复合砂砾石地层中的盾构土体改良施工方法

摘要

本发明提供一种复合砂砾石地层中的盾构土体改良施工方法，采用加水、泡沫及膨润土浆液作为复合改良添加剂，辅以专门的改良设备和工艺，根据盾构掘进时所遇到的实际工况条件对刀盘正面、土仓内或螺旋机处进行有选择性地注入不同添加剂，起到提高土体塑流性，降低刀盘扭矩，稳定开挖面以及提高掘进效率的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构土体改良施工方法，尤指一种复合砂砾石地层中的盾构土体改良施工方法。 

背景技术

土压平衡盾构机在隧道工程中被广泛应用，其适应不同地质条件(粘性土、砂性土、砂砾石甚至是软岩)的能力最强。但并非所有的地层均具有良好的塑性流动性、较低的渗透性以及内摩擦角，例如在我国成都地区，地质条件为中砂和砾石、中密～密实卵石土，最大漂石粒径 特有的成都粘土，其天然含水量w和天然孔隙比e较小，压缩系数a值小而抗剪强度较高，属于复合砂砾复合地层，盾构在此条件下掘进，土体塑流性差，易产生如下问题： 

1)开挖面不稳定：砂砾石地层是一种典型的力学不稳定地层，盾构的掘进施工会对土体造成较大的扰动，对开挖面的稳定造成较大的影响。 

2)螺旋输送机的喷涌：盾构施工中压力舱和螺旋排土器内的土体不能有效抵抗开挖面上的水土压力，在螺旋排土器出口处发生喷砂、喷泥和喷水的现象。 

3)土仓的结饼和闭塞：由于缺乏流动性的开挖土，在盾构机推进压力和温度的作用下，土体固结失水形成坚硬“泥饼”，土仓内壁成拱，如果没有其它补救措施，使整个土舱发生堵塞，导致刀盘扭矩过大，掘进困难或无法进行，引发刀盘主轴承温度上升，加速主轴承的损坏，甚至会出现主轴承“烧结”、“抱死”的严重后果，造成巨大的施工风险。 

4)机械设备负荷大：刀具、刀盘与土体间的摩擦系数大，因此，扭矩及推力也相应的增大，造成电流消耗及油压负荷增大，机械故障发生频率高，机械设备寿命减短。 

5)发生卡机事件：若开挖面不能保证平衡，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，使得盾构机刀盘不能转动。 

6)刀具的磨损：盾构在砾石地层中掘进不可避免地会导致刀盘扭矩的增大，进而导致刀具的磨损，增加了施工的难度与施工成本。 

将各种不良土层改良为符合土压平衡盾构掘进施工的要求，关键要对盾构施工土体进行有针对性的土体改良，从而控制土体的塑流性，降低土体的摩擦系数，降低刀盘扭矩和机械负荷，使螺旋输送机排土顺畅，实现土压的动态平衡，保持各项施工参数相互匹配、相对稳定，同时有效的渣土改良也可使土压传递均匀，更有利于开挖面的土压平衡控制。选择合适的改良添加剂和土体改良方法是盾构在此地层中掘进的一个关键问题。 

在以往的地铁盾构施工中，土体改良技术多采用泡沫进行改良，取得的效果颇佳。而在对于复合砂砾石地层(例如成都)，在采用泡沫进行初始的掘进试验之后，存在以下问题： 

1)砂砾石地层中的孔隙率较大，浅覆土施工过程中，泡沫的喷射压力过大容易将地面击穿； 

2)成都地区的砂砾石地层为密实土层，切削强度高，需要很高的泡沫注入率才能满足掘进速度要求，大量的泡沫注入刀盘与土仓内会对土仓内部的压力造成一定的波动，对盾构操作控制带来难度，容易造成施工风险； 

3)成都地层的地下水位受季节及施工降水的影响较大，土层含水率变化快，泡沫的使用受土层含水率影响较大，泡沫注入率不易控制； 

4)泡沫改良费用昂贵，使用泡沫进行施工掘进一环(管片幅宽1.5m)的泡沫剂用量在80～120L左右，费用在1000～1500元/环，施工成本高。 

发明内容

有鉴于上述现有盾构施工中，泡沫土体改良技术的不完善，本发明要解决的技术问题是：提供了一种复合土体改良方法，以适应复合砂砾石地层中的盾构施工。 

为解决上述技术问题，本发明提供一种复合砂砾石地层中的盾构土体 改良施工方法，包括以下步骤： 

a.准备步骤 

在盾构掘进前，准备好各改良添加剂，所述改良添加剂包括水、膨润土浆液以及泡沫剂；调试改良系统设备，所述改良系统设备包括：盾构内的供水系统，用于提供水；盾构内的泡沫改良系统，用于提供泡沫；以及独立的膨润土浆液输送系统； 

b.改良步骤 

盾构掘进时，通过所述改良系统设备向刀盘正面、土仓内及螺旋机处注入所述改良添加剂，且视土体情况调整改良添加剂的使用参数，其中：1).在覆土深度为10～20m，卵石含量占整个土体容重的30～65％的工况条件下：泡沫浓度：3％、泡沫发泡率：12～15、水注入率：25～30％、泡沫注入率：40～70％、膨润土浆液注入率：0～10％、膨润土浆液比重＜1.06g/cm³，粘度＞28s；2).在覆土深度为小于10m，卵石含量占整个土体容重的30～65％的工况条件下：泡沫浓度：0％、水发泡率：12～15、水注入率：30％、泡沫注入率：0％、膨润土浆液注入率：10％、膨润土浆液比重＜1.06g/cm³，粘度＞28s；3).在覆土深度为10～20m，卵石含量大于整个土体容重的65％的工况条件下：泡沫浓度：3％、泡沫发泡率：8～12、水注入率：10～20％、泡沫注入率：80～120％、膨润土浆液注入率：0％4).在覆土深度为10～20m，卵石含量小于整个土体容重的30％的工况条件下：泡沫浓度：3.5～5％、泡沫发泡率：15～25、水注入率：0～10％、泡沫注入率：70％、膨润土浆液注入率：10％、膨润土浆液比重＜1.10g/cm³，粘度＞40s。 

本发明采用加水、泡沫及膨润土浆液作为复合改良添加剂，辅以专门的改良设备和工艺，根据盾构掘进时所遇到的实际工况条件对刀盘正面、土仓内或螺旋机处进行有选择性地注入不同添加剂，在复合砂砾石地层的盾构中，起到提高土体塑流性，降低刀盘扭矩，稳定开挖面以及提高掘进效率的作用。 

附图说明

图1为本发明泡沫改良系统原理示意图。 

具体实施方式

下面结合本发明所依托的具体工程实施例作进一步详细说明。 

以成都某地铁区间隧道施工土体改良工艺为例，该隧道采用的土压平衡盾构机刀盘最大直径为6.28m，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300KN·m，最大推进力为36400kN，最大掘进速度可达8cm/mi n，刀盘的开口率约为28％。衬砌采用预制钢筋混凝土管片，衬砌外径6000mm，内径5400mm。区间采用1.2m和1.5m两种幅宽的管片，曲率半径小于或等于400m及加强段，采用1.2m幅宽管片；曲率半径大于400m时，采用1.5m幅宽管片。隧道埋深约10～28m，开挖土层主要以密实卵石土为主。 

在隧道施工初期，掘进过程采用全程注泡沫的方式进行土体改良，由于隧道覆土浅，处于地下水位之上，掘进全断面无水，刀盘切削强度高，施工过程中出现了刀盘扭矩太，掘进速度慢，机械负载高，土压力波动大，刀盘磨损严重，施工成本高等问题。通过不断的摸索与试验，总结出了适应于复合砂砾石地层的盾构掘进土体改良方法，主要包括以下步骤： 

1.改良添加剂的拌制与准备措施工艺； 

在盾构掘进前，准备好各改良添加剂，改良添加剂包括水、膨润土浆液以及泡沫剂； 

调试改良系统设备，改良系统设备包括：盾构内的供水系统，用于提供水；盾构内的泡沫改良系统，用于提供泡沫；由于膨润土浆液不能与泡沫、水共用相同的注入管路(浆液搅拌不均或杂质容易堵塞管路)，因此采用独立的膨润土浆液输送系统：膨润土浆液预先拌制，然后通过运输系统输送至盾构内的膨润土浆液储浆槽内，再通过一台挤压泵将膨润土浆液通过独立添加的管路注入土仓内。。 

上述改良添加剂的使用参数包括：泡沫浓度、发泡率、以及注入率。其中：泡沫剂与水按一定比例所配置的泡沫混合液(泡沫)即为泡沫浓度，泡沫的浓度一般设定在1％～5％之间；泡沫混合液与高压气体在泡沫发生器的作用下生成数倍于泡沫混合液体积的泡沫即为泡沫发泡率，若泡沫浓度为0％时则称为水发泡率；泡沫、水以及膨润土注入开挖土体中与土体混合的比例即为注入率。如上所述，泡沫的各项参数可通过盾构泡沫改良系统的操作面板进行设定与调节，可通过盾构内的改良系统管路向刀盘正面、土仓内及螺旋机处注入泡沫。泡沫改良系统原理示意图如图1所示： 

当把泡沫浓度调整为0时，即为注水的改良方式，注入方式与管路与泡沫系统基本相同。而膨润土浆液采用独立输送系统：膨润土浆液预先拌制，然后通过运输系统输送至盾构内的膨润土浆液储浆槽内，再通过一台挤压 泵将膨润土浆液通过独立添加的管路注入土仓内，膨润土浆液的拌制配合比及浆液性能指标控制如下表1所示(Kg/m³)： 

表1膨润土浆液配合比及性能参数指标 

  膨润土   纯碱   水   粘度   比重   180   3   817   ＞28s   ＜1.06g/cm³

2.改良流程 

在盾构推进前或停止间隙期间预先往刀盘正面注水4～5m³，起到降低土体切削强度和刀盘扭矩，增加土体流动性，冷却刀盘及土仓内温度的作用。 

掘进过程中注水的同时，视各种土体情况及施工参数，注入泡沫，推进时视螺旋机出土情况及推进速度，往土仓内注入膨润土浆液，增加土体粘聚性。各种土体情况下的改良添加剂的使用参数如下： 

1).正常工况条件下，即在覆土深度为10～20m，卵石含量占整个土体容重的30～65％的工况条件下： 

泡沫浓度：3％ 

泡沫发泡率：12～15 

水注入率：25～30％、泡沫注入率：40～70％、膨润土浆液注入率：0～10％ 

膨润土浆液比重＜1.06g/cm³，粘度＞28s； 

土体的坍落度以16～20cm为宜，保证和易性良好。 

2).浅覆土工况条件下，即在覆土深度为小于10m，卵石含量占整个土体容重的30～65％的工况条件下： 

泡沫浓度：0％ 

水发泡率：12～25 

水注入率：30％、泡沫注入率：0％、膨润土浆液注入率：10％ 

膨润土浆液比重＜1.06g/cm³，粘度＞28s； 

盾构在高于地下水位的浅覆土工况条件下掘进，土体的含水率低、开挖强度高，开挖面的稳定较难控制，而采用加泡沫的改良方式，泡沫压力不易消散，土仓内压力易波动，泡沫容易从地表冒出来(泡沫的瞬间喷射压力可达到4Bar以上)，这时可提高加水及膨润土浆液的注入率，同时采用加水带气(即泡沫浓度为0％，水发泡率调整至12～20)的方式可以有 效地降低这种风险，此方法加大了水的注入强度，使水可渗入到刀盘前方更长距离，避免了局部土体强度的大幅度降低而影响开挖面稳定，加入的气体可迅速渗入土层中而不会对土压力造成影响。 

3).土层卵石含量大的工况条件下，即在覆土深度为10～20m，卵石含量大于整个土体容重的65％的工况条件下： 

泡沫浓度：3％ 

泡沫发泡率：8～12 

水注入率：10～20％、泡沫注入率：80～120％、膨润土浆液注入率：0％ 

土层卵石含量较大，刀盘扭矩高，刀具与卵石摩擦容易造成刀盘、土仓内温度升高，机械负荷大，刀具极易磨损，这时可降低加水的注入率(10～20％)，加大刀盘前方泡沫的注入率(80～120％)，同时降低泡沫发泡率(8～12)，泡沫浓度不变(3％)，起到润滑刀盘，利于切削的作用。在卵石含量较大的土层容易造成刀盘的卡机，这时可将泡沫充满整个土仓与刀盘间隙，反复正反转刀盘，问题即可解决。 

4).土层含砂量大的工况条件下，即在覆土深度为10～20m，卵石含量小于整个土体容重的30％的工况条件下： 

泡沫浓度：3.5～5％ 

泡沫发泡率：15～25 

水注入率：0～10％、泡沫注入率：70％、膨润土浆液注入率：10％ 

膨润土浆液比重＜1.10g/cm³，粘度＞40s。 

一旦遇到土层含砂量明显增大的情况，应停止或大幅度降低加水的注入率(0～10％)，否则容易造成土层的液化，土体和易性的降低，导致开挖面的不稳定、超挖、土层空洞以及螺旋机的喷涌等问题；这时盾构掘进的改良主要以泡沫及膨润土浆液为主，泡沫的发泡率可提高(15～25)，浓度适当提高(3.5％～5％)以增加泡沫的稳泡时间，延缓泡沫的消泡时间，防止砂层的液化；膨润土浆液应适当提高浆液的粘度(大于40s)，增加砂土的细微颗粒补给，提高土体塑性。 

实际效果： 

采用本发明的土体改良方法后，盾构掘进效率、施工成本等都有了明显改进，以下是采用该种土体改良方式与单独使用泡沫剂进行改良的参数对比： 

表2不同改良方式的参数比较