泥巖地層盾構(gòu)渣土改良技術(shù)研究

單青紅

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014）

1 引言

當(dāng)盾構(gòu)穿越黏性地層時(shí)，盾構(gòu)刀盤切削下來的渣土?xí)匦戮奂じ皆诘侗P上，發(fā)生“結(jié)泥餅”現(xiàn)象。泥餅的產(chǎn)生會降低刀盤的有效開口率，從而影響刀盤切削下渣土的通過率；泥餅對刀具的包裹會減小刀具的切削能力，降低掘進(jìn)速度，并造成滾刀的偏磨、刀具的損壞，嚴(yán)重時(shí)還會增加刀盤前方土體的阻力，降低盾構(gòu)機(jī)的有效推力，泥餅和地層的劇烈摩擦下會產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致渣土的溫度顯著提高，影響掘進(jìn)施工的效率[1]。目前，盾構(gòu)結(jié)泥餅問題尚未完全解決，盾構(gòu)泥餅仍會對工程進(jìn)度產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙。本文以成都軌道交通資陽線工程穿越泥巖、砂巖地層雙模盾構(gòu)為研究對象，分析泥餅形成過程，并提出相應(yīng)的渣土改良方案。

2 工程概況

成都軌道交通資陽線工程寶臺大道站—萇弘廣場站盾構(gòu)區(qū)間全長為2.45 km，區(qū)間最小埋深約11.9 m，最大埋深約45.3 m；平面最小曲線半徑570 m，最大曲線半徑690 m，最大縱向坡度28‰。工程線路平面位置如圖1 所示。

圖1 寶臺大道站—萇弘廣場站盾構(gòu)區(qū)間線路平面圖

盾構(gòu)機(jī)主要穿越地層為中風(fēng)化泥巖、砂巖地層，局部穿越強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖地層，地質(zhì)縱斷面如圖2 所示，區(qū)間地層主要以泥巖為主。泥巖中所含黏土礦物是盾構(gòu)結(jié)泥餅的重要因素。由于泥巖中的黏土礦物顆粒之間的結(jié)合力較弱，易于分層和變形，盾構(gòu)刀盤切削下來的泥巖碎屑與水?dāng)嚢杌旌虾髸蛎洸⒛嗷?/p>

圖2 寶臺大道站—萇弘廣場站區(qū)間線路地質(zhì)圖

現(xiàn)場泥巖土樣的礦物成分表如表1、表2 所示。

表1 泥巖土樣礦物組成%

表2 黏土礦物成分比

從表中可以看出，現(xiàn)場泥巖中黏土礦物含量占比近40%，且主要包括伊利石和伊蒙混層。伊利石與蒙脫石均具有較大的比表面積和較強(qiáng)的親水性，易導(dǎo)致土倉堵塞以及刀盤結(jié)餅現(xiàn)象出現(xiàn)[2]。

3 渣土改良措施

通過地質(zhì)情況調(diào)研，選取合理的改良材料，然后進(jìn)行渣土改良效果評價(jià)試驗(yàn)，初步確定渣土改良的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況及時(shí)調(diào)整渣土改良劑的配比和添加量。施工工藝如圖3 所示。

圖3 施工工藝流程圖

3.1 改良材料選取

目前，在工程應(yīng)用中使用的渣土改良劑主要包括水、泡沫劑、分散劑、黏土剝離劑等。

1）水是土三相的重要組成部分，獲取方便且成本低，是盾構(gòu)掘進(jìn)最常見的改良材料。天然土中，水以結(jié)合水或自由水的形式賦存，對于細(xì)粒土來說，可以減小土顆粒之間的摩擦，從而增大土體的流動性，降低抗剪強(qiáng)度，但在一定范圍內(nèi)，含水率的提高可以增大土體的黏附性。

2）泡沫屬于一種典型的“氣液兩相體”，當(dāng)泡沫劑在壓力作用下與大量空氣混合時(shí)，會形成一種薄膜結(jié)構(gòu)，使溶液產(chǎn)生發(fā)泡的效果。在渣土改良應(yīng)用中，通過發(fā)泡裝置產(chǎn)生大量泡沫，注入渣土之中，泡沫劑溶液中的表面活性劑成分可吸附于黏土顆粒的礦物晶片上，減弱顆粒間的液橋力和靜電力，能夠有效降低土的黏附性，從而起到改良效果。另外，泡沫的注入可以增加渣土的壓縮性，有助于盾構(gòu)控制土倉內(nèi)壓力的穩(wěn)定。

3）分散劑可以使物質(zhì)分散于水等介質(zhì)中，并形成膠體，從向降低微粒間的黏合力。在黏土地層中添加分散劑可以減小土顆粒間的相互作用，減少土顆粒上的結(jié)合水，降低土的黏附性，從而降低盾構(gòu)結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

4）黏土剝離劑是用于盾構(gòu)防結(jié)泥餅的新型改良劑，屬于陽離子表面活性劑，具有分散和滲透作用，可以顯著減少渣土、特別是黏性大的泥狀物附著在金屬表面。

3.2 渣土改良試驗(yàn)

根據(jù)施工渣土級配配制盾構(gòu)掘進(jìn)中土倉內(nèi)的渣土，并對其進(jìn)行渣土改良效果評價(jià)試驗(yàn)。通過坍落度試驗(yàn)（見圖4）確定渣土改良效果較好的添加劑配比（泡沫原液中分散劑比例或剝離劑比例、注水量、泡沫比等）。渣土坍落度過小則排渣困難，結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)高；坍落度過大則保壓困難，螺旋機(jī)易噴涌。經(jīng)測試，泥巖地層坍落度合理區(qū)間為15～18 cm。根據(jù)渣土改良試驗(yàn)結(jié)果，可大致判斷影響渣土改良的參數(shù)之間的關(guān)系，初步確定渣土改良的相關(guān)參數(shù)泡沫原液濃度為2.5%～3.5%，泡沫混合液與空氣流量比例約為1∶20，泡沫注入率為80%～120%，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況向原液中加入一定比例的分散劑（5%～15%）。

圖4 坍落度試驗(yàn)

3.3 應(yīng)用反饋與參數(shù)修正

施工時(shí)，選取既定的參數(shù)進(jìn)行渣土改良，應(yīng)定期檢查和維護(hù)泡沫水泵、電動閥、流量傳感器、泡沫管路等設(shè)備設(shè)施，確保其處于正常的工作狀態(tài)[3]。掘進(jìn)過程中，注意觀察掘進(jìn)參數(shù)，控制出土量，并注意觀察渣土性狀，及時(shí)改善泡沫發(fā)泡效果。在地質(zhì)情況變化區(qū)段，應(yīng)緩慢改良改變參數(shù)。在較易形成泥餅的地層中掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)對每環(huán)渣樣進(jìn)行多次取樣分析，掘進(jìn)時(shí)，還需對渣樣溫度實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。如遇渣土性質(zhì)變化，應(yīng)及時(shí)排查變化原因，并調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

4 掘進(jìn)控制措施

在盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)，應(yīng)結(jié)合地勘資料優(yōu)先選用開口率較大的刀盤；盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)選擇單管單泵模式，刀盤上泡沫孔及加水孔的數(shù)量夠多，能保證均勻改良切削下來的渣土[4]。在掘進(jìn)時(shí)，泡沫系統(tǒng)要保持常開狀態(tài)，尤其是刀盤中心位置的泡沫管路。泡沫和水要保證通過刀盤面板加入掌子面，而不是加入土倉。在掘進(jìn)黏土地層時(shí)，要保證在刀盤切削掌子面時(shí)改良好渣土流塑性。當(dāng)?shù)侗P結(jié)泥餅時(shí)，應(yīng)首先打通中心泡沫管路，開啟泡沫系統(tǒng)，反復(fù)正反轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行沖洗，或采用分散劑進(jìn)行泡倉。

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

軌道交通資陽線項(xiàng)目主要穿越中風(fēng)化泥巖、砂巖地層，在項(xiàng)目初始階段，選擇注入水、泡沫（130～150 L/ 環(huán)）和分散劑（5%～15%）進(jìn)行渣土改良，有效地改善了渣土的流動性，為盾構(gòu)機(jī)快速有序掘進(jìn)創(chuàng)造了條件。資陽線寶臺大道站—萇弘廣場站盾構(gòu)區(qū)間常壓開倉共計(jì)9 次，開倉步距500～600 m。在進(jìn)入全斷面泥巖地層區(qū)段時(shí)，單純泡沫和水對渣土改良效果作用有限，開倉檢查刀具時(shí)，中心刀區(qū)域及個(gè)別正面滾刀區(qū)域結(jié)有泥餅，滾刀刀箱泥巖碎屑、砂等混合物堵塞（見圖5），大部分滾刀仍能轉(zhuǎn)動；中心區(qū)域外刀盤其他開口處未被封閉，未對土倉有效進(jìn)土量產(chǎn)生明顯影響；渣土溫度正常，對盾構(gòu)機(jī)的機(jī)械設(shè)備影響不大，為初期結(jié)泥餅現(xiàn)象，盾構(gòu)機(jī)仍能正常掘進(jìn)。

圖5 滾刀被部分堵塞

在完成盾構(gòu)刀盤泥餅清理后，通過添加一定比例的黏土剝離劑（5%～15%），有效降低了泥巖渣土的黏附性，整體施工過程平穩(wěn)有序。優(yōu)化的渣土改良方案改善了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，盾構(gòu)的掘進(jìn)速度增加了約15%，推力減小了約10%，扭矩減小了約15%，提高了掘進(jìn)效率，節(jié)約了施工成本。

6 結(jié)語

泥巖地層是發(fā)生盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅的高風(fēng)險(xiǎn)地層，開倉清理雖然能有效地去除泥餅，但開倉耗時(shí)較久、費(fèi)用高且具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此，應(yīng)采用有效方法預(yù)防結(jié)泥餅，以顯著降低安全風(fēng)險(xiǎn)。本文提出了適用于泥巖地層盾構(gòu)渣土的改良方案，在添加黏土剝離劑后未出現(xiàn)因泥餅而產(chǎn)生的停機(jī)開倉。