高密实富水砂夹卵石层盾构施工措施研究

高密实富水砂夹卵石层盾构施工措施研究

张国军

上海建科工程咨询有限公司上海市200032

摘要：通过对高密实性富水砂夹卵石层盾构机掘进困难、出土困难、刀具及螺旋机等磨损严重一系列施工障碍的原因分析，寻找比较理想的渣土改良方案，利用这一经济适用的手段实现工期目标、经济效益及社会效益指标。过程中分析土样物理力学性质，针对性的分别选择膨润土溶液、膨润土、泡沫溶液不断对高密实砂卵渣土进行改良试验，最终确定了较理想的改良方案，完成了本区间盾构施工的综合指标。

关键词：地下工程；渣土改良；实验试配；高密实砂卵石；盾构施工

引言

随着我国城市化进程的推进，城市轨道交通在我国的建设规模越来越大，盾构法隧道施工在轨道交通中发挥着主力军的作用。我国幅员辽阔，地质情况千差万别，如何使盾构机更适用于特定地质成为一项必须面对的课题。

1.地质状况及面临问题

西安地铁某线某区间，区间全长986环，计1183米，地质情况及地层分布为：0.7~2.0米人工填土，II级普通土（5－11米黄土层）、II级普通土（1.2~4米粉质粘土）、II级普通土（密实砂土11米）。区间隧道大部分位于黄土层及粉质粘土层、砂土层范围内。盾构机为小松IM614PMX土压平衡盾构机，盾构机全长8.68米，盾构直径6.14米，盾尾间隙30毫米，螺旋输送机，开口率62%，刀盘设计针对II类黄土层、砂土层及粉质粘土层。

盾构机推进到左线361环时，推进速度缓慢，而且推力大幅上升，达到了25000~29500KN，刀盘扭矩4000~5000KN*m，开仓检查发现土仓内大量的灰色中砂夹杂60%左右含量的卵石，卵石集中于土仓底部，粒径集中分布在30~40cm范围内。切削下来的砂夹卵石进入土仓自由坍落后形成粒径分级，最大粒径沉于土仓底部，由底部向上粒径渐变小，掌子面为全断面富水砂夹卵石层。螺旋机底部磨损严重，且较大粒径的石块对螺旋构造形成破坏，螺旋机焊缝开裂、变形严重。螺旋输送机经过维修后推进3~4环损坏依然严重。最严重的问题是螺旋机不能有效的输送土仓内的渣土，大粒径的卵石集中在螺旋机底部。

2.土样分析与膨润土溶液措施

被迫停机研究对策，首先对掌子面土体进行分析，开仓现场取样，到土工试验室进行土体力学指标分析，结果如下：单位重量计算，砂夹卵石地层中卵石含量占比63%，其中31.5mm以上粒径就占比68%，最大粒径为550mm（少量）。卵石强度高达75~134Mpa，卵石与砂在地下水的作用下离析，比重较大的卵石堆积于土仓下部，对螺旋机造成严重损坏。砂的细度模数：Mx为2.56属于中砂偏细。

由上述土样的颗粒组成来看，该地质层从颗粒组成上不连续，大粒径的卵石含量较多，砂为中砂，颗粒间组成较紧密。如果要解决出土的困难，必须对切削下来的渣土进行合理的改良，使得大粒径的卵石能够均匀的掺到砂土中，并具有较好的和易性和粘聚性。

根据以往经验，初步确定采用加膨润土的方法吸收砂卵中的水分、填充砂卵石间的空隙同时提高砂卵石与膨润土混和物的和易性，使砂卵石较均匀的搅拌在一起。

现场取渣样进行试配实验。决定采用膨润土比水为50：100和60：100两个配比进行实际效果对比。

初始推进时两种比例的膨润土掺量效果均比较好，膨润土溶液的固水效果较好，并且充分改善了砂与卵石的分离状况。鉴于砂层含水量较大，决定采用60/100的配比进行试推进。膨润土溶液注入量为10%。此时的盾构机推力为17500~18000KN范围，刀盘扭矩在3800~4400KN*m，盾构机在速度为10~20mm范围内推进了29环时（363~392环），推力、扭矩又逐渐加大，当推进至45环（第408环）时，推力已达到28450KN，刀盘扭矩在3843~5237KN*m，推进速度由23mm/min逐渐降到8mm/min，刀盘温度逐渐升高，刀具周边、刀箱位置均结有渣土固结物，刀具磨损严重。根据刀盘上渣土固结物的情况来看，刀具与土体间摩擦力逐渐加大，直到形成渣土饼状固结。

3.膨润土溶液与泡沫溶液改良

尝试使用发泡系统改善掌子面与盾构机的摩擦力过大问题。掌子面前方取原状土样测试其相对密度，得到该地质层相对密度DΤ＝0.73，说明该砂卵石地层密实程度很高，不同粒径的卵石与级配较好的砂咬合在一起，嵌锁力很大，抗剪切能力很强，刀盘切削土体时扭矩很大，刀具与土体间摩擦力大，刀盘不断升温，形成较厚的泥饼附着在刀具及刀箱周边。

如果要减小刀具与土体间的摩擦力，使用发泡系统比较理想。初步考虑使用膨润土溶液加泡沫溶液。由于开挖面为砂层，且土体含水量较大，初步考虑泡沫剂掺入量应适中。膨润土溶液配比为：膨润土：水＝60：100、泡沫参数：CF＝3.5%，FER＝20%，FIR=20%。配套设备安装调试完成后在第408环进行试推进。盾构机总推力为17500KN左右，刀盘扭矩3600KN*m左右，推进速度可在10~35mm/min内调节，推进参数比较理想。但是出土不理想，渣土表现为卵石与砂土轻度分离，和易性变差，有较多的水分析出。造成螺旋机出土不畅，卵石过分集中于仓底，出土口有轻度喷涌。未使用泡沫之前单独使用膨润土溶液未发生此类出土问题。考虑可能是由于盾构机处于富水砂卵石地层，含水量非常大，膨润土溶液及泡沫溶液又分别加入了大量的水分，造成单位体积内渣土水分含量过高，和易性降低所致。重新调整膨润土溶液配比为膨润土：水＝70：100，泡沫参数为：CF＝3.5%，发泡率FER=30%，注入率FIR＝20%。试推进，发现膨润土溶液掺入不均及注入困难问题。将膨润土溶液比例重新调整到60：100，掺加量由15%调整为10%。试推进，出土顺畅，渣土和易性较好，无明显泌水现象。照此改良方案推进了39环后，又出现了推进速度降低，刀盘扭矩加大，推力增加、刀盘温度升高的前述问题，开仓后发现刀具结泥饼。

4.针对“高密实”特点改进泡沫参数

进一步分析认为泡沫的改良方案未能针对此高密实度固结的砂卵层。普通富水砂层该方案适用，但该地层不同于普通砂层，如前所述，本地层具有较高的密实性，砂卵粗细颗粒填充紧密、高度嵌锁，对刀盘的切削阻力非常大，之前未给予足够认识。

泡沫参数调整为：CF=7%、FER=30%、FIR=35%。盾构施工参数回归到理想状态，总推力在17300KN左右、刀盘扭矩为3700KN*m左右，推进速度可控制在20mm/min左右，渣土和易性较好，无透水离析，盾构机刀盘、螺旋机磨损程度得到显著改善，切口环土体稳定时间较长，同步注浆量均衡理想，地表沉降控制理想。使用该渣土改良方案实现了盾构机在高密实卵砂地层顺利贯通。

结语

对高密实度富水砂卵地层中进行盾构施工，必须研究地层的土体物理力学性质，通过试验配比、试推进反复寻找有效的渣土改良方案，否则盾构施工将面临巨大障碍甚至无法施工。盾构隧道施工中膨润土及发泡系统的应用对富水砂卵地层改良具有决定性作用，但是泡沫系统的参数不能按照以往普通富水砂卵层经验确定，要针对“高密实性”这一关键特点调高泡沫参数CF值为一合理值，才能将地层对刀具的摩擦系数降至正常施工范围。

参考文献

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