盾构在砂卵石地层中掘进应用土体改良的技术

魏新良

（上海隧道工程股份有限公司，上海200082）

1 成都地铁1号线盾构1标区间隧道沿线地质情况

⑴成都地铁1号线盾构1标区间隧道（包括红花堰站-火车北站-人民北路站，全长4755单线延米）盾构施工穿越的土层主要为③7和④4卵石土，局部穿越③4粉细砂、②8-3中密卵石土。盾构上覆土层主要为①杂填土、②2黏土、②8-3中密卵石土；在盾构始发和到达处附近，将穿越②2层-③7卵石土层。土层特征如表1所列。

⑵盾构掘进过程中主要穿越土层物理力学性质如表2所列。

⑶按地下水赋存条件，成都地铁1号线盾构1标区间隧道盾构穿越范围内为第四系孔隙潜水，第四系孔隙水主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体渗透性强、渗透系数大，地下水水量丰富。根据实测资料，卵石土综合含水层渗透系数K平均为16.32 m/d，为强透水层。

2 砂卵石土体的改良

2.1 土体改良的重要性

成都地铁1号线施工的8台盾构机（其中7台土压平衡盾构、1台泥水平衡盾构），由于盾构在掘进过程中都存在着超挖的现象，因超挖而产生的地面沉降（塌陷）并未在盾构掘进过后直接显现，而是在盾构过后1个月甚至更长一段时间内（0.5a,1a），在外部因素的作用下（如道路下方的土体在车辆荷载长期作用下，地表裸露地段在强降雨形成的地表径流的渗透冲刷下等），才出现地面塌陷的情况，严重危害到隧道沿线周边环境的安全。分析表明盾构超挖的原因主要是土体改良不够充分，导致泥饼及骨架效应的形成，因此，必须采取相应的土体改良措施，减少或杜绝超挖，确保隧道沿线地面及周边环境的安全。

2.2 土体改良前存在的问题

⑴盾构刀盘切削下来的细小颗粒、碎屑在盾构土舱内和刀盘区重新聚集而成半固结或固结的块状体，即形成泥饼。泥饼板块的厚度直接影响到土舱的装盛能力，随着土舱内的空间越来越小，进土能力受到制约，进而增加刀盘切削土体时磨损负担，缩短刀具的使用寿命；同时，粘附于土舱壁上的泥饼也影响到土压平衡盾构机土舱内实际土压力的显示，盾构容易超挖，造成地面沉降甚至塌陷；高强度、硬度的泥饼在固结过程中，也增加刀盘旋转时的阻力；容易增加刀具（滚刀）的启动扭矩，也容易造成刀盘被卡住而不能启动。

⑵在盾构掘进通过局部饱和砂卵石土体时，螺旋机出口容易出现涌水现象，大粒径的卵石不能被带出而沉积在土舱内，大颗粒卵石堆积产生骨架效应，使刀盘的扭矩增大，严重时导致刀盘被“卡死”；在土舱内螺旋机出口、螺杆上方形成大颗粒骨架拱，使螺旋机的螺杆在旋转时不能承受有效荷载，进而不能将进入土舱内的土体沿着螺旋带出，造成土舱内的土压力逐渐增大（只有进土，没有出土的情况），最终导致盾构机无法向前掘进。

⑶粉细砂地层由于长时间停顿而产生的砂土固结，形成高强度的细砂板块，俗称“铁板砂”。 盾构刀盘上的搅拌棒及开口位置被高强度的“铁板砂”包裹后，刀盘的启动扭矩增大，甚至无法启动。

表1 土层特征表

表2 盾构穿越土层物理力学性质一览表

2.3 土体改良的要求

⑴对刀盘前方的土体需预先及持续不断地改良。

⑵将刀盘切削下来的土体改良成流动性好、能够及时建立起土舱内的土体和刀盘外土体之间的压力平衡、维持盾构掘进过程中盾构切口上方的土体稳定。

⑶增加土体的流动性，刀盘切削进入土舱内的土体能及时排出，减少土舱内泥饼的形成；不会形成大颗粒的骨架效应及骨架拱效应。

3 土体改良技术

3.1 加泡沫剂

在泡沫剂溶液中注入压缩空气，使其与水、气混合、搅拌而产生稳定的泡沫。在成都砂卵石地层中，泡沫剂主要适用于含水量大特别是饱和砂卵石土中，细颗粒砂土能在泡沫的吸附作用下与大颗粒卵石一起形成级配较好、流动性强的改良土体，便于土舱内土体的排出及土压平衡的建立。

3.2 加膨润土

由于膨润土具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性，以及良好的自封闭性能，在土粒内部和土粒之间形成“滤饼”，可以演变为低渗透性的薄膜，从而可以将过量的地下水压力中的液体压力转化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力，在土压平衡式盾构掘进过程中及时建立压力平衡，以稳定地层、防止掘进中的地面沉降甚至塌陷。

膨润土泥浆配方如表3所列。

表3 土体改良用膨润土泥浆配方表（单位：kg/m3）

在进行刀具更换前，需要将土舱内的积土排空，此时，将膨润土泥浆直接压入密闭的土舱内，在刀盘上的搅拌棒搅拌作用下，增加进入土舱内的土体流动性，便于排土。

3.3 加水

（1）加水的作用如下：

a.一定压力的水与润滑剂的混合液，通过刀盘前泡沫剂发生管路注射到土体内，将冲刷下来的、流动性好的土体能及时通过开口率较小的刀盘面板进入土舱，减少了扇形刀、方刮刀的磨损；

b.冷却刀盘面板上的各种刀具，特别是刀具的硬质合金部分；

c.水与润滑剂的混合液具有减摩作用，降低刀盘扭矩，延长刀具使用寿命；

d.加在刀盘前方的水随土体进入土舱内，在刀盘后方搅拌棒的搅拌下，土体流动性加大，有利于顺利出土，减少卵石对螺旋机螺杆和叶片的磨损。

⑵采用带气加水方式 （利用气压提高出水压力）可增强冲刷作用，使少量的黏性颗粒不能粘附于刀盘、刀具上方，同时切削下来的土体在进入土舱后，由于气泡的润滑作用及在气体的压力作用下，使土体的流动性加强，且加入水的总量减少。

3.4 密闭土舱内加水

密闭土舱内加水进行土体改良是对土体进行最直接的改良，加水后土体在搅拌棒的搅动下拌和均匀，增加了流动性，减少泥饼的形成。可在容易形成泥饼的部位（或其附近）设置加水管路，辅以高压水对容易形成泥饼部位进行冲刷，防止泥饼的形成或将已形成的泥饼冲刷消散。

3.5 不同土质宜采用的改良措施

⑴对黏性颗粒含量多的砂卵石土段，宜采用加水方式进行土体改良。当盾构掘进速度在4 cm/min时，加水量控制在5～6 m3，每个注入孔的注水压力一般为0.17～0.2 MPa，用水为不含杂质的自来水；也可以进行带气加水作业，出水压力一般为0.4 MPa左右。

⑵对砂性颗粒含量多的砂卵石土段，宜采用泡沫剂进行刀盘前土体改良，泡沫剂溶液的用量一般控制在3%～5%（相对于混合液中水、气总量的比例），带压气体的流量为250～300 L/min，发泡后的泡沫剂总流量（8个孔的剂量总和）为60～80 L/min；也可在盾构掘进过程中直接向土舱内注入膨润土泥浆，每环（1.5 m）注入量为8 m3左右。

⑶对粉细砂地段宜采用加水方式进行土体改良，粉细砂在压力水的冲刷下及刀盘旋转震动作用下液化成流体状，流动性大增，能有效地减少刀盘的旋转阻力。也可采用在土舱内注入膨润土泥浆进行土体改良，以增加土舱内土体的黏性，进而提高流动性，同时防止土舱内“铁板砂”的形成。

4 土体改良的效果

以红花堰站-火车北站区间右线51～150环为例，采用加泡沫剂方式进行土体改良，盾构于③7-3中密砂卵石土，采用加泡沫剂方式进行土体改良，泡沫剂管路使用2～3条（即刀盘面板上泡沫剂出口2～6个），其余管路加水。泡沫剂掺入量为3%～5%，用气量200～250 L/min，用于中密砂卵石土体中掘进施工参数如图1所示。

在上述掘进过程中，由于采用泡沫剂进行土体改良，刀具保护效果差，导致在该区段掘进过程中共进行3次刀具更换，平均每次更换的距离约为60m，极大地影响了盾构掘进施工进度；平均掘进速度为1.79 cm/min，盾构超挖现象严重，地面出现3次塌陷情况。

针对土层及土体改良情况，从244环开始进行加水方式土体改良，244～336环的掘进施工情况如图2所示。

在上述的掘进过程中，采用加水方式进行土体改良，加水量每环6 m3，过程中检查刀具一次，平均掘进速度达4.25 cm/min，掘进速度大幅提高，同时在这一阶段掘进过程中，单次不换刀掘进距离达到247 m。

火车北站-人民北路站区间右线301～400环通过加水方式进行土体改良，使盾构在③7砂卵石土中总推力控制在10020～14360 kN，较小的推力能有效地减少刀盘、刀具的磨损；刀盘扭矩控制在3910 kN·m（盾构机最大允许扭矩 5400 kN·m）左右；盾构平均掘进速度达3.2 cm/min，快速的掘进表示在相同的掘进距离下，所用时间较短，同样也延长了刀具的使用寿命，还保证了施工的进度；创造了在成都砂卵石复合地层中掘进574 m不换刀的纪录。各掘进施工参数如图3所示。

5 结语

在成都砂卵石地层中进行盾构掘进施工，摸索出一套土体改良的方法。

⑴对于黏性颗粒含量高的砂卵石土采用加水（或带气加水）进行土体改良是最经济且能有效改善土体流动性、防止泥饼形成促进盾构掘进顺利进行的方法；同时大量的水能及时带走刀具与土体摩擦产生的热量，冷却刀具，延长刀具的使用寿命。

⑵增加土舱内土体的流动性最有效的措施是加膨润土泥浆，但由于膨润土泥浆用量大，而且膨润土泥浆发挥最佳效果需要一定的膨胀时间，因此为了满足大量的膨润土需求，需要一套庞大的泥浆制备、储存系统。

⑶在长距离砂卵石土层中掘进，即使在前段掘进施工过程中土体改良效果很好，土舱内土体能有很好的流动性，但随着时间的累计，细颗粒仍然会在土舱内沉积形成泥饼，特别是在刀盘搅拌棒搅动时影响不到的区域，泥饼会在细颗粒的沉积下逐渐发展，一直发展到影响到刀盘的旋转和进土、出渣环节，增加刀盘旋转阻力，减小土舱空间大小，破坏土压平衡，最终导致刀盘被卡住，推进无法进行。因此，必须随时关注土舱内各土压计显示值的变化，定期利用设置在土舱内的高压加水管路对泥饼进行冲刷破坏，以消除泥饼的不利影响。

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