土壓平衡盾構(gòu)在黏土層及中風(fēng)化石英砂巖中渣土改良措施研究

盾構(gòu)施工雖然對地層有著廣泛適應(yīng)性、施工安全高等優(yōu)點，但因地質(zhì)情況不同，施工環(huán)境復(fù)雜，在盾構(gòu)施工中一定存在盾構(gòu)機的適應(yīng)性和施工方法、措施的調(diào)整。為明確土壓平衡盾構(gòu)施工在黏土層及中風(fēng)化石英砂巖中相匹配的施工措施或方法，通過廣泛文獻、資料和技術(shù)的調(diào)研，從土層的概述、盾構(gòu)施工掘進控制技術(shù)分析、改良系統(tǒng)、黏土及中風(fēng)化石英砂巖地層渣土改良技術(shù)果多個方面總結(jié)分析了盾構(gòu)法在面對上述條件下的具體處置措施。結(jié)果表明：采取分散型的泡沫劑就能夠?qū)ν寥肋M行改良，這種物質(zhì)和土壤能夠產(chǎn)生反應(yīng)，讓土壤軟化下來，并且能夠減少黏性。中風(fēng)化石英砂巖的處理方式可以進行強化，僅僅使用泡沫改良的效果有限。相關(guān)研究成果可為黏土層及中風(fēng)化石英砂巖條件下的盾構(gòu)施工提供參考借鑒。

盾構(gòu)； 黏土； 中風(fēng)化石英砂巖； 改良措施

TU455.43A

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-03-07

［作者簡介］孟曄（1995—），男，本科，主要從事地鐵施工工作。

0" 引言

查閱相關(guān)的技術(shù)論文及成果，發(fā)現(xiàn)：（1）針對軟硬混合復(fù)雜多變地質(zhì)條件下盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)國內(nèi)已有相關(guān)文獻報道，但針對黏土地質(zhì)變化至中風(fēng)化巖地層復(fù)雜變化對盾構(gòu)法隧道施工的影響尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究報道；（2）不同地質(zhì)情況的盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)研究國內(nèi)外已有相關(guān)的文件，但涉及多種不同地質(zhì)的上軟下硬施工控制及相應(yīng)地面沉降變化的研究較少。

1" 某工程土層概述

1.1" 土層介紹

隧道推進遇到的土層較多，有②1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1層黏土、⑤層粉質(zhì)黏土、⑥1黏土、⑥2層黏土、B142含碎石粉質(zhì)黏土、B182強風(fēng)化石英砂巖和B183中風(fēng)化石英砂巖。區(qū)間范圍內(nèi)地質(zhì)軟硬不均，復(fù)雜交互。地層強度和壓縮性差異較大。以上的土層狀況擁有較大的差異性，并且軟硬的程度也是不同的，同時也能夠融合在一起。地層強度和壓縮性差異普遍較大，所以在這種狀況下要使用土壓平衡盾構(gòu)隧道需要面臨較大的難度，因此要進行突破。

1.2" 土層的特性

對于黏土層進行分析，它的切面特點是帶有一定的光澤，并且擁有良好的韌性和強度，其中也包括了鐵錳物質(zhì)，但是黏土的顯著特點是黏性過大，在盾構(gòu)過程當中會導(dǎo)致盾構(gòu)設(shè)備出現(xiàn)堵塞問題，會影響工程進度［1］。

中度風(fēng)化石英砂巖的整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了膠狀的特征，并且它的中心是短柱的形狀，通過外部的敲擊可以產(chǎn)生清脆的聲音，并且屬于裂隙發(fā)育狀態(tài)，在實施盾構(gòu)工程時這些巖石會被設(shè)備切削成碎片，但是過程較為繁瑣，會磨損盾構(gòu)機的刀盤。因為巖石被外界風(fēng)化以后，會出現(xiàn)眾多的紋理特征，并且?guī)r石的縫隙當中擁有大量的水，如果水壓過高，在土倉當中也會形成噴涌狀態(tài)。大量的水會流入刀盤的開口位置，并且?guī)r石軟硬并不均勻，掘進過程當中盾構(gòu)機會出現(xiàn)抬頭現(xiàn)象，這就導(dǎo)致盾構(gòu)的姿態(tài)無法掌控，所以表面會出現(xiàn)塌陷等現(xiàn)象，同時也會磨損盾構(gòu)機的刀具。基巖可能會產(chǎn)生小范圍的頂板冒落，對工程建設(shè)產(chǎn)生一定影響，對區(qū)間的隧道施工風(fēng)險控制也是極大考驗。

1.3" 推進的難點

1.3.1" 黏土地質(zhì)情況下施工的難點

（1）機器在黏土層推進的過程，在遇水軟化后的土有很高的黏性，在以上區(qū)域還會產(chǎn)生大量的泥土污垢，造成刀盤上出現(xiàn)強大的阻力，機器會在推進過程中推力變大而速度變慢，使刀盤不轉(zhuǎn)，導(dǎo)致影響施工。

（2）盾構(gòu)機黏土中不易改良，改良差的情況下容易造成悶倉，影響正常施工進度。

（3）黏土掘進時土質(zhì)較硬，容易對螺旋機造成損傷。

1.3.2" 風(fēng)化石英砂巖地質(zhì)情況下施工的難點

（1）掌子面不穩(wěn)定，清理土倉泥巴、更換刀具不易，停機時間長，重新掘進后比較容易出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，導(dǎo)致地面沉降。

（2）易造成螺旋機出口出現(xiàn)噴涌、盾尾刷損壞的情況發(fā)生幾率較大，影響隧道施工的進度，造成巨大的安全隱患。

（3）在盾構(gòu)機推進的過程中石英砂巖地層對刀盤、刀具、螺旋機系統(tǒng)等磨損較為嚴重，造成換刀的次數(shù)增加，螺旋機等運輸設(shè)備需得到及時的修復(fù)，過程中會消耗太多的時間，及人力物力。

（4）巖石層推進過程中容易使刀盤扭矩過高，造成機器的機刀盤、螺旋機等設(shè)備卡死。

（5）地面沉降量不好控制，同步注漿、二次注漿、地面注漿對控制地面的情況較差，不容易控制情況。

施工時應(yīng)特別關(guān)注。巖石段推進的時候，盾構(gòu)機的姿態(tài)不好控制，非常容易出現(xiàn)變動較大的現(xiàn)象，容易對地層造成大的擾動，刀具出現(xiàn)磨損較為嚴重的現(xiàn)象，需要時刻注意著盾構(gòu)機的姿態(tài)以便及時的控制盾構(gòu)機的姿態(tài)，避免盾構(gòu)機的姿態(tài)發(fā)生大偏離軸線現(xiàn)象，推進過程中糾偏需要“勤糾偏、緩糾偏”，不能大幅度的糾偏，導(dǎo)致管片出現(xiàn)碎裂、錯臺。為了控制地面的沉降，需要采用同步注漿后及時的進行二次注漿［1］。

2" 盾構(gòu)施工掘進控制技術(shù)分析

2.1" 土壓平衡盾構(gòu)在黏土地層中渣土改良技術(shù)分析

螺旋機里面擠出來的黏土不會分散會呈整根土塊出現(xiàn)。黏土層的黏性太大，，黏土與土層里面的水不能有效的融合，水會附在泥巴的表面，在皮帶機上出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，無法及時將土運輸至土箱導(dǎo)致推進過程變慢，無法繼續(xù)推進，影響施工進度，造成經(jīng)濟損失［2］。

黏土的黏性比較大，不容易端口，條狀擠出后，易堆積在皮帶機出土口造成出土口堵塞，機器設(shè)備一旦出現(xiàn)故障以后，必須要進行處理，但是會占用額外的時間。

如果沒有對渣土進行充分的改良，必然會影響?zhàn)ね恋木鶆虺潭?。在這種情況下，水和土體加入泡沫劑以后仍然無法進行融合，在螺旋機器啟動以后，水和土體就會被帶出，因此會出現(xiàn)大量的噴涌現(xiàn)象，此時機器的皮帶就會隨之滑動［4］，這樣一來就給施工帶來了眾多問題，也影響到效率。

2.2" 土壓平衡盾構(gòu)在中風(fēng)化石英砂巖地層中渣土改良技術(shù)分析

在全斷面中風(fēng)化石英砂巖中，由于巖層裂隙較多，地下水在裂隙中形成多個匯水面，造成掘進時，打開螺旋機閘門時就立即噴涌（噴涌時，需要關(guān)閉閘門，一些較大石塊又卡在閘門處，造成閘門不能及時關(guān)閉），噴涌的渣土含水量極大，大顆粒的石塊能滿足皮帶輸送，但一些顆粒小的會混合水直接泄露在皮帶機滾筒下面流向盾尾或直接滴漏在后方臺車區(qū)域流向隧道。為保證管片拼裝質(zhì)量，拼裝前需要盾尾清潔后才能拼裝，這就造成施工效率低，隧道施工文明差。

如圖1所示，在全斷面硬巖中掘進，開挖面范圍內(nèi)受力后都是不易變形的，所以不像在軟土中掘進容易糾偏;而且在硬巖中過多的對姿態(tài)進行糾偏也會造成刀具的損壞。由于盾構(gòu)機在推進時刀盤轉(zhuǎn)動掌子面會反作用產(chǎn)生扭矩，造成盾構(gòu)機盾體旋轉(zhuǎn)，硬巖中盾體無法像在軟土中可以釋放部分扭矩，所以盾體易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。

3" 改良系統(tǒng)

為了對盾構(gòu)系統(tǒng)進行改良，可以配備兩種改良方式讓盾構(gòu)機正常運轉(zhuǎn)，分別有泡沫系統(tǒng)以及膨潤土系統(tǒng)［5］。兩種系統(tǒng)可以同時備用，在啟動期間只需要使用一套，可以使用球閥將兩個系統(tǒng)隔離起來，通過手動就能完成切換。

3.1" 泡沫系統(tǒng)

利用泡沫系統(tǒng)能夠改善渣土的特性，泡沫系統(tǒng)包括了泡沫泵、高壓水泵、泡沫發(fā)生器、壓力傳感器、各種管路等［3］。在控制室內(nèi)部就可以對泡沫系統(tǒng)進行掌控，并且在控制方式上有手動模式、自動模式以及半自動的模式，如果啟用手動模式，需要工作人員進行手動的調(diào)整，對泡沫水和氣流進行掌控。半自動模式：可預(yù)先設(shè)置好每個泵及氣體調(diào)節(jié)器的參數(shù)，由系統(tǒng)自動配比，司機只需根據(jù)現(xiàn)場情況控制每路泡沫的開關(guān)。自動模式：根據(jù)土艙壓力、掘進速度等，由系統(tǒng)自動控制，無需人為干涉。

巖土工程與地下工程孟曄，崔剛，姚峰： 土壓平衡盾構(gòu)在黏土層及中風(fēng)化石英砂巖中渣土改良措施研究

3.2" 膨潤土系統(tǒng)

圖2的內(nèi)容展示了膨潤土系統(tǒng)的運行原理，利用該系統(tǒng)可以對渣土展開有效的改良，但是要確保泡沫系統(tǒng)是關(guān)閉的狀態(tài)，因為雙方是共用的管道，要關(guān)閉泡沫泵的球閥［6］。開啟系統(tǒng)以后，膨潤土可以在輸入泵的作用下來到普倉以及刀盤內(nèi)部，在機器運轉(zhuǎn)過程當中就能夠改善渣土。在管道附近可以啟動球閥，通過10 s的等待，膨潤土的管路和周邊的設(shè)施就能夠共同運轉(zhuǎn)起來，同時該系統(tǒng)也可以保護其他設(shè)備的運行，達到目的以后可以關(guān)閉球閥，根據(jù)不同的功能將膨潤土與泥漿混合在一起。

3.3" 渣土改良的目的

對于渣土進行改良主要是實現(xiàn)土壓平衡，達到這一目的以后，在后期的開挖工程期間就能夠進行快捷的施工，同時還可以穩(wěn)定表面讓地表不會出現(xiàn)沉降問題，并且讓渣土的防水性能也會有所提升，能夠?qū)Φ叵滤臓顟B(tài)進行調(diào)整，讓渣土保持良好的流動性，使用輸送機可以更好的排土，避免刀盤形成大量的泥污。同時也能夠防止設(shè)備的噴涌問題，維護了刀盤的運轉(zhuǎn)，確保刀盤的扭矩處于平衡的狀態(tài)，避免刀盤出現(xiàn)快速的磨損，也能夠帶動效率的提升。

3.4" 渣土改良的方法

可以使用多種方式改良渣土，比如盾構(gòu)機會配備刀盤螺旋機，在以上部位添加一定的添加劑，比如膨潤土、泡沫等物質(zhì)，和水進行融合以后，在刀盤內(nèi)部進行旋轉(zhuǎn)大量的攪拌之后，膨潤土和添加劑就能夠充分的混合在一起，這樣可以改善渣土的特性，具備了更好的粘稠度，并且產(chǎn)生的摩擦力也會下降。

4" 黏土及中風(fēng)化石英砂巖地層渣土改良技術(shù)

4.1" 渣土改良劑的選擇

4.1.1" 渣土改良劑的功能

盾構(gòu)機推進過程當中，在每一個環(huán)節(jié)都會添加對應(yīng)的改良劑，利用改良劑能夠達到改善的效果，具體內(nèi)容可參考表1的內(nèi)容，在石英砂巖土層方面可以起到防止?jié)B水的作用，同時還可以讓土與石塊融合在一起。遇到沙性土壤以及巖石期間能夠支撐土層，并且改善土壤的流動性特征，遇到黏土層之后，可以改善黏土的性質(zhì)，避免黏土附著在刀盤上改良劑當中含有眾多氣泡，可以將土壤當中的縫隙水替換出來，所以可以起到止水的作用。

4.1.2" 泡沫劑使用

運用泡沫器需要提前設(shè)置好泡沫劑和水的比例，雙方混合在一起，調(diào)配不同的比例來滿足不同的需求，通常情況下滿足正常的絕境需求信息要按照固定的值，可以選擇3.2的比值，如果長時間的超扭矩工作，就要調(diào)整比例，流量無法進行掌控，很容易出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，所以可以將比例設(shè)置為3.5，泡沫的注入系統(tǒng)有三種使用方式，比如手動模式半自動的模式以及全自動模式。打開了自動模式以后泡沫的使用量通常較大，但購機在行進期間建議使用手動的控制模式，這樣也能夠減少泡沫的使用量，要求盾構(gòu)機駕駛?cè)藛T采取手動控制的模式，并且要觀看刀盤的扭矩狀態(tài)，根據(jù)外部的壓力以及土壤的性質(zhì)，以這些參數(shù)為主調(diào)整系統(tǒng)的流量，假如含水量過高，土壤的泡沫注入量就必須要進行調(diào)整［6］。

4.1.3" 膨潤土使用

膨潤土在盾構(gòu)機使用過程當中也有較多的，應(yīng)用膨潤土可以看作是黏土的類型，其中有蒙脫石以及硅的成分。在遇到同類物質(zhì)時，混凝土當中的物質(zhì)可以被置換在此過程當中，蒙脫石的晶體表面會出現(xiàn)電荷其中的靜電，具備吸附的作用。所以蒙脫石的成分非常特殊，這也讓膨潤土能夠產(chǎn)生膨脹和吸附能力。

鈣基彭潤土以及鈉基彭潤土是彭潤土的常見應(yīng)用類型，在施工方面鈉基彭潤土應(yīng)用是最廣泛的，所以此次的實驗同樣以納基膨潤土為例［7］。該類型的盆儲當中含有眾多的鈉離子，這些離子可以讓水充分的進入其中，水與鈉離子融合以后，晶體就會出現(xiàn)膨脹，這種膨脹可以達到40倍左右，膨潤土遇水吸收以后可以形成防滲漏的土層，并且還能夠保持較長時間膨脹，土的顆粒在此過程當中也會變成膏狀物質(zhì)，滲透系數(shù)可以調(diào)整為1×10-7 m/s以下，在這種情況下隔水性能非常優(yōu)秀，所以使用膨潤土能夠有效改善渣土，避免刀盤出現(xiàn)扭矩過大的現(xiàn)象［8］。

應(yīng)用膨潤土要作好配比，渣土和膨潤土的漿液必須要有合理的搭配，提前作好配比試驗，在施工期間要按照這種比例配備膨潤土和砂。

不同的比例配制出的膨潤土特點是不一樣的，比如按照1∶7制作出的土具備較大的流動性。如果使用1∶9的比例流動性就會減弱，采取1∶10的比例配制出的土樣流動性較差，并且可塑性較干。所以綜合以上試驗，沙土和膨潤土的漿液配置比例，建議設(shè)置為1∶9。如果將泡沫劑加入到膨潤土中，這種效果將會得到提升。

在盾構(gòu)機上通常會設(shè)置兩種改良系統(tǒng)，以膨潤土漿液注入系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)有注射泵、土罐、管道組成。膨潤土也會通過管道到土倉內(nèi)部，并且內(nèi)部配備了4個出口，這樣可以確保膨潤土的漿液均勻地噴灑到工作面上。

4.2" 黏土渣土改良措施

采取不同的泡沫劑產(chǎn)生的作用是不同的，以分散型的泡沫劑為例，如果要配置這種泡沫劑，可以采取4∶1的比例將分散劑和泡沫劑融合在一起，詳情可參考圖3內(nèi)容。分散劑與土壤完成了接觸之后，可以讓土壤的性質(zhì)出現(xiàn)變化，能夠軟化土壤的特性。這樣能夠讓土壤的流性更好，減少土壤的黏度。泡沫與改良劑混合到一起以后，通過刀盤的攪拌就能夠讓土體產(chǎn)生流動性（圖4）。

4.3" 中風(fēng)化石英砂巖渣土改良措施

泡沫劑和膨潤土配合，可以有效改良土壤［9］。盾構(gòu)機在掘進的過程中，各項參數(shù)要作出調(diào)整［10］。根據(jù)不同的狀況設(shè)置參數(shù)。膨潤土的漿液比例要按照1∶0.2進行配制，要滿足20 h的膨化效果，并且相對密度設(shè)置為1.08，粘度值是23 s。泡沫的配置參數(shù)設(shè)置為3.0發(fā)泡率控制在15%，并且設(shè)置4個管路完成輸入。

使用以上方式改善了土壤，為后期施工創(chuàng)造了有利條件，膨潤土具備良好的吸附性能和膨脹性，并且與石英砂層融合可以產(chǎn)生良好的潤滑作用，并具備流動性。將膨潤土以及泡沫劑混合起來，能夠讓分散的土層融合在一個區(qū)域具備了更好的可塑性，提升工作效率（圖5）。

5" 結(jié)論及建議

施工遇到了黏土層，建議采取分散型的泡沫劑改良土壤，泡沫劑與土壤混合，讓土壤軟化，并且能夠減少粘性。螺旋機的土體也會受到影響流動性更好。

中風(fēng)化石英砂巖的處理方式可以進行強化，僅僅使用泡沫改良的效果有限。應(yīng)該同步注入膨潤土來改良土體，填充土倉，建立穩(wěn)定的刀盤土壓，中和渣土中石塊和易性。同時使用泡沫劑及膨潤土改良土體比單一使用泡沫劑改良土體既經(jīng)濟又能有效改良土體塑流性。

對施工的建議：

（1）泡沫注入過程中必須嚴密注意壓力顯示，有堵塞情況時加大氣流疏通，嚴重時可用增壓水泵的水壓來疏通。保持合理的推進速度，不能過快或者過慢，否則就會影響推進的效果［11］。

（2）操作司機每個交接班前單獨操作每一管路，檢查堵

塞情況。如有堵塞情況發(fā)生，單獨用加大流量的方法疏通堵塞部位，嚴重時可用超挖刀泵的液壓油疏通。

（3）在配置膨潤土漿方面，必須要參考實驗室的比例，確保效果能夠持續(xù)20 h。

（4）中風(fēng)化石英砂巖在推進的過程當中可以按照以下步驟進行改良，首先混合膨潤土以及泡沫，啟動刀盤穩(wěn)定運行一段時間以后再開始推進，與此同時要將水注入其中，完成了一環(huán)推進以后，然后停止3 min再重復(fù)以上流程。

參考文獻

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