洛阳富水砂卵石层土压平衡盾构机渣土改良技术研究

聂艳青

摘 要：本文通过洛阳富水砂卵石层盾构掘进数据统计及案例分析，得出泡沫剂可作为砂卵石地层抑制喷涌常态措施，在大粒径卵石集中地质条件下，可选取高分子聚合物做改良剂，解决砂砾石地层中渣土流动性差、防喷涌等问题。

关键词：砂卵石层;渣土改良;泡沫剂;高分子聚合物

富水砂卵石地层中进行土压平衡盾构施工时，由于地层卵石含量高、强度大、无黏聚力等特点，掘进过程会导致刀盘刀具磨损严重、渣土流动性较差、进渣困难、土仓压力难以保持等状况出现 [1-5]。针对上述问题，一般是在盾构选型阶段进行改进与参数优化，同时在实际施工时对渣土进行改良，使其具有良好的流塑性、较低的内摩擦力和较低的渗透性，从而保证施工顺利进行。

本文以洛阳富水砂卵石地层盾构施工为研究对象，对渣土改良进行了研究。本研究获得的洛阳砂卵石地层渣土改良经验，对减少刀盘刀具磨损、防止结泥饼及喷涌等异常施工状况具有重要意义。

1 工程概况

洛阳市轨道交通1号线土建02标段周王城广场站～应天门站区间（以下简称周～应区间）沿中州中路敷设，左右线起终点里程均为DK14+301.472～DK15+520.664，右线长度为1219.215m，左线长度为1219.192m。本区间隧道埋深9.9-24.2m共812环，其中1-210环及660-812环之间地层为上部粘土、下部卵石层，且水位位于隧道顶部以下; 210环-660环之间为富水全断面卵石地层，且最低点处水位位于隧道顶部以上约5.3米。

周～应区间场地地下潜水稳定水位埋深17.60m-20.50m之间，相应高程为125.20m-127.54m。地下水类型为孔隙潜水，含水层为卵石层和砂层。

2 砂卵石土的基本特性

砂卵石地层随机分布着大粒径卵石颗粒，组成该地层的粗颗粒大小变化较大，密实程度也存在一定的差异。地层颗粒的组成对于盾构施工影响很大。图1为周～应区间砂卵石地层颗分曲线。

由图1可以看出，洛阳砂卵石地层主要的特征便是含砂率很低，低含砂率对于土压平衡盾构施工渣土改良有较大影响，另外，富水条件下低含砂率带来的强渗透性也是影响盾构施工及安全的一个重要因素。

盾构掘进过程中一些大颗粒粒径的卵石被滚刀碾碎，根据室内试验要求，去除大粒径的卵石，最大控制粒径为8 cm^[6]。根据岩土工程勘察规范^[7]，经计算，天然状态下砂卵石土的不均匀系数Cu =58.85>5，曲率系数Cc =4.06>1，该砂卵石土样级配良好。盾构掘进地层分布：1-210环及660-812环之间地层为上部粘土、下部卵石层; 210环-660环之间为富水全断面卵石地层。

3 渣土改良方案实施

3.1 渣土改良的目的

在砂卵石地层中盾构施工时，渣土改良的一般办法就是向开挖面及土舱内注入一定比例的土体改良剂来改变土体的状态，使其达到盾构正常掘进的要求^[3]。土压平衡盾构施工的土体改良材料常用的主要有泡沫剂、膨润土以及高分子聚合物，其各自优点及适用土层条件见表1^[8]。

3.2 现场渣土改良应用分析

3.2.1 周～应区间右线

洛阳地铁周～应区间右线盾构在掘进1环～347环时，仅使用泡沫剂进行渣土改良，各种参数均正常，如图2所示。

从第347环开始掘进过程采用膨润土+泡沫剂进行渣土改良，如图3所示。可以看出盾构掘进至第378环时出现刀盘扭矩突然增大，此阶段大粒径卵石无法通过螺机带出现象;掘进第387环时出现螺机被大直径卵石卡死情况（大量卵石粒径在35cm左右），如图4所示;在第406环时伴随有螺机喷涌现象，导致跳闸停机;在之后的掘进中，频繁出现刀盘扭矩突然增大、螺机喷涌等现象，且渣土和易性较差，渣土较为松散，小粒径卵石随水回流进螺机内，导致出土不畅。推进过程中刀盘扭矩忽大忽小，刀盘前无法建立土压，直至掘进至430环停机。

采用膨润土+泡沫剂进行渣土改良，在富水全断面卵石层中改良效果不佳。经分析决定从430环开始采用新型高分子聚合物进行渣土改良，如图5所示。通过使用高分子聚合物进行渣土改良后，刀盘扭矩有明显改善（见图6），且螺机喷涌现象几乎很少发生，盾构掘进慢慢回归正常，最终顺利完成区间掘进。

3.2.2 周～应区间左线

洛阳地铁周～应区间左线全区间盾构使用泡沫剂进行渣土改良，掘进过程刀盘扭矩变化情况如图8所示。从图7可以看出，土压平衡盾构在砂卵石地层掘进时刀盘扭矩总体控制值波动较大，总体变化趋势总体匹配区间穿越地质情况，全断面富水砂卵石段落刀盘扭矩较大。对区间刀盘扭矩值进行归纳分析，如图8所示，可以看出正常掘进阶段土平衡盾构刀盘扭矩近似服从正态分布，浮动范围为1600-5400kN*m，波动范围较大。盾构设备负荷较大，对掘进效能控制不太有利。

4 结语

渣土改良技术是土压平衡式盾构在复杂地层中掘进的关键技术手段。洛阳地铁1号线周～应区间隧道土压平衡盾构穿越富水砂卵石层掘进施工，在大粒径卵石不集中段落仅使用泡沫剂进行渣土改良可以满足现场掘进条件，如遇大粒径卵石集中段落可以通过采用高分子聚合物改良渣土，有效解决了土压平衡式盾构在富水砂卵石层中掘进时，由于大粒径卵石卡住刀盘而导致的无法连续出渣等问题，最终实现土压平衡推进，极大地减小了刀盘扭矩、推进速度的波动范围，为合理控制地層损失率提供了强有力的保障，从而保证了盾构安全、高效地掘进施工，可以为国内类似工程的盾构法施工提供一点借鉴及参考，共同推动我国盾构法施工技术的进一步发展。

参考文献：

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[8] 唐卓华，徐前卫，杨新安等.富水砂层盾构掘进渣土改良技术[J].现代隧道技术，2016，53（1）：153-158.