地铁盾构渣土改良研究报告

盾构渣土改良研究报告北京地铁8号线天桥站~永定门外站目录1 渣土改良研究现状 (1)1.1 渣土改良的原因 (1)1.2 渣土改良的作用及目的 (4)1.2.1 渣土改良的作用 (4)1.2.2 渣土改良要达到的状态 (4)1.3 常用的土体改良剂 (5)1.3.1 界面活性材料类 (6)1.3.2 矿物类 (9)1.3.3 高分子类聚合物 (11)1.3.4 分散剂 (13)1.3.5 水 (13)1.3.6 不同渣土改良剂比较 (13)1.4 渣土改良剂添加部位 (14)2渣土改良应用实例 (15)2.1 无水砂卵石地层 (15)2.1.1 北京地铁4号线20标 (15)2.1.2 北京地铁10号线2期 (15)2.1.3 北京地铁10号线（莲花桥—六里桥） (15)2.1.4 北京地铁4号线（动物园站—双榆树站） (16)2.1.5 北京地铁5号线试验段 (17)2.1.6 北京地铁4号线角门北路站—北京南站 (17)2.1.7 北京地铁9号线丰台东大街站—丰台北路站 (18)2.1.8 北京地铁7号线达官营站—广安门内站区间 (18)2.1.9 无水砂卵石地层渣土改良应用小结 (18)2.2 富水砂卵石地层 (19)2.2.1 北京地铁九号线六标 (19)2.2.2 成都地铁一号线 (19)2.2.3 长沙地铁2号线（体育公园—长沙大道） (20)2.2.4 富水砂卵石地层渣土改良应用小结 (21)2.3 粉质黏土、粉土层 (21)2.4 全断面砂层 (21)2.4.1 西安地铁一号线二标 (21)2.4.2 哈尔滨地铁一号线（程哈东站—南直路站） (22)2.4.3 广州地铁3号线（珠江新城站—客村站） (22)3 不同地层渣土改良剂选用 (24)3.1 软土地层 (24)3.2 砂卵石地层 (24)3.3 砂性土地层 (25)3.4 硬岩地层 (26)3.5 富水地层 (26)3.6 总结 (26)4 北京地铁八号线三期05标渣土改良 (28)4.1 工程概况 (28)4.2 工程地质和水文地质概况 (28)4.2.1工程地质 (28)4.2.2 水文地质 (31)4.2.3 纵断面工程地质和水文地质情况 (32)4.3 改良对象和添加剂的确定 (32)4.4 渣土改良试验内容 (32)4.4.1 室内试验 (32)4.4.2 现场试验 (33)4.4.3 试验方案 (33)4.5 本标段渣土改良总结 (35)1渣土改良研究现状1.1 渣土改良的原因渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向刀盘面，土舱内或螺旋输送机内注入水、泡沫、膨润土、高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土舱搅拌装置或者螺旋输送机选择搅拌使添加剂与土渣混合，使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力。

进行渣土改良的原因：1）土压平衡式盾构的基本原理通过电机驱动主轴带动刀盘旋转，在刀盘旋转的同时，安装在刀盘面上的切削刀具切入土中并将土体切割撕裂；刀盘切削的渣土通过刀盘上的开口部分挤压进入并填满土舱，土舱内的渣土在土舱壁的加压作用下与刀盘前方的水土压力保持平衡，使得开挖面保持稳定状态；同时，利用螺旋输送机将土舱内的部分渣土排出，并使得排出土量与盾构掘削土量维持平衡。

2）土压平衡盾构渣土的作用及性状土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为渣土。

土压平衡式盾构施工中开挖出来的土体充满刀盘和隔板之间的压力仓，一方面开挖土作为支撑开挖面稳定的介质，其土性对开挖面的稳定起着决定性的作用。

另一方面，它有源源不断地由螺旋输送机向外排出，它的土性好坏直接影响着出土的顺利与否。

为维持土舱内土压力的稳定和方便渣土的排出，土舱内的渣土应该具有可塑性强、流动性好、密度低、内摩擦小、渗水性弱的特征。

如果地层是相似于淤泥质黏土层的话，只要在压力舱内通过旋转翼板搅拌，就可满足这种状态顺利进行施工。

一般来说，开挖出来的泥土不具有以上特性：在有的情况下，有的渣土流动困难，易压实固结，产生泥饼或泥团，因此要求刀盘具有较大的扭矩，以确保渣土畅流无阻；另外在透水性土层中，在水的作用下，渣土在螺旋输送机内排出无法形成有效的压力递减，土舱内的土压力难以稳定……所以土压平衡盾构自身对地层的适应范围相对较窄。

3）渣土不良带来的施工困难北京地铁盾构隧道的工程实践和国内外诸多施工实例表明，土压平衡式盾构施工成功的关键就是要将从开挖面上切削下来的土体在压力仓内调整成一种比较理想的状态，使土体的性质满足一定的基本条件后，盾构开挖和排土才能顺利地进行。

当开挖土的状态不能满足这一要求时，就会给施工带来困难，这种施工困难主要表现为以下几种：①刀具磨耗严重随着盾构法在国内地铁施工中的广泛使用，刀具磨损已经成为一个影响盾构隧道施工质量和进度的关键问题。

刀盘作为盾构机的一个关键部件，在地下掘进过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等，刀盘在一定转速和压力条件下进行地下挖掘，刀具要承受非常高的工作压力和温度，恶劣的工作条件会降低刀具的使用寿命。

特别是在砂卵石地层，盾构刀具往往磨损严重，容易破损、脱落，经常导致工程事故的发生，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。

这种情况在北京地铁盾构掘进中普遍存在，在北京地铁9号线06标段军事博物馆站—东钓鱼台站区间，盾构从世纪坛始发并向北掘进不到200m的检查井中发现：整个刀盘上的刀具磨损非常严重，必须重新购买，全部更换。

在北京地铁9号线02标段丰—科区间、地铁10号线二期11标西—六区间和17标段火—终区间盾构掘进几百米后发现整个刀盘上的刀具磨损非常严重，必须更换。

因此，研究如何减小盾构刀盘的磨损对延长盾构机掘进距离，提高盾构机的工作效率具有重要意义。

而选用合适的土体改良剂可以对刀具起到一定的润滑和冷却作用，并且改善土体的流塑性，使之切削成流动型，减少对刀盘面板和刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。

②刀盘及压力仓的结饼和闭塞压力仓结饼是由于开挖土缺乏流动性，在盾构机推进压力的作用和较高的温度环境下，在压力仓内发生压密、固结排水，形成坚硬“泥饼”的现象。

通常在可塑、硬塑状的粘土类地层、粘土质砂土地层、泥岩、泥质粉砂岩、母岩为花岗岩的残积土层、全风化岩层和强风化岩层等黏土矿物含量超过25%的地层中极易形成泥饼，并且随着矿物含量的增加，相同施工设备和工艺的条件下，泥饼形成的可能性将增加。

压力舱内发生结饼后如果没有其它补救措施，则这种泥饼将不断扩散进而使整个压力舱发生堵塞，导致刀盘转矩过大，开挖困难或无法进行，引发刀盘主轴承温度过高，甚至出现主轴承损坏的严重后果。

压力舱闭塞是由于开挖土体在压力舱成拱，使盾构机不能正常出土，进而土体压实充满压力仓，而缺乏流塑性的土体又使搅拌翼的阻力上升，加大刀盘扭矩，引起施工困难。

压力舱内土体成拱后，若盾构施工继续推进，土体会进一步压缩，导致拱作用更加剧烈。

北京地铁9号线04标丰—六盾构区间和10号线二期11标西—六盾构区间采用土压平衡式盾构掘进时，由于压力舱内的结饼和闭塞等导致舱内的压力失控，造成地面隆起和扭矩上升，甚至无法掘进，必须停机开仓，采用人工丰镐破除，严重影响了施工进度。

丰—六盾构区间由于结饼不得不停机开舱处理。

然而由此引发了地面塌陷等问题，对周围环境产生了重大影响。

③土压平衡很难建立由于有些地层的塑流性较差，设定的工作压力不能顺利地传递到开挖面，不易实现连续的动态平衡，使开挖面稳定难以保持，导致地表隆沉幅度增大。

④螺旋排土器出口处的喷涌土压平衡式盾构机在砂砾层等强透水层地基施工时，开挖面过高的水压力会导致盾构机螺旋输送机出口发生地下水大量流失，严重时会发生涌水、涌砂和掌子面失稳问题，影响掘进效率。

⑤电流消耗过大和发生卡机事件由于刀具、刀盘与土体间的摩擦因数大，因此，扭矩及推力也相应的增大，造成电流消耗过大，油压增大，甚至发现机械故障的现象。

若开挖面不能保持平衡，开挖面前上方发生坍塌，或遇到卵石块较多的情况，就会发生卡机事件，使盾构机刀盘不能转动。

因此，为扩大土压平衡盾构机对地层的适应范围，必须采用土体改良技术来对开挖后的渣土进行改良，使其具有上述特性。

根据地层情况，向开挖土舱内注入泡沫、粘土或添加剂，进行强制搅拌，使渣土具有可塑性和不透水性，螺旋机排土顺畅，土舱内的压力容易控制和稳定，并减少刀盘功率消耗。

土体改良技术作为土压平衡盾构法施工的一个重要组成部分，对盾构法隧道的发展有着深远影响，纵观目前国内各盾构的使用工况，不难发现，土体改良技术的应用情况，对降低工程造价和提高工程施工进度都有着决定性作用。

1.2 渣土改良的作用及目的1.2.1 渣土改良的作用在盾构施工中尤其是在复杂地层及特殊地层盾构施工中进行，渣土改良是保证盾构施工安全顺利快速的一项不可缺少的重要技术手段，其主要作用如下：1）提高土舱内渣土的抗渗透能力，避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故，也可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；2）降低土舱内渣土以及开挖面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损，降低刀盘扭矩，提高盾构机掘进效率；3）降低土舱内渣土以及开挖面土体的黏聚力，提高土舱内渣土的可塑性，防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼；4）提高土舱内渣土的和易性，使切削下来的渣土顺利快速进入土舱并利于螺旋输送机顺利排土；5）使渣土具有较好的土压平衡效果，使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确，利于稳定开挖面控制地表沉降；6）冷却，适当降低刀盘刀具的工作温度。

1.2.2 渣土改良要达到的状态为保证土舱内渣土能顺利排出，渣土需具有塑性流动状态，也即流塑性。

1）从土力学角度分析，土舱内渣土的流塑性，包括以下三个方面：①土体不易固结排水。

当推力通过隔板传递到土舱内时，如果土舱内土体迅速排水固结，就会在土舱内形成固结土饼，土水分离会影响土舱内土体的循环和排土，因此土体要保持不易固结排水的状态。

②土体处于塑性流动状态。

土舱内的土体应具有高含水率、强度较低而易于翼板搅拌的特性。

这一特性可保证土体受到挤压时向螺旋输送机内发生塑性流动而顺利完成排土，形成所谓的“挤牙膏”效应。

③土体具有不透水性。

只有压力仓的土体具有足够的不透水性，才能保证维持开挖面上的水压力，同时也能防止排土口发生“喷涌”现象。

2）压力仓内土体的塑性流动状态由以下指标进行衡量：坍落度T、抗剪强度τ、渗透系数k和压缩系数a v。

①坍落度T土舱内土体的流动性直接决定了螺旋输送机的排土状态。

如果土体的流动性较好，螺旋输送机的排土量就容易控制，从而可以较好的控制开挖面的稳定。

一般对于土舱内土体的流动性可以用坍落度来衡量，现场施工经验表明：土体的坍落度在16~20cm范围时，可认为其满足塑性流动状态的要求。