洛陽富水砂卵石層土壓平衡盾構(gòu)機渣土改良技術(shù)研究

聶艷青

摘 要：本文通過洛陽富水砂卵石層盾構(gòu)掘進數(shù)據(jù)統(tǒng)計及案例分析，得出泡沫劑可作為砂卵石地層抑制噴涌常態(tài)措施，在大粒徑卵石集中地質(zhì)條件下，可選取高分子聚合物做改良劑，解決砂礫石地層中渣土流動性差、防噴涌等問題。

關(guān)鍵詞：砂卵石層;渣土改良;泡沫劑;高分子聚合物

富水砂卵石地層中進行土壓平衡盾構(gòu)施工時，由于地層卵石含量高、強度大、無黏聚力等特點，掘進過程會導(dǎo)致刀盤刀具磨損嚴(yán)重、渣土流動性較差、進渣困難、土倉壓力難以保持等狀況出現(xiàn) [1-5]。針對上述問題，一般是在盾構(gòu)選型階段進行改進與參數(shù)優(yōu)化，同時在實際施工時對渣土進行改良，使其具有良好的流塑性、較低的內(nèi)摩擦力和較低的滲透性，從而保證施工順利進行。

本文以洛陽富水砂卵石地層盾構(gòu)施工為研究對象，對渣土改良進行了研究。本研究獲得的洛陽砂卵石地層渣土改良經(jīng)驗，對減少刀盤刀具磨損、防止結(jié)泥餅及噴涌等異常施工狀況具有重要意義。

1 工程概況

洛陽市軌道交通1號線土建02標(biāo)段周王城廣場站～應(yīng)天門站區(qū)間（以下簡稱周～應(yīng)區(qū)間）沿中州中路敷設(shè)，左右線起終點里程均為DK14+301.472～DK15+520.664，右線長度為1219.215m，左線長度為1219.192m。本區(qū)間隧道埋深9.9-24.2m共812環(huán)，其中1-210環(huán)及660-812環(huán)之間地層為上部粘土、下部卵石層，且水位位于隧道頂部以下; 210環(huán)-660環(huán)之間為富水全斷面卵石地層，且最低點處水位位于隧道頂部以上約5.3米。

周～應(yīng)區(qū)間場地地下潛水穩(wěn)定水位埋深17.60m-20.50m之間，相應(yīng)高程為125.20m-127.54m。地下水類型為孔隙潛水，含水層為卵石層和砂層。

2 砂卵石土的基本特性

砂卵石地層隨機分布著大粒徑卵石顆粒，組成該地層的粗顆粒大小變化較大，密實程度也存在一定的差異。地層顆粒的組成對于盾構(gòu)施工影響很大。圖1為周～應(yīng)區(qū)間砂卵石地層顆分曲線。

由圖1可以看出，洛陽砂卵石地層主要的特征便是含砂率很低，低含砂率對于土壓平衡盾構(gòu)施工渣土改良有較大影響，另外，富水條件下低含砂率帶來的強滲透性也是影響盾構(gòu)施工及安全的一個重要因素。

盾構(gòu)掘進過程中一些大顆粒粒徑的卵石被滾刀碾碎，根據(jù)室內(nèi)試驗要求，去除大粒徑的卵石，最大控制粒徑為8 cm^[6]。根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范^[7]，經(jīng)計算，天然狀態(tài)下砂卵石土的不均勻系數(shù)Cu =58.85>5，曲率系數(shù)Cc =4.06>1，該砂卵石土樣級配良好。盾構(gòu)掘進地層分布：1-210環(huán)及660-812環(huán)之間地層為上部粘土、下部卵石層; 210環(huán)-660環(huán)之間為富水全斷面卵石地層。

3 渣土改良方案實施

3.1 渣土改良的目的

在砂卵石地層中盾構(gòu)施工時，渣土改良的一般辦法就是向開挖面及土艙內(nèi)注入一定比例的土體改良劑來改變土體的狀態(tài)，使其達(dá)到盾構(gòu)正常掘進的要求^[3]。土壓平衡盾構(gòu)施工的土體改良材料常用的主要有泡沫劑、膨潤土以及高分子聚合物，其各自優(yōu)點及適用土層條件見表1^[8]。

3.2 現(xiàn)場渣土改良應(yīng)用分析

3.2.1 周～應(yīng)區(qū)間右線

洛陽地鐵周～應(yīng)區(qū)間右線盾構(gòu)在掘進1環(huán)～347環(huán)時，僅使用泡沫劑進行渣土改良，各種參數(shù)均正常，如圖2所示。

從第347環(huán)開始掘進過程采用膨潤土+泡沫劑進行渣土改良，如圖3所示?？梢钥闯龆軜?gòu)掘進至第378環(huán)時出現(xiàn)刀盤扭矩突然增大，此階段大粒徑卵石無法通過螺機帶出現(xiàn)象;掘進第387環(huán)時出現(xiàn)螺機被大直徑卵石卡死情況（大量卵石粒徑在35cm左右），如圖4所示;在第406環(huán)時伴隨有螺機噴涌現(xiàn)象，導(dǎo)致跳閘停機;在之后的掘進中，頻繁出現(xiàn)刀盤扭矩突然增大、螺機噴涌等現(xiàn)象，且渣土和易性較差，渣土較為松散，小粒徑卵石隨水回流進螺機內(nèi)，導(dǎo)致出土不暢。推進過程中刀盤扭矩忽大忽小，刀盤前無法建立土壓，直至掘進至430環(huán)停機。

采用膨潤土+泡沫劑進行渣土改良，在富水全斷面卵石層中改良效果不佳。經(jīng)分析決定從430環(huán)開始采用新型高分子聚合物進行渣土改良，如圖5所示。通過使用高分子聚合物進行渣土改良后，刀盤扭矩有明顯改善（見圖6），且螺機噴涌現(xiàn)象幾乎很少發(fā)生，盾構(gòu)掘進慢慢回歸正常，最終順利完成區(qū)間掘進。

3.2.2 周～應(yīng)區(qū)間左線

洛陽地鐵周～應(yīng)區(qū)間左線全區(qū)間盾構(gòu)使用泡沫劑進行渣土改良，掘進過程刀盤扭矩變化情況如圖8所示。從圖7可以看出，土壓平衡盾構(gòu)在砂卵石地層掘進時刀盤扭矩總體控制值波動較大，總體變化趨勢總體匹配區(qū)間穿越地質(zhì)情況，全斷面富水砂卵石段落刀盤扭矩較大。對區(qū)間刀盤扭矩值進行歸納分析，如圖8所示，可以看出正常掘進階段土平衡盾構(gòu)刀盤扭矩近似服從正態(tài)分布，浮動范圍為1600-5400kN*m，波動范圍較大。盾構(gòu)設(shè)備負(fù)荷較大，對掘進效能控制不太有利。

4 結(jié)語

渣土改良技術(shù)是土壓平衡式盾構(gòu)在復(fù)雜地層中掘進的關(guān)鍵技術(shù)手段。洛陽地鐵1號線周～應(yīng)區(qū)間隧道土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂卵石層掘進施工，在大粒徑卵石不集中段落僅使用泡沫劑進行渣土改良可以滿足現(xiàn)場掘進條件，如遇大粒徑卵石集中段落可以通過采用高分子聚合物改良渣土，有效解決了土壓平衡式盾構(gòu)在富水砂卵石層中掘進時，由于大粒徑卵石卡住刀盤而導(dǎo)致的無法連續(xù)出渣等問題，最終實現(xiàn)土壓平衡推進，極大地減小了刀盤扭矩、推進速度的波動范圍，為合理控制地層損失率提供了強有力的保障，從而保證了盾構(gòu)安全、高效地掘進施工，可以為國內(nèi)類似工程的盾構(gòu)法施工提供一點借鑒及參考，共同推動我國盾構(gòu)法施工技術(shù)的進一步發(fā)展。

參考文獻：

[1] 張潤來，宮全美，周順華等.砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工渣土改良試驗[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，47（5）：673-680.

[2] 許有俊，文中坤，閆履順等.多刀盤土壓平衡矩形頂管隧道土體改良試驗研究[J] .巖土工程學(xué)報，2016，38（ 2） ： 288.

[3] 郭彩霞，孔恒，王夢恕.無水大粒徑漂卵石礫石地層土壓平衡盾構(gòu)施工渣土改良分析[J].土木工程學(xué)報，2015，48（增1）：201-205.

[4] 江華，張晉勛，蘇藝等.砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)隧道施工土體改良試驗研究[J] .中國鐵道科學(xué)，2013，34（ 4） ： 40.

[5] 姜厚停，龔秋明，杜修力.卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工土體改良試驗研究[J] .巖土工程學(xué)報，2013，35（ 2） ： 284.

[6] PEILA D， PICCHIO A， CHIEREGATO A. Earth pressure balance tunnelling in rock masses： laboratory feasibility study of the conditioning process[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2013， 35： 55-66.

[7]建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計院. GB/50021–2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2001.

[8] 唐卓華，徐前衛(wèi)，楊新安等.富水砂層盾構(gòu)掘進渣土改良技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53（1）：153-158.