老黏土地層提高盾構螺旋機排土效率研究

林 彬

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

0 引言

我國各地地質條件各有差異，并且部分地區的地層結構還非常復雜，在具體施工中應根據施工區域的地質條件選擇科學的施工技術，在盾構施工中，如果遭遇復雜地質條件，就必須根據地層特點選擇可續的盾構施工參數以及配套設備。而老黏土由于粘性大且含水量高，在盾構施工中容易出現掛土以及出水等問題，影響盾構螺旋機的排土效率，給盾構掘進的效率優化帶來困難。

1 老黏土地層導致的盾構螺旋機排土效率降低問題分析

姚莊站～文博園站區間線路自御景灣小區前方的姚莊站起，止于娃哈哈自來水廠對面的文博園站。區間里程K15+507.128～K16+809.708，擬采用盾構法施工。主要穿越土層為黏土5-3-4 層（Q3al），為膨脹性老黏土，硬塑狀態。盾構穿越土層時，由于老黏土層流動性差，出土口產生滯排，出土口兩側掛土，影響整體施工進度。出土掛土、水土迸濺和噴涌造成的大量水土流出傳送帶問題，雖然可采用人工清理渣土或者在土艙內加入改良劑改善土的性質后再出土等方法，但是存在效率低，成本高，影響工程進度等問題，提高螺旋機出土口出土效率仍是一個難題。為提高工作效率，我們吸收以往QC活動的先進經驗，在此次施工中，將深入開展QC 活動，充分發揮QC 小組作用，并據工程擬定了課題，開展QC 活動，提高老黏土地層盾構螺旋機排土效率[3]。

通常在盾構施工中為了保證盾構設備土壓平衡效果，做好進土量和出土量的設置，盾構螺旋機輸送渣土量要求精度高，以實現通過控制螺旋輸送機對盾構土倉壓力的調節（土倉與螺旋機關系如下圖），因此，要注意平衡不同方向的力，做好螺旋輸送機轉速以及掘進速度的匹配工作，從實際應用著手，控制排土量，使其能夠最大程度的實現平衡。如果排土量過大，很有可能出現坍塌的情況，另一方面，如果排土量過小，又會因為各種原因導致掘進面失穩，出現地表隆起。而老黏土地層則由于土質較黏，容易出現排土效率低下的問題。實際生產中螺旋機排土量的確定應根據如下公式進行計算：

該公式中ξ是施工中土質的松散率。V 是項目掘進的速度。由公式可以看出土質松散度越高，排土量也就越高。

不同地質情況的土層導致的盾構螺旋機出現的排土問題是長期困擾盾構施工安全的主要問題。尤其是盾構掘進過程中遇見老黏土地質的時候，幾乎所有的盾構工程都因此而受到了阻礙，因為老黏土的硬塑形狀，以及流動性較差的特點，螺旋機出土口出現兩側掛土的情況非常普遍，這使得盾構機在遇見老黏土的地質土層時就要考慮如何清除土倉的問題，不僅阻礙了排土工作，而且對于整個工程進度造成了較大的影響。通過螺旋機排土問題分析總結可以知道，老黏土地層通常是由硬塑老黏土和軟塑老黏土結合而成的，其螺旋排土過程中的掛土問題是影響排土效率的主要問題，通常在項目施工中會在螺旋機排土出口處設置一個出土引導板，以提升排土效率[1]。

據規定要求,我們QC 小組成員對施工現場分別進行實查和抽查，對不合格項施工記錄數據進行了列表分析：

不合格項目統計分布如下圖表

不合格項目調查表

根據問題統計表，我們繪制了餅分圖。從餅分圖中可以看出，出土口掛土堵塞和土體倒流是影響該工程出土口合格出土的主要癥結。

2 簡析老黏土地層提高盾構螺旋機排土效率

2.1 工程概述

本工程采用盾構施工法進行掘進施工，掘進目標地質為黏土層，黏土層特征為膨脹性黏土，狀態為硬塑型。當盾構機進行掘進是，因老黏土本身具備較差的流動性，引發了出口土形成了堵塞，形成了出口土兩側掛土的情況，使得施工進度收到了較大的影響。

2.2 排土問題分析

在盾構機進行掘進的過程中，因為老黏土的問題產生了一系列諸如噴涌，掛土，以及水土迸濺等情況，嚴重的影響了施工進度。施工方雖然通過人工清理的方法對掛土等現象進行了處理，效果不理想后又在土倉加入了土質改良劑后出土的方法，雖然較人工清理的方法有所提升，但是因為添加劑的情況導致了成本的快速上升，但施工效率沒有有效提高。因此，此時工程的主要問題集中在了螺旋機出土效率的問題。為解決這個問題，應當對工程中的具體問題進行分析，歸納總結問題為：

（1）掛土，堵塞。由于出口土的滯排現象較為嚴重，土倉的壓力較大，為避免土倉因壓力造成損壞，必須停工進行泥土的清理工作，該工作致使工程進度受到了較大影響，人工成本提升較快。

（2）出土含水量較高：因出土含水量較高，使得水土聚集在傳送帶，無法及時排出，因此需要進行水土清理工作。

（3）噴涌，出土口出現了噴涌現象，對施工安全和進度造成了較大影響。

通過對這些問題進行分析，并從施工效率，施工成本，以及施工進度和施工質量等各個角度的研究分析，對當前所遇到的困難進行明確后，必須解決盾構螺旋機排土的諸多問題才能保證項目有序推進。為徹底解決這個問題，技術人員綜合出現問題的盾構組進行具體分析，在參考了一百多組盾構進程，發現了存在的問題的進程大約有40%的程度[2]。

2.3 盾構螺旋機排土問題現狀

在本工程中，老黏土平均厚度大約為6 米的硬塑老黏土和軟塑老黏土，盡管為了防止穿越老黏土出現排土問題，特別在出土口設置了出土引導板，但仍然無法實現對較高效的聚集引導作用，特別是含水量較高的黏土仍然可能出現較大的迸濺現象。無法聚集水土進入管片區域。導致底板效率不高的問題導致螺旋機無法高效排土，因此對于出土口的改造問題稱為了解決排土問題的關鍵步驟。通過將故障特征進行統計學分布可以發現，當前工程中掛土和堵塞是影響出土口出土效率的主要原因[4]。

2.4 問題分析

盡管為了保證排土效果，已經采取了諸多措施，依然出現了螺旋機排土效率低下的問題，在本次工程中必須采取科學的措施加大螺旋機出土效率。首先，引導板的設置存在問題，由于本工程中遭遇黏土地層，渣土會黏在引導板兩側從而堵塞排除通道，進而導致出土效率降低，因此必須做好引導板兩側結構設置。其次，螺旋機的內部斜板的出土效率也有問題，斜板角度不合理。

2.5 排土效率改進對策

2.5.1 中心斜板兩側加設引流側板

分析結果顯示該工程的主要問題是口排土效率低，因為盾構機在穿越老黏土層，尤其是硬塑老黏土的過程中，因為土層的流動性較差導致了出土口的排土不暢，為了解決兩側掛土的問題。具體改進措施如下：

（1）在出土口中心斜板兩側安置引流側板，并保持側板向內傾斜。

（2）通過引流側板聚集黏土使黏土向中間流動

（3）引流側板可以矯正老黏土的運動方向，有效地提升了排土能力。

2.5.2 引流側板后設置延伸管

依據小組的分析可以得知，本工程中致使盾構螺旋機出土口排土補償的主要因素是老黏土中的含水量較大，在這種含水量較大的黏土通過排土口時會引發水土迸濺情況，隨后就會出現噴涌現象，使得大量的泥漿通過這個區域進入盾構機相關施工區域，為了解決這一難題，通過對當地多個盾構工程進行分析總結，結合實際情況得出以下解決方案：

（1）通過將引流側板與延伸管進行連接，通過油泵裝置控制延伸管的伸縮。

（2）為防止水土下降過程與傳送帶接觸發生迸濺情況，應當控制延伸管的與傳送帶的距離。

（3）為提高出土效率，使得排土能夠被傳送帶正確運送，應當通過延伸管利用水土下降過程中的初速度將水土運送至傳送帶的末端。

（4）因為該工程的盾構機掘進排土問題是因為穿越老黏土而形成的掛土問題，所以延伸管并不適用于老黏土的排土工作，因為老黏土很容易堵塞延伸管，所以要注意在通過老黏土時應當避免采用延伸管。

2.5.2 改裝中心斜板使其角度可調節

土質水分含量較大是影響螺旋機排土工作效率的主要原因，因此針對這個問題應當進行以下的措施：

（1）保證斜板可以調節，實現控制出土速度的目的。

（2）通過設置斜板角度至醉倒角度，原理是加快土的下落，防止出現掛土，堵塞等情況，提升排土效率。

（3）通過改變中心斜板角度來解決含水量較大的問題，含水量與斜板角度保持反向關聯，即含水量越大，調整中心斜板角度越小。降低下落速度，提高上升速度，能有效提升排土率。

3 結束語

總之，在我國地鐵施工中采用科學的盾構施工效果，必須做好盾構系統設備參數控制，同時還應根據螺旋機排土要求進行各種裝置優化設計。在實際工程設備設計中要做好延伸管、引流側板等結構的分析及改進設計可以有效提升排土效果，地鐵施工同仁還應積極采用科學設計方法做好盾構設備的改進設置，為地鐵系統施工效率提升提供驅動力。