大粒径富水砂卵石地层惰性浆液置换渣土改良盾构土仓环境技术

韩涛

摘要：渣土改良是盾构施工中的重要环节，土仓的环境直接影响渣土改良的效果及盾构施工参数的稳定性。本文以成都地铁10号线一期土建4标盾构施工利用惰性浆液改善土仓环境为例，对土仓环境进行分析，针对易出现的问题采用惰性浆液置换土仓渣土改善土仓环境，与常规做法进行对比得出了利用惰性浆液改善土仓环境安全风险控，成本低，时间周期短且效果良好为以后类似工程提供技术支持。

关键词：渣土改良；惰性浆液；砂卵石；盾构

一、工程概况

本区间工程为华金中间风井至金花站盾构区间左线起讫里程为：ZDK5+634.830～ZDK7+197.331，区间全线1562.501m；右线起讫里程为：YDK5+617.704～YDK7+151.363，区间全长1533.659m。施工设计盾构从中间风井始发，向大里程方向行进，在金花站吊出。正线穿越厂房、新苗村住宅区等建筑物群，平行绕城高速方向向西北方向，在YDK7+013～YDK7+100处斜穿绕城高速（K48+216.80-K48+317）到达金花站。

本区间地表表层多为第四系全新统人工填土（Q4ml）覆盖夹杂砖屑、卵石角砾等，其下为第四系全新统冲积层（Q4al）粉质粘土、粉土、卵石土夹粉细砂及大粒径砂卵石根据成都区域水文地质资料及地下水的赋存条件，本区间地下水主要有两种类型：一是赋存于黏性土、粉土层之上填土层的上层滞水，二是第四系黏性土，粉土、砂土、卵石土层的孔隙潜水。

二、盾构施工土仓环境分析

土仓作为盾构掘进渣土改良的重要场所，土仓环境的好坏决定着渣土改良的效果，直接影响盾构掘进参数，在富水砂卵石地层中，土仓常见的问题有以下两种

2.1卵石堆积成拱

在施工过程中因卵石粒径较大，极易造成渣土离析，大粒径砂卵石堆积在螺旋机周围，与螺旋机形成“拱桥”关系，后续进来的土体持续堆积造成土仓环境变小，使土仓没有足够的空间进行渣土改良，导致渣土改良效果越来越差。造成刀盘扭矩、推力等关键参数越来越大，加快刀盘磨损，最终无法继续进行施工。

2.2土仓内“结饼”

在施工过程中因渣土改良未达到理想效果，导致螺旋机出土不顺畅，造成扭矩等参数变大，土仓内温度升高，土仓壁的土体在高温的作用下粘贴在土仓壁及刀盘上，从而形成泥饼或者砂饼，最终造成刀盘开口处进土不顺畅，土仓环境变小，扭矩越来越大，温度越来越高，加速设备磨损，形成恶性循环，最终导致盾构机推进困难甚至无法推进。

三、常规处理方法

在遇到上述类似问题时，传统做法主要有以下两种：

3.1人工进仓清理

首先地面进行加固和降水，待达到强度后进行开仓，作业人员进入土仓进行处理，此种方法效果较为明显，但安全风险不可控。在富水砂卵石地层中，掌子面稳定性较差，若地面降水和加固措施不到位，掌子面极容易发生坍塌。一旦掌子面在开仓作业过程中发生失稳坍塌，很可能会造成安全事故。同时，此种处理发放施工周期长，先行地层加固再进行降水施工，达到可以开仓条件时总体工期最少需要40天时间，也间接说明此种方法施工费用高。

3.2化学材料泡仓处理

采用分散剂通过渣土改良系统注入进土仓，后续经过长时间的浸泡使土体松散，此方法施工安全风险为零，施工费用略高，工期短，但很難达到理想效果，结果不明显。

四、惰性浆液置换渣土改良土仓环境技术

4.1惰性浆液的作用机理

在本案例中，拌制的惰性浆液将细砂和粉煤灰作为为主剂，成分主要有粉煤灰、细砂、钠基膨润土和水。其中，粉煤灰能够有效的改善惰性浆液的和易性及流动性，并且是作为调节浆液凝结时间的材料，膨润土可以减弱成型浆液的材料分离，有效减小泌水率，细砂作为成型浆液的。

在本次工程的中使用的惰性浆液在富水的砂卵石环境中，不易产生稀释现象。原材料来源多、实惠，施工管理方便，浆液配料简单，造价低，和易性能好，浆液流动性好。同水泥浆液相比，凝结时间较长，通常能达到12小时以上。

在土仓内渣土发生卵石沉降，造成渣样离析后，使用惰性浆液进行泡仓，浆液借助注浆压力可以有效的将沉底渣土冲散，浆液中含有的细砂和水同卵石重新混合，再次建立土仓内渣土的平衡，减少土体堆积。同时膨润土成分还能有效的避免泥饼或砂饼的形成，改善土仓环境，顺利出渣。

4.2施工控制措施

（1）惰性浆液的拌制

当需要进行土仓环境改善时，需要先行进行试验，来确定惰性浆液的配合比。在确定惰性浆液配合比的过程中，主要运用控制变量法来进行不同配比的试验，通常情况下，需要进行5-7组配合比试验，每组配置3组溶液。通过观察记录其和易性、流动性及初凝时间来确定需要实际使用的配合比。在本次工程中，使用的配合比如下：

（2）惰性浆液注入土仓

惰性浆液在拌合站拌制完毕后，通过同步注浆浆车拉进隧道，然后由浆车的电动泵将浆液注入盾构机注浆罐中，在此期间浆罐及浆车的叶片需要不停转动，防止浆液发生离析。之后，通过盾构机自带同步注浆设备将管路连接到土仓壁左下和右下两侧预留球阀处，通过注浆泵将惰性浆液注入土仓中，此过程主要利用惰性浆液具有一定的摩擦力和注浆设备的泵送能力将螺旋机周围的土体冲散。

（3）土仓环境改良

在盾构机注入惰性浆液的施工过程中左下和右下的土仓压力会有明显的波动变化，证明堆积卵石已被冲散，后续继续注入惰性浆液，达到6m?左右或者上部土压达到2.5bar时停止注入，此时进行泡仓，待12小时后进行转动刀盘，土仓内堆积的卵石通过惰性浆液的作用重新形成卵石土，最后通过螺旋输送机排出。

4.3施工参数对比分析

土仓环境改善前，推力在1200t-1800t之间，平均值在1500t左右，整体数据偏大，盾构机掘进困难，对刀具磨损较大。土仓环境经过惰性浆液置换改善后，推力降至800t-1200t之间，平均值1000t左右，推力大幅下降。

进行惰性浆液置换前，盾构机掘进速度在30-50mm/min之间，平均值在41mm/min左右，这个速度掘进，盾构机掘进慢，同刀盘转速以及灌入度匹配度不高，可调整性差，容易引起超方，今儿导致地面发生沉降。土仓环境经过惰性浆液置换改善后，速度得到大幅提升，平均值上升至56mm/min，可以让参数调整更加灵活，更容易控制地面沉降，加快施工进度。

在前期的掘进过程中，盾构掘进扭矩过大，平均值在482 T·m，对螺旋机伤害较大。在土仓环境改善后的掘进过程中，扭矩平均值降至325 T·m，有效的缓解了螺旋机的压力，加快了掘进速度。

通过实际施工参数对比，通过使用惰性浆液置换土仓内渣土，改善土仓环境，各项施工参数均得到好转且稳定。有效地解决了推进过慢，盾构机压力较大的问题。

4.4地表监测

为确保惰性浆液置换工作的顺利进行，同时验证其对地面沉降是否产生影响，测量人员每天对地面实时监测，监测结果如下图所示，地面监测数据正常，安全风险可控。

4.5效益分析

在本工程中，使用惰性浆液置换改良土仓环境，省去了常规施工方法中的地面垂直加固以及降水施工的工序、时间周期短，直接发生成本仅为材料费用，按照6m?惰性浆液计算，全部费用不到2000元，远远低于常规做法。有效降低了人力、物力及时间成本，避免了一定的经济损失。

同时，本施工方法避免了人工進仓清理渣土，在安全上得到了巨大的保证，将施工风险降至最低，最大限度的保证了安全效益。

五、结语

在富水砂卵石地层中施工的盾构项目，盾构掘进过程中，需要时刻关注盾构机的各项掘进参数。同时，对每环每斗的渣样情况均要进行观察分析，发现参数或者渣样异常时，需要及时停止施工，研究对策进行处理一场情况。在富水砂卵石地层中，盾构出土时渣土的和易性及渣温是十分关键的技术指标，通过这两样数据可以有效的分析土仓内的环境，通过此案例中的施工方法，可以有效改善由砂卵石沉降造成的土仓环境变差的问题，为今后相似地层中的盾构施工提供了一定的参考，具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 王恩茂， 李冰宽. 基于系统动力学的地铁盾构管片费用仿真研究[J]. 工程经济， 2018， v.28；No.244（07）：14-18.

[2] 黄艳玲， 顾伟红， 王挺. 基于系统动力学的地铁盾构施工的工期控制模型研究[J]. 项目管理技术， 2018（1）：7-13.

（作者单位：中铁六局集团有限公司交通工程分公司）