土压平衡盾构法隧道施工渣土改良指标探讨

邹超（中国中铁一局第四工程有限公司，陕西咸阳712000）



土压平衡盾构法隧道施工渣土改良指标探讨

邹超
（中国中铁一局第四工程有限公司，陕西咸阳712000）

摘要：为了改良土压平衡盾构法隧道施工中渣土性能指标，根据多个城市地铁土压平衡盾构法隧道施工的实践经验，结合设计和施工规范，对渣土性能指标的改良进行了试验。结果表明，渣土性能改良后,土体流塑性得到了改善，摩擦性显著降低，刀盘扭矩显著减小，盾构刀具磨损减少，支掌面稳定性提高。

关键词：土压平衡；盾构法；隧道施工；渣土改良

土压平衡盾构施工的关键是用开挖出的土体作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的土体具有良好的流塑性和保水性。为此，国内外学者对土压平衡式盾构施工中的渣土改良做了深入研究。Raffaele Vinai[1]等通过室内圆锥坍落度试验和压力舱模型试验设备对改良土进行研究；宋克志[2]研究了无水砂卵石地层在土压平衡式盾构工法下的土体改良，利用泡沫技术对砂卵石地层进行了室内试验和现场应用；周永攀[3]对卵石地层土压平衡盾构法施工土体的改良进行了研究。为此，本文通过渣土渗透性、粘聚性、保水性和塌落度等室内试验，为改良了渣土配合比提供了试验数据。

1　概述

通过广州地铁3号线、郑州地铁1号线、石家庄地铁1号线、郑州地铁2号线、成都地铁4号线以及北京地铁7号线等城市的土压平衡盾构法隧道施工实践，结合设计与施工规范，对渣土改良进行了一些试验，充分认识到渣土改良效果对盾构刀具磨损、地表沉降控制、综合施工功效、施工成本控制等的影响，利用科学的试验手段，总结提炼出土压平衡盾构法隧道施工渣土改良的相关指标。

2　土压平衡盾构法施工原理

土压平衡式盾构机利用改良好的渣土形成土仓压力，来平衡前方掌子面的水土压力(如图1所示)。保证开挖面的相对稳定，并通过控制盾构推进千斤的速度和螺旋输送机的旋转速度，来保持土舱内改良渣土的压力与掌子面前方水土压力达到平衡，盾构机持续向前掘进，螺旋输送机持续排土，实现盾构连续掘进。

图1　土压平衡式盾构开挖面稳定原理示意图

3　设计及施工规范对渣土改良的要求

盾构施工规范《盾构法隧道施工与验收规范》GB50446-2008中7.3.1条规定盾构机需要配置渣土改良系统，并在盾构现场验收阶段要纳入验收。7.5.2条掘进中应监测和记录盾构运转情况，排出渣土情况并及时分析反馈，调整掘进参数。7.5.5条要求根据盾构穿过的地层条件，可有选择地向土仓内适当注入泥浆或水、泡沫剂、聚合物等，以改良仓内土质，使其保持一定程度的塑性流动状态。建立土仓内平衡土压力，保持开挖面的稳定，同时易于排土。8.2.8条规定采用土压平衡盾构通过砂卵石地段时，应进行渣土改良。而对具体的渣土改良指标与方法没有提及，不利于实施与控制。

4　渣土改良相关指标的提出

4.1渣土改良的原则、目的和意义

在土压平衡盾构施工中，土仓内渣土能形成良好的流塑性，是盾构顺利推进的重要前提。通常中粗砂地层流塑性差、力学稳定性也较差，粘土地层粘聚性太大，为了使开挖土体有良好的流动性，在盾构机掘进时如遇中粗砂地层，需向掌子面添加膨润土泥浆，以改善中粗砂地层的物理特性；如遇粘土地层，需向掌子面注入泡沫，最终形成具有低透水性和较好流塑性的混合渣土，经土仓向掌子面传递设定的平衡压力，使盾构机始终在保持水土压力动态平衡的条件下持续向前掘进。

盾构掘进中添加改良材料对不良地层进行改良的目的和意义：

1）通过改良可有效地保持开挖面稳定。改良材料能有效提高开挖面土体的强度，从而对开挖面土体起到支护作用，进一步减少掌子面失稳的可能。

2）减小渣土对刀盘与刀具的磨损。中粗砂或卵石层颗粒松散，几乎无粘聚力，颗粒通过内摩擦角传力，向开挖面土体添加改良材料后，有效增加颗粒间的粘聚力，减小渣土的密实度，增加渣土的流塑性，改善土体的受力状况，从而并减小渣土对刀盘与刀具的磨损。

3）防止渣土粘附在刀盘、刀具及螺旋输送机内，造成泥饼与堵塞现象，降低刀盘扭矩，减小盾构机的负荷，进而提高掘进速度。

4.2渣土改良指标提出

根据土压平衡盾构原理及需要达到的结果，结合室内试验数据，对渣土改良室内试验提出以下重要指标。

4.2.1渣土流动性

土压平衡盾构渣土流动性主要用坍落度来表达，根据室内渣土试拌试验结果显示，渣土坍落度在90～120mm时，消耗的扭矩较小。

4.2.2保水性

土压平衡盾构施工时，渣土的保水性严重影响盾构临时停机时间的长短，如果保水性好，盾构临时停机后渣土不会离析或大量失水而导致渣土性能严重变化，致使盾构启动困难，启动阶段刀盘扭矩过大，甚至无法正常启动。根据试验分析，渣土保水率在75%～80%时，渣土静置3h后，流动性影响较小，坍落度损失约10～15mm。

4.2.3粘聚性

土压平衡盾构施工时泥饼形成的机理指出，其影响因素主要有：刀盘开口形式、刀盘温度情况、临时停机时间、土压设定情况、渣土的粘聚性等。但主要原因之一还是土压平衡盾构机当遇上渣土粘聚性较大时，一旦刀盘温度稍高就容易从刀盘中心开始，形成强度很高的泥饼，这将严重影响掘进效率，甚至会损伤设备。

4.2.4渗透性

土压平衡盾构法施工时，地质条件、水文情况、掘进参数是引发螺旋输送机喷涌的决定性因素，在砂卵石等富水地层地下水的通路没有阻断、泡沫、膨润土等改良材料使用不当，渣土改良不理想，未能有效降低渣土的渗透性，极易引发螺旋输送机喷涌。土压平衡盾构渣土渗透性主要用渗透系数来表达，如果渗透系数太大，则在富水地层掘进时，容易导致螺旋喷涌，而引发事故。

5　渣土改良配合比设计原理

渣土拌和物是由膨润土、砂、水及搅拌时混入的空气组成的多相分散体系,塑性渣土中的膨润土浆是连续相,砂粒成了膨润土浆中的分散相,这是渣土拌和物在重力或外力作用下能流动变形的原因。低塑、中塑和高塑的差别就在于膨润土浆的粘度及砂粒间膨润土浆的厚度不同。渣土中还有一定量的气相,以气泡状态分布在膨润土浆中,也能增加渣土的流动性。如图2所示。

图2　渣土多相示意图

5.1渣土流动性试验

5.1.1渣土试拌

渣土改良初步配合比设计后，设计专用机械搅拌仪器，在恒定转速条件下，将不同坍落度的等量渣土放入搅拌仪器内进行拌和，并记录每次正常拌和时试验的扭矩值以及停机后启动阶段扭矩值，从而找出：

1）正常拌合阶段搅拌仪器的扭矩与渣土坍落度之间的关系。

2）停机一段时间后启动阶段扭矩与渣土保水率之间的关系。

5.1.2渣土改良后的坍落度试验

用测定拌和物和易性的方法，测定渣土拌和物在自重作用下的流动性。如图3所示。

图3　渣土坍落度试验示意图

5.2渣土改良后保水性试验

渣土保水率试模用规定流动度范围的新拌渣土，按规定的方法进行吸水处理。渣土保水率就是吸水处理后渣土中保留水的质量，并用原始水量的质量百分数来表示。

渣土保水率计算式：

式中：w——渣土保水率（%）；

m1——底部不透水片与干燥试模质量（g），精确至1g;

m2——15片滤纸吸水前的质量（g）,精确至0.1g;

m3——试模、底部不透水片与渣土总质量（g），精确至1g;

m4——15片滤纸吸水后的质量（g）,精确至0.1g;

a——渣土含水率（%）。

5.3渣土改良后的粘聚性试验

利用直接剪切试验，测定泥饼在不同垂直压力下的水平剪切破坏，求得测定土样的摩擦角和粘聚力。以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线倾角为摩擦角，直线在纵坐标轴上截距为粘聚力。

5.4渣土改良后的渗透性试验

在实验室中测定渗透系数k的仪器和试验方法很多，但从试验原理上大体可分为“常水头法”和“变水头法”两种。常水头试验适用于测定透水性大的沙性土渗透参数，而改良后的渣土渗透系数很小，渗透水量很少，须改用变水头试验。液体在空隙介质中流动时，因液体粘性会引起水头损失，且渗流流速极微小，所以，流速水头可忽略不计。因此，总水头H可用测压管水头h来表示。水头损失hw可用测压管水头差表示。

5.5原土试验

根据区间地质勘察报告，提炼出盾构开挖面所主要包括的地层，在车站施工时，对相应的地层号取出原状土进行室内土工试验。通过试验确定土样的颗粒级配、天然含水率、密实度等主要指标，为渣土改良试验配合比设计提供依据。

5.6试掘进阶段改良配合比动态调整

试掘进时，根据区间土层含水量对理论配合比进行调整。根据土压平衡盾构操作原理与步骤，地质与水文资料，计算出主动土压力，输入推力、刀盘转速，反馈掘进速度和刀盘扭矩。当土压、推力、刀盘转速一定时，刀盘扭矩与渣土改良有一定的关系，在施工配合比的条件下，分多组进行试验。

推进过程中膨润土改良液的输入量计算：

Q=k·v·A·t

式中：k——膨润土液与原状土的比例；

A——土压平衡盾构刀盘开挖面积m2；

t——单位掘进时间min；

v——土压平衡盾构推进速度mm/min。

盾构试掘进阶段参数统计见表1。

表1　盾构试掘进阶段参数统计

图4　盾构试掘进阶段刀盘扭矩与掘进速度及膨润土液注入速度关系图

由图4可知，当膨润土液注入速度与盾构掘进速度基本匹配时，刀盘扭矩在掘进速度为20～40mm/min时，基本稳定在1850kN·m左右，渣土坍落度也基本稳定在110mm左右。掘进速度提高到45～65mm/min时，刀盘扭矩随掘进速度的增大明显增加（从1970kN·m迅速上升到3010kN·m），同时坍落度波动严重（波动幅度达55mm）。分析原因可能是在刀盘转速不变的情况下，掘进速度过快，渣土在土仓中搅拌不均匀，导致扭矩明显增加，坍落度波动严重。

6　总结

影响渣土性能指标因素除了渣土的表面光滑程度外，取决于渣土相对运动时渣土粒的接触点多少，渣土粒不是均匀理想地分散在改良液中的，其中一些渣土粒互相接触,流动过程中相互摩擦。在搅拌均匀的情况下，影响渣土接触点多少的因素是渣土颗粒间改良浆液的厚度；改良浆液越厚,接触几率越少，渣土颗粒间摩擦力就小，渣土的流动性就大，反之则小。影响渣土颗粒间改良浆液厚度的因素是改良浆液量、渣土颗粒的空隙率和比表面，改良浆液量多、渣土颗粒粗及空隙率小时，渣土颗粒间改良浆液的厚度就大，流动性就越好。

参考文献:

[1] Raffaele Vinai, Claudio Oggeri, Daniele Peila. Soil conditioning of sand for EPB applications: A laboratory research[J]. Tunnelling and Underground Space Technology. 2007.

[2]宋克志.无水砂卵石地层土压盾构施工泡沫技术研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(13):2327-2332.

[3]周永攀.北京地区卵石地层土压平衡盾构法施工土体改良技术研究[D].北京工业大学硕士论文，2012.

[4]马连丛.富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究[J].隧道建设,2010,30(4):411-415.

[5]王明胜.复杂地层中盾构法隧道渣土改良技术[J].地下空间与工程学报,2007,3(8):1445-1447,1463.

[6]宁士亮.富水砂层盾构渣土改良技术[J].铁道建筑技术，2014，（3）86-90.

中图分类号：TU432