泥巖地層盾構施工渣土改良技術研究

李應姣

(中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 前言

通常，一般地層巖土不具有良好的塑流狀態、黏-軟稠度、低內摩擦力、低透水性等優勢，易使刀盤轉動摩擦阻力增大，刀盤驅動負荷增加。 當盾構密封土倉內渣土流塑和易性較差時，在土壓力和攪拌的雙重作用下易結成泥餅、產生壓密固結等問題，從而降低開挖倉的密封性和影響螺旋機的排土。 當渣土透水性較好時，渣土在螺旋輸送機內排出時無法形成有效的壓力遞降，土倉內的土壓力無法達到穩定的控制狀態。 然而，渣土改良系統已成為盾構法施工的一個重要組成部分，且渣土改良效果的差異，對降低工程成本、規避施工風險、提高工程進程起著關鍵性的作用[1-2]。 以南寧軌道交通3 號線1 標土建6 工區東溝嶺站～小雞村站區間盾構施工為工程背景，區間主要穿越地層為泥巖、粉砂質泥巖，在刀具切削和刀盤的撞擊下，泥巖變成碎屑和粉末狀，再加上泥巖本身的特性、盾構在泥巖中掘進，若渣土改良不到位，會導致渣土干硬、流塑性差，從而使渣土干結在土倉內，達不到排渣要求，導致結泥餅。 為了確保該特殊地層盾構渣土改良效果，保證盾構的順利實施，開展了泥巖地層盾構渣土改良關鍵技術研究。

2 工程地質及問題分析

該標段盾構區間穿越地層主要為⑦1-2 泥巖、⑦1-3 泥巖，局部含⑦2-2 砂巖、⑦2-3 粉砂巖、⑦4 炭質泥巖，泥巖層天然狀態下強度較高，壓縮性低，但浸水易軟化，干后則開裂。 黏粒含量較高，盾構施工過程中易結泥餅。 根據本地區類似地層條件下的盾構施工經驗，盾構在該地層掘進時，曾多次產生大量堆積的泥餅，經取樣，部分泥餅的抗壓強度高達5 MPa，且土倉一旦結成泥餅，易使刀盤扭矩、盾構總推力大幅增大，而盾構推進速度變慢，刀盤刀具被磨損；嚴重時易使盾構掘進困難，尤其對高富水砂層、淤泥等透水性強、自穩性差的高風險地質，易發生地表超挖塌方、涌水涌砂等風險[3-5]。 本標段為規避此現象發生，對臨近項目曾出現過大量泥餅進行了分析，主要原因在于：(1)復合式刀盤的型式及選用不合理。 (2)中心區域不夠大，刀盤開口率小。 (3)攪拌臂太少。 (4)滾刀與刮刀刀具層次不分明。 (5)未用或未針對性調配渣土改良劑等。 然而，為了使切削下來的渣土具有高流動性，通過合理配置刀具、優化改良系統、調配合適的渣土改良劑等方法，可增加刀具耐磨性、增大開口率、使調配劑與渣土充分混合，提高渣土流動性，達到穩定土壓平衡的作用。

3 技術原理

泥巖地層盾構渣土改良是利用刀盤的旋轉攪拌、土倉攪拌裝置攪拌使分散劑與土渣混合，通過分散劑的微觀電荷作用力以及滲透功效，泥巖分散劑分子會吸附于黏土表面，通過滲透，盾構泥巖分散劑分子迅速地進入土體內部，將大塊的土體快速分散，分離，氧化分解釋放出氣泡，使得刀盤切削下來的土體流塑性好、稠度適中、透水性低及摩擦阻力小，解決了盾構刀盤易形成泥餅的難題，規避了泥餅帶來的掘進風險，同時，為盾構機在泥巖地質條件下掘進提供了良好的工況。

4 渣土改良關鍵技術

4.1 刀具配置

在泥巖地層下，若中心以滾刀為主要切削刀具，將會出現刀盤中心結泥餅的現象[6-8]，刀盤中心區的泥餅會造成刀盤能夠轉動，但滾刀卻不能產生自轉，導致滾刀失效偏磨，同時會造成刀盤轉動負荷加大，甚至停止轉動，艙體內溫度急劇升高，影響主軸承密封的壽命，甚至毀壞軸承密封。 為了防止上述現象的發生，提高渣土的流動性，刀具布置采取以下針對性較強的防泥餅措施：

(1)中心用撕裂刀替換原刀盤設計滾刀，多個楔形撕裂刀安裝在刀盤主體正面的十字形刀梁和一字形刀梁上，且同一直線上的多個楔形撕裂刀并排等距分布，每個楔形撕裂刀的刀架通過螺栓與盾構刀盤的固定楔塊連接。 該刀具的更換，可增加刀盤中心開口率，較易切入泥巖，可適當降低刀盤推力、扭矩。

(2)由于切削路徑長，線速度快，刀具易磨損[9-11]，因此對刀盤邊緣刮刀進行結構增強，優化合金結構，即在刀盤開口邊緣設合金刮刀，該刀盤開口周邊部位的刮刀，可對滾刀已疏松的巖層進行刮擦清除，還能增大刀盤的耐磨性，有效保護刀盤母體，其邊緣刮刀采用合金材料制備，防止刀頭磨損及碎裂現象發生，從而增強刀盤邊緣刮刀的耐磨性能及抗沖擊性能。

(3)由于刀盤外周線速度較大，地層對刀盤磨損較為嚴重，為保護刀盤外周，防止刀盤過度磨損，在刀盤開口邊緣加焊外周保護刀，以保護刀盤外周部位。

通過對面板刀具的加強改進，增加了耐磨性，有利于盾構掘進中刀具的充分利用，增加了刀具切削能力，有效增加了長距離掘進下盾構機的適應性。 刀具配置優化前后分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 刀具配置優化前

圖2 刀具配置優化后

4.2 渣土改良系統優化改造

(1)在土倉胸板上加兩個萬向球閥和一個高壓水泵，當出現結泥餅時，用一根鋼管接上高壓水泵通過萬向球閥探入土倉對準刀盤背后開口用高壓水進行沖洗。

(2)在刀盤原有的5 個注入口基礎上再多增加一路注入口，并設置在刀盤面板最外側以減小刀盤邊緣刀具的磨損。

(3)將之前的泡沫一拖二改成單管單泵，螺桿泵精度高、穩定性好、維修頻率少。

(4)將原先螺旋機兩道閘門拆除一道閘門，增大皮帶機與螺旋機間的空隙，通過提升皮帶輸送機高度(提升10 cm)，可降低皮帶機的坡度(由原來19.2°降為15.66°，坡度降低了3.6°)，減小渣土在皮帶上的黏附力及摩擦力，可大大提高出渣效率。

(5)由于皮帶輸送機寬度“有限”，通過螺旋機排出的渣土體積較大，易造成渣土黏附在出渣口，致使渣土堆積在螺旋機出渣口，渣滯留，大大降低排土效率，因此將螺旋機閘門口改造成“拱形結構”并減小出渣口大小(出渣口是由上部直徑為30 ～40 cm的半圓口和下部邊長為30 ～40 cm 的正方形口組成)，可提前對渣土進行“塑型”，降低渣土在出土口堆積幾率，可以提高皮帶機排土效率。 螺旋機渣土口改造如圖3 所示。

4.3 分散劑配比試驗

圖3 螺旋機出渣口改造

對分散劑原液濃度按1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%的摻量進行稀釋，繪制分散劑濃度與半衰期關系圖，給出分散劑稀釋后最優時的分散劑濃度。 按最優分散劑濃度稀釋液與泥巖質量比為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8的比例充分拌和，測定經分散劑改良后拌和料的坍落度數據，分別給出單獨使用分散劑為改良劑時的最佳配比，通過反復試驗觀察得出如下關系：

(1)分散劑濃度—半衰期關系曲線如圖4 所示。

分析圖4 可知，分散劑濃度從1%增加至5%時，溶液所產生的氣泡半衰期由7. 8 min 上升到14.2 min，且隨著分散劑濃度不斷增加，溶液所發出的氣泡逐漸趨于穩定。 另外，分散劑濃度從1%增加至3%時，氣泡的半衰期由7.8 min 上升到13.8 min，半衰期變化尤為明顯；而分散劑的濃度從3%增加至5%時，氣泡的半衰期由13.8 min 上升到14.2 min，半衰期變化幅度很小，且逐步趨于穩定。

圖4 分散劑濃度-半衰期曲線

(2)分散劑濃度-最大發泡倍率關系曲線如圖5 所示。

圖5 分散劑濃度-最大發泡倍率曲線

分析圖5 可知，在一定范圍內，最大發泡倍率隨分散劑濃度的上升而增大，且分散劑濃度為3%時，最大發泡倍率達到最大值(59 倍)；當分散劑濃度大于3%時，溶液的最大發泡倍率小幅度降低，且當濃度升至5%時，倍率逐漸趨于穩定，保持在58 倍左右，且發泡的倍率不再隨溶液濃度的增加而發生大的變化。

(3)拌和料質量比- 坍落度關系曲線如圖6所示。

圖6 拌和料質量比-坍落度曲線

分析圖6 可知，坍落度隨分散劑稀釋液摻量的減少而降低，從1∶1到1∶6，拌和料坍落度由260 mm下降至30 mm，且隨著分散劑稀釋液摻量(拌和質量比)的減少，坍落度趨于穩定。 分散劑稀釋液摻量從1∶1到1∶2時，拌和料坍落度由260 mm 下降到210 mm，拌和料的流塑性最強，但無黏性；而分散劑稀釋液摻量從1∶2到1∶4時，拌和料坍落度由210 mm下降到160 mm，拌和料的流塑性最佳，黏性最強；當分散劑稀釋液摻量從1∶4到1∶6時，拌和料坍落度由160 mm 下降到30 mm，雖然拌和料黏性最強，但幾乎無流塑性。

通過試驗，得出分散劑濃度控制在3% ～5%為最佳配比，且用稀釋后的發泡劑對其改良后，坍落度隨分散劑稀釋液加入量的減少逐漸降低，當分散劑稀釋液與泥巖的質量比為1∶2 ～1∶4，改良后拌和料坍落度由210 mm 下降到160 mm，拌和料的流塑性最佳，黏性最強，此時泥巖的坍落度已達到或靠近盾構施工渣土的最優坍落度值。

5 應用情況

該技術已成功應用于南寧地鐵等泥巖地層盾構施工過程中，通過相應設備的改造以及渣土改良試驗，用稀釋的改良劑對其改良后，渣土流塑性明顯得到了極大的改善。 在掘進過程中，根據掘進速度及時調整加水流量，改良劑濃度控制在3% ～5%，由原來每掘進1 環(1.5 m)需要4 h 縮短至每環掘進只需要0.5 h，大大提高了施工效率，避免了盾構掘進過程中出現渣土滯留、土倉堵塞和結泥餅等情況，減小了刀盤和螺旋機的磨損。 該技術的研究應用，有效節約了施工時間，保證了盾構機安全、快速連續的施工，無刀盤結餅，有利于控制周邊沉降，避免了對周邊環境(棚戶區、居民小區、管線、廠房等)的影響，應用效果良好。

6 結束語

通過采用該技術妥善解決了復雜地質地段中刀盤結餅處理困難的問題，避免了盾構機開倉，省略了帶壓開倉、地面加固、交通道改等一系列程序，縮短盾構施工工期近3 個月。 該技術優勢主要體現在：

(1)該刀盤的設計主要針對較強的防泥設置，將主切割刀全部設置成楔形撕裂刀，增加了刀盤的開口率，且在刀盤開口外緣附加保護刀，增加了其耐磨性，整體可防止刀頭磨損及碎裂現象發生，更利于盾構掘進中刀具的充分利用，增加了刀具切削能力，有效增加長距離掘進下盾構機的適應性。

(2)通過對刀具、渣土改良系統的改造以及渣土改良劑的運用，提高了渣土的流動性，平衡了內部的土壤壓力，減小刀盤在掘進過程中產生的摩擦阻力損耗，提高了盾構機的掘進效率，同時也保證了開挖的穩定性和安全性，避免了地表沉降問題。

(3)通過研制泥巖分散劑，快速實現了強力剝離和清除黏泥膠團的作用，使得刀盤或土倉內表面清潔，另外，由于改良劑中的微細氣泡可以置換上顆粒中的孔隙水，達到了止水效果，同時，也避免出現噴涌問題，提高了施工效率，降低了施工風險。