06渣土改良技术

砂卵石地层盾构渣土改良技术

粟路好

中铁五局城通分公司沈阳地铁二号线三标项目部

摘要：在土压平衡式盾构施工过程中，开挖面支撑的土砂具有十分重要的作用，通过对开挖出渣土进行改良，用以满足施工要求。本文依托沈阳地铁北～崇区间盾构施工，对砂卵石地层渣土改良技术加以总结，对之后类似工程提供经验。

关键词：砂卵石渣土改良盾构

1 概述

1.1 工程概况

沈阳地铁二号线第三合同段北～崇区间单线全长为703.8m，盾构通过地段主要为砂卵石地层，其中粘土（即粒径≤0.075mm）约占18.1%,砂（即粒径＜5mm,≥0.075mm）约占44.1%,砾卵石（即粒径≥5mm）约占37.8%,隧道结构底最大埋深22.7m；工～文区间单线全长为1302.7m，盾构通过地段主要为砂卵石地层，其中粘土（即粒径≤0.075mm）约占3.2%,砂（即粒径＜5mm,≥0.075mm）约占56.7%,砾卵石（即粒径≥5mm）约占30.1%,，隧道结构底最大埋深31.66m。

1.2 渣土改良在砂卵石地层施工中的重要性

目前我国所应用的盾构机类型主要为土压平衡式盾构，其特点是用开挖出的土砂作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的土砂具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小。由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良，其技术要点是在刀盘前部和泥土仓中注入水、膨润土泥浆、粘土、聚合物或泡沫等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖的土砂塑性、流动性，降低渣土的透水性。渣土改良系统已成为盾构法施工的一个重要组成部分，对盾构法隧道施工的发展有着深远的影响。纵观目前国内各台盾构机的使用工况，不难发现土质改良技术应用的好坏，对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。

1.3 渣土改良技术的国内外现状

盾构法施工的主要机械就是盾构机，有泥水盾构和土压平衡盾构,土压平衡式盾构机因其能较好地控制地面沉降，保护环境，适应在市区和建筑密集区施工等优点，在隧道施工中被广泛应用。土压平衡式

盾构机能适应多种环境和地层的要求, 可以在砂砾、砂、粉砂、粘土等地层中使用。纵观国内外，泥水盾构主要以加水、加泥作为改良剂，土压平衡式盾构机所采用膨润土泥浆和泡沫作为改良剂。通过泡沫剂改良的渣土，泡沫自然消解后，渣土基本能恢复原状；通过膨润土泥浆改良的渣土，在某些发达国家被认定为污染物，其处理价格昂贵，膨润土泥浆注入法需用大型设备生产相当数量的膨润土泥浆，站用大面积场地。在日本和欧洲等发达国家，用发泡剂取代膨润土泥浆，尤其当盾构通过透水性较强的砂土、含有少量粘土、粉砂细屑的砾石层时，应用发泡剂优于应用膨润土泥浆。

1.4 取得的主要研究成果

本标段北～崇区间左线由“中铁8号”盾构施工,始发阶段以发泡剂为渣土改良剂，由于刀盘和螺旋输送机设计的缺陷，和渣土改良没有做好，导致刀盘结泥饼，盾构无法推进，挖竖井开仓，通过改造刀盘和螺旋输送机后，以膨润土泥浆和泡沫的混合添加材料为渣土改良剂，推进速度明显提高。但在施工过程中或在停机时不注意管路的清洗和疏通，造成泡沫和膨润土注入系统有几路堵塞，刀盘又结泥饼，后期一百多环的推进速度缓慢，扭矩大。通过注入快速渗透剂消解部分泥饼勉强出洞。

工～文区间由“韶山1号”盾构施工，发泡剂为渣土改良剂，掘进过程中多次遇到水囊、喷涌、流砂地层，通过摸索和试验，得出了合理、适用的聚合物改良渣土的配合比，注入高吸水聚合物，解决了螺旋机喷涌的问题。

2 砂卵石地层渣土改良技术

2.1 渣土改良剂的选择

2.1.1 渣土改良剂的功能

在盾构机掘进时，向开挖面、土仓等处加注改良添加剂，其具体功能如下：①对于富含水砂层，一方面止水，另一方面可以改善砂的和易性；②在砂性土和砂砾土地层中，可以起到支撑作用而且可以改善土的流动性；③在粘性土层，可以防止渣土附着刀盘和土仓室内壁，另一方面，由于改良剂中的微细气泡可以置换土颗粒中的孔隙水，因而可以达到止水效果。

2.1.2渣土改良剂的类型

表1 渣土改良剂的种类

2.2 渣土改良方案

2.2.1 工程地质情况

根据区域地质资料及其现场勘察表明，北～崇区间、工～文区间的场地地基土主要由第四系全新统和更新统粘性土、砂类土及砾石类土组成。地层自上而下分别是杂填土、粘土、砾砂、圆砾、砾砂、粘土、砾砂。盾构通过地段主要为砂卵石地层。

2.2.2 盾构机类型

“韶山1号”盾构是由德国海瑞克公司设计制造的土压平衡式盾构机，刀盘处直径6.28米，装配有1台康达特M4B型泡沫机泡沫注入系统和1套膨润土注入系统。“中铁8号”盾构是由中铁装备制造有限公司设计制造的土压平衡式盾构机，机型CTE6250，刀盘直径6.28m，也装配有1台泡沫机泡沫注入系统和1套膨润土注入系统。

2.2.3 渣土改良剂的选择

（1）泡沫剂的应用

“韶山1号”盾构机配备有泡沫注入系统，泡沫发生器自动运行, 4根独立管路分别把泡沫注入不同位置, 一般以注入刀盘前部为主，管路上有一段是透明的,可供观察。

在泡沫发生器工作的过程中, 可以设定泡沫剂与水混合的比例, 在正常掘进状态下, 一般不需要对该值做过多的调整, 在许可的范围内, 通常取值为3:100,只有在扭矩长时间过大，而单靠调整流量又难以降低扭矩或遇喷涌、流砂的情况下，才调整为8:100。

泡沫注入系统有三种控制方式: 分别为自动、半自动及手动。在正常掘进状态下, 若使用自动状态, 泡沫的用量比较大。由于盾构掘进沿线土质情况时有变化, 而采用手动控制就可以节省泡沫的用量, 因此, 在掘进过程中,一般要求盾构驾驶员采取手动控制方式, 主要根据刀盘的扭矩, 千斤顶的顶力以及

出土的情况三项参数来调整泡沫注入系统的流量。当观察到出土的含水量过高时, 应马上适当调整泡沫的注入量, 本工程在砂土地层中的泡沫用量为沈阳国产泡沫70～100L/环(1.2m),进口康达特泡沫50～80 L/环(1.2m)。

（2）高吸水聚合物的应用

在遇水囊、喷涌、流砂地层时，通过手动控制调整泡沫浓度至8:100，同时通过膨润土注入系统往土