王軍

[摘 要]在現(xiàn)場實際施工中發(fā)現(xiàn)，土壓平衡盾構(gòu)機在黏性土層中采用泡沫劑進(jìn)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(jìn)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(gòu)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(shè)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(gòu)的刀盤扭矩和推力，也降低了刀具磨損程度，提高了盾構(gòu)推進(jìn)速度，成功解決了盾構(gòu)啟動時瞬時扭矩過大的問題，起到了很好的效果?；诖耍疚膶ε菽c膨潤土混合液土體改良技術(shù)在石家莊地區(qū)盾構(gòu)施工中的應(yīng)用展開了分析。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)；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(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1673-0194（2017）06-00-02

0 引 言

盾構(gòu)法作為地鐵隧道施工應(yīng)用最廣泛的工法，在全國大江南北均有不同程度的應(yīng)用。但由于地質(zhì)情況分布不均，盾構(gòu)在穿越不同地質(zhì)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(zhì)地層中，需要對土體進(jìn)行改良后，方能保證盾構(gòu)的正常施工。但基于不同的地質(zhì)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(zhì)的土體改良方式已逐步成為盾構(gòu)施工的一項重要工作。

1 土體改良的技術(shù)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(yù)先進(jìn)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(nèi)外壓力平衡，能夠維持其盾構(gòu)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(jìn)入螺旋機并及時排出，防止土倉結(jié)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(shù)

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(xué)性能提高，對土壓的控制更為準(zhǔn)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(gòu)中心區(qū)域結(jié)泥餅的概率。

2.2 膨潤土改良技術(shù)

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(nèi)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(gòu)機內(nèi)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(shè)備穩(wěn)定土壓均有至關(guān)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(xì)密的聚合體，與水起反應(yīng)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(gòu)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(zhì)感，而納基膨潤土更為細(xì)膩，一般情況下，用于土體改良的膨潤土?xí)x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(gòu)掘進(jìn)施工過程中原液混合比一般設(shè)定為3%～5%，掘進(jìn)中發(fā)泡倍率一般設(shè)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(gòu)工程的實例

4.1 地質(zhì)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(jié)束。沿線盾構(gòu)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(zhì)黏土為地下7.5 m、中砂為地下3 m、粉質(zhì)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(zhì)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(gòu)法施工，該區(qū)間從地下二層車站始發(fā)，到達(dá)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(zhì)黏土、中粗砂層，最后經(jīng)過砂卵石層接收。

盾構(gòu)在穿越黏土層時，采用泡沫劑進(jìn)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(gòu)推進(jìn)速度在3 cm/min以上，最大推進(jìn)速度可達(dá)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(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)開始進(jìn)入砂性土層時，仍采用泡沫劑進(jìn)行土體改良，盾構(gòu)施工參數(shù)明顯發(fā)生變化。推進(jìn)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(jìn)，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(dá)到

4 000 kN·m左右。

盾構(gòu)持續(xù)推進(jìn)，進(jìn)入砂卵石層。在進(jìn)入過程中，最大推進(jìn)速度進(jìn)一步降低，扭矩仍持續(xù)增加。為減小扭矩，只能進(jìn)一步放慢推進(jìn)速度。推進(jìn)速度只能勉強維持在1 cm/min以內(nèi)，推進(jìn)速度極為緩慢。且刀盤扭矩仍不低于4 000 kN·m。盾構(gòu)進(jìn)入全斷面砂卵石層后，推進(jìn)極其困難，刀盤扭矩達(dá)到4 500 kN·m時，速度僅能達(dá)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(dá)到了5 500 kN·m。因為距離接收僅100 m左右，盾構(gòu)維持該速度完成了該區(qū)間施工。進(jìn)洞后發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)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(jìn)行土體改良

相關(guān)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(guān)資料的基礎(chǔ)上，決定采用膨潤土對砂性土和砂卵石地層進(jìn)行土體改良，隨后在東里站至槐安橋站盾構(gòu)區(qū)間中進(jìn)行了嘗試。

盾構(gòu)穿越黏性土地層時仍采用泡沫劑進(jìn)行改良。在進(jìn)入砂性土含量超過60%時，嘗試改用膨潤土進(jìn)行改良。采用納基膨潤土與水配比為0.15：1，經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，發(fā)酵24小時，讓其充分膨松。注入膨潤土?xí)r，發(fā)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)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(jìn)速度僅能達(dá)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(jìn)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(jìn)行充分拌合，能充分改善刀盤前和土倉內(nèi)的土體的流塑性，減小刀盤扭矩。但膨潤土不能讓原狀土進(jìn)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(gòu)施工均能起到一定的作用，但效果各不同。為此，相關(guān)人員可以考慮采用膨潤土和泡沫混合液同時對土體進(jìn)行改良。

4.4 采用泡沫、膨潤土混合液進(jìn)行土體改良

石家莊地區(qū)盾構(gòu)工程采用的鐵建重工土壓平衡盾構(gòu)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(jìn)行土體改良。在施工時明顯發(fā)現(xiàn)：刀盤扭矩和推進(jìn)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(jìn)速度可達(dá)到5 cm/min左右，進(jìn)入砂卵石層時，刀盤扭矩將至3 500 kN·m推進(jìn)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(rèn)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(jìn)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(dá)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(shù)的優(yōu)點，綜合運用方可讓效用達(dá)到最佳狀態(tài)。對比幾種不同改良技術(shù)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(shù)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(dǎo)致推進(jìn)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(zhuǎn)趨勢，雖加大油缸推力，但仍無法獲得良好的推進(jìn)速度；采用膨潤土、泡沫劑混合液進(jìn)行土體改良時，能充分將兩種改良液的優(yōu)點融合，能到達(dá)降低刀盤扭矩和推力，起到可靠的推進(jìn)速度的作用。

6 結(jié)論

（1）在黏性土層（或黏性土含量高）中，采用泡沫劑進(jìn)行土體改良是最切實可行，也是最經(jīng)濟(jì)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(jìn)行土體改良是最適應(yīng)的方法，但根據(jù)成分含量的變化應(yīng)適當(dāng)調(diào)整注入量和配比，才能達(dá)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(shù)至關(guān)重要，對提高盾構(gòu)施工速度、保護(hù)設(shè)備、節(jié)約成本均能起到十分重要的作用，在施工前應(yīng)做好充分的調(diào)研分析。

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