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土压平衡式盾构穿越全断面砂层渣土改良技术研究

摘 要:以西安地铁二号线北客站—北苑站区间为依托工程,总结土压平衡式盾构机在全断面砂层掘进施工中的开挖面土体与渣土改良技术,成果可为土压平衡式盾构机在全断面砂层或类似地质条件施工提供借鉴。
1 工程概况
  西安地铁二号线北客站—北苑站区间位于渭河一级阶地,其中 10m 左右为砂层埋深。盾构所穿越地层基本为全断面砂层,砂层分层较为明显,顶部为不连续的粉细砂,洞身处主要为中砂,底部为粗砂和砾砂。盾构所穿越地层的细砂、粗砂的平均标贯击数在 54 击以上,最大标贯击数在 88 击以上;中砂、砾砂的平均标贯击数在 75 击以上,最大标贯击数为 150击,特别是盾构隧道穿越的主要地层———中砂层的平均标贯击数在 101 击 (>30 击为密实砂层)。该区间的地下水位埋深为11.03~12.60m,略高于隧道顶部或与顶部持平。由此可见,该区间含水量丰富和砂层标贯击数高是一个较为显著的特征,尤其是标贯击数高,这给掘进带来了极大的难度。
2 全断面砂层掘进存在的问题
  因砂性土具有渗透性强、流塑性差、颗粒间几乎无黏聚力等特点,土压平衡式盾构机在全断面砂层掘进时存在以下困难与问题:
  1)因砂性土颗粒间的摩擦力较大,其流动性较差,当土舱和螺旋输送机内充满渣土时,易导致刀盘扭矩、千斤顶推力以及输送机的转矩增大,甚至出现无法排渣现象;并且在掘进过程中,刀盘温度易超过正常工作温度,加剧刀盘的磨损,影响整个盾构机的工作性能,甚至导致盾构机停机。
  2)砂性土的颗粒粒径并不均匀,当颗粒粒径较大(>5cm)的砾石进入输送机时,将导致输送机因油压升高,进一步导致其温度超过工作温度,影响输送机的运作,严重时甚至导致输送机停转。
  3)砂性土几乎无黏聚力,流塑性较差,在掘进时容易出现较大粒径的砾石堆积在土舱底部,并在螺旋机旋转时向叶片四周移动,使土舱压力的控制难度加大。
  4)在全断面砂层掘进时,难以实现掘进速度、螺旋机转速、刀盘扭矩之间的平衡关系,并且刀盘扭矩将随掘进速度的加快而增加,极易发生刀盘近乎满载运行的情况,不利于盾构机的安全掘进。
5)在砂层掘进时,难以形成拱效应,且土舱建压较难,因此,通过螺旋机控制压力极为重要,较高的螺旋机转速将易导致出土量的增加和土舱压力的降低,较低的螺旋机转速又难以保证掘进的进行。
  针对上述问题,在全断面砂层中应用土压盾构机掘进时,必须对开挖面土体和渣土进行一定程度的改良,才可满足掘进要求,实现盾构机长距离快速掘进。
3 渣土改良试验方案
  渣土改良的本质是增加渣土单位体积内的黏粒含量,改变土层的 c、准 等物理力学特性,增加砂土的流塑性,从而改善建压和出土的效果,使盾构机可长距离快速掘进。
3.1 泡沫剂改良方案
  相对于黄土隧道掘进,在行政中心站—运动公园站区间,部分地段砂层仅占到隧道断面的 80%左右,且地层中含有黄土,仅使用泡沫便可实现渣土的有效改良。当隧道在全断面砂层地段掘进时,依旧采用泡沫为主要改良剂对土体进行改良,但泡沫用量显著增加后,其改良效果相对于第一区间并无改善。在掘进过程中,因渣土改良效果不佳而出现螺旋齿轮箱进砂等情况,从而致使螺旋机故障,进一步造成盾构机停机 1~2 个星期,增加了工期压力和盾构施工成本。并且,在实际的盾构掘进施工中,盾构机土舱上部土压仅为 0.01MPa,土舱压力仅能达到掘进的标准,但其掘进过程不受控,难以保证地面建筑物及地下管线的安全。因此,需针对地层条件,对渣土改良方案进行完善改进。
3.2 膨润土泥浆 + 泡沫改良方案
  经过试验室数据采集及对比分析及现场实践结果,通过对右线运动公园站—北苑站土体改良试验,对于全断面砂层(地下水位未超过螺旋后闸门高度)渣土改良参数为:钠基膨润土和水的质量比为 1∶10,浆液密度 1.07,黏度 35s,注入率10%~20%(与渣土体积比);泡沫剂:发泡倍率 12 倍,原液注入量 30~50L,注入率 3%~5%(与渣土体积比)。在具体的施工中,要充分结合推进参数进行调整,保证掘进顺利。
  根据计算,盾构双线每天掘进的总环数最多为 20 环,膨润土用量为 120m3,在地面修建膨化池 2 个(每个 90m3)、钢制拌浆池 2 个、放浆池 1 个、拌黄土浆池 1 个,可以满足盾构施工需要。同时采用箱体运输,需对编组列车进行新的编组,需在最后一节渣车和砂浆车之间增加运输膨润土的箱体车。膨化时,利用反循环泥浆泵使泥浆循环,并通过移动泥浆泵的位置来确保泥浆不沉淀。膨化 24h 后,利用反循环泥浆泵将泥浆抽至放浆池中,再通过管道放至 7m3 浆车或用渣车改造的12m3 浆车运送至隧道内,然后用泥浆泵抽至加泥箱进行使用。
3.3 膨润土 + 黄土混合泥浆改良方案
  在该区间掘进进行中,发现刀盘扭矩波动越来越大,刀盘扭矩与总推力、螺旋转速很难达到协调,通过对渣样进行分析,发现渣土的颗粒粒径由最大 2~3cm 增大至最大 5~10cm。根据现象分析,造成刀盘扭矩与其他参数不协调的原因是地层变化为砾砂层,地层中砾石的含量明显增多。当盾构机切削含有大粒径砾石时,由于普通膨润土泥浆密度较低(仅能达到 1.07),在出渣时,较大粒径的砾石易堆积在盾构机土舱的下部,导致刀盘旋转时的扭矩增大。对于此种现象,可通过增大膨润土泥浆的比重,使较大粒径的砾石被顺利排出,从而降低刀盘旋转的扭矩。因黄土在西安地区便于收集,故考虑在膨润土泥浆中加入部分黄土。
  经过反复试验,最终确定膨润土:黄土为 3∶2,泥浆密度由1.07 增加至 1.17,盾构机可顺利排出较大粒径的砾石,刀盘扭矩趋于平稳。
4 渣土改良的效果评价
4.1 降低刀盘内外周温度
  因砂性土的流塑性较差、内摩擦角大等特点,盾构在全断面砂层掘进时易造成刀盘内外周温度急剧上升,迅速超出正常的工作温度(30~40℃)达到停机温度(60℃),甚至达到刀盘物理变形温度(70℃),从而导致盾构机停机,影响施工速度,增加工期和经济压力。
  当盾构机穿越北三环辅道时,此段砂层因受地面车辆动荷载的影响而较为密实。在此段掘进时,刀盘的内周温度在30min 内迅速升至 60℃,土体温度升至 42℃,此时须停机降温。为降低刀盘密封温度,向刀盘前方注入大量膨润土和泡沫,但效果并不理想,仅将刀盘温度降至 40~50℃,勉强满足掘进要求。为使刀盘密封温度进一步降低,适当改造了盾构机的加泥管路,将主要加泥管路连至刀盘面板后,刀盘密封温度显著降低,由之前的 46~48℃降至 32~35℃。具体有:
  在盾构机掘进至 40~90 环时,刀盘的平均密封温度约为50℃;当掘进至 90~140 环时,因提高了膨润土和泡沫用量,并适当改造了盾构机的加泥管路,刀盘密封温度有一定程度的降低,约为 40~50℃;在盾构机穿越绕城高速(140 环)后,刀盘密封温度进一步降低,约为 30~40℃,后期温度基本保持在30℃上下。由此可知,通过渣土改良结合对加泥管路改造技术可将刀盘温度降低至正常工作温度。
4.2 流塑性增加,和善性改善
  渣土过干将导致螺旋机油压增大、排渣困难的现象发生,严重时将导致螺旋机卡死,须进行人工排渣,盾构机才可恢复正常工作;渣土过稀则会造成渣土从皮带与皮带架的间隙处流出,进一步污染双轨下的管片和已成型隧道,须进行人工清理;可见,渣土不论是过干还是过稀,均会增加不必要的人工劳力,增大工期和经济压力。因此,为改善这种状况,使渣土可以被顺利排出,对渣土进行改良,增加渣土的流塑性和改善其和易性极为必要。
  一般可通过塌落度试验来侧面验证渣土的改良效果。渣土进行改良后,能具有较好的流动性,并且可黏结在一起,使流塑性得以改善,且改良效果较好。在施工现场,因现场情况复杂,可在施工时通过以下方法判断评价渣土的改良效果:
 (1)观察螺旋机的回转压力以及出渣状况;
 (2)直接取皮带上的渣土进行观察。
  图 1 为渣土改良对螺旋机回转压力影响曲线,从中可以看出,在掘进至 40~120 环时,因渣土改良技术暂不成熟,螺旋机回转压力大致为 6MPa,有较大的波动;随着盾构继续掘进至 160 环后,因改良技术的不断完善,回转压力显著降低,最终稳定在 3MPa 上下,渣土改良效果明显。实践表明,膨润土泥浆+泡沫改良方案可有效改良砂性土的和善性以及流塑性,具体表现为螺旋机回转压力的降低程度和出渣顺利程度。
4.3 润滑作用
  该区间基本为全断面砂层,但少量地段为粉质黏土与中砂组成的复合地层,在这种地层中掘进时,由于刀盘切屑和土舱旋转,黏土块和砂粒黏结在一起,处于砂裹泥的状态,虽有利于出土和掘进,但加剧了螺旋机与砂粒间的摩擦,从而致使螺旋机损坏。
  盾构掘进遇到此类地质条件时,膨润土泥浆的使用也是必不可少的。此时,膨润土泥浆不以改良渣土为首要目的,而是以润滑为主,尤其是对螺旋机及其叶片的润滑作用,可有效降低施工难度和经济成本。
5 结语
  针对土压盾构机在全断面砂层中掘进所遇到的问题,根据地层中砂砾的含量、粒径等特点,不断优化和改进对渣土改良剂的配比、性能,并结合现场实际试验,将渣土调整至最佳的塑流状态,使得土压平衡盾构能很好地适应全断面砂层掘进,实现盾构机长距离快速掘进。

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