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谈 土 压 平 衡 盾 构 粘 土 地 层 渣 土 改 良 技 术

摘 要:在粘土地层中进行土压平衡盾构施工易造成掘进效率低、设备损害大,甚至刀盘结泥饼等问题。结合无锡地铁 3 号线旺庄路站—黄山路站区间穿越全断面粘土层盾构施工案例,提出了盾构在粘土地层中掘进采取的渣土改良技术措施与盾构推进参数,为今后类似工程提供参考和借鉴。
  盾构掘进中的理想渣土应有良好的流塑性、较低的内摩擦力、良好的止水性等性质,以满足对开挖面支撑及顺利出渣的要求。目前,大部分盾构渣土改良技术针对砂层、砂卵石地层较多。如宁士亮、乔国刚等提出了北京地区富水粉细砂层渣土改良材料以膨润土为主、泡沫为辅的措施。姜厚停、王春河、郭彩霞等提出了北京无水砂卵石地层应采用泡沫和膨润土作为混合添加剂来进行渣土改良。对于粘土层中的盾构渣土改良技术研究相对较少,本文结合无锡地铁 3 号线旺庄路站 ~ 黄山路站区间穿越全断面⑥1 粘土层盾构施工中所遇到的工程问题,提出相应粘土层渣土改良技术、盾构推进参数及相关辅助措施,以期为今后类似工程提供参考和借鉴。
1 工程概况
  该无锡地铁3 号线旺庄路站—黄山路站区间全长1 328 m,区间主要穿越④2 粉砂夹粉土层、⑤1 粉质粘土层、⑥1 粘土层。其中区间穿越全断面⑥1 粘土层高达 600 m。⑥1 粘土层特性如下:暗绿 ~ 灰黄色,硬塑,局部可塑,含灰色条带,团块,含铁锰质氧化物斑点,夹少量铁锰质结核,偶夹薄层粉质粘土。
2 施工中出现的问题
2. 1 排土不畅推进速度缓慢
  由于⑥1 粘土黏性较大,螺旋机挤出的粘土呈条型整体且连续不分散。由于黏性较大,粘土与地层水不融合,泥水附着表面,在皮带机上打滑,皮带机空转,无法及时将粘土运输至渣土斗,这就导致排土不畅,推进无法持续进行,严重制约了施工效率,如图1 所示。
2. 2 螺旋机出土口卡土
  由于粘土黏性较强,难以分离,条状挤出后,易堆积在皮带机出土口,造成出土口堵塞,皮带机卡死,需要耗费大量人工清理,清理工作也因粘土黏性较大而变得十分困难,如图 2 所示。
2. 3 螺旋机出土口喷涌
  渣土改良不到位,土体黏性大搅拌不均匀,加入的泡沫剂和水与土体无法有效融合,进入螺旋机后,分别挤出,进而导致螺旋机出渣口出现喷涌情况,喷涌引起皮带机打滑、土体打滑等不良后果,造成恶性循环,大大降低施工功效。
3 解决措施
3. 1 渣土改良
  由于粘土黏性较大,在渣土改良过程中, 发现仅用普通泡沫改良,无法达到较好的效果。在多次试验后,推荐采用分散型泡沫剂,即在泡沫内按 4∶ 1 的比例掺入分散剂。分散剂在接触土体后可以与土体发生化学反应,软化土体,增加土体流塑性,降低土体黏性等效果。与泡沫混合后,通过泡沫系统,分路注入掌子面,在刀盘搅拌过程中,与土体混合反应,最终进入螺旋机的土体,即具有较好的土体流动性。改良效果如图 3 所示。
3. 2 皮带机出土口改造
  旺—黄区间采用的铁建重工螺旋机出土口,开口宽度较大,土体被挤出后呈现大块状,易堆积在螺旋机出土口,为减小挤出土体的体积,对螺旋机出土口进行了局部改造,在螺旋机出土口上下左右各增加一块延伸钢板,钢板厚度 1 cm,螺旋机出土口缩小为35 cm × 35 cm 的一个正方形出土口,土体被挤压出后,块体减小,有效降低了土体堆积在出渣口的风险。改造情况如图 4 所示。
3. 3 调整推进参数
  对于粘土层的推进,应当注意以下几个问题:
  1) 半仓推进。对于粘土层的推进,由于粘土黏性较大,自身粘合力较大,搅拌困难,土仓存土不宜超过半仓,如需保压,建议采用泡沫和土体虚实结合的方法。半仓推进,有利于粘土流动搅拌进而与分散型泡沫充分混合反应,到达螺旋机出土口后,形成流塑性较好的软散型土体。
  2) 均低速推进。根据渣土改良的效果,调整盾构机的推进速度,建议 3 cm/min ~ 4 cm/min。速度较快,会导致刀盘切削土体体积太大或者速度较快无法有效均匀搅拌。这都将影响渣土改良效果,造成出土不畅等问题。放慢速度,保证切削的土体能在土仓充分搅拌并及时被螺旋机运出,可以形成有效的良性循环,从而减小螺旋机堵塞、喷涌等风险。
  3)增加分散泡沫剂流量适当加水。分散剂泡沫通过刀盘注入到切削的掌子面,与粘土混合,开始搅拌、反应,但由于掌子面开挖面较大,故刀盘注入孔的数量应不低于 4 路,分散分布于刀盘各切削轨迹,保证与土体充分混合搅拌反应。另外,泡沫剂发泡率不低于 5 倍,增加发泡,有利于半仓推进和土仓保压,气体流量根据具体土压力控制。由于粘土含水量较少,在推进过程中,应根据渣土改良效果,及时调整加水量,加水管路不应低于 2 路,流量不低于 60 L/min。根据具体出渣情况,可做适当调整。
  4) 刀盘转速扭矩控制。刀盘转速一般控制在 1. 2 rpm ~ 1. 4 rpm,刀盘转速的提高有利于同一时间内,增加泡沫剂和土体的搅拌和反应效果,更好的实现渣土改良。刀盘扭矩不宜高于 3 000 kN·m,当刀盘扭矩超过 3 000 kN·m 时,需做渣土改良调整,否则,高扭矩工作不仅对刀盘磨损造成影响,还会增加刀盘对土体干扰,造成切削土体较大等不良因素。最终都将影响渣土改良,造成出渣不畅、喷涌等。
4 现场应用效果
  经过上述几种方法的优化,渣土改良得到了较大的改善,出土松散,黏性降低,质地变软,易于运输,如图 5 所示。盾构推进施工引起的地表沉降变形如图 6 所示。由图 5 和图 6 分析可知,盾构掘进施工时,渣土出土状况良好。盾构施工过程中,地面沉降最大值为 -4.12 mm,地表沉降控制效果良好。因此,采取的渣土改良技术及推进参数安全有效,可保证盾构施工顺利。
5 结语
  无锡地铁 3 号线⑥1 粘土层,不仅具有较强的黏性,而且中间夹杂部分铁锰质结核,硬度也较高。针对该地层首先要做好的便是渣土改良,增加分散型泡沫剂的成本投入是性价比较高的选择。配合出渣口改良、参数调整等辅助措施,可以避免螺旋机喷涌、堵塞等问题,实现连续推进。在无锡后期的施工掘进中,全断面⑥1 粘土层的掘进效率由最初的 8 环/d 提高到了 14 环/d ~16 环/d,现场监测显示:地面沉降控制效果良好,最大为 4 mm 左右,对类似工程具有很好的借鉴意义。

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