土壓平衡式盾構(gòu)穿越全斷面砂層渣土改良技術(shù)研究

徐鵬（中交二公局鐵路工程有限公司，西安710065）

1 工程概況

西安地鐵二號線北客站—北苑站區(qū)間位于渭河一級階地，其中10m 左右為砂層埋深。盾構(gòu)所穿越地層基本為全斷面砂層，砂層分層較為明顯，頂部為不連續(xù)的粉細(xì)砂，洞身處主要為中砂，底部為粗砂和礫砂。盾構(gòu)所穿越地層的細(xì)砂、粗砂的平均標(biāo)貫擊數(shù)在54 擊以上，最大標(biāo)貫擊數(shù)在88 擊以上；中砂、礫砂的平均標(biāo)貫擊數(shù)在75 擊以上，最大標(biāo)貫擊數(shù)為150 擊，特別是盾構(gòu)隧道穿越的主要地層——中砂層的平均標(biāo)貫擊數(shù)在101 擊（＞30 擊為密實(shí)砂層）。該區(qū)間的地下水位埋深為11.03～12.60m，略高于隧道頂部或與頂部持平。由此可見，該區(qū)間含水量豐富和砂層標(biāo)貫擊數(shù)高是一個較為顯著的特征，尤其是標(biāo)貫擊數(shù)高，這給掘進(jìn)帶來了極大的難度。

2 全斷面砂層掘進(jìn)存在的問題

因砂性土具有滲透性強(qiáng)、流塑性差、顆粒間幾乎無黏聚力等特點(diǎn)，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在全斷面砂層掘進(jìn)時存在以下困難與問題：

1）因砂性土顆粒間的摩擦力較大，其流動性較差，當(dāng)土艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi)充滿渣土?xí)r，易導(dǎo)致刀盤扭矩、千斤頂推力以及輸送機(jī)的轉(zhuǎn)矩增大，甚至出現(xiàn)無法排渣現(xiàn)象；并且在掘進(jìn)過程中，刀盤溫度易超過正常工作溫度，加劇刀盤的磨損，影響整個盾構(gòu)機(jī)的工作性能，甚至導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)停機(jī)[1]。

2）砂性土的顆粒粒徑并不均勻，當(dāng)顆粒粒徑較大（＞5cm）的礫石進(jìn)入輸送機(jī)時，將導(dǎo)致輸送機(jī)因油壓升高，進(jìn)一步導(dǎo)致其溫度超過工作溫度，影響輸送機(jī)的運(yùn)作，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致輸送機(jī)停轉(zhuǎn)。

3）砂性土幾乎無黏聚力，流塑性較差，在掘進(jìn)時容易出現(xiàn)較大粒徑的礫石堆積在土艙底部，并在螺旋機(jī)旋轉(zhuǎn)時向葉片四周移動，使土艙壓力的控制難度加大。

4）在全斷面砂層掘進(jìn)時，難以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩之間的平衡關(guān)系，并且刀盤扭矩將隨掘進(jìn)速度的加快而增加，極易發(fā)生刀盤近乎滿載運(yùn)行的情況，不利于盾構(gòu)機(jī)的安全掘進(jìn)[2]。

5）在砂層掘進(jìn)時，難以形成拱效應(yīng)，且土艙建壓較難，因此，通過螺旋機(jī)控制壓力極為重要，較高的螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速將易導(dǎo)致出土量的增加和土艙壓力的降低，較低的螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速又難以保證掘進(jìn)的進(jìn)行。

針對上述問題，在全斷面砂層中應(yīng)用土壓盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時，必須對開挖面土體和渣土進(jìn)行一定程度的改良，才可滿足掘進(jìn)要求，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)長距離快速掘進(jìn)。

3 渣土改良試驗(yàn)方案

渣土改良的本質(zhì)是增加渣土單位體積內(nèi)的黏粒含量，改變土層的c、φ等物理力學(xué)特性，增加砂土的流塑性，從而改善建壓和出土的效果，使盾構(gòu)機(jī)可長距離快速掘進(jìn)。

3.1 泡沫劑改良方案

相對于黃土隧道掘進(jìn)，在行政中心站—運(yùn)動公園站區(qū)間，部分地段砂層僅占到隧道斷面的80%左右，且地層中含有黃土，僅使用泡沫便可實(shí)現(xiàn)渣土的有效改良。當(dāng)隧道在全斷面砂層地段掘進(jìn)時，依舊采用泡沫為主要改良劑對土體進(jìn)行改良，但泡沫用量顯著增加后，其改良效果相對于第一區(qū)間并無改善。

在掘進(jìn)過程中，因渣土改良效果不佳而出現(xiàn)螺旋齒輪箱進(jìn)砂等情況，從而致使螺旋機(jī)故障，進(jìn)一步造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)1～2 個星期，增加了工期壓力和盾構(gòu)施工成本。并且，在實(shí)際的盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，盾構(gòu)機(jī)土艙上部土壓僅為0.01MPa，土艙壓力僅能達(dá)到掘進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)，但其掘進(jìn)過程不受控，難以保證地面建筑物及地下管線的安全。因此，需針對地層條件，對渣土改良方案進(jìn)行完善改進(jìn)。

3.2 膨潤土泥漿+泡沫改良方案

經(jīng)過試驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集及對比分析及現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果，通過對右線運(yùn)動公園站—北苑站土體改良試驗(yàn)，對于全斷面砂層（地下水位未超過螺旋后閘門高度）渣土改良參數(shù)為：鈉基膨潤土和水的質(zhì)量比為1：10，漿液密度1.07，黏度35s，注入率10%～20%（與渣土體積比）；泡沫劑：發(fā)泡倍率12 倍，原液注入量30～50L，注入率3%～5%（與渣土體積比）。在具體的施工中，要充分結(jié)合推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證掘進(jìn)順利。

根據(jù)計(jì)算，盾構(gòu)雙線每天掘進(jìn)的總環(huán)數(shù)最多為20 環(huán)，膨潤土用量為120m3，在地面修建膨化池2 個（每個90m3）、鋼制拌漿池2 個、放漿池1 個、拌黃土漿池1 個，可以滿足盾構(gòu)施工需要。同時采用箱體運(yùn)輸，需對編組列車進(jìn)行新的編組，需在最后一節(jié)渣車和砂漿車之間增加運(yùn)輸膨潤土的箱體車。膨化時，利用反循環(huán)泥漿泵使泥漿循環(huán)，并通過移動泥漿泵的位置來確保泥漿不沉淀。膨化24h 后，利用反循環(huán)泥漿泵將泥漿抽至放漿池中，再通過管道放至7m3漿車或用渣車改造的12m3漿車運(yùn)送至隧道內(nèi)，然后用泥漿泵抽至加泥箱進(jìn)行使用。

3.3 膨潤土+黃土混合泥漿改良方案

在該區(qū)間掘進(jìn)進(jìn)行中，發(fā)現(xiàn)刀盤扭矩波動越來越大，刀盤扭矩與總推力、螺旋轉(zhuǎn)速很難達(dá)到協(xié)調(diào)，通過對渣樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)渣土的顆粒粒徑由最大2～3cm 增大至最大5～10cm。

根據(jù)現(xiàn)象分析，造成刀盤扭矩與其他參數(shù)不協(xié)調(diào)的原因是地層變化為礫砂層，地層中礫石的含量明顯增多。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)切削含有大粒徑礫石時，由于普通膨潤土泥漿密度較低（僅能達(dá)到1.07），在出渣時，較大粒徑的礫石易堆積在盾構(gòu)機(jī)土艙的下部，導(dǎo)致刀盤旋轉(zhuǎn)時的扭矩增大。對于此種現(xiàn)象，可通過增大膨潤土泥漿的比重，使較大粒徑的礫石被順利排出，從而降低刀盤旋轉(zhuǎn)的扭矩。因黃土在西安地區(qū)便于收集，故考慮在膨潤土泥漿中加入部分黃土。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終確定膨潤土：黃土為3：2，泥漿密度由1.07 增加至1.17，盾構(gòu)機(jī)可順利排出較大粒徑的礫石，刀盤扭矩趨于平穩(wěn)。

4 渣土改良的效果評價

4.1 降低刀盤內(nèi)外周溫度

因砂性土的流塑性較差、內(nèi)摩擦角大等特點(diǎn)，盾構(gòu)在全斷面砂層掘進(jìn)時易造成刀盤內(nèi)外周溫度急劇上升，迅速超出正常的工作溫度（30～40℃）達(dá)到停機(jī)溫度（60℃），甚至達(dá)到刀盤物理變形溫度（70℃），從而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)停機(jī)，影響施工速度，增加工期和經(jīng)濟(jì)壓力。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越北三環(huán)輔道時，此段砂層因受地面車輛動荷載的影響而較為密實(shí)。在此段掘進(jìn)時，刀盤的內(nèi)周溫度在30min 內(nèi)迅速升至60℃，土體溫度升至42℃，此時須停機(jī)降溫。為降低刀盤密封溫度，向刀盤前方注入大量膨潤土和泡沫，但效果并不理想，僅將刀盤溫度降至40～50℃，勉強(qiáng)滿足掘進(jìn)要求。為使刀盤密封溫度進(jìn)一步降低，適當(dāng)改造了盾構(gòu)機(jī)的加泥管路，將主要加泥管路連至刀盤面板后，刀盤密封溫度顯著降低，由之前的46～48℃降至32～35℃。具體有：

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至40～90 環(huán)時，刀盤的平均密封溫度約為50℃；當(dāng)掘進(jìn)至90～140 環(huán)時，因提高了膨潤土和泡沫用量，并適當(dāng)改造了盾構(gòu)機(jī)的加泥管路，刀盤密封溫度有一定程度的降低，約為40～50℃；在盾構(gòu)機(jī)穿越繞城高速（140 環(huán)）后，刀盤密封溫度進(jìn)一步降低，約為30～40℃，后期溫度基本保持在30℃上下。由此可知，通過渣土改良結(jié)合對加泥管路改造技術(shù)可將刀盤溫度降低至正常工作溫度。

4.2 流塑性增加，和善性改善

渣土過干將導(dǎo)致螺旋機(jī)油壓增大、排渣困難的現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重時將導(dǎo)致螺旋機(jī)卡死，須進(jìn)行人工排渣，盾構(gòu)機(jī)才可恢復(fù)正常工作；渣土過稀則會造成渣土從皮帶與皮帶架的間隙處流出，進(jìn)一步污染雙軌下的管片和已成型隧道，須進(jìn)行人工清理；可見，渣土不論是過干還是過稀，均會增加不必要的人工勞力，增大工期和經(jīng)濟(jì)壓力。因此，為改善這種狀況，使渣土可以被順利排出，對渣土進(jìn)行改良，增加渣土的流塑性和改善其和易性極為必要。

一般可通過塌落度試驗(yàn)來側(cè)面驗(yàn)證渣土的改良效果。渣土進(jìn)行改良后，能具有較好的流動性，并且可黏結(jié)在一起，使流塑性得以改善，且改良效果較好。在施工現(xiàn)場，因現(xiàn)場情況復(fù)雜，可在施工時通過以下方法判斷評價渣土的改良效果：（1）觀察螺旋機(jī)的回轉(zhuǎn)壓力以及出渣狀況；（2）直接取皮帶上的渣土進(jìn)行觀察。

圖1 為渣土改良對螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力影響曲線，從中可以看出，在掘進(jìn)至40～120 環(huán)時，因渣土改良技術(shù)暫不成熟，螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力大致為6MPa，有較大的波動；隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)至160 環(huán)后，因改良技術(shù)的不斷完善，回轉(zhuǎn)壓力顯著降低，最終穩(wěn)定在3MPa 上下，渣土改良效果明顯。實(shí)踐表明，膨潤土泥漿+泡沫改良方案可有效改良砂性土的和善性以及流塑性，具體表現(xiàn)為螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力的降低程度和出渣順利程度。

圖1 渣土改良對螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力的影響曲線

4.3 潤滑作用

該區(qū)間基本為全斷面砂層，但少量地段為粉質(zhì)黏土與中砂組成的復(fù)合地層，在這種地層中掘進(jìn)時，由于刀盤切屑和土艙旋轉(zhuǎn)，黏土塊和砂粒黏結(jié)在一起，處于砂裹泥的狀態(tài)，雖有利于出土和掘進(jìn)，但加劇了螺旋機(jī)與砂粒間的摩擦，從而致使螺旋機(jī)損壞。

盾構(gòu)掘進(jìn)遇到此類地質(zhì)條件時，膨潤土泥漿的使用也是必不可少的。此時，膨潤土泥漿不以改良渣土為首要目的，而是以潤滑為主，尤其是對螺旋機(jī)及其葉片的潤滑作用，可有效降低施工難度和經(jīng)濟(jì)成本。

5 結(jié)語

針對土壓盾構(gòu)機(jī)在全斷面砂層中掘進(jìn)所遇到的問題，根據(jù)地層中砂礫的含量、粒徑等特點(diǎn)，不斷優(yōu)化和改進(jìn)對渣土改良劑的配比、性能，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn)，將渣土調(diào)整至最佳的塑流狀態(tài)，使得土壓平衡盾構(gòu)能很好地適應(yīng)全斷面砂層掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)長距離快速掘進(jìn)。