盾構(gòu)施工中渣土改良技術(shù)研究

徐智良/XU Zhi-liang

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000）

我國各工程單位所使用的盾構(gòu)大多為土壓平衡式盾構(gòu)。然而一般土體很難滿足平衡式盾構(gòu)的施工要求，必須對渣土進行改良。渣土改良的技術(shù)要點是在刀盤前段或者盾構(gòu)土容倉內(nèi)添加大量的水，再由工作人員進行攪拌，制成膨潤土泥漿，然后依次添加聚合物、泡沫等混合添加劑，改善土體塑性、流動性。如今渣土改良技術(shù)已經(jīng)成為盾構(gòu)施工工作重要的部分，必須不斷深化研究相關(guān)改良技術(shù)，提高盾構(gòu)施工效率[1]。

1 渣土改良系統(tǒng)設(shè)計

北京地鐵06標段施工工程位于大興區(qū)團河路街道，經(jīng)過砂土勘測可以確定，盾構(gòu)需要通過的區(qū)域地段主要由粉質(zhì)細砂、細中沙、粉質(zhì)黏土及卵石圓礫地層為主。本次施工使用的盾構(gòu)為中鐵盾構(gòu)，前段刀盤直徑為9m[2]。

1.1 渣土改良劑管道分布設(shè)計

注射管道的建立主要是為了將與環(huán)境相適應(yīng)的渣土改良劑，通過管道內(nèi)的泵送設(shè)備，經(jīng)過管道中心回旋軸，輸送到盾構(gòu)刀盤前段。其核心結(jié)構(gòu)如圖1所示。

渣土改良效果的好壞，在于渣土改良劑和渣土能否充分混合，所以改良劑的選擇和注射口分配極為重要。在盾構(gòu)進行掘進作業(yè)時，前段刀盤會進行低速旋轉(zhuǎn)，切削土層。而本次設(shè)計的刀盤注射口，可以確保渣土改良劑可以同步注射在刀盤前段土層上，并且可以保證刀盤切割下來的渣土與改良劑進行最大面積混合。當改良后的渣土被擠壓進盾構(gòu)土倉內(nèi)時，刀盤旋轉(zhuǎn)可以進一步攪勻土倉渣土，使其與改良劑完全混合。由于富水砂土的渣土改良技術(shù)工藝較為復(fù)雜，必須利用多種改良劑進行渣土改造，合理配置刀盤分布的六個注射口。在新的設(shè)計工藝中，刀盤注射口與中心距離各不相同，也就保證六根管道的注射半徑不同，注射軌跡難以重合，這樣可以提高改良劑注射的均勻性，同時也能最大限度減小不同改良劑之間的相互影響。

圖1 刀盤注射口示意圖

1.2 膨潤土系統(tǒng)設(shè)計

盾構(gòu)的膨潤土注入系統(tǒng)是由膨潤土罐、軟管泵、流量計等組成。常規(guī)存儲罐體積大約在8m3左右，攪拌方式為氣吹加機械攪拌，軟管泵規(guī)格為20×2+8×2m3/h套。為了進一步提高注入量的控制精度，系統(tǒng)內(nèi)部還設(shè)有變頻器，以實現(xiàn)注入量的智能控制。

膨潤土開挖倉最大注入率一般為0.1,殼體潤滑注入率為2。膨潤土用量計算公式

式中Q1—膨潤土注入量，m3/min；

l—注入率；

V—掘進速度，m/min；

D—開挖直徑，m。

盾殼膨潤土計算公式

式中 Q2—盾殼膨潤土注入量，m3/min；

l—注入率；

V—掘進速度，m/min；

D—開挖直徑，m；

d—盾殼外徑，m。

1.3 泡沫注入系統(tǒng)設(shè)計

泡沫注入系統(tǒng)主要是由泡沫發(fā)生器、空壓機、流量計、螺桿泵等組成。通過泡沫發(fā)生器，可以充分混合泡沫混合液和空氣，生成泡沫。通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速以控制泡沫原液及混合液流量。

泡沫開挖面最大注入率一般為0.7，計算公式同上文膨潤土用量計算公式。

泡沫系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 泡沫系統(tǒng)原理圖

2 不同地層改良劑的選擇

常用的砂土改良劑主要有膨潤土、泡沫劑、高分子聚合物3種，其主要特性如表1所示。

表1 不同地層改良劑特征表

2.1 膨潤土改良劑的使用

膨潤土遇到水，會瞬間分散，形成膠體懸浮液。這種膠體懸浮液具有極強烈的粘帶性、形變性以及潤滑性。當遇到砂、泥等物質(zhì)時，會起到粘連作用。通過微觀探測可知，膨潤土遇水，內(nèi)部鈉離子會自動連接各層薄片并且擠壓多余空間，降低土顆粒之間的空隙，縮減透水性，形成一種可塑性膠體。在工程區(qū)域嘗試只使用膨潤土作為改良劑進行渣土改良，其配比如表2所示。

表2 膨潤土漿配比表

通過實驗檢測可以看出，雖然膨潤土可以有效減少盾構(gòu)刀盤扭矩，但是大大提升了甬道噴射風(fēng)險，總體效果并不理想，所以需要添加其他改良劑。

2.2 泡沫劑的使用

為了降低甬道噴涌風(fēng)險，可以在膨潤土的基礎(chǔ)上，在盾構(gòu)內(nèi)部加入泡沫劑。在盾構(gòu)泡沫發(fā)生裝置工作前，需要先進行泡沫劑比例調(diào)配，比例為5∶100。通常情況下，不需要對比例進行再調(diào)整，只有在施工作業(yè)中發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)出現(xiàn)扭矩過大且難以降低，或者出現(xiàn)大規(guī)模甬道噴涌現(xiàn)象時，可以酌情將泡沫劑比例修改為8∶100。常規(guī)盾構(gòu)泡沫劑使用系統(tǒng)包括兩種控制方式。在工程作業(yè)中，盾構(gòu)控制人員需要根據(jù)刀盤扭矩，調(diào)整泡沫劑流量，一旦發(fā)現(xiàn)土質(zhì)含水量過高，應(yīng)該立刻降低泡沫劑使用量。

2.3 工程改良劑的使用

針對本次工程粉質(zhì)黏土、粉細砂、粉土、細中砂、卵石圓礫復(fù)合型地質(zhì)所面臨的改良問題，通過實際檢測，最終確定，選擇膨潤土漿作為常規(guī)改良劑，因為檢測到個別施工區(qū)域可能會遇到水囊和噴涌情況，所以將泡沫劑備用改良劑。

3 結(jié) 語

本次渣土改良技術(shù)，以北京地鐵新機場線盾構(gòu)為例，簡述了渣土改良的設(shè)計計算方法。通過配置不同的渣土改良劑并合理運用，可以有效提升盾構(gòu)施工效率，減小刀盤扭矩及降低刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象。

[1]夏志剛.淺埋富水全斷面砂層盾構(gòu)施工渣土改良初步研究[J].四川建材，2016，42(3)：130-132.

[2]楊志勇，樂貴平，江玉生，等.北京地區(qū)典型地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良技術(shù)[J].施工技術(shù)，2017，46(1)：58-60.