土压平衡盾构施工中渣土改良技术的应用

土压平衡盾构施工中渣土改良技术的应

用

摘要：近年来，我国的工程建设越来越多，土压平衡盾构施工越来越多，在土压平衡盾构施工中，渣土改良技术的应用越来越广泛。渣土改良效果的优劣是土压平衡盾构能否正常掘进的重要影响因素之一，不同的渣土改良方法对盾构推力、扭矩、地表沉降控制等产生不同结果。为了进一步提高土压平衡盾构机施工的适应性，可对其渣土改良技术开展相应的研究，本文首先分析了常用渣土改良剂及特性，其次探讨了盾构机在砂卵石地层中掘进时可能出现的不利情况，最后就土压平衡盾构渣土改良精细化控制进行研究，以供参考。

关键词：土压平衡盾构；渣土改良；试验

引言

土仓内渣土改良是土压平衡盾构隧道工法的重要技术环节，渣土的改良效果直接影响着开挖面的稳定性和土仓内渣土的运输状态。和易性是改良渣土的重要特性之一，反映了渣土自身的流动特征，改良渣土和易性差极易诱发刀盘扭矩大且磨损严重、千斤顶推力大、土体饼化堵仓、喷涌等问题，进而导致掌子面支护压力不足、甚至塌方等一系列事故。因此，有必要针对改良渣土的和易特性及其评价指标进行深入研究。

1常用渣土改良剂及特性

土压平衡盾构渣土改良所用改良剂多为泡沫、膨润土、聚合物等一种或几种材料的组合，并通过使用量的调整使盾构切削下来的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩擦力。如一般黏土地层中多使用泡沫剂、分散剂、水组合作为改良剂，砂卵石地层多使用膨润土作为改良剂，岩石地层多使用泡沫剂、水作为改良剂，富水砂、砂砾地层多使用膨润土、聚合物为改良剂。

2盾构机在砂卵石地层中掘进时可能出现的不利情况

(1)当砂卵石地层处于无水状态时，由于沙粒相互咬，内部摩擦就会发生，土壤流动性差，土仓填土时，随着渣土量的增加刀盘扭矩随即增大，导致仓土排出不良，严重情况下，刀盘泥饼现象，直接影响盾构掘进。(2)无水砂卵石地层中未改良渣土的流动塑性较差，造成掘进过程中刀盘扭矩增大，盾构机的推力也随及增大，刀盘刀具因摩擦阻力增大而产生较多的热量，从而加剧刀具的磨损，同时其磨损加剧影响着盾构机的工作性能和传动效率。(3)由于砂卵石地层流塑性差，开挖面自稳定性差，土仓压力波动较大，难以维持掌子面稳定性，直接影响到地表沉降幅度的增大，加大地表沉降和建(构)筑物的保护控制难度。

3土压平衡盾构渣土改良精细化控制

3.1改良剂的选择

1.

提高土仓内渣土的抗渗透能力，避免开挖面因地下水流失而造成较大的地表沉降或地面建(构)筑物变形或坍塌事故等发生。(2)降低土仓内渣土以及开挖面土体的内摩擦角，从而降低刀盘扭矩，减少渣土对刀盘刀具的磨损。(3)提高土仓内渣土的可塑性，避免渣土流塑性差而产生喷涌现象。(4)由于渣土泌水性差，掘进停机后，土仓内渣土易离析、沉淀、密实，使刀盘再次启动时瞬时扭矩过大，启动困难，对盾构机设备损害较大。膨润土中的细颗粒填充土体间隙，吸附地层中过量的游离水，起到稳定掌子面，防止地面沉降过大，同时能补充渣土中缺少的黏性颗粒提高渣土流塑性。为解决渣土中含水量大的问题，利用聚合物的增稠、粘合、絮凝、吸水性、减阻性等特性，进一步减少渣土中过量的游离水，有效提高渣土流塑性、降低土体的渗透系数，以达到抑制螺旋机喷涌的目的，实现盾构机掘进的安全高效。

3.2土压平衡盾构机渣土改良位置优化与实践应用

土压平衡盾构机结泥饼位置一般发生在刀盘中心及土仓内搅拌棒未搅拌的位置。为保证渣土改良均匀，防止结泥饼，优化方案如下:刀盘前方按常规注入泡沫，刀盘前方中心、土舱中心和土舱最上方三个位置注入聚合物水溶液，注入量

采用变频泵控制，注入速度与量可调并可显示，方便盾构机操作手根据渣土状态实时调整。

3.3改良渣土屈服应力变化规律分析

结合室内改良渣土塌落度试验结果，采用本文模型可获得不同含水率、不同角砾含量以及不同泡沫剂掺入比条件下，改良渣土的屈服应力变化规律。含水率越大，角砾黏土的屈服应力越小，二者呈现明显非线性负相关;含水率越低，角砾含量对土体屈服影响越明显，当含水率增大到一定程度时，角砾含量对土体屈服应力的影响可忽略。泡沫剂掺入比越高，角砾黏土的屈服应力越小，二者基本呈现线性负相关;不同泡沫掺入比条件下，角砾含量对土体试样屈服应力的影响几乎一致。总的来说，不同含水率和不同泡沫剂掺入比条件下，角砾含量越高，则土样屈服应力越小，这主要受到角砾土的颗粒体松散特性影响。

3.4喷涌防治工艺

将喷涌防止剂按照与泡沫原液体积比1∶10～1∶5比例加入泡沫剂溶液中进行发泡打入刀盘前方，另外也可单独增设喷涌防止剂注入管路，将喷涌防止剂稀释至一定浓度后单独注入土仓和螺旋输送机等部位。在一些缺少细粒黏土的砂性甚至卵砾石地层中还需要先注入一定的膨润土溶液，然后再打开各喷涌防止剂注入管路。膨润土溶液补充土体黏粒的缺失，使喷涌防止剂更好地将粗粒土与细粒土包裹黏聚，起到高水压仍能防盾构机喷涌的作用。

3.5渣土改良剂的作用分析

随着聚合物浓度的增加，加入的水溶液量也在不断增加。在加压时间与重力相同条件下，加入聚合物水溶液的渣土失水量要低于只加水的渣土失水量。加入聚合物水溶液的渣土抗水分散性明显优于只加水的渣土抗水分散性。加入聚合物水溶液的渣土均匀性明显优于只加水渣土，尤其是砂渣土样品更为突出。通过定性试验可以得出最终结论:加入聚合物水溶液的渣土抗水分散性和保水率明显优于只加水的渣土，加入聚合物水溶液的渣土达到塑性状态也不会结泥饼。塑性状态下的渣土一定程度上也降低了盾构机出渣喷涌的概率。渣土坍落度相等条件下，不同地质、不同聚合物加入的量也会有所不同。因此，此试验只进行定性分析，

不再进行定量分析。根据经验选取了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠的混合水溶液，使改良后的渣土达到高抗水分散性和高保水率的塑性状态。理论上聚合物的浓度越高，加入聚合物水溶液的量越多，渣土的弱结合水含量越多，越不容易结泥饼。聚合物水溶液的浓度要根据现场实际情况进行适当调整。

3.6改良渣土屈服应力变化规律分析

含水率越大，角砾黏土的屈服应力越小，二者呈现明显非线性负相关;含水率越低，角砾含量对土体屈服影响越明显，当含水率增大到一定程度时，角砾含量对土体屈服应力的影响可忽略。泡沫剂掺入比越高，角砾黏土的屈服应力越小，二者基本呈现线性负相关;不同泡沫掺入比条件下，角砾含量对土体试样屈服应力的影响几乎一致。总的来说，不同含水率和不同泡沫剂掺入比条件下，角砾含量越高，则土样屈服应力越小，这主要受到角砾土的颗粒体松散特性影响而至。

结语

综上所述，土压平衡盾构机渣土改良应根据不同的水文地质条件、不同改良剂的特性，通过试验确定合理的添加剂配合比及注入量，根据改良剂的特点，合理选用注入点位以提高渣土的流塑性及改良效果。渣土改良剂注入点位应根据水文地质情况、隧道埋深以及实际改良效果进行调整，必要时可改造渣土改良系统，增加注入通道，合理延长渣土与添加剂的搅拌、反应时间，延长渣土与添加剂的相互作用时间，有利于提高渣土的流塑性，对控制螺旋机喷涌效果良好。

参考文献

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