成都砂卵石地层渣土改良技术研究

李红建

（成都轨道建设管理有限公司 四川成都 610000）

1 渣土改良技术概述

1.1 渣土改良定义

渣土改良就是通过盾构机的专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合。其主要目的就是要使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下掘进时都可达到理想的工作状况。添加剂一般主要有泡沫、膨润土以及聚合物等。

1.2 渣土改良作用

渣土改良的作用表现在以下几个方面：①保证渣土和添加介质充分拌合，以保证形成不透水塑流性的渣土从而建立良好的土压平衡机理，提高掘进效率，以保证预定的施工进度目标；②使富水含砂的砂卵石土具有流塑性和较低的透水性，形成较好的土压平衡效果而稳定开挖面，控制地表沉降；③减少砂卵石土的渗透系数，控制地下水流失及防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；④改善砂卵石土的流塑性，使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输机顺利排土。

2 富水砂卵石地层渣土改良技术

2.1 工程概况

以成都地铁3号线一期工程土建3标为例。该工程盾构隧道所在地质情况属于典型的富水砂卵石地层。该工程施工的马鞍北路站～一号桥站～省文联站～春熙路站区间，穿越的主要地层为卵石土。地表水呈现出一～省区间内府河与区间隧道垂直的特点。地下水来源包括填土中的上层滞水、存于卵石层的孔隙潜水、基岩裂隙水。隧道洞身所在地层水量丰富，渗透系数18～25m/d，属于强透水地层。

2.2 刀盘结构配置

盾构机为土压平衡盾构机，刀盘采用复合式结构形式设计，由面板和辐条组成。刀盘规格为Φ6280×1580，开口率为36%，有8个开口槽，开口部分加焊非封闭式格栅。刀盘上刀具配备为18寸双刃滚刀36把，刮刀32把，边刮刀8把，焊接撕裂刀29把，保径刀8把。

2.3 改良剂注入管路

刀盘面板前方共设计有6路孔道，其中泡沫加注孔4个，膨润土加注孔2个。土仓内设计2个注水孔，分别位于承压墙3点位和中心位置。

2.4 改良剂的设置

根据成都地铁3号线一期工程土建3标盾构区间地质特点，经过多次优化调整，确定最终渣土改良添加剂参数设置为膨润土溶液注入率为15%，泡沫注入率为15%。（注入率为添加剂与渣土的体积比）。其中膨润土溶液按照重量比水：膨润土=100：52的比例拌制，再经24h膨化；泡沫按照体积比为3%泡沫剂与97%水，混合成泡沫溶液。再由10%泡沫溶液与90%空气，催化成泡沫，用于渣土改良。渣土改良剂的注入速度，根据盾构掘进速度进行实时调整。正常段掘进，推进速度约为40mm/min，用于渣土改良的水注入速度约为8m3/h，并根据渣土干稀状况实施调整注水率。

3 无水大粒径砂卵石地层渣土改良技术

3.1 工程概况

以成都地铁4号线二期工程土建2标为例。该工程盾构隧道所在地质情况属于较典型无水大粒径砂卵石地层。该工程施工的光华公园站～西部新城西站～凤凰大街站区间，穿越的主要地层为中密卵石土、密实卵石土、密实卵石土。该区域具有卵石含量高、径漂石含量高、漂石粒径大、卵石和漂石强度高的地质特点标段内区间范围无地表水，地下水主要为赋存第四系砂卵石地层中的孔隙潜水，隧道洞身所在地层富水性强，渗透系数25～32m/d，属于强透水地层。受周边深基坑长期取水的影响，区间部分地段水位低于隧道底部，盾构于无水砂卵石地层中掘进。

3.2 刀盘结构配置

盾构机为土压平衡盾构机，刀盘采用复合式结构形式设计，由面板和辐条组成。刀盘规格为Φ6280×1580，开口率为36%。刀盘上刀具配备为17寸中心双联滚刀4把，18寸单刃滚刀8把，18寸双刃滚刀23把。

3.3 改良剂注入管路

刀盘面板前方共设计有6路孔道，其中泡沫加注孔4个，膨润土加注孔2个。土仓内设计3个注水孔，分别位于承压墙3、9点位和中心位置。

3.4 改良剂的设置

根据成都地铁4号线二期工程土建2标盾构区间地下水位低、卵石含量高、粒径大等地质特点，增加了泡沫的注入率。经过多次优化调整，确定最终渣土改了添加剂设置参数。正常掘进阶段每环泡沫注入率为40～60%，并根据地层情况实时进行调整。泡沫剂按照3%体积比配置泡沫溶液，再将溶液按10倍倍率进行发泡形成泡沫。例如按照正常掘进速度约40mm/min，泡沫添加速度约为0.74m3/min。由于盾构隧道所处地层含水率低，渣土改良中需加大水的注入量。正常掘进时，水注入速度约为11m3/h，并根据渣土干稀状况实施调整注水率。若遇级配较差的地层时，例如地层中卵石含量极高、细颗粒物少的情况，按10～15%注入率添加膨润土溶液，辅助进行渣土改良。

4 结束语

渣土改良做为盾构施工中一个重要的环节，尤其对提高盾构掘进效率以及控制地面沉降有较大的影响，同时对地铁隧道的建设发展有着深远的影响。纵观目前国内各个地方盾构机的使用工况，不难发现土质改良技术应用的好坏，对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。通过现场试验，泡沫溶液对成都富水砂卵石地层及无水大粒径砂卵石地层的改良效果较好，并且能有效控制地面沉降，特别对盾构下穿建（构）筑物沉降控制非常有利，能确保建（构）筑物的安全。

参考文献

[1]范磊.富水砂卵石地层矩形顶管机的研究及应用——结合成都川大下穿人民南路人行通道工程[J].隧道建设，2017（37）.

[2]贺少辉.砂卵石地层高水压条件下盾构掘进喷涌控制研究[J].岩土工程学报，2017（39）.