渣土改良技术总结

渣土改良技术总结
 
摘要：在土压平衡式盾构施工过程中，开挖面土体的流动性十分重要，为了提高开挖面土体的流动性，通过对开挖出渣土进行改良，用以满足施工要求。本文依托南昌地铁长～蛟区间盾构施工，对砂卵石和全、强、中风化千枚岩地层渣土改良技术加以总结，对之后类似工程提供经验。
关键字：盾构施工  开挖面  渣土改良  地层
1、工程概况
长江路站～蛟桥站区间分为两个工程地质区，蛟桥站（北一环站）～中间风井、中间风井～里程约SK3+410为工程地质I区；里程约SK3+410～长江路站为工程地质II区。
（1）蛟桥站（北一环站）～中间风井～里程约SK3+410区间
区间隧道通过的地层主要由⑥₁全风化千枚岩、⑥₂强风化千枚岩、⑥_3-2中风化千枚岩等组成，地质条件复杂，施工难度大。
 
（2）里程约SK3+410～长江路站区间
区间隧道通过的地层主要由②₄中砂、②₅粗砂、②₆砾砂、②₇圆砾、⑤_1-1强风化泥质砂岩、⑥₁全风化千枚岩、⑥₂强风化千枚岩等组成，地质条件复杂，施工难度大。
 
2、盾构机具有的渣土改良设备
为改善土体的流塑性和开挖面的稳定性， 有效的开挖面稳定辅助支撑装置主要由三个部分组成：泡沫系统、膨润土装置、土仓压力控制系统。
（1）泡沫装置
泡沫装置主要由活性剂泵、水泵、空压机、泡沫发生器、管路及阀件等组成，安放在后方台车上。
泡沫装置首先按一定比例将活性剂和水分别由活性剂泵和水泵泵入泡沫发生器，然后在在泡沫发生器中进一步和压缩空气进行混合生成泡沫，其中一部分通过四条独立的管道将泡沫经过盾构机前部的中心回转接头输送到刀盘，其余部则经过各自的管道进入土仓和螺旋输送机对碴土进行改良。
泡沫的加入具有手动和自动多种控制方式，并可根据实际需要实现泡沫混合比例、加注数量和加注点的不同选择。
（2）膨润土装置
膨润土装置主要由注浆泵、储浆箱、管道、自动阀门等组成。安放在后方台车上。膨润土由膨润土泵泵出，经管道通到前面的密封土仓和螺旋输送机内，对碴土进行改良。膨润土的注入可实现手动控制和自动控制。
（3）土仓压力控制系统
土仓压力控制系统主要有土压传感器等元件组成。土压传感器安装在土仓里。土仓里面的土压力通过传感器反映到显示屏上，操作人员通过观察显示屏了解土仓里的压力变化，从而做出相应的调整。
3、渣土改良
3.1 渣土改良剂的选择
在盾构机掘进时，向开挖面、土仓等处加注改良添加剂，其具体功能如下：①对于富含水砂层，一方面止水，另一方面可以改善砂的和易性；②在砂性土和砂砾土地层中，可以起到支撑作用而且可以改善土的流动性；③在粘性土层，可以防止渣土附着刀盘和土仓室内壁，另一方面，由于改良剂中的微细气泡可以置换土颗粒中的孔隙水，因而可以达到止水效果。
表1  渣土改良剂的种类

	膨润土	泡沫剂	高分子聚合物	增粘剂
特性	PH值7.5～10.0 粘度：2～10Pa·s	PH值7.3～8.0 粘度:0.003～0.2 Pa·s	PH值7.5～10.0 粘度：0.7～2.0 Pa·s	PH值7.5～10.0 粘度：0.5～15 Pa·s
适用范围	砂～砂(卵)砾石地层	粘土～砂(卵)砾石地层	固结粘土～砂砾地层	粗土～粗砂地层
特征	制浆和输送设备需较大的空间	输送和使用便捷，消泡后渣土能恢复原来状态	在粘性软土层有时会因粘土变硬而出现堵塞	停止开挖时,有时会堵塞

结合长～蛟区间实际地质情况施工中拟采用膨润土浆液和泡沫剂配合试验进行渣土改良。
3.2 渣土改良方案
3.2.1 渣土改良试验
本次试验主要计算膨润土浆液、泡沫剂与渣土的配比，到达渣土改良的初始配比，以指导前期盾构施工。具体实验步骤为：①在施工场地取与隧道所处地质条件相同的渣土；②分别做膨润土与水的配比、膨润土浆液和泡沫剂与渣土的配比；③得到膨润土浆液和泡沫剂与渣土的最佳配比。
（1）膨润土与水配比试验：
1）钠基膨润土原料配制标准：

名称	数量
钠基膨润土（一级200目）	50公斤
纯碱	2公斤
火碱	1.5公斤
纤维素	1.5公斤

试验配比：

序号	膨润土	水	配制出的土样
a	1kg	3kg	无流动性，呈可塑状
b	1kg	5kg	流动性较小，呈可塑状
c	1kg	7kg	流动性适中，呈不可塑状
d	1kg	10kg	流动性大，呈不可塑状

2）四组试验图样如下：
  
      （a）                  （b）               （c）                （d）
3）a、b组流动性太小不做考虑，c、d组用于下一步试验。
（2）膨润土浆液、泡沫剂与砂的配比试验：
1）配比：

序号	膨润土浆液	泡沫剂	砂	配制出的土样
a	1kg（1:10，比重1.05g/cm3）	0.03kg	10kg	流动性过大，呈不可塑状
b	0.5kg（1:10，比重1.05g/cm3）	0.03kg	10kg	流动性较大，呈不可塑状
c	1kg（1:10，比重1.05g/cm3）	0kg	10kg	流动性大，呈不可塑状
d	1kg（1:7，比重1.07g/cm3）	0.03kg	10kg	流动性稍大，呈不可塑状
e	0.6kg（1:7，比重1.07g/cm3）	0.03kg	10kg	流动性适中，呈可塑状

2）试验图样如下：
 
          （a）                   (b)                       (c)
 
          (d)                    (e)
3）结论：e组试验配制出的样土流动性较合适呈可塑状。施工时建议采用膨润土与水比例为1:8的膨润土浆液。渣土与膨润土浆液、泡沫剂比例为1:0.08:0.003。
3.2.1 施工中遇到的问题及处理措施
长～蛟区间在盾构掘进施工中前期采用渣土与膨润土浆液、泡沫剂比例为1:0.08:0.003进行渣土改良掘进比较顺利。
       
          砂土层改良后土                        风化岩层改良后土
在盾构掘进至里程为SK4+256.14左右，掘进速度明显下降扭矩上升速度快，发现问题后，我项目部及时采用高分子聚合物和泡沫剂对土体进行改良，但是效果并不明显。经过开仓后发行刀盘结泥饼现象严重。
 
经过清理刀厢并更换24把刀后，采用渣土与膨润土浆液、泡沫剂比例为1:0.08:0.003进行渣土改良掘进掘进，掘进记录显示，盾构机推力、扭矩均降低，掘进速度大幅提高，达到20mm/min。
4、结论
在复杂地层掘进一定要随时现场实际情况确定最正确的渣土改良剂并确定相适应的配合比。在由②₄中砂、②₅粗砂、②₆砾砂、②₇圆砾、⑤_1-1强风化泥质砂岩、⑥₁全风化千枚岩、⑥₂强风化千枚岩等组成的上软下硬的复杂地层中掘进并穿越建筑物时，一定要选择正确的渣土改良方法。只要渣土改良方法正确，施工方案合理，土压力平衡盾构机在复杂的复合地层中穿越建筑物存在的问题就能迎刃而解，并为以后的施工提供指导和帮助。