泡沫的注入量，进一步提高渣土的流动性，降低刀盘启动扭矩，防止刀盘糊死。5.3.3掘进工效按照计划，要求2019年8月完成左线盾构到达。实际上，本项目盾构始发时已经比计月，但却在2019年6月10日左线贯通。大幅度提高了土压盾构掘5.3.4-250进效率，日均掘进10环，最高掘进环数突破16环，创造了17号线最高掘进速度。现场超方量得到控制，并且地表沉降监测数据控制在允许范围内。5.3.4地表沉降统计分析距离始发端20m范围内的地表沉降数据，最大沉降为-25.4mm，控制在允许统计分析前50环推进土方超方量，最大超方量为4m³,按照成都地区经验，超方量控制标准要求单环超方量控制在8%以内(约为8m³)。5.3.4-1主要材料6.1-11吨2桶3袋4吨5砂吨6吨6.2主要设备按照相关文件要求进行设备材料配备，表6.2-1中所示设备为渣土改良流塑性研究主要6.2-1123456789标准7.1.1严格执行《盾构法隧道施工及验收规范》(GB50446-2017)和《地下铁道工程施工质量验收标准》(GB/T50299-2018)、《地下铁道工程施工标准》(GB/T51310-2018)。7.1.2隧道轴线允许偏差值7.1.2-1允许偏差(mm)检验方法检查频率地铁隧道公路隧道水工隧道隧道轴线平面位置5075用经纬仪测中线隧道轴线高程5075用水准仪测高程7.1.3管片拼装允许偏差值7.1.3-1允许偏差(mm)检验方法检查频率地铁隧道公路隧道水工隧道衬砌环直径椭圆度5‰D6‰D8‰D尺量后计算4点/环相邻管片的径向错台568用尺量4点/环相邻环片环面错台679用尺量7.2质量控制措施7.2.1渣土改良能过程中，泡沫剂的发泡效率和膨润土的质量对渣土改良效果起着至关重要的作用，盾构机操作人员只有准确地掌握所使用泡沫剂的发泡率和稀释液最适合浓度，才能正确调整泡沫剂注入量，以达到最佳改良效果。7.2.2膨润土的掺入量和浆液的配比是准确计算膨润土注入量的基础。同时膨润土必须纯净无颗粒，否则极易造成堵管。7.2.3保证膨润土材料的质量。7.2.4严格按照配合比拌制，并保证膨润土膨化时间。7.2.5当确定使用膨润土泥浆改良时，要保证每环注入量。7.2.6保证泡沫剂的质量。7.2.7使用之前进行试验，确定最佳稀释比例、发泡率以及相应的半衰期。7.2.8改良剂在拌合和使用过程中均要注意防止杂质进入，以免影响改良效果和堵塞系《建筑施工安全检查标准》(JGJ59-2011)。8.1.2建筑机械使用安全技术规程(JGJ33-2012)。8.1.3施工现场临时用电安全技术规范(JGJ46-2005)。8.1.4建设工程施工现场供用电安全规范((GB50194-2014)。8.2安全措施8.2.1所有进入施工现场的人员，必须佩戴安全帽，禁止非施工人员进入施工现场。8.2.2渣土改良的过程伴随着盾构掘进的过程，互相影响，要想实现不断高效掘进，应确保渣土改良过程安全可靠。8.2.3膨润土的运输、拌合、发酵过程要注意安全。8.2.4泡沫剂垂直与水平运输的要保证安全。8.2.5如发生严重喷涌时，应远离螺旋输送机出土口，以免高压泥浆喷出受伤。8.2.6渣土改良过程中要注意避免造成机械伤害。标准9.1.1整个施工过程中，全面运行ISO14001环境保护体系标准，系统地采用和实施一系列环境保护管理手段。理条例》。9.1.3《中华人民共和国水污染防治法实施细则》。9.1.4《建设项目竣工环境保护验收管理办法》。9.1.5《关于有效控制城市扬尘污染的通知》。9.2控制措施9.2.1严格遵守国家和地方政府部门颁发的环境管理法律、法规和有关规定，根据客观存在的粉尘、污水、噪声和固体废物等环境因素，实施全过程污染预防控制，尽可能减少或防止不利的环境影响。9.2.2将施工场地和作业限制在工程建设允许范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。9.2.3对容易产生噪音的设备采取合理布局，加强设备润滑和维护保养工作，并严格执行相应作业指导书和设备检点规程，同时尽可能避免夜间施工，以减轻噪音对周围生活环境和居民的影响。9.2.4固体废弃物按不同性质和类别分开存放，主要分为危险、不可回收利用固体废弃物、可回收利用固体废弃物、生活和办公垃圾等。9.2.5弃土要运送至指定地点，防止对周围环境进行破坏和污染。9.2.6施工机械产生的废油料及润滑油等，必须集中收集进行处理，生产用油料必须严格保管，防止泄漏，污染土地。10.1合理利用材料，避免材料浪费。10.2保护材料施工过程中不受破坏，增加材料循环利用次数。10.3对废弃材料进行分类回收处理，能够循环利用的材料进行盾构掘进再次合理利用。10.4选择低消耗能量自动化泵送管路装置，加强对设备润滑和维护保养工作。10.5施工过程中节能措施应满足《中国交通建设股份有限公司节能减排监督管理办法》(试行)等节能标准要求。盾构开始掘进初期，渣土改良效果差，左右线盾构掘进月平均掘进1.9~3.9环，掘进效率低，同时左线盾构掘进第66环~第68环连续超方35m3,第96环~第97环连续超方15.6m3,右线盾构掘进第35环~第41环连续超方28m3,第50环~第53环连续超方50m3,盾构掘进过程极易造成超方，地面沉陷。部分掘进段地面累计沉降量均超过控制值，造成盾构停止掘进分析处理。在盾构掘进前200环渣土改良效果不佳，掘进过程中发生喷涌、刀盘结泥饼、盾构掘进参数恶化，造成停机42天。通过开展对渣土改良一系列研究，左右线盾构掘进月平均掘进达5.2~7.5环，掘进效率大幅度提高，同时取得了全线单线日最高掘进16环，单班日最高掘进9环的最高记录。掘进过程降低了超方，右线第405环超方3m3,地表沉降预计次数也大大降低，掘进安全性提高，掘进喷涌得到了有效抑制，结泥饼概率降低，一直保持日盾构掘进5环以上，赢得业主监理好评。按照同区段200环盾构掘进对比，前期盾构超方地面沉降使用混凝土回填及发生喷涌、结泥饼、沉降处理造成停机，刀具磨损情况对比，后期良好的渣土改良将为项目节约施工成本达1500万以上。11.2社会效益适应砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良及效果研究制定了合理的渣土改良方案，发展砂卵石地层盾构掘进施工技术和提高公司再砂卵石地层中施工积累了经验，控制了沉降，保护了周边环境安全，提高盾构掘进效率和质量。对于富水砂卵石地层大直径长区间盾构掘进技术的研究的砂卵石地区土压平衡盾构机应用范围得到很大扩展，能够使土压平衡盾构机大规模应用，能够大量降低工程造价和缩短工程建设周期，给社会带来巨大经济效益，课题技术研究成果具有广阔的应用开发前景。国内外对富水砂卵石地层土压平衡盾构机渣土改良的研究较少，尤其针对成都富水砂卵石地层，地下水位高、卵漂石含量高和卵石强度高的地层特点进行针对的室内试验和效果讲究更少，本课题砂卵石地层的土压盾构渣土流塑性改良及效果研究在工程上成功应用，全面提升了工程质量安全管理水平，得到了业主、设计、监理等单位的一致认可，同时对今后的类似工程也将起到良好的指导作用，对提升企业的技术水平和社会信誉度均有非常重要和积极的意义，具较广阔的应用前景。12.1成都轨道交通17号线明九区间2#中间风井~九江北站盾构区间明九区间2#中间风井~九江北站盾构区间，由