浅谈复合地层盾构施工渣土改良技术

赵太东 1 贺雄飞 2 王明胜 3

1， 3 中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610000

2 中铁隧道集团有限公司，河南 郑州 450000

摘要：盾构在上软下硬复合地层中施工掘进参数不易掌握，施工风险大，容易引起地表沉降甚至塌陷。本文以成都上部砂卵石下部中分化砂岩复合地层为工程实例，研究和分析在这一特殊的复合地层中的掘进施工技术，为类似工程施工提供指引和参考。

关键词：盾构；复合地层；渣土改良；流塑性；粘稠度；止水性

前言

城市地铁施工普遍采用盾构法，选用的盾构机主要是土压平衡式盾构和泥水平衡式盾构，盾构机主要适用于土体性质较均匀的地层中，如软土、砂层、砂卵石地层，成都地区盾构施工选用的盾构机为土压平衡式盾构，在成都地区盾构施工中常见的地层为泥岩地层、砂岩地层、富水砂卵石地层以及复合地层，本文以成都地铁某盾构区间盾构穿越上部为砂卵石、下部为砂岩的复合地层为依托，对该复合地层情况下的渣土改良进行进行研究，为后续类似工况下盾构掘进提供参考。

1 工程概况

成都某地铁盾构区间线路穿越上部为砂卵石、下部为砂岩的复合地层，上部砂卵石自稳性较差，下部砂岩强度较高，砂卵石地层为中密，一般卵石粒径30～150mm，最大粒径达360mm，砂类土和少量粘性土充填，充填物含量10%～20%。砂岩为砂状结构，泥质胶结，巨厚层状构造，节理裂隙较发育。岩芯呈柱状，饱和抗压强度值RC=10～15MPa，岩体完整性较好。

2 复合地层掘进施工问题

对于复合地层的掘进，选取什么样的掘进模式和渣土改良方法将决定施工的成败。在成都地区富水砂卵石地层中掘进以土压平衡模式为主，可略欠压施工，渣土改良以泡沫+膨润土为主^[1-2]；砂岩地层中掘进模式为敞开或半敞开模式，渣土改良以泡沫或水。在刀盘刀具配置适应性上面，根据砂卵石和砂岩的高磨耗性上，刀盘全盘配置重型宽刃滚刀^[3]。由于成都地区砂卵石地层的特点，盾构掘进中会形成自然塌落拱，有一定的自稳能力，但是滞后沉降效应明显^[4-5]。

在实际的施工中，由于地层特性不一的特点，考虑到减少地表沉降，盾构掘进采用土压平衡模式，渣土改良采用泡沫+水。通过对盾构出土情况的观察，泡沫+水的改良方式导致螺旋机排土不畅，砂卵石、刀盘切削下来的砂砾以及所注入的改良剂处于分离状态，渣土不具备任何的流塑性和粘稠度，土体内的地下水较大，在出土过程喷涌情况较明显，渣土改良剂的注入不具备任何的止水性。

由于保压掘进中出现地面冒泡沫及滞后沉降大等情况后，针对土压平衡模式掘进较难控制，而砂卵石地层可以欠压掘进的经验，改变原有掘进模式，采用半敞开模式，土仓内适当建压，上部土压控制在0.6-0.8bar。在欠压掘进中，发现盾构掘进速度依旧缓慢，并且盾构掘进中出土量不受控制，每环掘进中出渣量异常情况严重，每环盾构掘进都超方10方以上，造成地面在盾体中盾位置时，地面出现塌方现象。

在第一段复合地层穿越中，由于渣土改良较差导致掘进缓慢及出渣异常等情况，分析为盾构刀具选择不适应地层，并且刀盘上可能出现泥饼现象，在开仓换刀以后发现，刀盘刀具磨损现象明显，中心滚刀偏磨，周边刀有不同程度磨损，刀盘面板前面中心区域结饼，部分刀箱开口结饼封堵。

通过第一阶段的施工经验看，单一的渣土改良方式不适用于上部砂卵石、下部为砂岩的地层掘进，在该复合地层中掘进存在问题如下:

1）渣土改良较差，刀具磨损较大，施工速度较慢后容易造成对上部砂卵石地层的扰动，引起超方和沉降。

2）由于渣土改良较差导致掘进速度较慢，造成砂卵石和砂岩过多的破碎，极容易引起刀盘牛腿间和刀箱结饼。

3）单一的渣土改良剂，对渣土的改良效果较差，改良后的土体不具备改良后应有的流塑性、粘稠度和止水性。

4) 通过渣土改良降低土仓内渣土以及掌子面土体的内摩擦角减少渣土对刀盘刀具的磨损，降低刀盘扭矩。

5) 提高土仓内渣土的流塑性和粘稠度，提高排土效率，防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼。

6) 由于砂层密水性差，掘进停机后，土仓内砂土易离析、沉淀、密实，使刀盘再次启动时扭矩大，启动困难，对盾构机设备损害大，需要通过渣土改良提高掌子面的止水性，同时减少盾构掘进时的喷涌。

3、上部砂卵石下部砂岩盾构掘进渣土改良技术

根据第一段复合地层中掘进中出现的状况原因分析，在此复合地层掘进中，掘进施工异常困难，盾构掘进渣土改良必须采取有针对性的措施，保证盾构掘进顺利，地表沉降可控，采取以下渣土改良措施针对上部砂卵石下部中风化砂岩复合地层的掘进。

1）放弃单一渣土改良剂对渣土进行改良，采用膨润土+泡沫组合的渣土改良剂对渣土进行改良。

2）膨润土选择PH值：7.5～10.0，粘度为：2～10pa·s的纳基膨润土，膨润土需充分膨化18～24小时，泡沫选择PH值为7.3～8.0，粘度为：0.003～0.2Pa·s的分散型泡沫（品牌为巴斯夫）。

3）通过现场试验及膨润土拌制结果，考虑到泵送等因素最终选定膨润土拌制水灰比为13～15:1，拌制后膨润土浆液比重约为1.0～1.13，膨润土的使用根据地层情况加入，如岩层中含泥量较高，则以泡沫+水改良为主。

4）泡沫剂原液比例2%-3%，发泡率1:12～1:13，混合液流量300-350L/min。

通过对掘进过程中各项参数及出渣效果研究发现，采用膨润土浆液+泡沫进行渣土改良的效果有:

1）渣土黏性、流塑性性明显增大，对渣土的改良效果明显较单一改良剂的效果好。

2）盾构掘进推力、刀盘扭矩明显减小、掘进速度提高，地面沉降情况明显好转，止水性较好，盾构掘进过程中只出现过轻微喷涌，未出现严重喷涌。

采用泡沫为主，膨润土为辅的组合渣土改良剂进行渣土改良后，盾构掘进参数明显好转。

表1 不同改良剂情况下掘进参数对比

	单位	泡沫改良	泡沫+膨润土改良
上部土压	bar	控制较难，波动大	0.8-1.2
总推力	t	2000-2400	1200-1800
刀盘扭矩	Kn·m	5000-6000	3000-4000
掘进速度	mm/min	5-15	30-40

4、总结

1) 渣土改良以泡沫剂为主，膨润土为辅。以改良后渣土的流塑性、粘稠度和土仓内的止水性为主要依据，适时调节膨润土浆液注入量；以刀盘扭矩和螺旋机出渣情况为依据，适时调整泡沫剂掺量和注入量。

2）膨润土浆液要达到良好的改良效果，应达到以下要求: 一是保证膨润土材料的质量稳定；二是严格按照配合比拌制，并保证膨润土膨化时间达到要求，使膨润土充分膨化；三是对根据地层含泥量情况实时调整膨润土的注入量。

3）当发生轻微喷涌时，可通过控制螺旋输送机闸门的大小和严格控制排土量等措施，进行解决; 当发生严重喷涌时，提高膨润土浆液的水灰比为13:1，同时增加膨润土浆液注入量，可有效防止喷涌的发生。

参考文献

[1]魏康林.土压平衡盾构施工中泡沫和膨润土改良土体的微观机理分析[J].现代隧道技术,2007(01)

[2]马连丛.富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究[J].隧道建设,2010,30(04)

[3]王国义.成都富水砂卵石地层盾构设备配置探讨[J].现代隧道技术,2013,50(01)

[4]白永学. 富水砂卵石地层盾构施工诱发地层塌陷机理及对策研究[D].西南交通大学,2012.

[5]罗松,张浩然.成都富水砂卵石地层盾构施工滞后沉降防控措施探讨[J].隧道建设,2010,30(03)

[6]宁士亮.富水砂层盾构渣土改良技术[B].现代隧道技术,2007(01)

[7]盾构下穿河流富水砂卵石层综合施工技术[B]

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