泡沫與膨潤土混合液土體改良技術在石家莊地區(qū)盾構施工中的應用

王軍

[摘 要]在現(xiàn)場實際施工中發(fā)現(xiàn)，土壓平衡盾構機在黏性土層中采用泡沫劑進行土體改良，能起到很好的效果。但是在砂卵石地層中采用純泡沫劑改良土體，會出現(xiàn)推力大、刀盤扭矩異常大、推進速度緩慢、刀具、螺旋機異常磨損的情況。由于無水砂卵石地層卵石含量高、顆粒間空隙大、互相間無黏聚力，盾構機在該地層中施工時，采用泡沫劑無法將土體改良成流塑狀。為此，通過增加膨潤土改良設備，同時將膨潤土和泡沫劑用于土體改良，能較大程度上降低盾構的刀盤扭矩和推力，也降低了刀具磨損程度，提高了盾構推進速度，成功解決了盾構啟動時瞬時扭矩過大的問題，起到了很好的效果?；诖?，本文對泡沫與膨潤土混合液土體改良技術在石家莊地區(qū)盾構施工中的應用展開了分析。

[關鍵詞]盾構；膨潤土；泡沫劑

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.06.068

[中圖分類號]U455.43 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2017）06-00-02

0 引 言

盾構法作為地鐵隧道施工應用最廣泛的工法，在全國大江南北均有不同程度的應用。但由于地質情況分布不均，盾構在穿越不同地質情況時，需要采取的措施也不盡相同。特別是在無地下水的硬質地層中，需要對土體進行改良后，方能保證盾構的正常施工。但基于不同的地質條件，土體改良方式的差別也很大。如何選取適合自身工程地質的土體改良方式已逐步成為盾構施工的一項重要工作。

1 土體改良的技術要求

（1）在土層較硬、含水量小、流塑不好的情況下，要對刀盤前的土體預先進行持續(xù)不斷的改良。

（2）將刀盤切削下來的土體改良成流動性好、能夠建立起土倉內外壓力平衡，能夠維持其盾構刀盤切口穩(wěn)定。

（3）增加土體的流動性，能夠讓土體較好的進入螺旋機并及時排出，防止土倉結餅和刀盤被泥土和鐵板砂覆蓋。

2 土體改良的幾種常規(guī)方法

2.1 泡沫改良技術

泡沫劑主要由多種表面活性劑、穩(wěn)定劑、強化劑組成，需要與水、空氣混合，通過發(fā)泡裝置將泡沫劑形成直徑為0.4 mm以下的氣泡，與開挖土體混合后，使土體的流塑性增強，摩擦力使土體更容易開挖和運輸，由于土體的力學性能提高，對土壓的控制更為準確；同時由于泡沫劑自身有一定的強度，也可以在一定程度上增強開挖面的穩(wěn)定性；泡沫劑的可壓縮性可以降低盾構中心區(qū)域結泥餅的概率。

2.2 膨潤土改良技術

由于膨潤土具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性以及良好的自封閉性，在土粒內部和土粒之間形成濾餅，可以演變?yōu)榈蜐B透性的薄膜，在土壓平衡盾構機內注入膨潤土泥漿可以明顯改善土體的密實性和流塑性，對提高土體的可開挖性、防水、輔助設備穩(wěn)定土壓均有至關重要的意義。

2.3 聚合物

聚合物一般用于水量較大的地層，聚合物是一種細密的聚合體，與水起反應時，可以形成具有一定強度的壓力體，在地層發(fā)生噴涌時，泡沫和膨潤土對防水和維持壓力都難以起到作用時，可以在螺旋機中形成一個土塞，從而起到穩(wěn)定開挖面的作用（這種方法在石家莊地區(qū)盾構施工工程中不適用）。

3 土體改良材料的選擇

3.1 膨潤土的選用

膨潤土一般可分為納基和鈣基兩種，實驗發(fā)現(xiàn)，鈣基膨潤土較為合適的配比是每升水加0.8 kg的膨潤土，納基膨潤土每升水加0.15 kg的膨潤土，對比采用納基膨潤土用量少，節(jié)約費用。同時，鈣基膨潤土有明顯的砂質感，而納基膨潤土更為細膩，一般情況下，用于土體改良的膨潤土會選用納基膨潤土，每方水加入約3袋（共150 kg）納基膨潤土。

3.2 泡沫劑的選用

通過實驗，在盾構掘進施工過程中原液混合比一般設定為3%～5%，掘進中發(fā)泡倍率一般設定在6倍～10倍，泡沫流量一般在400 L/min～500 L/min較為合適。

4 石家莊地區(qū)盾構工程的實例

4.1 地質情況介紹

石家莊地鐵3號線首開段沿中華大街走向，從小灰樓站開始至石家莊站結束。沿線盾構區(qū)間共4個，雙線全長3.2 km。該區(qū)段地勢較為平坦，從地面開始土層分布如下：素填土為地下1.7 m、黃土狀粉質黏土為地下7.5 m、中砂為地下3 m、粉質黏土為地下4.1 m、中粗砂為地下8.3 m、含卵石中粗砂為地下11.2 m、粉質黏土為地下3 m。地下水埋深為地面以下40 m。

4.2 采用泡沫劑改良土體的效果

石家莊地鐵3號線小灰樓站至中山廣場站區(qū)間采用盾構法施工，該區(qū)間從地下二層車站始發(fā)，到達地下三層車站接收。該區(qū)間從全斷面黏土層開始，中間穿越粉質黏土、中粗砂層，最后經(jīng)過砂卵石層接收。

盾構在穿越黏土層時，采用泡沫劑進行土體改良，泡沫注入比控制在3%～5%。沒有采取其他的改良措施，施工時盾構推進速度在3 cm/min以上，最大推進速度可達8 cm。推力在12 000～23 000 kN，刀盤扭矩在2 500～3 500 kN·m，螺旋機出土也較為順暢，未發(fā)生異常情況。

盾構繼續(xù)掘進開始進入砂性土層時，仍采用泡沫劑進行土體改良，盾構施工參數(shù)明顯發(fā)生變化。推進速度開始變緩，刀盤扭矩明顯有加大趨勢。但基本還能維持2 cm/min的速度繼續(xù)掘進，能明顯感覺渣土有溫度變高的趨勢。在該階段施工時，扭矩達到

4 000 kN·m左右。

盾構持續(xù)推進，進入砂卵石層。在進入過程中，最大推進速度進一步降低，扭矩仍持續(xù)增加。為減小扭矩，只能進一步放慢推進速度。推進速度只能勉強維持在1 cm/min以內，推進速度極為緩慢。且刀盤扭矩仍不低于4 000 kN·m。盾構進入全斷面砂卵石層后，推進極其困難，刀盤扭矩達到4 500 kN·m時，速度僅能達到

3 mm/min，且刀盤啟動異常困難，每次停機后在啟動時扭矩達到了5 500 kN·m。因為距離接收僅100 m左右，盾構維持該速度完成了該區(qū)間施工。進洞后發(fā)現(xiàn)盾構機刀具已全部磨損，需全部更換。刀盤前80%開口面積被泥餅覆蓋，不具備出土能力。由此可以判定，采用泡沫劑改良黏性土是完全可行的，用泡沫劑改良砂性土能起到一定作用，但效果不如改良黏性土明顯；單純用泡沫劑改良砂卵石地層作用不明顯，需要輔以其他措施。

4.3 采用膨潤土進行土體改良

相關人員鑒于前期在砂卵石地層中采用純泡沫劑改良無法取得好的效果，在查閱相關資料的基礎上，決定采用膨潤土對砂性土和砂卵石地層進行土體改良，隨后在東里站至槐安橋站盾構區(qū)間中進行了嘗試。

盾構穿越黏性土地層時仍采用泡沫劑進行改良。在進入砂性土含量超過60%時，嘗試改用膨潤土進行改良。采用納基膨潤土與水配比為0.15：1，經(jīng)充分攪拌均勻后，發(fā)酵24小時，讓其充分膨松。注入膨潤土時，發(fā)現(xiàn)刀盤轉動時扭矩明顯減小，數(shù)據(jù)在2 000～

2 800 kN·m，每次停機后重新啟動刀盤時扭矩不大，啟動較為容易。但推力明顯增加，推力增大至25 000 kN～35 000 kN，推進速度僅能達到1.5 cm/min左右，出土仍比較困難，土體改良效果不明顯。

由此可以判定：在刀盤前注入膨潤土進行土體改良，對于減小刀盤扭矩能起到較好的作用。用于膨潤土泥漿在刀盤前與土體進行充分拌合，能充分改善刀盤前和土倉內的土體的流塑性，減小刀盤扭矩。但膨潤土不能讓原狀土進行發(fā)泡、膨松，對于改良刀盤前方土體仍起不到明顯作用。

通過以上的分析，泡沫劑和膨潤土均能在一定程度上改良土體，對盾構施工均能起到一定的作用，但效果各不同。為此，相關人員可以考慮采用膨潤土和泡沫混合液同時對土體進行改良。

4.4 采用泡沫、膨潤土混合液進行土體改良

石家莊地區(qū)盾構工程采用的鐵建重工土壓平衡盾構機共10個注入孔，其中4個泡沫主入孔，6個泡沫注入孔。在施工時，泡沫和膨潤土同時使用，泡沫和膨潤土通過各自管路在前方匯合后，分成6條管路，5條直接注入刀盤前方土體，1條注入土倉。

在東槐區(qū)間施工時，由于單加膨潤土無法起到良好的效果，遂改用膨潤土和泡沫混合液進行土體改良。在施工時明顯發(fā)現(xiàn)：刀盤扭矩和推進速度均有不同程度的改善，在砂性土層施工時，刀盤扭矩降到2 500 kN·m，推進速度可達到5 cm/min左右，進入砂卵石層時，刀盤扭矩將至3 500 kN·m推進速度在3 cm/min。渣土的流塑性也得到了很大的改善。

該區(qū)間在施工完畢后，檢查刀盤和刀具，相比之下，刀具的磨損情況較小中區(qū)間施工時要輕微許多，經(jīng)廠家現(xiàn)場勘驗，認為刀具不用更換，可在下個區(qū)間施工時繼續(xù)使用。

5 采用泡沫、膨潤土混合液進行土體改良的施工效果

實際施工發(fā)現(xiàn)，在黏性土中，單純采用泡沫劑即可達到良好效果，但在砂性土或砂卵石地層中施工時，需要充分利用各種不同改良技術的優(yōu)點，綜合運用方可讓效用達到最佳狀態(tài)。對比幾種不同改良技術在砂性土或砂卵石地層中施工的參數(shù)，詳見圖1和圖2。

比對各種土體改良技術在實際施工中的效果，可以發(fā)現(xiàn)：采用單加泡沫劑改良時，刀盤扭矩較大，導致推進速度受限；采用單加膨潤土改良時，油缸推力較大，刀盤呈現(xiàn)空轉趨勢，雖加大油缸推力，但仍無法獲得良好的推進速度；采用膨潤土、泡沫劑混合液進行土體改良時，能充分將兩種改良液的優(yōu)點融合，能到達降低刀盤扭矩和推力，起到可靠的推進速度的作用。

6 結論

（1）在黏性土層（或黏性土含量高）中，采用泡沫劑進行土體改良是最切實可行，也是最經(jīng)濟的土體改良方式。

（2）在砂性土層（或砂卵石地層）中，采用泡沫劑和膨潤土混合液進行土體改良是最適應的方法，但根據(jù)成分含量的變化應適當調整注入量和配比，才能達到理想的效果。

（3）泡沫劑對于改良刀盤前方土體時，能讓土體膨松起到很好的作用，便于刀盤切削前方土體。膨潤土對于增加土體的流塑性，改善土體的和易性能起到很好的效果，但是需要制作一整套龐大的膨潤土系統(tǒng)，且膨潤土需要經(jīng)過至少24小時的膨化時間才能使用。

（4）不同地層施工時選用合適的土體改良技術至關重要，對提高盾構施工速度、保護設備、節(jié)約成本均能起到十分重要的作用，在施工前應做好充分的調研分析。

主要參考文獻

[1]魏新良.盾構在砂卵石地層中掘進應用土體改良的技術[J].城市道橋與防洪，2012（6）.

[2]江華，張晉勛，蘇藝，等.砂卵石地層土壓平衡盾構隧道施工土體改良實驗研究[J].中國鐵道科學，2013（4）.

[3]郭彩霞，孔恒，王夢恕.無水大粒徑漂卵石地層土壓平衡盾構施工渣土改良分析[J].土木工程學報，2015（z1）.