膨潤(rùn)土在地鐵盾構(gòu)施工中的應(yīng)用

1、以鄭州地鐵一號(hào)線05標(biāo)會(huì)展中心站？黃河?xùn)|路區(qū)間隧道為例，介紹了膨潤(rùn)土漿液的性能及其在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用1工程概況鄭州地鐵一號(hào)線05標(biāo)會(huì)展中心站？黃河?xùn)|路站區(qū)間大體呈反“S”形，區(qū)間線路從會(huì)展中心站東端頭出發(fā)，下穿會(huì)展中心立交匝道后繼續(xù)行進(jìn)，在下穿熊兒河后，于軍事管理區(qū)西南角轉(zhuǎn)向東，沿金水路到達(dá)黃河?xùn)|路站。線路右線全長(zhǎng)2094.200m(右DK25+261.700?右DK27+355.900)，左線全長(zhǎng)2094.200m(左DK25+261.700?左DK27+355.900)。本段線路左線設(shè)二條平曲線，曲線半徑分別為350m、400m;右線設(shè)兩條平曲線，曲線半 TOC o 1-5 h z 徑分別

2、為350m、410m。區(qū)間覆土厚度為8.6?18m,區(qū)間最小坡度3.10%,最大坡度21.50%。區(qū)間隧道設(shè)一處泵房(與區(qū)間風(fēng)井合建)，聯(lián)絡(luò)通道二處?？趨^(qū)間所處地層主要為第(8)層：粉砂，淺灰色，飽和，中密？密實(shí)，顆粒級(jí)配一般，顆粒成分由石英、長(zhǎng)石、云母組成。局部夾灰色密實(shí)粉土。層厚0.90?3.80m,平均厚度2.43m,層底標(biāo)高67.95?72.08m,平均標(biāo)高70.21m,層底埋深18.00?22.50m,平均埋深20.18m;第(9)層：細(xì)砂，灰一褐黃色，飽和，中密一密實(shí)，偶見蝸牛殼碎片、二小姜石，顆粒級(jí)配一般，顆粒成分主要由石英、長(zhǎng)石組成，含少量暗色礦物。層厚8.50?14.30m,

3、平均厚度11.39m,層底標(biāo)高56.35?58.30m,平均標(biāo)高57.45m,層底埋深31.90?34.10m,平均埋深32.93m。2膨潤(rùn)土的使用研究會(huì)展中心站？黃河?xùn)|路站區(qū)間風(fēng)井始發(fā)后，地層主要以富水砂層為主，使用泡沫劑進(jìn)行改良土壤效果不明顯，推進(jìn)速度緩慢，出土溫度過(guò)高，刀盤扭矩經(jīng)常達(dá)到額定扭矩，開挖土艙壓力無(wú)法建立，超挖現(xiàn)象明顯，地面沉降較大，掘進(jìn)速度為5mm/min以內(nèi)，推進(jìn)一環(huán)的時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)到8個(gè)小時(shí)，推進(jìn)期間由于機(jī)器溫度過(guò)高會(huì)引起刀盤不停的跳閘，刀盤結(jié)泥餅的機(jī)率也大大的增加。3膨潤(rùn)土改良土體的機(jī)理研究3.1膨潤(rùn)土的組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要成分的非金屬粘土類礦物，蒙脫石含

4、量占到30%?80%。蒙脫石是含水的層狀鋁硅酸鹽，其晶體結(jié)構(gòu)由兩層硅氧四面體晶片中間夾一層鋁氫氧八面體晶片組成，屬2:1型層狀硅酸鹽礦物。其理論化學(xué)式為Nax(H20)4A12A1xSi4-x010(OH)2,八面體中存在的陽(yáng)離子數(shù)為2,四面體中存在的陽(yáng)離子數(shù)為4。一般硅氧四面體和鋁氫氧八面體中存在如Fe2、Fe3+、Mg2+、A13+等陽(yáng)離子的同象置換，當(dāng)置換陽(yáng)離子為低價(jià)時(shí)，使結(jié)構(gòu)增加等當(dāng)量的負(fù)電荷，由層間吸附陽(yáng)離子補(bǔ)償。蒙脫石晶層之間陽(yáng)離子與晶體格架間形成電偶極子，加上蒙脫石晶層之間結(jié)合力較弱，能吸附極性水分子，根據(jù)陽(yáng)離子種類及相對(duì)濕度，層間能吸附一層或兩層水分子。另外，在蒙脫石晶粒表面也

5、吸附了一定的水分子，結(jié)構(gòu)水以0H基形式存在于晶格中。3.2膨潤(rùn)土的膨脹和滲透機(jī)理盾構(gòu)掘進(jìn)中所使用的膨潤(rùn)土是粘土的一種，主要成分蒙脫石其四面體中的硅可被鋁隨機(jī)置換，八面體中的鋁可被同價(jià)或低價(jià)離子如Ca2+、Na+、Mg2+等類質(zhì)同象置換，這種類質(zhì)同象置換過(guò)程使蒙脫石晶層面有過(guò)剩的負(fù)電荷，在層間產(chǎn)生靜電場(chǎng)，因此蒙脫石層間可吸附Ca2+、Na+、Mg2+等陽(yáng)離子和水(H30+)、氨(NH+4)等極性分子。正是蒙脫石這種特有的吸附功能使得膨潤(rùn)土具有很強(qiáng)的膨脹能力。膨潤(rùn)土一般分為鈉基和鈣基膨潤(rùn)土，在工程中多使用鈉基膨潤(rùn)土(本試驗(yàn)中也選用了鈉基膨潤(rùn)土)，具顆粒的單位晶層中存在極弱的鍵，鈉離子本身半徑小，離

6、子價(jià)低，水很容易進(jìn)入單位晶層問，引起晶格膨脹，顆粒的體積膨脹為原來(lái)顆粒體積的10?40倍，吸水后形成一道不透水的防滲層若再經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間,膨潤(rùn)土顆粒會(huì)變成膏脂狀,滲透系數(shù)可以降到1xi0-7m/s以下，幾乎不透水。從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，膨潤(rùn)土顆粒是粒徑小于21m的無(wú)機(jī)質(zhì)，主要結(jié)構(gòu)體系為SiAlsi,是由云母狀薄片堆壘而形成的單個(gè)顆粒。這些薄片層的上下表面帶負(fù)電，因而膨潤(rùn)土的構(gòu)成單位是互相排斥的。膨潤(rùn)土在水化時(shí)，水分子沿著Si-AlSi結(jié)構(gòu)單位的硅層表面被吸附，使得相鄰的結(jié)構(gòu)單位層之間的距離加大。鈉基膨潤(rùn)土單位結(jié)構(gòu)層問能吸附大量的水，層間距離大，膨脹率高，鈉離子連接各層薄片。膨潤(rùn)土水化后，形成不透水

7、的可塑性膠體，同時(shí)擠占與之接觸的土顆粒之間的孔隙，形成致密的不透水的防水層，從而達(dá)到防水的目的。膨潤(rùn)土由于具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能。土壓平衡式盾構(gòu)施工對(duì)加入的膨潤(rùn)土泥漿的一個(gè)基本要求就是它能夠形成濾餅”，可以形成于土粒內(nèi)部和土粒之間，由膠結(jié)和固結(jié)的膨潤(rùn)土組成。這個(gè)濾餅可以演變?yōu)橐粋€(gè)低滲透性的薄膜，從而可以將過(guò)量的地下水壓力中的液體壓力轉(zhuǎn)化為土顆粒和土顆粒之間的有效應(yīng)力，這對(duì)穩(wěn)定地層防止推進(jìn)中的地面塌陷至關(guān)重要。不同壓實(shí)密度的膨潤(rùn)土的主要差別在于其土體顆粒問孔隙的大小，當(dāng)密度大時(shí)，單位空間中的土體顆粒及吸附水層所占的體積就大，滲流液體通道就窄。由于膨潤(rùn)土的高吸濕膨脹性和

8、自封閉性，遇水時(shí)極度膨脹，其密度越大，膨脹倍數(shù)越大，同樣的滲流空間留給過(guò)流液體的通道就越窄，其滲流系數(shù)也就降低了。3.3適合使用膨潤(rùn)土改良的地層(1)細(xì)粒含量少的土體根據(jù)國(guó)內(nèi)外眾多的施工經(jīng)驗(yàn)，在土壓平衡式盾構(gòu)施工中，為了使開挖下來(lái)的渣土具有一定的流動(dòng)性和止水性，保證盾構(gòu)機(jī)的正常推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)壓力艙內(nèi)的土體必須保證一定含量的微細(xì)顆粒，有相關(guān)資料顯示這種微細(xì)顆粒的含量應(yīng)該在35%以上。所以膨潤(rùn)土泥漿適用于細(xì)料含量少的中粗砂土、砂礫土、卵石漂石地層等等，主要原因就在于膨潤(rùn)土泥漿能夠補(bǔ)充砂礫土中相對(duì)缺乏的微細(xì)粒含量，提高和易性、級(jí)配性，從而可以提高其止水性。(2)透水性高的土體膨潤(rùn)土泥漿這種添加材料適用

9、于高透水性的土體，這主要是因?yàn)樵谕杆暂^低的地層中，膨潤(rùn)土泥漿相對(duì)難以滲入土體并填充孔隙，滲入的距離短因此難以和土體廣范圍結(jié)合從而包裹土體顆粒。土體的低透水性最終導(dǎo)致土顆粒周圍的低滲透性的膨潤(rùn)土泥膜非常難以形會(huì)展中心站？黃河?xùn)|路站區(qū)間風(fēng)井始發(fā)后進(jìn)入全斷面砂層，砂層地質(zhì)細(xì)粒含量少，土體摩擦很大，透水性也很高。所以本工程是非常適合使用膨潤(rùn)土進(jìn)行土體改良。膨潤(rùn)土漿液的作用在會(huì)黃區(qū)間全斷面砂層中掘進(jìn)選擇膨潤(rùn)土作為渣土改良劑可提高砂土的含量，補(bǔ)充土體的微細(xì)粒組成成份，使土體的內(nèi)摩擦角變小，增加開挖土體的流動(dòng)性和不透水性，主要作用如下：(1)降低土體的滲透系數(shù)，使其具有良好的止水性，以控制地下水的流失。(

10、2)可有效的提高土體的保水性，防止渣土的離析、沉淀和板結(jié)。(3)使渣土具有較好土壓平衡效果，有利于開挖面，控制地表沉降。使土體有較低的內(nèi)摩擦角，降低刀盤扭矩，減少對(duì)刀盤和螺旋輸送機(jī)的磨損。(5)使切下來(lái)的渣土順利快速的進(jìn)入土艙，并利于螺旋機(jī)順利排土，提高掘進(jìn)速度。膨潤(rùn)土漿液使用配比研究膨潤(rùn)土漿液的配比研究通過(guò)對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)及出渣效果研究發(fā)現(xiàn)，采用膨潤(rùn)土漿液進(jìn)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(duì)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(duì)渣土的稀釋作用越小。在富水砂層中掘進(jìn)采用膨潤(rùn)土對(duì)渣土進(jìn)行改良，能有效降低刀盤扭矩，改善渣

11、土的和易性。膨潤(rùn)土漿液與渣土配比研究通過(guò)膨潤(rùn)土漿液與渣土的配比實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)施工如何使用膨潤(rùn)土漿液。按比例1:7配制出來(lái)的土樣為可塑狀、流動(dòng)性大；按比例1:9配制出來(lái)的土樣為可塑狀、有少許流動(dòng)性；按比例1:10,配制出來(lái)的土樣為可塑性、即不可流動(dòng)性又干土樣。由上述幾種配比可知，漿液與粉質(zhì)粘土較為合適的配比為1:9。止匕外，實(shí)驗(yàn)時(shí)還在膨潤(rùn)土漿液中加入少許泡沫劑，改良效果更好，盾構(gòu)每掘進(jìn)一環(huán)理論出土量為46m3,在中細(xì)砂掘進(jìn)一環(huán)使用膨潤(rùn)土漿液為11.5m3。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況每環(huán)使用膨潤(rùn)土漿液為6?8m3。4膨潤(rùn)土漿液在實(shí)際施工中的使用本工程使用的海瑞克盾構(gòu)機(jī)上配備了膨潤(rùn)土漿液注入系統(tǒng)，膨潤(rùn)土系統(tǒng)主要包

12、括：1個(gè)4m3的膨潤(rùn)土罐，1臺(tái)膨潤(rùn)土螺桿型注射泵，流量為10m3/h,分四條管路注入土艙內(nèi)，土艙內(nèi)設(shè)有四個(gè)出漿孔，能夠保證膨潤(rùn)土能夠均勻的注射到切削面。由于膨潤(rùn)土漿液用量較大，更簡(jiǎn)便快捷的使用膨潤(rùn)土漿液成為施工能夠順利開展的前提條件。首先在風(fēng)井處修砌一個(gè)容量約300m3的膨潤(rùn)土漿液池，由于膨潤(rùn)土漿液剛攪拌出來(lái)改良砂層土體不理想，放置24個(gè)小時(shí)后有更好的改善效果，所以將膨潤(rùn)土池平均分為兩部分，一部分為新漿調(diào)制池，另一部分為放置24小時(shí)后的漿液作為盾構(gòu)掘進(jìn)使用，膨潤(rùn)土漿液池容量可滿足24小時(shí)內(nèi)掘進(jìn)20環(huán)的施工需求。膨潤(rùn)土漿液池通過(guò)鍍鋅鋼管連接盾構(gòu)機(jī)備用管路,最后用膠皮管引入盾構(gòu)機(jī)上膨潤(rùn)土罐內(nèi)。地面

13、用22KW的泥漿泵進(jìn)行供給。盾構(gòu)機(jī)操作室內(nèi)配備電話與膨潤(rùn)土攪拌站直接相連接，保證地上地下的及時(shí)溝通,做到了信息化施工,使地面膨潤(rùn)土攪拌站能夠及時(shí)迅速的供給膨潤(rùn)土漿液，滿足了快速均勻連續(xù)的施工要求。5膨潤(rùn)土漿液實(shí)際使用的效果本工程在全斷面砂層中掘進(jìn)使用膨潤(rùn)土改良土體的措施解決了推進(jìn)速度緩慢,推進(jìn)一環(huán)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，刀盤扭矩偏大，超挖嚴(yán)重的現(xiàn)象。膨潤(rùn)土不僅可以有效改良砂層土體，防止超挖現(xiàn)象嚴(yán)重引起的地面過(guò)大的沉降，而且形成的“泥膜”也可以穩(wěn)固富水砂層的流動(dòng)性，減小發(fā)生噴涌的可能性，同時(shí)同步注漿也可以順利的注入，更進(jìn)一步減小了地面的沉降量。A在工期短，施工質(zhì)量要求高的前提下，全斷面高壓富水砂層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)使用膨潤(rùn)土