富水砂層掘進中的渣土改良及噴涌控制技術(shù)

1、富水砂層掘進中的渣土改良及噴涌控制技術(shù)哈爾濱地鐵項目部劉華【摘要】在富水砂層中選擇土壓平衡盾構(gòu)機掘進施工，對渣土改良和噴涌控制有更高要求和難度，哈爾濱地鐵【南直路站哈東站站】區(qū)間地質(zhì)構(gòu)造為典型的富水砂層，本文結(jié)合哈爾濱地鐵工程采用土壓平衡盾構(gòu)施工的成功案例，論述土壓平衡盾構(gòu)機在富水砂層掘進中的渣土改良及噴涌控制技術(shù)?！娟P(guān)鍵詞】土壓平衡盾構(gòu)機富水砂層渣土改良噴涌控制引言土壓平衡盾構(gòu)機穿越富水砂層具有較大的風險，由于砂層自身的不穩(wěn)定性及土倉內(nèi)砂質(zhì)渣土易離析沉淀，極易造成盾構(gòu)機前方地表塌方及構(gòu)筑物開裂損壞，因此在富水砂層中掘進對渣土改良效果要求極高，只有渣土改良效果理想，才能在土倉內(nèi)實現(xiàn)土壓的動態(tài)平

2、衡，避免噴涌現(xiàn)象發(fā)生，從而降低對前方土體的擾動。1工程概況哈爾濱地鐵【南直路站哈東站站】區(qū)間全長514.943米，根據(jù)地質(zhì)勘察報告和車站主體開挖情況，本工程盾構(gòu)區(qū)間場地范圍內(nèi)主要為第四紀全新統(tǒng)堆積層，地處河谷漫灘及波狀沖擊平原，地層巖性為粉質(zhì)粘土、砂類土，隧道開挖的地層主要為中砂層，部分區(qū)段含少量粗砂層和粉細砂層，地下水穩(wěn)定水位為自然地面下2.5m,含水量較大，達到15%有的地段可達30%區(qū)間隧道埋深在974nl2盾構(gòu)機具有的渣土改良設(shè)備哈爾濱地鐵九標段使用的盾構(gòu)機為維爾特產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)機，渣土改良劑由泵送設(shè)備通過中心回轉(zhuǎn)軸連接刀盤注入到刀盤前方，刀盤輻條上均勻分布4個注射孔，兩個為膨潤土注射

3、管道，另外兩個為高分子聚合物注射管道。本標段項目工程主要采用膨潤土漿液和高分子聚合物配合使用作為渣土改良劑。2.1膨潤土系統(tǒng)整個膨潤土系統(tǒng)分為兩部分，一部分為拌合系統(tǒng)，一部分為注入系統(tǒng)。拌合系統(tǒng)在地面，主要進行膨潤土漿液的拌合與發(fā)酵存儲，拌合發(fā)酵完成后通過管道泵送到盾構(gòu)機的膨潤土存儲罐里。盾構(gòu)機膨潤土注入系統(tǒng)不屬于維爾特原裝配置，是為了滿足哈爾濱地鐵施工而專門增設(shè)的系統(tǒng)，注入系統(tǒng)所有構(gòu)件都是后期添置，主要由存儲罐、注入泵、變頻器及管道組成。存儲罐體積4.5m,另配有兩組攪拌軸；注入泵為鄭州瑞申產(chǎn)軟管擠壓泵，型號為RH65-770,最大排量13500L/h,額定壓力1.2MPa,介質(zhì)最大顆粒8m

4、m電機功率11KVV由現(xiàn)場使用情況看，此泵完全滿足膨潤土注入要求。另外配置變頻器以便根據(jù)渣土改良效果和掘進速度及時調(diào)整擠壓泵轉(zhuǎn)速從而改變膨潤土注入量。2.2 高分子聚合物注入系統(tǒng)高分子聚合物注入系統(tǒng)由高分子聚合物拌合箱、注入泵、變頻器及管道組成。拌合箱體積3,，另配兩組攪拌軸；注入泵為多級螺桿泵，輸出額定壓力1.2MPa,電機功率為7.5KW,另外配置變頻器以便根據(jù)出渣情況和噴涌情況及時調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速從而改變高分子聚合物注入量。2.3 刀盤輻條上的渣土改良劑注射管道分布渣土改良的重點在于改良劑與渣土能拌和均勻，改良劑從刀盤前方面板上注射尤為重要。掘進過程中刀盤低速切削掌子面，與此同時改良劑同步

5、注射到掌子面上，這樣切削下來的渣土與改良劑混合的面積達到極值的概率最大。擠壓到土倉里的渣土已夾雜大量的改良劑，再通過刀盤的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)帶動攪拌土倉內(nèi)渣土，使改良劑與渣土進一步混合。富水砂層中渣土改良工藝復(fù)雜，要膨潤土漿液與高分子聚合物合理搭配使用，如何利用好刀盤前側(cè)僅有的4根注射管道非常重要。首先要考慮兩種改良劑間隔分布，其次考慮改良劑注射到掌子面上要內(nèi)外兼顧。管道分布情況見下圖：刀盤前側(cè)改良劑注射口分布圖四個注射口到刀盤中心的距離都不相同，就是說在刀盤旋轉(zhuǎn)時4根管道的注射軌跡不會重合，這樣既能保證改良劑注射均勻，又能將膨潤土漿液與高分子聚合物之間的相互影響降到最低。另外，根據(jù)地層變化，高分子聚合

6、物注射管道可以隨時改為泡沫注射管道，在黏土含量高的地層亦能保證正常掘進。3渣土改良(1) 富水砂層掘進中渣土改良需要解決的問題富水砂層掘進中渣土改良是整個施工過程中的難點和重點，渣土改良到位，才能保證盾構(gòu)施工安全、順利、快速。富水砂層掘進中渣土改良需要解決如下問題：00000 提高土倉內(nèi)渣土的抗?jié)B透能力，避免掌子面因排水固結(jié)而造成較大的地表沉降或坍塌事故發(fā)生。11111 降低土倉內(nèi)渣土以及掌子面土體的內(nèi)摩擦角，減少渣土對刀盤刀具的磨損，降低刀盤扭矩。22222 提高土倉內(nèi)渣土的可塑性，防止渣土粘附在刀盤上結(jié)成泥餅。33333 由于砂層密水性差，掘進停機后，土倉內(nèi)砂土易離析、沉淀、密實，使刀盤再

7、次啟動時扭矩大，啟動困難，對盾構(gòu)機設(shè)備損害大。44444 采用土壓平衡模式掘進時會因渣土密水性差而產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象。55555 渣土和易性差，螺旋機出渣不暢，導(dǎo)致掘進速度慢，掘進參數(shù)不易控制。(1) 渣土改良劑根據(jù)富水砂層掘進中渣土改良所面臨的問題，在哈爾3II地鐵9標段的盾構(gòu)施工中，采用了天然鈉基膨潤土漿液和高分子聚合物作為渣土改良劑，渣土改良效果非常理想。1.4 膨潤土漿液膨潤土在水介質(zhì)中能分散呈膠體懸浮液，這種懸浮液具有一定的粘帶性、觸變性和潤滑性，它和水、泥、砂等細瑣屑物質(zhì)的摻合物有可塑性和粘結(jié)性。膨潤土在水化時，鈉離子連接各層薄片，同時擠占與之接觸的土顆粒之間的間隙，積聚于土壤與泥水的接

8、觸表面，形成不透水的可塑性膠體，從而形成泥膜。在富水砂層的盾構(gòu)機掘進中使用，可提高砂土的含泥量，補充土體的微細顆粒組分，使土體的內(nèi)摩擦角變小，增加開挖土體的流動性和不透水性，主要作用如下：降低土體的滲透系數(shù)，使其具有較好的止水性，以控制地下水流失?？捎行岣咄馏w的保水性，防止渣土離析、沉淀板結(jié)。使渣土具有較好的土壓平衡效果，利于穩(wěn)定開挖面，控制地表沉降。使土體具有較低的內(nèi)摩擦角，降低刀盤扭矩，減少對刀具和螺旋輸送機的磨損。使切削下來的渣土順利快速進入土倉，并利于螺旋輸送機順利排土，提高掘進速度。膨潤土漿液的水土比直接影響到渣土改良的效果，同時還要綜合考慮盾構(gòu)施工中渣土改良的成本和膨潤土漿液的泵

9、送性能。經(jīng)過大量試驗和施工生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，我們總結(jié)出了不同水土比漿液的一些基本性能：1)水土比為1:1的膨潤土漿液變成膏狀，不具備泵送性；2)水土比為5:4的膨潤土漿液較粘稠，可泵送；3)水土比為5:3的膨潤土漿液較稀，可泵送；4)對水土比為5:3的膨潤土漿液摻入0.1%的增稠劑(火堿)，可增加漿液粘稠度。5)向膨潤土漿液中摻加高分子材料，攪拌后膨潤土漿液變成膏狀體，使膨潤土漿液失去泵送性；不同水土比的膨潤土漿液樣本如下:水土比1:1水土比5:4水土比5:3,摻入0.5%。增稠劑水土比5:3水土比5:3;1.5%。高分子濃度、0.5%摻入量通過對掘進過程中各項參數(shù)及出渣效果研究發(fā)現(xiàn)，采用膨潤

10、土漿液進行渣土改良的效果有:1）渣土粘性、和易性明顯增大，但渣土也明顯變得更稀，對渣土的改良效果較差;2）相同的摻入量，水土比越大，渣土和易性越好，對渣土的稀釋作用越小。在富水砂層中掘進只采用膨潤土對渣土進行改良，能有效降低刀盤扭矩，但效果并不十分理想,雖改善了渣土的和易性，但卻增大了盾構(gòu)掘進時噴涌風險，不利于掘進參數(shù)的控制和掌子面的穩(wěn)定。表1膨潤土漿液配比與用量表材料配合比膨化時間（h）比重用量（nV環(huán)）鈉基膨潤土膨潤土水>61.081.1681-471.4 高分子聚合物哈爾濱地鐵九標段盾構(gòu)施工采用的高分子聚合物為兩性聚丙烯胺，具有較強的吸水膨脹能力并可增稠，還能起到潤滑效果。在富水砂

11、層中注入高分子聚合物材料是為提高渣土粘稠度，將渣土改良成塑性流動體，防止或減輕螺旋輸送機排土時產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象，并防止渣土粘結(jié)刀盤而產(chǎn)生泥餅。通過試驗和生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，在富水砂層中只用高分子聚合物作為改良劑可以有效增加渣土的密水性和粘稠度，但不足的是不能有效改變土體的內(nèi)摩擦角，渣土還是易沉淀離析，無法有效降低刀盤扭矩，只使用高分子聚合物改良效果并不理想。表2高分子聚合物配合比與用量表材料配合比用量(m/環(huán))高分子聚合物高分子聚合物水461410001.4 膨潤土漿液同高分子聚合物配合使用在富水砂層掘進中，若只使用膨潤土做渣土改良劑，會使土倉內(nèi)水土比變大，加大噴涌風險；只使用高分子聚合物渣土改良效果也

12、并不理想，高分子聚合物可以中和掉渣土中多余水分，但渣土易離析沉淀，渣土的可塑性始終不佳；在富水砂層中掘進，為達到理想的渣土改良效果，還需配合使用膨潤土漿液同高分子聚合物。在含水量30%勺中粗砂地層中掘進，平均土壓保持在1.2bar,采用水土比5:4的膨潤土漿液，濃度為2%。的高分子材料做渣土改良劑，通過不斷的嘗試摸索，得到以下規(guī)律：掘進速度24mm/min,膨潤土漿液注入速度90L/min,高分子聚合物不注入時，刀盤扭矩維持在3000knm3300knm,出渣連續(xù)性差，時稀時干，有坨狀渣土，渣土斗內(nèi)過段時間砂水分離，沉淀明顯，出土時渣土很難倒凈，可高達1/5渣土殘留斗中。掘進速度24mm/mi

13、n,膨潤土漿液注入速度120L/min,高分子聚合物無注入時，刀盤扭矩維持在2700knm3100knm,出渣連續(xù)性得到明顯改善，渣土較稀，偶爾有小規(guī)模噴涌。渣土斗內(nèi)過段時間砂水分離，有沉淀，出土時渣土難倒凈，渣土殘留量有所降低。掘進速度24mm/min,膨潤土漿液注入速度150L/min,高分子聚合物無注入時，刀盤扭矩維持在2500knm2800knm,出渣連續(xù)性較好，渣土很稀，小規(guī)模噴涌頻率增加，土壓波動范圍增加。渣土斗內(nèi)過段時間砂水分離，上層為膨潤土色水體，出土時渣土難倒凈，有局部殘留。掘進速度24mm/min,膨潤土漿液注入速度170L/min,高分子聚合物注入速度100L/min時，

14、刀盤扭矩維持在2400knm2700knm,出渣連續(xù)性較好，出渣均勻流暢，渣土流塑性明顯改善，噴涌現(xiàn)象基本消失，掘進參數(shù)穩(wěn)定。渣土斗內(nèi)過段時間無明顯砂水分離，出土時渣土易倒出，渣土殘留量很小。通過以上規(guī)律，總結(jié)經(jīng)驗如下：渣土改良以膨潤土漿液為主，高分子聚合物為輔。以掘進速度和刀盤扭矩為主要依據(jù)，適時調(diào)節(jié)膨潤土漿液注入量；以出渣稠度和噴涌頻率為依據(jù)，適時調(diào)整高分子聚合物注入量。膨潤土泥漿要達到良好的改良效果，應(yīng)達到以下要求：一是保證膨潤土材料的質(zhì)量；二是嚴格按照配合比拌制，并保證膨潤土膨化時間；三是每環(huán)注入量68吊，即注入體積為富水砂層總體積的15%-20%使砂層含泥量達到15艱上。高分子聚合物

15、材料的配合比和注入量應(yīng)根據(jù)螺旋機出渣的具體情況確定，若噴涌現(xiàn)象輕微，則減小高分子聚合物混合液濃度或注入量；反之則需提高高分子聚合物混合液濃度或(和)注入量。每環(huán)高分子混合液的注入體積一般為富水砂層總體積的6%-12%4噴涌控制噴涌原因分析在富水砂層中掘進，水含量大，土層穩(wěn)定性差，為防止地面沉降，都需土倉保壓推進。土倉壓力大，倉內(nèi)土體改良效果差，在倉內(nèi)形成泥漿，掘進時大量水進入土倉，在倉內(nèi)經(jīng)過攪拌就會形成水、渣離析的情況，當螺旋機排土時，大量的泥水將會從螺旋機噴涌而出。這種渣土和泥水無法通過皮帶機輸送，將大量流入隧道底部，而且由于螺旋機排土不暢，掘進速度會明顯降低，土壓難以控制，往往忽高忽低，進

16、一步擾動前方土體，形成惡性循環(huán)，大大影響了施工效率?？刂拼胧└凰皩又芯蜻M防噴涌控制措施渣土改良是防止噴涌的關(guān)鍵。通過渣土改良降低土倉內(nèi)水含量，渣土在膨潤土漿液和高分子聚合物的吸附和隔離作用下變得粘稠不易離析沉淀，不會砂水分離，螺旋機排土時便會均勻流暢。合理設(shè)置土壓力值。掘進過程中，根據(jù)螺旋機實際壓力、刀盤扭矩和千斤頂總推力及時調(diào)整設(shè)定土壓力，使土倉壓力略高于水壓，確保正面的土壓保持平衡，嚴格控制出土數(shù)量，防止超挖和欠挖。合理調(diào)整掘進參數(shù)。盾構(gòu)機操作人員主要通過對推力及出渣速度的控制，盡量維持土倉壓力的穩(wěn)定，降低噴涌風險。出渣門開度、螺旋機轉(zhuǎn)速適中，不宜過大，在噴涌來臨時，受出渣門流量影響，泥漿會在出渣口出積累而不會瞬間全噴，延長操作人員的反應(yīng)時間，以便采取措施降低噴涌風險。根據(jù)盾構(gòu)機推進的地質(zhì)預(yù)報及渣樣分析，了解前方地層情況，及時制定應(yīng)對方案，添加調(diào)整渣土改良