盾构施工渣土改良专项方案

编制依据

（1）隧道施工图

（2）铁路隧道工程施工技术指南（TZ204-2008）

（3）公司《质量管理体系-要求》（GB/T19001-2000）

一、工程概况

本工程盾构区间总长度3566.5m，附属工程包括7个联络通道、2个防淹门、12个洞门。盾构区间采用德国进口的两台直径8.84米的海瑞克土压平衡盾构机进行施工。

二、工程地质条件和水文地质条件

2.1地形地貌

本线地处广东省中部，沿线经过珠江三角洲海陆交互沉积平原区，地形平坦，地面高程多为0～10m，仅佛山西站附近有零星剥蚀残丘分布，高程10～20m。区内道路纵横，水网发达，河流纵多，主要河流有汾江、东平水道、吉利涌、潭洲水道、陈村水道等，均为通航河道。

2.2工程地质条件

（1）洞身地层

本标段区间盾构隧道范围地层岩性按成因和时代分类主要有：第四系人工填土层<1-1>；第四系全新统海陆交互沉积层<2-1>、<2-2>、<3-1>、<3-2>、<3-3>、<3-4>、<4-1>；第四系全新统残积层<5>；白垩系下统基岩<7-1>、<7-2>、<7-3>。在里程DK31+439~DK32+260洞身范围地层主要为上软下硬，上部为砂层或全风化或强风化砂质泥岩、砂岩W4、W3（821m）；里程DK32+260~DK34+500洞身范围地层主要为弱风化砂质泥岩、砂岩W2（2240m）；里程DK34+500~DK35+005.5洞身范围地层主要为上软下硬，上部为强风化砂质泥岩、砂岩W3，下部为弱风化砂质泥岩、砂岩W2（500.5m）。

（2）洞身地层分布统计

根据目前提供的地质断面图，隧道洞身地层统计如下表所示：

全风化砂质泥岩、砂岩W4：灰色，棕红色，原岩结构已经破坏，岩芯呈土状，水浸易软化崩解。

强风化砂质泥岩、砂岩W3：棕红色、深灰色，泥质、铁质胶结，裂隙很发育，岩芯呈碎块状、局部短柱状，锤击易碎。

弱风化砂质泥岩、砂岩W2：棕红色、深灰色，泥质、铁质胶结，中厚层状构造，裂隙稍发育，岩芯呈短柱状、柱状。

（4）岩石的物理力学性质

根据我司的勘察报告，在岩样中取样进行岩石试验及原位测试，结果如下所示：

岩石（弱风化）的天然抗压强度最大值为53.0MPa，最小值3.7MPa，平均值20.36MPa。

强风化岩层的推荐基本承载力为400kPa。

全风化岩层的实测标准贯入试验值N=10~59击，标贯平均击数36击。○Ⅲ级硬土，推荐基本承载力为200kPa。

2.3水文地质条件

2.3.1地表水

地表水：线路主要经过河涌和陈村水道，地表水系主要为陈村水道水系。

2.3.2地下水

地下水主要是第四系土层中的孔隙水和基岩风化裂隙水。勘测期间测得第四系孔隙潜水地下水水位埋深在0.4~6.1m；主要接受大气降水、地表补给，通过地表蒸发、人工开采、地表径流等方式排泄。

第四系孔隙水主要赋存于海陆交互沉积层中的粉砂、细砂、中砂、粗砂中，海陆交互含水层厚度较大，分布较连续，径流畅通，渗透性好，水量较为丰富。

基岩风化裂隙水主要赋存于白垩系下统强、弱风化砂岩、泥岩及泥岩夹砂岩风化节理裂隙中，含水层埋深和厚度差异较大，砂岩、泥岩节烈裂隙较发育，水量一般。由于岩性及裂隙发育程度的差异，其富水程度与渗透性也不尽相同，裂隙发育，连通性较好，渗透性较强富水较好。

三、设备配置

本标段盾构区间采用德国进口的两台直径8.8米的海瑞克土压平衡盾构机进行施工，渣土改良系统主要包括泡沫系统和膨润土系统，同时刀盘形式对渣土能否顺利进入土仓有很大影响。

3.1泡沫系统

泡沫系统主要包括泡沫剂桶、泡沫剂泵、水泵、溶液计量调节阀、空气剂量调节阀液体流量计、气体流量计、泡沫发生器及连接管路，泡沫系统有8条泡沫管，分别通往刀盘面，土仓，螺旋输送机，其泡沫发生原理见图3-1，各部件连接示意图见图3-2。向盾构机掘进仓中注入泡沫发生装置产生的泡沫，用于掘进面土壤的性状改良，掌子面土层在加入泡沫后，其塑性、流动性、防渗性都得到改进，同时亦可减少刀具的磨损。

图3-1 泡沫发生原理图

图3-2 泡沫及膨润土系统示意图

泡沫剂罐

图3-3 泡沫原液泵、水泵

图3-4 泡沫剂混合系统

泡沫系统有关参数介绍如下：

稀释液浓度(x) ：稀释液中所含发泡剂原液的比例 FER=泡沫体积/稀释液体积

FIR=泡沫注入量/开挖土方量，即注入泡沫体积总量与盾构机刀盘切削的原状岩土的实方比

膨润土系统接口

M

回转机构

刀盘

土压传感器

M

盾壳

压缩空气

螺旋输送机

水泵

泡沫剂泵

泡沫发生器

盾构

后配套

泡沫剂箱

水箱

泡沫及膨润土系统示意图

发泡剂

水

泡沫混合液

压缩空气

泡沫

3.2膨润土系统

盾构机配置有一套膨润土注入系统。在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土输送管道打开，通过输送泵将膨润土压入刀盘、碴仓和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。

根据实际需要，可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内。膨润土只应用在一些特殊的工程下。

图3-5膨润土泵图3-6膨润土罐

四、渣土改良方法

4.1渣土改良必要性

土压平衡式盾构的特点是用开挖出的渣土作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的渣土具有良好的塑性变形和软稠度，以及内摩擦角小及渗透率小等特点。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，改善开挖渣土的塑性、流动性，降低渣土的透水性。

在富水含砂地层的掘进主要是要降低对刀具磨损、降低刀盘扭矩、螺旋输送机的磨损，防止喷涌，采取向刀盘前和土仓内及螺旋输送机内注入泥浆或泡沫混合物的方法来改良碴土。并增加对螺旋输送机内注入量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。

根据设计提供的地质勘察报告可知，本项目盾构前段区间820m左右和尾段区间500m左右为砂层、淤泥层及全强风化层，且地下水丰富，地下水位较高，且上部砂层渗透性较好，粘性较小，不易形成密闭空间，盾构在该区段掘进存在喷涌的风险，且盾构机在砂层中掘进时对刀具磨损较快，增大了开仓换刀频率。