穿越砂層盾構施工渣土改良及施工參數現場試驗

摘要：盾構在全斷面砂層中掘進時，因為砂層不具有粘聚力，且有較好的滲透性和較高的標準貫入值，使得盾構機刀盤在掘進過程中出現較大磨損，難以建立土倉壓力。若不對渣土進行改良，將會出現地面沉降等情況。結合現有研究和施工經驗，通過膨潤土對砂地層進行改良，開展不同工況下的渣土改良試驗。根據試驗結果，針對性提出建議措施。

關鍵詞：砂層；盾構施工；渣土改良；優化

0" "引言

作為不穩定軟弱地層中的一種，砂粒土層有較小的粘聚力和較高的靈敏度。當盾構刀盤在對土體進行切削時容易出現較大擾動，導致原有地層相對穩定的狀態受到破壞，使得開挖面失去穩定性，嚴重的可能引發地表塌陷等情況[1]。砂土流塑性較差，會導致盾構刀片在切削和輸送土體時的效果較差，在全斷面砂層掘進時難以控制開挖面土壓力，使得建立土壓平衡存在一定難度，容易引發噴涌等情況，對施工和地上建筑物安全造成一定影響[2]。因此，通過渣土改良改善盾構機在砂質地層的施工狀況非常必要。

1" "渣土改良試驗內容

從現有研究可以知道，在對砂性土改良中，通過添加泡沫劑的方式，可使砂性土滲透系數和抗剪強度有所降低，通過添加膨潤土的方式，則可使砂性土保水性和流動性等有所提高。基于此，本文希望通過試驗的方式，確定類似項目的膨潤土和改良劑參數[3]。

試驗內容如下：采集現場級配參數不同的砂土，并進行試驗用砂土的配置；對改良前后的各類砂土粘聚力和內摩擦角強度指標進行測定；對改良前后的配置砂土滲透系數、坍落度進行測試；對膨潤土泥漿稠度和比重進行測定。

2" "渣土改良試驗方案

基于試驗目的、砂土種類和結構特性等設計如下試驗。

工況一：拌制膨潤土成濃度不同的泥漿。測試各試驗組的黏度和比重，并繪制各關系曲線，以取得泥漿濃度和膨化時間的最佳值。

工況二：根據砂土級配曲線收集各材料，確定原始含水量和密度，并加水使其飽和后，再對抗剪強度指標進行測定。基于不同的體積比配置纖維素鈉和砂土，根據比例對砂土中纖維素鈉和泥漿用量進行計算。在充分進行攪拌之后，對各類土在改良后的物理參數進行測定，得出最佳比例的纖維素鈉和砂土。不同工況下的試驗組合如下：在工況1下，水土質量比分別為6：1、8：1、9：1、10：1、12：1、14：1；在工況1下，纖維素鈉與砂土體積比分別為1：8、1：9、1：10、1：12、1：14。

試驗步驟如下[4]：為確保膨潤土質量有所保障，需對進場材料參數做出嚴格控制，應對每一車進場材料進行檢測。在試驗室中配置比例不同的膨潤土。經調研和比選，決定使用2臺自動攪拌設備，并添加400m3的膨化池進行試驗，在拌和膨潤土至均勻之后，基于試驗要求應確保膨化時間在24h以上。

按照工程需要，改良后的砂層應呈現出流塑狀的渣樣。針對該種情況，決定使用坍落度法結合經驗法進行測定。根據塌落度法可以知道，渣樣在坍落度（120±20）mm時有較好的改良效果。而通過經驗法可知，在滿足用手握渣樣時，指縫中有渣樣流出，且用手掂砂時，可將砂掂起來而又不至于全部流出手掌時，其具有較好的改良效果[5]。所配備渣土改良漿液的配合比如表1和表2所示。

經過和專家組的溝通之后，為更加便于操作，決定只使用1：9和1：6兩組膨潤土開展試驗。在1：9的比例適合在小于16%土體含水率的工況中使用，1：6的比例適合在大于16%土體含水率的工況中使用。根據現場條件適當添加纖維素鈉，以使黏度有所增長。

3" "渣土改良試驗結果分析

所依托項目處于黃土層和全斷面砂層，因其砂層的粘聚力為0，且有較好的滲透性和較高的標準貫入值，導致在全斷面砂層中使用盾構掘進時，刀盤和刀具均有較大的磨損，且難以建立土倉壓力。借鑒現有施工經驗，結合業內專家的意見，決定通過膨潤土改良砂層地質。

3.1" " 渣土改良試驗方案

經24h以上的膨化之后，對膨潤土進行攪拌以使其黏度大于35s，并將其運輸至盾構機以儲存起來。同時在刀盤前方注入泡沫，以增大土體流動性，通過刀盤和攪拌棒充分混合泡沫、膨潤土以及土體，使土體粘聚力和流動性有所增強。為使切土量和出土量平衡，確保開挖面保持平穩，需適當調整螺旋機閘門開合度和轉速。為增強土體和易性，在砂層施工時，需在盾構機中注入配置好的漿液。

3.2" " 改良劑參數分析

基于現場條件，選擇膨潤土改良劑的注入量，得到左、右線膨潤土改良劑參數變化如圖1和圖2所示。從圖1、圖2可以看到：在膨潤土改良劑使用情況中，在左線地層中，中砂地層、中砂和粉細砂復合砂層、礫砂地層、中砂和礫砂復合砂層分別的使用量分別2.95m3、2.99m3、3m3、3.2m3；在右線地層中，粗砂地層的使用量為5m3，其他兩種地層的使用量均為3m3。將隧道下穿施工的各參數統計，統計結果如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可以看出，相比于右線，左線有更加平穩的參數控制效果，參考價值更高。

3.3" " 改良參數控制

綜合上述分析，確定該隧道施工時各項參數的控制如下：

控制左上部土艙壓力保持在0.075～0.090MPa范圍內。考慮土倉壓力在拼裝管片時會出現約0.03MPa的損失，因此在推進一環直到快結束時應該以0.1MPa作為土倉壓力的控制值，以避免失壓導致土倉壓力過低。

盾構在下穿輔橋時保持1500t的推力和0.083MPa的平均土壓；在下穿涵洞時保持1773t的推力和0.075 MPa的平均土壓；在下穿輔道時保持1850t的推力和0.075MPa的平均土壓。以0.65%～1.5%控制泡沫劑百分比，以1：8～1：11控制發泡率，以35L/環的數值控制泡沫原液。

盾構刀盤直徑為6287mm，理論建筑空隙為4.16m3。以每環1.43～1.69倍理論空隙作為管片空隙的實際壓注量，即以6～7m3作為每環同步注漿量，每環注漿量必須在6m3以上。使用4h初凝漿液作為同步注漿液，單位體積的材料質量如下：膨潤土60kg，水泥185kg，粉煤灰230kg，砂860kg，水40kg。注漿壓力為0.03～0.05MPa。

4" "砂性地層掘進控制措施

隧道需在中砂和粗砂地層中施工。砂層缺乏穩定性和均勻性，施工時容易出現地面變形和難以調整控制盾構姿態的情況。砂性土具有較好的滲透性，在土倉壓力作用下容易排除水分而提高土體強度，并使推進摩阻力有所增強，導致盾構機刀盤扭矩和總推力下降。砂層土有較高的密實度，盾構刀盤容易出現較大磨損[7]。因此，需結合砂層特性確定盾構機的類型，再通過對應的施工措施相輔助，以確保盾構施工的安全性。

4.1" " "盾構掘進建議措施

4.1.1" "優化施工參數

為對隧道的施工穩定性進行控制，需按以下要求調整相關的施工參數：一是控制土壓力。提高土倉壓力，以降低后期沉降量。二是控制掘進速度。當盾構機穿越粉砂等密實地層時，刀盤扭矩和推力將會有所增大，應將盾構掘進的速度控制在25～35mm/min。三是盾構糾偏量的控制。在確保連續施工的前提下適量變化盾構姿態，基于緩糾和勤糾的原則糾偏盾構姿態。四是控制同步注漿量。在粉砂等土層施工時，應使同步注漿量大于土層，施工時應使注漿量適當提高，并基于監測情況作出適當調整。五是壓注盾尾油脂控制。當盾構機穿越粉砂土層時，盾尾容易出現漏水或漏砂等現象，此時應及時對盾尾油脂壓注量進行嚴格控制。

4.1.2" "合理使用渣土改良劑

采用泡沫劑壓注和添加膨潤土改良的方式，可使土的流塑性有所提高。為使盾構得以順利掘進砂層，項目決定設置200m3的膨潤土發酵池，根據施工情況適當加入膨潤土發酵液，以使土倉壓力穩定。為確保掌子面土體的穩定性，在將渣土改良劑注入時還需控制排土和地表沉降。因為砂性土滲透系數較大，孔隙水壓變化率較快，土體可在較短時間內疏干，因此需對千斤頂伸縮速度進行調整，使兩者相互配合，以確保盾構機保持良好的推進速度。

4.2" nbsp; 優化同步注漿和二次補壓漿

在掘進時，應使足夠的漿液材料充填入管片背面空隙處，并同步進行注漿，以使地面沉降有所減小。凝固后漿液約有1.4%的體積縮小和一定體積的流失，會使管片背面出現空腔，對地層穩定較為不利，因此應及時填充空腔，以控制地面下沉。

隧道成形后，若漿液凝固或同步注漿不足，管片背面會產生空腔。富水地帶常會有地下水匯集，并出現水囊，對此應及時加固管片止水條，以避免該位置出現滲水現象。再使用二次注漿對空隙進行完全填充，使水囊得到消除。二次注漿可以使盾構穿越粉砂土時因漿液干縮導致的地表沉降有所減小。

一般將雙液漿作為二次注漿漿液，具體配合比如下：對于水泥漿液，水泥和水的質量比為1：1.3；對于水玻璃液，水玻璃和水的體積比為1：1。水泥漿液和水玻璃液的比值為1：1，以35s作為初凝時間。一般在管片脫出盾尾5環時開始進行二次注漿，下穿各建筑物時應按照高出同步注漿0.05MPa的要求進行二次注漿，并結合隧道埋深和地下水壓等因素綜合考慮，確保設定準確無誤。

5" "結語

盾構在全斷面砂層中掘進時，因為砂層不具有粘聚力，且有較好的滲透性和較高的標準貫入值，使得盾構機刀盤在掘進過程中出現較大磨損，難以建立土倉壓力。若不對渣土進行改良，將會出現地面沉降等情況。

本文結合現有研究和施工經驗，通過采用膨潤土對砂地層進行改良，開展不同工況下的渣土改良試驗，得到以下成果：16%的砂樣含水率適合使用1：9的膨潤土，20%的砂樣含水率適合使用1：6的膨潤土，具體施工時應以該配比配置渣土改良劑。可以結合現場條件適當添加“纖維素鈉”，以使渣土黏度有所提高。

參考文獻

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[2] 魏綱，周洋，魏新江.土壓平衡盾構掘進參數對地面隆起影響的研究[J].地下空間與工程學報，2012，8（S2）：1703-1709.

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[4] 何川，汪洋，等.土壓平衡式盾構掘進過程的相似模型試驗[J].土木工程學報，2012，45（2）：162-169.

[5] 江英超，何川，等.砂土地層盾構隧道施工對地層擾動的室內掘進試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（12）：2550-2559.

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