盾构机在砂层中掘进的渣土改良技术 (论文)

盾构机在砂层中掘进的渣土改良技术

摘 要：在土压平衡式盾构施工过程中，开挖面支撑的土砂具有十分重要的作用，通过对开挖出渣土

进行改良，用以满足施工要求。本文依托河南大学站～文苑北路站盾构施工，对细砂及中砂地层渣土改良技术加以总结，对之后类似工程提供经验。

关键词： 细砂层 中砂层 渣土改良 盾构施工 膨润土系统 聚合物

1 概述

1.1 工程概况

河南大学站～文苑北路站区间始于河南大学站，沿规划明理路向南延伸，下穿贾鲁河、魏河，最后到文苑北路站。（左DK38+831.461～左DK39+973.477；右DK38+831.461～右DK39+973.477)，左线长度为1142.140单线延米，右线长度为1142.016单线延米，全长2284.156单线米。

本区间隧道所经过地层主要为第(9)层（Qal/4）：粉质黏土、第(16)层（Qal+pl/4）：细砂、第(17)层（Qal+pl/4）：中砂，详见下表。

表1.1-1穿越主要地质层

序号 对应掘进环数 地质层 3/5断面为粉1 1-119环 质粘土 2/5断面为细砂 上部3/4断面为细砂 2 119～242环 下部1/4断面为中砂 上部1/4断面为细砂 3 242～646环 下部3/4断面为中砂 4 646～762环 全断面细砂 主要特性 灰褐色，湿，中密，干强度低，韧性低，摇振反应中等，砂感较强，局部夹粉砂薄层。 浅灰色，饱和，中密，颗粒成分由石英、长石、云母组成，局部夹灰色粉土、粉砂。 浅灰色，饱和，中密，颗粒成分由石英、长石、云母组成，局部夹灰色粉土、粉砂。 黄色，饱和，密实，偶见蜗牛壳碎片、小姜石，颗粒级配不良，颗粒成分主要由石英、长石组成，含少量暗色矿物。 浅灰色，饱和，中密，颗粒成分由石英、长石、云母组成，局部夹灰色粉土、粉砂。 黄色，饱和，密实，偶见蜗牛壳碎片、小姜石，颗粒级配不良，颗粒成分主要由石英、长石组成，含少量暗色矿物。 浅灰色，饱和，中密，颗粒成分由石英、长石、云母组成，局部夹灰色粉土、粉砂。 1.2 渣土改良在砂层地层施工中的重要性

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具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小。

由于本工程所在地以北8公里为黄河，工程所在地为黄河冲积平原，根据地质报告和车站施工挖出的相应深度的土层确认，本项目两盾构区间的盾构掘进土层为细砂层、中砂层，该土层不足以支撑开挖面，为了保证掘出的砂土具有良好的塑性和软稠度，所以要进行改良，其技术要点是在刀盘前部和泥土仓中注入膨化后的膨润土浆液和泡沫等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖的土砂塑性、流动性，降低渣土的透水性，在过河等特殊地下水丰富地段适当添加聚合物，以改善改良效果。

渣土改良系统已成为盾构法施工的一个重要组成部分，对盾构法各地层施工起到相当大的作用。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。 1.3 渣土改良技术的国内外现状

盾构法施工的主要机械就是盾构机，有泥水盾构和土压平衡盾构,土压平衡式盾构机因其能较好地控制地面沉降，保护环境，适应在市区和建筑密集区施工等优点，在隧道施工中被广泛应用。土压平衡式盾构机能适应多种环境和地层的要求, 可以在砂砾、砂、粉砂、粘土等地层中使用。纵观国内外，泥水盾构主要以加水、加泥作为改良剂，土压平衡式盾构机所采用膨润土泥浆和泡沫作为改良剂。通过泡沫剂改良的渣土，泡沫自然消解后，渣土基本能恢复原状；通过膨润土泥浆改良的渣土，在某些发达国家被认定为污染物，其处理价格昂贵，膨润土泥浆注入法需用大型设备生产相当数量的膨润土泥浆，站用大面积场地。在日本和欧洲等发达国家，用发泡剂取代膨润土泥浆，尤其当盾构通过透水性较强的砂土、含有少量粘土、粉砂细屑的砾石层时，应用发泡剂优于应用膨润土泥浆。 1.4 取得的主要研究成果

本标段河南大学站～文苑北路站区间左线由“奋进1号”盾构施工,始发阶段以泡沫剂为渣土改良剂，由于刀盘和螺旋输送机设计的缺陷，和渣土改良没有做好，地下水量估计不足，导致在过贾鲁河期间发生喷涌、流砂现象，通过试验摸索改进渣土改良配合比，加入一套新的膨润土膨化改良系统与泡沫剂混合注入刀盘，过河期间地下水水量较大时再单独掺入高分子聚合物，解决了螺旋机喷涌和流砂问题，而且通过注入混合浆液后明显使刀盘扭力减小，推进速度也明显加快。河南大学站～文苑北路站区间左线过河后一直采用该方法进行渣土改良，效果良好，盾构机顺利按节点工期出洞完成接收。

2 砂层地层渣土改良技术

2.1 渣土改良剂的选择 2.1.1 渣土改良剂的功能

在盾构机掘进时，向开挖面、土仓等处加注改良添加剂，其具体功能如下：①对于富含水砂层，一方面止水，另一方面可以改善砂的和易性；②在砂性土和砂砾土地层中，可以起到支撑作用而且可以改善土的流动性；③在粘性土层，可以防止渣土附着刀盘和土仓室内壁，另一方面，由于改良剂中的微细气泡可以置换土颗粒中的孔隙水，因而可以达到止水效果。 2.1.2渣土改良剂的类型

表2.1-1 渣土改良剂的种类

膨润土 PH值7.5～10.0 特性 粘度：2～10Pa·s 适用砂～砂(卵)砾石地层 粘土～砂(卵)砾石地层 固结粘土～砂砾地层 范围 制浆和输送设备需较特征 大的空间 后渣土能恢复原来状态 粘土变硬而出现堵塞 堵塞 输送和使用便捷，消泡在粘性软土层有时会因停止开挖时,有时会粗土～粗砂地层 粘度:0.003～0.2 Pa·s 粘度：0.7～2.0 Pa·s 粘度：0.5～15 Pa·s 泡沫剂 PH值7.3～8.0 高吸水性树脂（聚合物） PH值7.5～10.0 增粘剂 PH值7.5～10.0 2.2 渣土改良方案 2.2.1 工程地质情况

根据区域地质资料及其现场勘察表明，本区间盾构所经过地层主要为第(9)层（Ql/4）：粉质黏土、第(16)层（Qal+pl/4）：细砂、第(17)层（Qal+pl/4）：中砂。 2.2.2 盾构机类型

“奋进1号”盾构是由德国海瑞克公司设计制造的土压平衡式盾构机，刀盘处直径6.280m，

装配有1台泡沫机泡沫注入系统和1套膨润土注入系统。 2.2.3 渣土改良剂的选择

（1）泡沫剂的应用

“奋进1号”盾构机配备有泡沫注入系统，泡沫发生器自动运行, 4根独立管路分别把泡沫注入不同位置, 一般以注入刀盘前部为主，管路上有一段是透明的,可供观察。

在泡沫发生器工作的过程中, 可以设定泡沫剂与水混合的比例,泡沫剂按3%配置泡沫剂溶液，泡沫剂溶液的发泡率为12倍。在正常掘进状态下,泡沫的掺入量为理论渣土体积的20%， 一般不需要对该值做过多的调整，只有在扭矩长时间过大，而单靠调整流量又难以降低扭矩或遇喷涌、流砂的情况下，可适当调整为泡沫剂溶液的浓度。

根据刀盘的扭矩, 千斤顶的顶力以及出土的情况三项参数来调整泡沫注入系统的流量。当观察到出土的含水量过高时, 应马上增加泡沫的注入量, 本工程所用泡沫剂型号为：CFPM-101，生产厂家：上海茨夫新型建筑材料有限公司。试验测得其固含量为14.7%。

（2）新型膨润土浆液拌制系统的应用

河南大学站～文苑北路站区间左线盾构法施工中采用新型的膨润土浆液拌制系统装置，包括设在搅拌区的膨润土搅拌桶，四个搅拌桶经三通连接通过11kw的泥浆泵放入位于中板的膨化池，注入膨化池前首先通过一道钢丝滤网（孔径1cm），膨化池充分膨化后通过18.5KW的挤压泵注入到台车中。膨化池内设有循环搅拌系统（11kw的泥浆泵），保证浆液颗粒悬浮状态，不产生沉淀，膨化池内的膨润土能够充分混合微膨胀后，通过膨润土挤压泵将膨润土输送至盾构开挖掌子面、土仓及螺旋机里，与泡沫混合后一起对渣土进行改良。

搅拌区设置的搅拌桶容积为0.9m3，两个膨化池的尺寸为6×3×2m，经试验配置的膨润土浆液的配合比为膨润土与水的质量比1：6，在膨化池内8h可充分膨化以满足使用要求。这种膨润土拌制系统解决了盾构法施工中膨润土膨化时间等待的问题，具有结构简单、成本低、提高施工工效的特点，能够节省膨润土膨化的时间，达到最佳的改良效果，在一定程度上节约了成本提高了膨润土的利用率。

图1 膨润土拌合区搅拌桶和连接的泥浆泵

图2 膨化池、循环装置、滤网

图3通过挤压泵注入台车

通过现场试验和经济型对比，最终确定本项目掺膨润土、泡沫剂改良配合比（单环体积比m3），渣土，1:6膨润土溶液：3%泡沫剂溶液=46.4：7：0.77。

1:6膨润土浆液7m3（膨润土约750kg），3%泡沫剂原液0.77m3（泡沫剂23.2L），改良效果良好，坍落度试验实测170mm。通过改进的膨润土浆液和泡沫混合后注入刀盘，推进时刀盘扭力减小，速度明显提高，渣土和易性较好，坍落度为185mm。

本工程所用的膨润土供应厂家按照本工程实际特点在膨润土内掺了一定量的聚合物，所以膨润土的膨化效果较好。

（3）高分子聚合物的应用

在河南大学站～文苑北路站区间左线掘进至贾鲁河时（230环～255环附近），地层地下水水量丰富，单独使用膨润土和泡沫剂混合液进行改良时，过程中加大了膨润土的注入量和泡沫剂的掺量（泡沫剂原液配置提高到5%），通过膨润土和泡沫注入系统往土仓内注入混合液对高含水量的渣土进行改良。加大泡沫混合液浓度是为了提高发泡倍率，能更好的填充砂土间的孔隙，起到止水的作用。

渣土的含水量过大导致螺旋输送机喷水时，可采取往土仓内注入高分子聚合物，使渣土流动性降低，能起到较好的改良效果，在河～文左线掘进期间通过摸索和试验，得出了合理、适用本地层的聚合物改良渣土的配合比。

聚合物是北京合东双产的高吸水性树脂聚合物，经试验，从螺旋机喷出的饱和水的砂土中取样，按千分之三的配置聚合物溶液掺入10%至水分饱和的砂土内充分搅拌均匀，在10s左右的时间内能使改良后的渣土具有较好的粘聚性和稠度，而且没有泌水现象，经试验测得坍落度为150mm。改良后的效果较膨润土混合液的改良效果好。

千分之三的聚合物溶液掺量10%，每环4.64m3的溶液，聚合物每环使用约18kg。