洛陽富水砂卵石層土壓平衡盾構機渣土改良技術研究

聶艷青

摘 要：本文通過洛陽富水砂卵石層盾構掘進數據統計及案例分析，得出泡沫劑可作為砂卵石地層抑制噴涌常態措施，在大粒徑卵石集中地質條件下，可選取高分子聚合物做改良劑，解決砂礫石地層中渣土流動性差、防噴涌等問題。

關鍵詞：砂卵石層;渣土改良;泡沫劑;高分子聚合物

富水砂卵石地層中進行土壓平衡盾構施工時，由于地層卵石含量高、強度大、無黏聚力等特點，掘進過程會導致刀盤刀具磨損嚴重、渣土流動性較差、進渣困難、土倉壓力難以保持等狀況出現 [1-5]。針對上述問題，一般是在盾構選型階段進行改進與參數優化，同時在實際施工時對渣土進行改良，使其具有良好的流塑性、較低的內摩擦力和較低的滲透性，從而保證施工順利進行。

本文以洛陽富水砂卵石地層盾構施工為研究對象，對渣土改良進行了研究。本研究獲得的洛陽砂卵石地層渣土改良經驗，對減少刀盤刀具磨損、防止結泥餅及噴涌等異常施工狀況具有重要意義。

1 工程概況

洛陽市軌道交通1號線土建02標段周王城廣場站～應天門站區間（以下簡稱周～應區間）沿中州中路敷設，左右線起終點里程均為DK14+301.472～DK15+520.664，右線長度為1219.215m，左線長度為1219.192m。本區間隧道埋深9.9-24.2m共812環，其中1-210環及660-812環之間地層為上部粘土、下部卵石層，且水位位于隧道頂部以下; 210環-660環之間為富水全斷面卵石地層，且最低點處水位位于隧道頂部以上約5.3米。

周～應區間場地地下潛水穩定水位埋深17.60m-20.50m之間，相應高程為125.20m-127.54m。地下水類型為孔隙潛水，含水層為卵石層和砂層。

2 砂卵石土的基本特性

砂卵石地層隨機分布著大粒徑卵石顆粒，組成該地層的粗顆粒大小變化較大，密實程度也存在一定的差異。地層顆粒的組成對于盾構施工影響很大。圖1為周～應區間砂卵石地層顆分曲線。

由圖1可以看出，洛陽砂卵石地層主要的特征便是含砂率很低，低含砂率對于土壓平衡盾構施工渣土改良有較大影響，另外，富水條件下低含砂率帶來的強滲透性也是影響盾構施工及安全的一個重要因素。

盾構掘進過程中一些大顆粒粒徑的卵石被滾刀碾碎，根據室內試驗要求，去除大粒徑的卵石，最大控制粒徑為8 cm^[6]。根據巖土工程勘察規范^[7]，經計算，天然狀態下砂卵石土的不均勻系數Cu =58.85>5，曲率系數Cc =4.06>1，該砂卵石土樣級配良好。盾構掘進地層分布：1-210環及660-812環之間地層為上部粘土、下部卵石層; 210環-660環之間為富水全斷面卵石地層。

3 渣土改良方案實施

3.1 渣土改良的目的

在砂卵石地層中盾構施工時，渣土改良的一般辦法就是向開挖面及土艙內注入一定比例的土體改良劑來改變土體的狀態，使其達到盾構正常掘進的要求^[3]。土壓平衡盾構施工的土體改良材料常用的主要有泡沫劑、膨潤土以及高分子聚合物，其各自優點及適用土層條件見表1^[8]。

3.2 現場渣土改良應用分析

3.2.1 周～應區間右線

洛陽地鐵周～應區間右線盾構在掘進1環～347環時，僅使用泡沫劑進行渣土改良，各種參數均正常，如圖2所示。

從第347環開始掘進過程采用膨潤土+泡沫劑進行渣土改良，如圖3所示?？梢钥闯龆軜嬀蜻M至第378環時出現刀盤扭矩突然增大，此階段大粒徑卵石無法通過螺機帶出現象;掘進第387環時出現螺機被大直徑卵石卡死情況（大量卵石粒徑在35cm左右），如圖4所示;在第406環時伴隨有螺機噴涌現象，導致跳閘停機;在之后的掘進中，頻繁出現刀盤扭矩突然增大、螺機噴涌等現象，且渣土和易性較差，渣土較為松散，小粒徑卵石隨水回流進螺機內，導致出土不暢。推進過程中刀盤扭矩忽大忽小，刀盤前無法建立土壓，直至掘進至430環停機。

采用膨潤土+泡沫劑進行渣土改良，在富水全斷面卵石層中改良效果不佳。經分析決定從430環開始采用新型高分子聚合物進行渣土改良，如圖5所示。通過使用高分子聚合物進行渣土改良后，刀盤扭矩有明顯改善（見圖6），且螺機噴涌現象幾乎很少發生，盾構掘進慢慢回歸正常，最終順利完成區間掘進。

3.2.2 周～應區間左線

洛陽地鐵周～應區間左線全區間盾構使用泡沫劑進行渣土改良，掘進過程刀盤扭矩變化情況如圖8所示。從圖7可以看出，土壓平衡盾構在砂卵石地層掘進時刀盤扭矩總體控制值波動較大，總體變化趨勢總體匹配區間穿越地質情況，全斷面富水砂卵石段落刀盤扭矩較大。對區間刀盤扭矩值進行歸納分析，如圖8所示，可以看出正常掘進階段土平衡盾構刀盤扭矩近似服從正態分布，浮動范圍為1600-5400kN*m，波動范圍較大。盾構設備負荷較大，對掘進效能控制不太有利。

4 結語

渣土改良技術是土壓平衡式盾構在復雜地層中掘進的關鍵技術手段。洛陽地鐵1號線周～應區間隧道土壓平衡盾構穿越富水砂卵石層掘進施工，在大粒徑卵石不集中段落僅使用泡沫劑進行渣土改良可以滿足現場掘進條件，如遇大粒徑卵石集中段落可以通過采用高分子聚合物改良渣土，有效解決了土壓平衡式盾構在富水砂卵石層中掘進時，由于大粒徑卵石卡住刀盤而導致的無法連續出渣等問題，最終實現土壓平衡推進，極大地減小了刀盤扭矩、推進速度的波動范圍，為合理控制地層損失率提供了強有力的保障，從而保證了盾構安全、高效地掘進施工，可以為國內類似工程的盾構法施工提供一點借鑒及參考，共同推動我國盾構法施工技術的進一步發展。

參考文獻：

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[8] 唐卓華，徐前衛，楊新安等.富水砂層盾構掘進渣土改良技術[J].現代隧道技術，2016，53（1）：153-158.