土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工渣土改良指標(biāo)探討

鄒超（中國(guó)中鐵一局第四工程有限公司，陜西咸陽712000）

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土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工渣土改良指標(biāo)探討

鄒超
（中國(guó)中鐵一局第四工程有限公司，陜西咸陽712000）

摘要：為了改良土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工中渣土性能指標(biāo)，根據(jù)多個(gè)城市地鐵土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，對(duì)渣土性能指標(biāo)的改良進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明，渣土性能改良后,土體流塑性得到了改善，摩擦性顯著降低，刀盤扭矩顯著減小，盾構(gòu)刀具磨損減少，支掌面穩(wěn)定性提高。

關(guān)鍵詞：土壓平衡；盾構(gòu)法；隧道施工；渣土改良

土壓平衡盾構(gòu)施工的關(guān)鍵是用開挖出的土體作為支撐開挖面穩(wěn)定的介質(zhì)，因此要求作為支撐介質(zhì)的土體具有良好的流塑性和保水性。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)施工中的渣土改良做了深入研究。Raffaele Vinai[1]等通過室內(nèi)圓錐坍落度試驗(yàn)和壓力艙模型試驗(yàn)設(shè)備對(duì)改良土進(jìn)行研究；宋克志[2]研究了無水砂卵石地層在土壓平衡式盾構(gòu)工法下的土體改良，利用泡沫技術(shù)對(duì)砂卵石地層進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；周永攀[3]對(duì)卵石地層土壓平衡盾構(gòu)法施工土體的改良進(jìn)行了研究。為此，本文通過渣土滲透性、粘聚性、保水性和塌落度等室內(nèi)試驗(yàn)，為改良了渣土配合比提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1　概述

通過廣州地鐵3號(hào)線、鄭州地鐵1號(hào)線、石家莊地鐵1號(hào)線、鄭州地鐵2號(hào)線、成都地鐵4號(hào)線以及北京地鐵7號(hào)線等城市的土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工實(shí)踐，結(jié)合設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，對(duì)渣土改良進(jìn)行了一些試驗(yàn)，充分認(rèn)識(shí)到渣土改良效果對(duì)盾構(gòu)刀具磨損、地表沉降控制、綜合施工功效、施工成本控制等的影響，利用科學(xué)的試驗(yàn)手段，總結(jié)提煉出土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工渣土改良的相關(guān)指標(biāo)。

2　土壓平衡盾構(gòu)法施工原理

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)利用改良好的渣土形成土倉(cāng)壓力，來平衡前方掌子面的水土壓力(如圖1所示)。保證開挖面的相對(duì)穩(wěn)定，并通過控制盾構(gòu)推進(jìn)千斤的速度和螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，來保持土艙內(nèi)改良渣土的壓力與掌子面前方水土壓力達(dá)到平衡，盾構(gòu)機(jī)持續(xù)向前掘進(jìn)，螺旋輸送機(jī)持續(xù)排土，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)。

圖1　土壓平衡式盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定原理示意圖

3　設(shè)計(jì)及施工規(guī)范對(duì)渣土改良的要求

盾構(gòu)施工規(guī)范《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》GB50446-2008中7.3.1條規(guī)定盾構(gòu)機(jī)需要配置渣土改良系統(tǒng)，并在盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收階段要納入驗(yàn)收。7.5.2條掘進(jìn)中應(yīng)監(jiān)測(cè)和記錄盾構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，排出渣土情況并及時(shí)分析反饋，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。7.5.5條要求根據(jù)盾構(gòu)穿過的地層條件，可有選擇地向土倉(cāng)內(nèi)適當(dāng)注入泥漿或水、泡沫劑、聚合物等，以改良倉(cāng)內(nèi)土質(zhì)，使其保持一定程度的塑性流動(dòng)狀態(tài)。建立土倉(cāng)內(nèi)平衡土壓力，保持開挖面的穩(wěn)定，同時(shí)易于排土。8.2.8條規(guī)定采用土壓平衡盾構(gòu)通過砂卵石地段時(shí)，應(yīng)進(jìn)行渣土改良。而對(duì)具體的渣土改良指標(biāo)與方法沒有提及，不利于實(shí)施與控制。

4　渣土改良相關(guān)指標(biāo)的提出

4.1渣土改良的原則、目的和意義

在土壓平衡盾構(gòu)施工中，土倉(cāng)內(nèi)渣土能形成良好的流塑性，是盾構(gòu)順利推進(jìn)的重要前提。通常中粗砂地層流塑性差、力學(xué)穩(wěn)定性也較差，粘土地層粘聚性太大，為了使開挖土體有良好的流動(dòng)性，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)如遇中粗砂地層，需向掌子面添加膨潤(rùn)土泥漿，以改善中粗砂地層的物理特性；如遇粘土地層，需向掌子面注入泡沫，最終形成具有低透水性和較好流塑性的混合渣土，經(jīng)土倉(cāng)向掌子面?zhèn)鬟f設(shè)定的平衡壓力，使盾構(gòu)機(jī)始終在保持水土壓力動(dòng)態(tài)平衡的條件下持續(xù)向前掘進(jìn)。

盾構(gòu)掘進(jìn)中添加改良材料對(duì)不良地層進(jìn)行改良的目的和意義：

1）通過改良可有效地保持開挖面穩(wěn)定。改良材料能有效提高開挖面土體的強(qiáng)度，從而對(duì)開挖面土體起到支護(hù)作用，進(jìn)一步減少掌子面失穩(wěn)的可能。

2）減小渣土對(duì)刀盤與刀具的磨損。中粗砂或卵石層顆粒松散，幾乎無粘聚力，顆粒通過內(nèi)摩擦角傳力，向開挖面土體添加改良材料后，有效增加顆粒間的粘聚力，減小渣土的密實(shí)度，增加渣土的流塑性，改善土體的受力狀況，從而并減小渣土對(duì)刀盤與刀具的磨損。

3）防止渣土粘附在刀盤、刀具及螺旋輸送機(jī)內(nèi)，造成泥餅與堵塞現(xiàn)象，降低刀盤扭矩，減小盾構(gòu)機(jī)的負(fù)荷，進(jìn)而提高掘進(jìn)速度。

4.2渣土改良指標(biāo)提出

根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)原理及需要達(dá)到的結(jié)果，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)提出以下重要指標(biāo)。

4.2.1渣土流動(dòng)性

土壓平衡盾構(gòu)渣土流動(dòng)性主要用坍落度來表達(dá)，根據(jù)室內(nèi)渣土試拌試驗(yàn)結(jié)果顯示，渣土坍落度在90～120mm時(shí)，消耗的扭矩較小。

4.2.2保水性

土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)，渣土的保水性嚴(yán)重影響盾構(gòu)臨時(shí)停機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短，如果保水性好，盾構(gòu)臨時(shí)停機(jī)后渣土不會(huì)離析或大量失水而導(dǎo)致渣土性能嚴(yán)重變化，致使盾構(gòu)啟動(dòng)困難，啟動(dòng)階段刀盤扭矩過大，甚至無法正常啟動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)分析，渣土保水率在75%～80%時(shí)，渣土靜置3h后，流動(dòng)性影響較小，坍落度損失約10～15mm。

4.2.3粘聚性

土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)泥餅形成的機(jī)理指出，其影響因素主要有：刀盤開口形式、刀盤溫度情況、臨時(shí)停機(jī)時(shí)間、土壓設(shè)定情況、渣土的粘聚性等。但主要原因之一還是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)當(dāng)遇上渣土粘聚性較大時(shí)，一旦刀盤溫度稍高就容易從刀盤中心開始，形成強(qiáng)度很高的泥餅，這將嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率，甚至?xí)p傷設(shè)備。

4.2.4滲透性

土壓平衡盾構(gòu)法施工時(shí)，地質(zhì)條件、水文情況、掘進(jìn)參數(shù)是引發(fā)螺旋輸送機(jī)噴涌的決定性因素，在砂卵石等富水地層地下水的通路沒有阻斷、泡沫、膨潤(rùn)土等改良材料使用不當(dāng)，渣土改良不理想，未能有效降低渣土的滲透性，極易引發(fā)螺旋輸送機(jī)噴涌。土壓平衡盾構(gòu)渣土滲透性主要用滲透系數(shù)來表達(dá)，如果滲透系數(shù)太大，則在富水地層掘進(jìn)時(shí)，容易導(dǎo)致螺旋噴涌，而引發(fā)事故。

5　渣土改良配合比設(shè)計(jì)原理

渣土拌和物是由膨潤(rùn)土、砂、水及攪拌時(shí)混入的空氣組成的多相分散體系,塑性渣土中的膨潤(rùn)土漿是連續(xù)相,砂粒成了膨潤(rùn)土漿中的分散相,這是渣土拌和物在重力或外力作用下能流動(dòng)變形的原因。低塑、中塑和高塑的差別就在于膨潤(rùn)土漿的粘度及砂粒間膨潤(rùn)土漿的厚度不同。渣土中還有一定量的氣相,以氣泡狀態(tài)分布在膨潤(rùn)土漿中,也能增加渣土的流動(dòng)性。如圖2所示。

圖2　渣土多相示意圖

5.1渣土流動(dòng)性試驗(yàn)

5.1.1渣土試拌

渣土改良初步配合比設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)專用機(jī)械攪拌儀器，在恒定轉(zhuǎn)速條件下，將不同坍落度的等量渣土放入攪拌儀器內(nèi)進(jìn)行拌和，并記錄每次正常拌和時(shí)試驗(yàn)的扭矩值以及停機(jī)后啟動(dòng)階段扭矩值，從而找出：

1）正常拌合階段攪拌儀器的扭矩與渣土坍落度之間的關(guān)系。

2）停機(jī)一段時(shí)間后啟動(dòng)階段扭矩與渣土保水率之間的關(guān)系。

5.1.2渣土改良后的坍落度試驗(yàn)

用測(cè)定拌和物和易性的方法，測(cè)定渣土拌和物在自重作用下的流動(dòng)性。如圖3所示。

圖3　渣土坍落度試驗(yàn)示意圖

5.2渣土改良后保水性試驗(yàn)

渣土保水率試模用規(guī)定流動(dòng)度范圍的新拌渣土，按規(guī)定的方法進(jìn)行吸水處理。渣土保水率就是吸水處理后渣土中保留水的質(zhì)量，并用原始水量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示。

渣土保水率計(jì)算式：

式中：w——渣土保水率（%）；

m1——底部不透水片與干燥試模質(zhì)量（g），精確至1g;

m2——15片濾紙吸水前的質(zhì)量（g）,精確至0.1g;

m3——試模、底部不透水片與渣土總質(zhì)量（g），精確至1g;

m4——15片濾紙吸水后的質(zhì)量（g）,精確至0.1g;

a——渣土含水率（%）。

5.3渣土改良后的粘聚性試驗(yàn)

利用直接剪切試驗(yàn)，測(cè)定泥餅在不同垂直壓力下的水平剪切破壞，求得測(cè)定土樣的摩擦角和粘聚力。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線傾角為摩擦角，直線在縱坐標(biāo)軸上截距為粘聚力。

5.4渣土改良后的滲透性試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定滲透系數(shù)k的儀器和試驗(yàn)方法很多，但從試驗(yàn)原理上大體可分為“常水頭法”和“變水頭法”兩種。常水頭試驗(yàn)適用于測(cè)定透水性大的沙性土滲透參數(shù)，而改良后的渣土滲透系數(shù)很小，滲透水量很少，須改用變水頭試驗(yàn)。液體在空隙介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，因液體粘性會(huì)引起水頭損失，且滲流流速極微小，所以，流速水頭可忽略不計(jì)。因此，總水頭H可用測(cè)壓管水頭h來表示。水頭損失hw可用測(cè)壓管水頭差表示。

5.5原土試驗(yàn)

根據(jù)區(qū)間地質(zhì)勘察報(bào)告，提煉出盾構(gòu)開挖面所主要包括的地層，在車站施工時(shí)，對(duì)相應(yīng)的地層號(hào)取出原狀土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)。通過試驗(yàn)確定土樣的顆粒級(jí)配、天然含水率、密實(shí)度等主要指標(biāo)，為渣土改良試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

5.6試掘進(jìn)階段改良配合比動(dòng)態(tài)調(diào)整

試掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)區(qū)間土層含水量對(duì)理論配合比進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)操作原理與步驟，地質(zhì)與水文資料，計(jì)算出主動(dòng)土壓力，輸入推力、刀盤轉(zhuǎn)速，反饋掘進(jìn)速度和刀盤扭矩。當(dāng)土壓、推力、刀盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，刀盤扭矩與渣土改良有一定的關(guān)系，在施工配合比的條件下，分多組進(jìn)行試驗(yàn)。

推進(jìn)過程中膨潤(rùn)土改良液的輸入量計(jì)算：

Q=k·v·A·t

式中：k——膨潤(rùn)土液與原狀土的比例；

A——土壓平衡盾構(gòu)刀盤開挖面積m2；

t——單位掘進(jìn)時(shí)間min；

v——土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)速度mm/min。

盾構(gòu)試掘進(jìn)階段參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　盾構(gòu)試掘進(jìn)階段參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4　盾構(gòu)試掘進(jìn)階段刀盤扭矩與掘進(jìn)速度及膨潤(rùn)土液注入速度關(guān)系圖

由圖4可知，當(dāng)膨潤(rùn)土液注入速度與盾構(gòu)掘進(jìn)速度基本匹配時(shí)，刀盤扭矩在掘進(jìn)速度為20～40mm/min時(shí)，基本穩(wěn)定在1850kN·m左右，渣土坍落度也基本穩(wěn)定在110mm左右。掘進(jìn)速度提高到45～65mm/min時(shí)，刀盤扭矩隨掘進(jìn)速度的增大明顯增加（從1970kN·m迅速上升到3010kN·m），同時(shí)坍落度波動(dòng)嚴(yán)重（波動(dòng)幅度達(dá)55mm）。分析原因可能是在刀盤轉(zhuǎn)速不變的情況下，掘進(jìn)速度過快，渣土在土倉(cāng)中攪拌不均勻，導(dǎo)致扭矩明顯增加，坍落度波動(dòng)嚴(yán)重。

6　總結(jié)

影響渣土性能指標(biāo)因素除了渣土的表面光滑程度外，取決于渣土相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)渣土粒的接觸點(diǎn)多少，渣土粒不是均勻理想地分散在改良液中的，其中一些渣土?；ハ嘟佑|,流動(dòng)過程中相互摩擦。在攪拌均勻的情況下，影響渣土接觸點(diǎn)多少的因素是渣土顆粒間改良漿液的厚度；改良漿液越厚,接觸幾率越少，渣土顆粒間摩擦力就小，渣土的流動(dòng)性就大，反之則小。影響渣土顆粒間改良漿液厚度的因素是改良漿液量、渣土顆粒的空隙率和比表面，改良漿液量多、渣土顆粒粗及空隙率小時(shí)，渣土顆粒間改良漿液的厚度就大，流動(dòng)性就越好。

參考文獻(xiàn):

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中圖分類號(hào)：TU432