富水砂层掘进中的渣土改良和喷涌控制技术

富水砂层掘进中的渣土改良

及喷涌控制技术

哈尔滨地铁项目部刘华

【摘要】在富水砂层中选择土压平衡盾构机掘进施工，对渣土改良和喷涌控制有更高要求和难度，哈尔滨地铁【南直路站～哈东站站】区间地质构造为典型的富水砂层，本文结合哈尔滨地铁工程采用土压平衡盾构施工的成功案例，论述土压平衡盾构机在富水砂层掘进中的渣土改良及喷涌控制技术。

【关键词】土压平衡盾构机富水砂层渣土改良喷涌控制

引言

土压平衡盾构机穿越富水砂层具有较大的风险，由于砂层自身的不稳定性及土仓内砂质渣土易离析沉淀，极易造成盾构机前方地表塌方及构筑物开裂损坏，因此在富水砂层中掘进对渣土改良效果要求极高，只有渣土改良效果理想，才能在土仓内实现土压的动态平衡，避免喷涌现象发生，从而降低对前方土体的扰动。

1 工程概况

哈尔滨地铁【南直路站～哈东站站】区间全长514.943米，根据地质勘察报告和车站主体开挖情况，本工程盾构区间场地范围内主要为第四纪全新统堆积层，地处河谷漫滩及波状冲击平原，地层岩性为粉质粘土、砂类土，隧道开挖的地层主要为中砂层，部分区段含少量粗砂层和粉细砂层，地下水稳定水位为自然地面下2.5m，含水量较大，达到15%，有的地段可达30%。区间隧道埋深在9~14m。

2盾构机具有的渣土改良设备

哈尔滨地铁九标段使用的盾构机为维尔特产土压平衡盾构机，渣土改良剂由泵送设备通过中心回转轴连接刀盘注入到刀盘前方，刀盘辐条上均匀分布4个注射孔，两个为膨润土注射管道，另外两个为高分子聚合物注射管道。本标段项目工程主要采用膨润土浆液和高分子聚合物配合使用作为渣土改良剂。

2.1膨润土系统

整个膨润土系统分为两部分，一部分为拌合系统，一部分为注入系统。拌合系统在地面，主要进行膨润土浆液的拌合与发酵存储，拌合发酵完成后通过管道泵送到盾构机的膨润土存储罐里。

盾构机膨润土注入系统不属于维尔特原装配置，是为了满足哈尔滨地铁施工而专门增设的系统，注入系统所有构件都是后期添置，主要由存储罐、注入泵、变频器及管道组成。存储罐体积4.5 m3，另配有两组搅拌轴；注入泵为郑州瑞申产软管挤压泵，型号为RH65～770，最大排量13500 L/h，额定压力1.2MPa，介质最大颗粒8mm，电机功率11KW，由现场使用情况看，此泵完全满足膨润土注入要求。另外配置变频器以便根据渣土改良效果和掘进速度及时调整挤压泵转速从而改变膨润土注入量。

2.2高分子聚合物注入系统

高分子聚合物注入系统由高分子聚合物拌合箱、注入泵、变频器及管道组成。拌合箱体积3 m3，另配两组搅拌轴；注入泵为多级螺杆泵，输出额定压力1.2MPa，电机功率为7.5KW；另外配置变频器以便根据出渣情况和喷涌情况及时调整螺杆泵转速从而改变高分子聚合物注入量。

2.3刀盘辐条上的渣土改良剂注射管道分布

渣土改良的重点在于改良剂与渣土能拌和均匀，改良剂从刀盘前方面板上注射尤为重要。掘进过程中刀盘低速切削掌子面，与此同时改良剂同步注射到掌子面上，这样切削下来的渣土与改良剂混合的面积达到极值的概率最大。挤压到土仓里的渣土已夹杂大量的改良剂，再通过刀盘的继续旋转带动搅拌土仓内渣土，使改良剂与渣土进一步混合。

富水砂层中渣土改良工艺复杂，要膨润土浆液与高分子聚合物合理搭配使用，如何利用好刀盘前侧仅有的4根注射管道非常重要。首先要考虑两种改良剂间隔分布，其次考虑改良剂注射到掌子面上要内外兼顾。管道分布情况见下图：

刀盘前侧改良剂注射口分布图

四个注射口到刀盘中心的距离都不相同，就是说在刀盘旋转时4根管道的注射轨迹不会重合，这样既能保证改良剂注射均匀，又能将膨润土浆液与高分子聚合物之间的相互影响降到最低。

另外，根据地层变化，高分子聚合物注射管道可以随时改为泡沫注射管道，在黏土含量高的地层亦能保证正常掘进。

3渣土改良

3.1富水砂层掘进中渣土改良需要解决的问题

富水砂层掘进中渣土改良是整个施工过程中的难点和重点，渣土改良到位，才能保证盾构施工安全、顺利、快速。富水砂层掘进中渣土改良需要解决如下问题：

（1）提高土仓内渣土的抗渗透能力，避免掌子面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故发生。

（2）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。

（3）提高土仓内渣土的可塑性，防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼。

（4）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。

（5）采用土压平衡模式掘进时会因渣土密水性差而产生喷涌现象。

（6）渣土和易性差，螺旋机出渣不畅，导致掘进速度慢，掘进参数不易控制。

3.2渣土改良剂

根据富水砂层掘进中渣土改良所面临的问题，在哈尔滨地铁9标段的盾构施工中，采用了天然钠基膨润土浆液和高分子聚合物作为渣土改良剂，渣土改良效果非常理想。

3.2.1膨润土浆液

膨润土在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘带性、触变性和润滑性，它和水、泥、砂等细琐屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。膨润土在水化时，钠离子连接各层薄片，同时挤占与之接触的土颗粒之间的间隙，积聚于土壤与泥水的接触表面，形成不透水的可塑性胶体，从而形成泥膜。在富水砂层的盾构机掘进中使用，可提高砂土的含泥量，补充土体的微细颗粒组分，使土体的内摩擦角变小，增加开挖土体的流动性和不透水性，主要作用如下：

（1）降低土体的渗透系数，使其具有较好的止水性，以控制地下水流失。

（2）可有效提高土体的保水性，防止渣土离析、沉淀板结。

（3）使渣土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降。

（4）使土体具有较低的内摩擦角，降低刀盘扭矩，减少对刀具和螺旋输送机的磨损。

（5）使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土，提高掘进速度。

膨润土浆液的水土比直接影响到渣土改良的效果，同时还要综合考虑盾构施工中渣土改良的成本和膨润土浆液的泵送性能。经过大量试验和施工生产中的实际应用，我们总结出了不同水土比浆液的一些基本性能：

1）水土比为1：1的膨润土浆液变成膏状，不具备泵送性；

2）水土比为5：4的膨润土浆液较粘稠，可泵送；

3）水土比为5：3的膨润土浆液较稀，可泵送；

4）对水土比为5：3的膨润土浆液掺入0.1%的增稠剂（火碱），可增加浆液粘稠度。

5）向膨润土浆液中掺加高分子材料，搅拌后膨润土浆液变成膏状体，使膨润土浆液失去泵送性；

不同水土比的膨润土浆液样本如下：