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土压平衡盾构区段粉质黏土渣土 改良技术探讨

摘  要:在土压平衡式盾构施工过程中,通过对渣土进行改良,改善渣土塑性、流动性,降低渣土的透水性,使之具有良好的塑性变形、软稠度、小内摩擦角及低渗透率。渣土改良效果对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。
  文章通过对西安地铁5号线TJSG-3标段粉质黏土改良情况进行分析研究,并通过不同渣土改良方案的实施对比,提出合理的渣土改良技术方案,施工的实施结果验证了技术方案的可行性。
1  工程概况
  西安地铁5号线一期工程西起西郊和平村,东至纺织城火车站,工程全长25.24 km,其中地下线24.04 km、高架线1.05 km,地面线0.15 km,共设置地下站20座,高架站1座。
  5号线TJSG-3标段阿房宫—西窑头区间深度60.0 m范围内的地层主要由人工填土、中砂、冲积粉质黏土、粗砂及粉质黏土等组成。盾构通过地段主要为粉质黏土地层,其中粉质黏土约占50%。区间地下水为第四系松散层孔隙潜水,
地下水水位埋深13.1~22.1 m,水位高程383.27~385.40 m。潜水位埋深受蒸发影响较大,夏季天气炎热,蒸发量大,年水位变幅1.0~2.0 m。
  阿房宫—西窑头区间地层地质构成见图1。
2  盾构掘进初始参数确定
  根据西安地铁粉质黏土地段盾构推进数据分析,同时借鉴类似工程地质条件下的盾构施工参数,初步设定盾构推进的各项初始参数。
(1)推力。
  初始推力尽量控制在1 000 t以内,最大不得超过1 500 t。
(2)土舱压力。
  根据太沙基公式计算并结合始发阶段的实际推进情况,初步设定土压为100 kPa,根据地面沉降监测报告及时进行调整。
(3)刀盘转速。
  1.2~1.3 r/min。
(4)刀盘扭矩。
  一般控制在2 000 kN·m以下。
(5)推进速度。
  30~50 mm/min。
3  盾构掘进情况分析
 (1)土压波动较大。
  本标段粉质黏土黏性大,渗透率低,刀盘的开口率56%,推进过程中易出现大块土体,渣土改良效果较差,对土压传感器形成冲击,造成土压波动幅度较大。
 (2)扭矩变化较大。
  在粉质黏土推进过程中,当推进速度超过50 mm/min时,刀盘扭矩快速增大,说明掌子面土体强度高;土舱内的渣土流塑性比较差,刀盘需要克服的阻力增大,扭矩能迅速达到3 000 kN·m以上。
 (3)出土困难。
  本标段粉质黏土强度高,渣土的和易性和流塑性较差,渣土与螺旋机壳体间的摩擦力大,螺旋机需要克服的阻力过大;螺旋输送机出渣口设计方面存在不足,渣土在出土口处易失水固结,造成螺旋机压出土困难现象。这说明渣土改良效果较差,渣土黏稠度过高,流塑性、和易性不好。
  通过分析总结,盾构试推进产生的以上问题主要是由渣土黏性大及渣土改良效果差造成的。
4  盾构掘进渣土改良技术方案及试验验证
  粉质黏土吸水膨胀,失水收缩,黏性强,渗透率低,不能满足施工要求。
  结合地质实际情况,采用泡沫剂进行渣土改良,泡沫剂的配合比为2%,泡沫剂注入率为75%,膨胀率为8%。在注入泡沫剂的同时,通过增压水泵适量注水,并根据实际推进及出土情况调整注水量。
4.1渣土改良技术方案选择
 (1)方案1,向螺旋机内注入泡沫剂进行渣土改良。粉质黏土在通过螺旋机排出时,黏性土体充满螺旋机腔内,渣土改良效果无明显改善。
 (2)方案2,利用泡沫进行土仓内渣土改良,利用膨润土系统进行土舱加水。
  该方案结果表明,螺旋机出土能力有一定的提高,但由于膨润土管路位于土舱下方,水压较低,无法注入渣土内,易出现泥水分离,造成皮带机输送能力降低。
  通过观察,渣土块外部有一层泥浆,内部硬度依然较高,渣土从螺旋机口掉落在皮带输送机表面打滑堆积,以至于皮带输送机被堆积的渣土压停,表明土舱内渣土改良效果无明显改善。
 (3)方案3,增压水泵对土舱进行加水,适当提高泡沫注入量,对推进参数进行优化:
  ①提高盾构刀盘转速,降低盾构掘进速度,刀盘转速控制在1.2~1.3 r/min,掘进速度控制在30~45 mm/min;
  ②减小刀盘的贯入度,将刀盘的扭矩控制在2 000 kN·m以内;
  ③掘进时,利用增压水泵将水注入到土舱内,并适当提高注入到刀盘面板上的泡沫量,根据出土情况调整注水量;
  ④将螺旋后门的开口度适当减小,避免大块渣土堆积在皮带上。
  该方案结果表明,通过优化施工参数,渣土改良效果明显改善,满足施工进度要求。
  本工程推荐方案3。
4.2渣土改良效果试验验证
  为了进一步验证方案3对粉质黏土的改良效果,特进行如下试验。
  (1)尽可能模拟施工环境,试验黏土取样要有代表性,以降低盾构穿越这种地层时的风险。
  (2)对泡沫剂原液浓度按1%、2%、3%、4%、5%、6%的掺量进行稀释(图2),绘制发泡剂浓度与半衰期关系图,给出泡沫稀释后最优时的泡沫浓度。
  (3)按最优泡沫浓度稀释液与泥岩质量比为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6的比例充分拌合,测定经泡沫剂改良后拌合料的坍落度数据,分别给出单独使用泡沫剂为改良剂时的最佳配比。
  通过以上试验得出如下试验结果。
 (1)图3给出了发泡剂浓度-半衰期关系曲线,由图3可见,发泡剂浓度从1%提高到6%,溶液所发出的气泡的半衰期由7.5 min上升到14.5 min,所发出的气泡趋于稳定;发泡剂浓度从1%提高到3%时,气泡的半衰期由7.5 min上升到13.5 min,气泡稳定性变化明显;发泡剂浓度从3%提高到6%时,气泡的半衰期由13.5 min上升到14.5 min,气泡稳定性变化不大。
(2)图4给出了发泡剂浓度
最大发泡倍率关系曲线,由图4可见,发泡最大发泡倍率随发泡剂浓度的升高而增加,浓度从1%提高到3%时,最大发泡倍率为28~58;浓度从3%提高到6%时,最大发泡倍率保持在57,表明发泡倍率不再受发泡剂浓度的影响。
(3)图5给出了拌合料质量比-坍落度关系曲线,由图5可以看出,坍落度随发泡剂稀释液掺量的减少而降低,从1:1到1:6,拌合料坍落度由260 mm下降到30 mm,可见,随着发泡剂稀释液掺量的减少,坍落度趋于稳定;发泡剂稀释液掺量从1:1到1:2时,拌合料坍落度由260 mm下降到210 mm,拌合料的流塑性最强,但无黏性;发泡剂稀释液掺量从1:2到1:4时,拌合料坍落度由210 mm下降到160 mm,拌合料的流塑性最佳,黏性最强;发泡剂稀释液掺量从1:4到1:6时,拌合料坍落度由160 mm下降到30 mm,虽然拌合料黏性最强,但几乎无流塑性。
5  工程实施效果
(1)注水量与出土效率。
  通过试验数据记录分析可知,随着注水量增大,出土时间缩短;盾构掘进速度为40 mm/min、转速为1.3 r/min,泡沫注入量为60 L/min,增压水每环注入量为2 m3时,每斗出土时间趋于稳定,渣土的均一性良好,基本无大块状土;盾构掘进速度加快,渣土容易出现搅拌不匀的现象,出土效率降低,推进时间延长。
(2)注水量与螺旋压力。
  注水量增加,螺旋机压力下降;盾构掘进速度为40 mm/min,泡沫注入量为60 L/min,螺旋转速为8~10 r/min时,螺旋机压力降低为7~8 MPa,可以实现螺旋的顺畅连续出土;注水量继续增加,渣土比较稀,螺旋机压力降低到6 MPa以下,皮带机运送渣土能力下降,出土效率降低。
(3)推进速度与扭矩。
  盾构刀盘转速1.3 r/min,盾构掘进速度30~45 mm/min时,刀盘扭矩小于1 500 kN·m;盾构掘进速度超过50 mm/min时,盾构刀盘扭矩迅速增大。
6  结束语
  渣土改良是盾构施工过程中的重点和难点。
  本文对粉质黏土改良技术进行了探讨和分析,通过理论分析和现场试验验证,最终确定了粉质黏土渣土的有效改良方法和相适应的配合比,并在工程施工中得到了良好的应用,取得了较好的渣土改良效果。
  希望本文能够为类似工程地质条件的渣土改良提供借鉴。

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