盾构施工中渣土改良技术研究

徐智良/XU Zhi-liang

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000）

我国各工程单位所使用的盾构大多为土压平衡式盾构。然而一般土体很难满足平衡式盾构的施工要求，必须对渣土进行改良。渣土改良的技术要点是在刀盘前段或者盾构土容仓内添加大量的水，再由工作人员进行搅拌，制成膨润土泥浆，然后依次添加聚合物、泡沫等混合添加剂，改善土体塑性、流动性。如今渣土改良技术已经成为盾构施工工作重要的部分，必须不断深化研究相关改良技术，提高盾构施工效率[1]。

1 渣土改良系统设计

北京地铁06标段施工工程位于大兴区团河路街道，经过砂土勘测可以确定，盾构需要通过的区域地段主要由粉质细砂、细中沙、粉质黏土及卵石圆砾地层为主。本次施工使用的盾构为中铁盾构，前段刀盘直径为9m[2]。

1.1 渣土改良剂管道分布设计

注射管道的建立主要是为了将与环境相适应的渣土改良剂，通过管道内的泵送设备，经过管道中心回旋轴，输送到盾构刀盘前段。其核心结构如图1所示。

渣土改良效果的好坏，在于渣土改良剂和渣土能否充分混合，所以改良剂的选择和注射口分配极为重要。在盾构进行掘进作业时，前段刀盘会进行低速旋转，切削土层。而本次设计的刀盘注射口，可以确保渣土改良剂可以同步注射在刀盘前段土层上，并且可以保证刀盘切割下来的渣土与改良剂进行最大面积混合。当改良后的渣土被挤压进盾构土仓内时，刀盘旋转可以进一步搅匀土仓渣土，使其与改良剂完全混合。由于富水砂土的渣土改良技术工艺较为复杂，必须利用多种改良剂进行渣土改造，合理配置刀盘分布的六个注射口。在新的设计工艺中，刀盘注射口与中心距离各不相同，也就保证六根管道的注射半径不同，注射轨迹难以重合，这样可以提高改良剂注射的均匀性，同时也能最大限度减小不同改良剂之间的相互影响。

图1 刀盘注射口示意图

1.2 膨润土系统设计

盾构的膨润土注入系统是由膨润土罐、软管泵、流量计等组成。常规存储罐体积大约在8m3左右，搅拌方式为气吹加机械搅拌，软管泵规格为20×2+8×2m3/h套。为了进一步提高注入量的控制精度，系统内部还设有变频器，以实现注入量的智能控制。

膨润土开挖仓最大注入率一般为0.1,壳体润滑注入率为2。膨润土用量计算公式

式中Q1—膨润土注入量，m3/min；

l—注入率；

V—掘进速度，m/min；

D—开挖直径，m。

盾壳膨润土计算公式

式中 Q2—盾壳膨润土注入量，m3/min；

l—注入率；

V—掘进速度，m/min；

D—开挖直径，m；

d—盾壳外径，m。

1.3 泡沫注入系统设计

泡沫注入系统主要是由泡沫发生器、空压机、流量计、螺杆泵等组成。通过泡沫发生器，可以充分混合泡沫混合液和空气，生成泡沫。通过变频器控制电机转速以控制泡沫原液及混合液流量。

泡沫开挖面最大注入率一般为0.7，计算公式同上文膨润土用量计算公式。

泡沫系统原理如图2所示。

图2 泡沫系统原理图

2 不同地层改良剂的选择

常用的砂土改良剂主要有膨润土、泡沫剂、高分子聚合物3种，其主要特性如表1所示。

表1 不同地层改良剂特征表

2.1 膨润土改良剂的使用

膨润土遇到水，会瞬间分散，形成胶体悬浮液。这种胶体悬浮液具有极强烈的粘带性、形变性以及润滑性。当遇到砂、泥等物质时，会起到粘连作用。通过微观探测可知，膨润土遇水，内部钠离子会自动连接各层薄片并且挤压多余空间，降低土颗粒之间的空隙，缩减透水性，形成一种可塑性胶体。在工程区域尝试只使用膨润土作为改良剂进行渣土改良，其配比如表2所示。

表2 膨润土浆配比表

通过实验检测可以看出，虽然膨润土可以有效减少盾构刀盘扭矩，但是大大提升了甬道喷射风险，总体效果并不理想，所以需要添加其他改良剂。

2.2 泡沫剂的使用

为了降低甬道喷涌风险，可以在膨润土的基础上，在盾构内部加入泡沫剂。在盾构泡沫发生装置工作前，需要先进行泡沫剂比例调配，比例为5∶100。通常情况下，不需要对比例进行再调整，只有在施工作业中发现盾构出现扭矩过大且难以降低，或者出现大规模甬道喷涌现象时，可以酌情将泡沫剂比例修改为8∶100。常规盾构泡沫剂使用系统包括两种控制方式。在工程作业中，盾构控制人员需要根据刀盘扭矩，调整泡沫剂流量，一旦发现土质含水量过高，应该立刻降低泡沫剂使用量。

2.3 工程改良剂的使用

针对本次工程粉质黏土、粉细砂、粉土、细中砂、卵石圆砾复合型地质所面临的改良问题，通过实际检测，最终确定，选择膨润土浆作为常规改良剂，因为检测到个别施工区域可能会遇到水囊和喷涌情况，所以将泡沫剂备用改良剂。

3 结 语

本次渣土改良技术，以北京地铁新机场线盾构为例，简述了渣土改良的设计计算方法。通过配置不同的渣土改良剂并合理运用，可以有效提升盾构施工效率，减小刀盘扭矩及降低刀盘结泥饼现象。

[1]夏志刚.浅埋富水全断面砂层盾构施工渣土改良初步研究[J].四川建材，2016，42(3)：130-132.

[2]杨志勇，乐贵平，江玉生，等.北京地区典型地层土压平衡盾构渣土改良技术[J].施工技术，2017，46(1)：58-60.