06渣土改良技術(shù)

1、砂卵石地層盾構(gòu)渣土改良技術(shù) 粟路好中鐵五局城通分公司沈陽地鐵二號線三標(biāo)項目部 摘 要： 在土壓平衡式盾構(gòu)施工過程中，開挖面支撐的土砂具有十分重要的作用，通過對開挖出渣土進(jìn)行改良，用以滿足施工要求。本文依托沈陽地鐵北崇區(qū)間盾構(gòu)施工，對砂卵石地層渣土改良技術(shù)加以總結(jié)，對之后類似工程提供經(jīng)驗。關(guān)鍵詞： 砂卵石 渣土改良 盾構(gòu)1 概述1.1 工程概況沈陽地鐵二號線第三合同段北崇區(qū)間單線全長為703.8m，盾構(gòu)通過地段主要為砂卵石地層，其中粘土（即粒徑0.075mm）約占18.1%,砂（即粒徑5mm,0.075mm）約占44.1%,礫卵石（即粒徑5mm）約占37.8%,隧道結(jié)構(gòu)底最大埋深22.7m；工文

2、區(qū)間單線全長為1302.7m，盾構(gòu)通過地段主要為砂卵石地層，其中粘土（即粒徑0.075mm）約占3.2%,砂（即粒徑5mm,0.075mm）約占56.7%,礫卵石（即粒徑5mm）約占30.1%,，隧道結(jié)構(gòu)底最大埋深31.66m。1.2 渣土改良在砂卵石地層施工中的重要性目前我國所應(yīng)用的盾構(gòu)機(jī)類型主要為土壓平衡式盾構(gòu)，其特點是用開挖出的土砂作為支撐開挖面穩(wěn)定的介質(zhì)，因此要求作為支撐介質(zhì)的土砂具有良好的塑性變形、軟稠度、內(nèi)摩擦角小及滲透率小。由于一般土壤不能完全滿足這些特性，所以要進(jìn)行改良，其技術(shù)要點是在刀盤前部和泥土倉中注入水、膨潤土泥漿、粘土、聚合物或泡沫等混合添加材料，經(jīng)強(qiáng)力攪拌，改善開挖的

3、土砂塑性、流動性，降低渣土的透水性。渣土改良系統(tǒng)已成為盾構(gòu)法施工的一個重要組成部分，對盾構(gòu)法隧道施工的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響?？v觀目前國內(nèi)各臺盾構(gòu)機(jī)的使用工況，不難發(fā)現(xiàn)土質(zhì)改良技術(shù)應(yīng)用的好壞，對降低工程造價、提高工程施工進(jìn)度都有著決定性的作用。1.3 渣土改良技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀盾構(gòu)法施工的主要機(jī)械就是盾構(gòu)機(jī)，有泥水盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu),土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)因其能較好地控制地面沉降，保護(hù)環(huán)境，適應(yīng)在市區(qū)和建筑密集區(qū)施工等優(yōu)點，在隧道施工中被廣泛應(yīng)用。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)能適應(yīng)多種環(huán)境和地層的要求, 可以在砂礫、砂、粉砂、粘土等地層中使用?？v觀國內(nèi)外，泥水盾構(gòu)主要以加水、加泥作為改良劑，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)所采用膨潤

4、土泥漿和泡沫作為改良劑。通過泡沫劑改良的渣土，泡沫自然消解后，渣土基本能恢復(fù)原狀；通過膨潤土泥漿改良的渣土，在某些發(fā)達(dá)國家被認(rèn)定為污染物，其處理價格昂貴，膨潤土泥漿注入法需用大型設(shè)備生產(chǎn)相當(dāng)數(shù)量的膨潤土泥漿，站用大面積場地。在日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家，用發(fā)泡劑取代膨潤土泥漿，尤其當(dāng)盾構(gòu)通過透水性較強(qiáng)的砂土、含有少量粘土、粉砂細(xì)屑的礫石層時，應(yīng)用發(fā)泡劑優(yōu)于應(yīng)用膨潤土泥漿。1.4 取得的主要研究成果本標(biāo)段北崇區(qū)間左線由“中鐵8號”盾構(gòu)施工,始發(fā)階段以發(fā)泡劑為渣土改良劑，由于刀盤和螺旋輸送機(jī)設(shè)計的缺陷，和渣土改良沒有做好，導(dǎo)致刀盤結(jié)泥餅，盾構(gòu)無法推進(jìn)，挖豎井開倉，通過改造刀盤和螺旋輸送機(jī)后，以膨潤土泥漿

5、和泡沫的混合添加材料為渣土改良劑，推進(jìn)速度明顯提高。但在施工過程中或在停機(jī)時不注意管路的清洗和疏通，造成泡沫和膨潤土注入系統(tǒng)有幾路堵塞，刀盤又結(jié)泥餅，后期一百多環(huán)的推進(jìn)速度緩慢，扭矩大。通過注入快速滲透劑消解部分泥餅勉強(qiáng)出洞。工文區(qū)間由“韶山1號”盾構(gòu)施工，發(fā)泡劑為渣土改良劑，掘進(jìn)過程中多次遇到水囊、噴涌、流砂地層，通過摸索和試驗，得出了合理、適用的聚合物改良渣土的配合比，注入高吸水聚合物，解決了螺旋機(jī)噴涌的問題。2 砂卵石地層渣土改良技術(shù)2.1 渣土改良劑的選擇 渣土改良劑的功能在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時，向開挖面、土倉等處加注改良添加劑，其具體功能如下：對于富含水砂層，一方面止水，另一方面可以改善砂的

6、和易性；在砂性土和砂礫土地層中，可以起到支撐作用而且可以改善土的流動性；在粘性土層，可以防止渣土附著刀盤和土倉室內(nèi)壁，另一方面，由于改良劑中的微細(xì)氣泡可以置換土顆粒中的孔隙水，因而可以達(dá)到止水效果。渣土改良劑的類型表1 渣土改良劑的種類膨潤土泡沫劑高吸水性樹脂（聚合物）增粘劑特性PH值7.510.0粘度：210PasPH值7.38.0粘度:0.0030.2 PasPH值7.510.0粘度：0.72.0 PasPH值7.510.0粘度：0.515 Pas適用范圍砂砂(卵)礫石地層粘土砂(卵)礫石地層固結(jié)粘土砂礫地層粗土粗砂地層特征制漿和輸送設(shè)備需較大的空間輸送和使用便捷，消泡后渣土能恢復(fù)原來狀態(tài)

7、在粘性軟土層有時會因粘土變硬而出現(xiàn)堵塞停止開挖時,有時會堵塞2.2 渣土改良方案 工程地質(zhì)情況根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及其現(xiàn)場勘察表明，北崇區(qū)間、工文區(qū)間的場地地基土主要由第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)粘性土、砂類土及礫石類土組成。地層自上而下分別是雜填土、粘土、礫砂、圓礫、礫砂、粘土、礫砂。盾構(gòu)通過地段主要為砂卵石地層。 盾構(gòu)機(jī)類型“韶山1號”盾構(gòu)是由德國海瑞克公司設(shè)計制造的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，刀盤處直徑6.28米，裝配有1臺康達(dá)特M4B型泡沫機(jī)泡沫注入系統(tǒng)和1套膨潤土注入系統(tǒng)。“中鐵8號”盾構(gòu)是由中鐵裝備制造有限公司設(shè)計制造的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，機(jī)型CTE6250，刀盤直徑6.28m，也裝配有1臺泡沫機(jī)泡沫注入

8、系統(tǒng)和1套膨潤土注入系統(tǒng)。 渣土改良劑的選擇（1）泡沫劑的應(yīng)用“韶山1號”盾構(gòu)機(jī)配備有泡沫注入系統(tǒng)，泡沫發(fā)生器自動運行, 4根獨立管路分別把泡沫注入不同位置, 一般以注入刀盤前部為主，管路上有一段是透明的,可供觀察。在泡沫發(fā)生器工作的過程中, 可以設(shè)定泡沫劑與水混合的比例, 在正常掘進(jìn)狀態(tài)下, 一般不需要對該值做過多的調(diào)整, 在許可的范圍內(nèi), 通常取值為3:100,只有在扭矩長時間過大，而單靠調(diào)整流量又難以降低扭矩或遇噴涌、流砂的情況下，才調(diào)整為8:100。泡沫注入系統(tǒng)有三種控制方式: 分別為自動、半自動及手動。在正常掘進(jìn)狀態(tài)下, 若使用自動狀態(tài), 泡沫的用量比較大。由于盾構(gòu)掘進(jìn)沿線土質(zhì)情況時

9、有變化, 而采用手動控制就可以節(jié)省泡沫的用量, 因此, 在掘進(jìn)過程中,一般要求盾構(gòu)駕駛員采取手動控制方式, 主要根據(jù)刀盤的扭矩, 千斤頂?shù)捻斄σ约俺鐾恋那闆r三項參數(shù)來調(diào)整泡沫注入系統(tǒng)的流量。當(dāng)觀察到出土的含水量過高時, 應(yīng)馬上適當(dāng)調(diào)整泡沫的注入量, 本工程在砂土地層中的泡沫用量為沈陽國產(chǎn)泡沫70100L/環(huán)(1.2m),進(jìn)口康達(dá)特泡沫5080 L/環(huán)(1.2m)。（2）高吸水聚合物的應(yīng)用在遇水囊、噴涌、流砂地層時，通過手動控制調(diào)整泡沫濃度至8:100，同時通過膨潤土注入系統(tǒng)往土倉內(nèi)注入聚合物對高含水量的渣土進(jìn)行改良。加大泡沫混合液濃度是為了提高發(fā)泡倍率，發(fā)泡倍率越高半衰期越長，穩(wěn)定性越好，樣能

10、更好的填充砂土間的孔隙，起到止水的作用。往土倉內(nèi)注入聚合物可吸收一定量的水分，使渣土流動性降低，防止螺旋輸送機(jī)噴水，不過聚合物的注入量及聚合物與水的混合比例必須通過試驗確定。工文區(qū)間在掘進(jìn)過程中多次遇到水囊、噴涌、流砂地層，通過摸索和試驗，得出了合理、適用的聚合物改良渣土的配合比。渣土是噴涌時從螺旋輸送機(jī)開口處取出土樣，聚合物是北京合東雙產(chǎn)的高吸水性樹脂聚合物，經(jīng)試驗，得出的配合比如表2。 表2 聚合物改良劑配合比聚合物(kg)水（L）渣土（m3）0.961201聚合物先與水拌合，拌合均勻后通過膨潤土注入系統(tǒng)注入土倉，拌合過程中先在膨潤土儲存罐中加好水，再按比例通過人工均勻的撒入聚合物，充分?jǐn)?/p>

11、拌，使其快速溶解，防止聚合物結(jié)成團(tuán)或粘結(jié)在儲存罐壁上。通過聚合物混合液的的注入使流態(tài)的渣土到達(dá)理想狀態(tài)（坍落度160200mm,不離析，不泌水），解決了螺旋機(jī)噴涌的問題，圖1為室內(nèi)試驗配比調(diào)試情況。圖1 試驗人員室內(nèi)調(diào)配聚合物改良劑配合比（3）施工中遇到的問題及渣土改良措施右線掘進(jìn)比較順利，遇到水囊、噴涌、流砂時通過上述的注高吸水性樹脂聚合物解決。在出洞前的60多環(huán)，由于井點降水的緣故，地層中含水量低，出土坍落度在70mm以下，渣土干燥，盾構(gòu)機(jī)推力、扭矩大，只是調(diào)整了泡沫劑的注入?yún)?shù)，改良效果沒有明顯改善。左線掘進(jìn)時，盾構(gòu)密封不好，一直漏漿、漏泡沫，在最后100多環(huán)推進(jìn)困難（無水地層），多次出

12、現(xiàn)地面塌陷。嘗試過注入快速滲透劑消解刀盤泥餅，注入膨潤土漿和泡沫混合添加劑，沒起到明顯效果，在第978環(huán)時挖豎井開倉對刀具進(jìn)行了修復(fù)，對嚴(yán)重磨損的刀片進(jìn)行了更換，對刀盤上的泥餅進(jìn)行了清理。再次推進(jìn)時，刀盤前方注泡沫劑，土倉注膨潤土漿，推了十多環(huán)，推進(jìn)參數(shù)基本正常，推力稍大，渣土坍落度140mm，偏小，沒有多出土。膨潤土的漿液配比為：膨潤土：水：纖維素=100:1000:8。十多環(huán)過后又出現(xiàn)推力大、扭矩大，推進(jìn)速度慢，多出土，造成地面下沉的現(xiàn)象。最后80環(huán)采用刀盤前注泡沫劑和土倉注水解決問題。泡沫濃度4%，每環(huán)泡沫（原液）注入量70-90L,水注入量4-6m3。（4）膨潤土漿和泡沫混合添加劑在北

13、崇區(qū)間的應(yīng)用“中鐵8號”在北崇區(qū)間左線盾構(gòu)施工中，始發(fā)時參照工文區(qū)間的掘進(jìn)模式，以發(fā)泡劑為渣土改良劑，泡沫分三道管路注入刀盤前方。由于刀盤和螺旋輸送機(jī)設(shè)計的缺陷，加之始發(fā)段是無水地層，粘土含量占到18.1%，掘進(jìn)速度慢，推力和扭矩大，出土困難，判斷為刀盤結(jié)泥餅。盾構(gòu)推進(jìn)到第47環(huán)時，挖豎井開倉，清除泥餅，對刀盤和螺旋輸送機(jī)進(jìn)行了改造。從豎井取原狀土，通過試驗觀察膨潤土泥漿和泡沫的混合添加材料對渣土改良效果比較好，決定以同時注膨潤土泥漿和泡沫作為渣土改良劑，為此，特增加,一套膨潤土膨化系統(tǒng)裝置，如圖2，包括攪拌罐、輸送泵、膨化池、輸送管路和三通。圖2 膨潤土膨化系統(tǒng)流程圖地面上設(shè)一膨潤土攪拌罐容

14、量為1000L, 功率16kw,最高轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/小時,一次攪拌0.8m3，如圖3。在768ml處刻一刻度，做明顯標(biāo)記，攪拌前先加水至768ml刻度位置，然后加入2袋膨潤土，高速攪拌5-8分鐘，拌好后通過輸送泵（功率4kw,流量10m3/h）泵入膨化池。在車站的中板上設(shè)置了兩個膨化池，如圖4。每個池容積為50m3,地面拌好的膨潤土漿液泵入1#膨化池，直至池滿，待膨化8小時后方可使用。在使用1#膨化池內(nèi)的膨潤土漿液時，地面攪拌好的膨潤土漿液泵入2#膨化池膨化，將兩個膨化池通過三通閥完全隔離，交替使用，保證膨潤土漿液有一定的膨化時間。中板上每一工作臺班設(shè)有1臺輸送泵（泥漿泵，功率28kw,流量30

15、m3/h）、1專人負(fù)責(zé)放漿，在接到盾構(gòu)操作室的指令后，打開三通閥、輸送泵, 膨潤土漿液通過輸送泵、輸送管道泵入盾構(gòu)機(jī)上的儲存罐。 圖3 地面膨潤土攪拌罐 圖4 中板上的兩個膨化池原三道泡沫管路不變，分別向刀盤前方注入泡沫，膨潤土注入系統(tǒng)有兩路管道，每一路管道分別通土倉和刀盤。膨潤土漿的施工配比為：膨潤土：水=80kg(2袋):768kg。再次始發(fā)時，三道泡沫管路往刀盤注泡沫，兩道膨潤土管路往刀盤注膨潤土漿，在無水地段，泡沫濃度為3%，每環(huán)注3050L，膨潤土漿6m3；在有水地段，泡沫濃度為5%，每環(huán)注4060L，膨潤土漿4m3。推進(jìn)速度明顯提高，出土順暢，渣土和易性較好，坍落度為190mm。但

16、在施工過程中或在停機(jī)時不注意管路的清洗和疏通，在掘進(jìn)到400多環(huán)時造成一道泡沫管路和兩道膨潤土管路堵塞，造成后來刀盤再結(jié)泥餅，后期一百多環(huán)的推力和扭矩大，速度緩慢，只要推進(jìn)速度小于20mm/min就會超挖，而導(dǎo)致地面坍塌。管路堵塞后，也試著打通這幾道管路，但沒有成功，后期只能以剩余兩道泡沫管路往刀盤注泡沫，兩道膨潤土管路往土倉注膨潤土漿，渣土改良的效果不佳，刀盤扭矩、推力明顯增大。后來通過注入快速滲透劑（圖5為快速滲透劑室內(nèi)試驗）浸泡刀盤和土倉消解部分泥餅，又能勉強(qiáng)推進(jìn)3040環(huán)，然后再停機(jī)打快速滲透劑浸泡，再推進(jìn)，最后勉強(qiáng)能出洞。圖6為盾構(gòu)出洞時刀盤結(jié)泥餅的狀況。圖5 快速滲透劑室內(nèi)試驗圖6

17、 盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅3 效果驗證通過工程實例，總結(jié)出：工文區(qū)間正常掘進(jìn)時，使用泡沫劑改良渣土，盾構(gòu)總推力在900013000KN，3070mm/min，扭矩140180KNm，刀盤中心土壓1.42.2Bar，每環(huán)泡沫用量5080 L，出土坍落度140180mm。北崇區(qū)間正常掘進(jìn)時，盾構(gòu)總推力在1400018000KN，3050mm/min，扭矩170230KNm，刀盤中心土壓0.81.2Bar，有水地段，每環(huán)泡沫用量4060L，膨潤土漿4m3，無水地段，每環(huán)泡沫用量3050L，膨潤土漿6m3，出土坍落度160210mm。圖7為盾構(gòu)排出渣土情況。 圖 7 盾構(gòu)排出渣土情況4 經(jīng)濟(jì)評價就經(jīng)濟(jì)成本而言，

18、膨潤土改良要優(yōu)于泡沫劑改良。表3為兩個盾構(gòu)區(qū)間正常掘進(jìn)時渣土改良費用對照表，按70 L/環(huán)(1.2m)計算，泡沫改良的成本為940元/環(huán)，遠(yuǎn)高于膨潤土改良成本。5 結(jié)論及建議5.1 結(jié)論(1)盾構(gòu)在全斷面無水砂卵石地層中掘進(jìn)施工，采用泡沫、膨潤土泥漿復(fù)合添加技術(shù)，能有效改善土體塑流性。表3 渣土改良費用對照表項目/每環(huán)工文區(qū)間北崇區(qū)間用量費用用量費用泡沫劑70 L840元45L360元膨潤土00450kg166元纖維素003.6 kg21元鋼管001.2m16元其他(膨化池)00共2個折合每環(huán)30元水電費120元240元人工費180元180元每環(huán)總計940元713元 (2)高水壓砂卵石地層中掘進(jìn)施工，采用泡沫改良土體效果良好，不過要加