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摘要：盾构在砂卵石地层施工，刀具磨耗严重，容易破损、脱落。掘进中一旦出现这类情况，将导致刀盘扭矩上升，盾构推进困难，甚至无法施工，被迫开舱换刀。这很易引起开挖面坍塌，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。
关键词：地铁盾构；隧道施工；砂卵石；外加剂
1引言
土压平衡盾构施工过程中，如何防止渣土在刀盘上形成泥饼、在土舱内积压、堵舱，在螺旋输送机出口产生堵塞、喷涌、刀盘和刀具磨损等，仍是目前盾构隧道施工所面临的主要难题。在砂卵石地层中施工，由于地层力学性质不稳定，卵砾石含量高，颗粒之间空隙大，无黏聚力，使得开挖土体塑流性差，盾构推力、扭矩大，刀盘、刀具及螺旋输送机磨损严重，推进速度极其缓慢，且地层在盾构施工扰动下稳定性较差，给工程施工造成了极大的困难。
因此，如何进行有效的渣土改良，对盾构施工至关重要。渣土改良效果的好坏，将直接影响到盾构掘进速度、开挖成本，甚至将直接影响工程的成败。
目前关于渣土改良性能评价主要是以室内试验研究为主的坍落度试验、搅拌试验、渗透试验、压缩试验、稠度试验、剪切试验、安定性试验等。上述试验和评价方法主要针对特定取样土，不能真实反映原状土的特性和施工环境的影响。同时，考虑现场因素影响的砂卵石地层渣土改良试验较少。因此，本文以北京地铁19 号线某盾构区间工程为背景，针对本工程盾构所穿越的砂卵石地层具有卵砾石含量高、无黏聚力、土体塑流性差等特点，确定现场试验为主、室内试验为辅的原则，进行单加膨润土、泡沫，以及膨润土和泡沫相结合的渣土改良试验研。
2砂卵石地层工程特性
（1）砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，地层反应灵敏，开挖面不稳定容易产生坍塌；
（2）砂卵石颗粒的塑流性极差，土压平衡不易控制，而且土渣向外排出也较困难；
（3）砂卵石切削机理不明，盾构推力与刀盘扭矩难以确定；
（4）刀盘、刀具磨损严重，开仓换刀技术尚未解决。
（1）细粒含量少的土体
3砂卵石地层常见添加剂种类
常用盾构添加剂有泥浆和泡沫两种，一般当地层中细颗粒的含量低于30％时需注入泥浆以补充细颗粒含量。砂卵石地层细颗粒的含量一般都远低于30％，因此添加泥浆补充细颗粒是必须的。施工发现，加入大量泥浆虽然可以增加掘削土碴的流动性，对盾构掘进时刀盘扭矩过高的情况也略有改善。可是，当加泥量过大时，土仓内较大的卵砾石会在重力作用下沉至土仓底部，土仓内土体不能均匀混合，产生“离析”现象；当刀盘停止一段时间后重新启动时，容易产生刀盘被“抱死”而不转动的现象。因此，在添加大量泥浆的基础上还需加入泡沫添加剂才能满足土压平衡盾构施工的要求。
（1）对于砂卵石地层，泥浆应具有以下特性：
1）膨润土的粘性应较大
泥水的粘性应较大，一可以避免出现逸泥现象，利于成膜，保证掘削面的稳定，二是可以防止卵石在土舱中的沉积。
2）膨润土的相对密度要适宜
从稳定掘削面的角度出发，泥水的相对密度越大，成膜性越好，但密度太大泥水输送 时容易沉淀。对于北京的砂卵石地层密度可定为1.07～1.14。
3）膨润土的凝胶强度宜较高
膨润土的种类和质量直接关系到泥水的使用效果，对于砂卵石地层来说，其渗透系数较大，容易出现坍塌，故应选着凝胶强度较高的膨润土以提高泥水的粘性。
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（2）泡沫性能的要求：
1）5分钟以内消泡率小于5%
2）4小时以内消泡率小于10％
4适合砂卵石地层的膨润土、泡沫混合添加剂研究
（1）仅注入泡沫剂进行渣土改良
1）加注泡沫剂能减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，降低刀盘所需的驱动功率。
2）减少刀具的磨损和堵塞，起到一定润滑和冷却作用，同时还可以减小对盾构机排渣系统中易损件的磨损。
3）泡沫剂的持续加注能保证土仓内的土压力，提高隧道开挖面的稳定性，同时也可防止水从土壤疏松的地方渗入。
通过现场试验发现，加注泡沫剂后，能大大降低刀盘的扭矩、提高掘进速率。但是泡沫剂在砂卵石地层中极易带走细砂粒，大量卵石沉积在土仓并板结，造成土仓内下部土压传感器土压值持续升高，严重时出现刀盘卡死。
（2）仅注入膨润土进行渣土改良
1）膨润土由于具有吸湿膨 胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。土压平衡式盾构施工对加入的膨润土泥浆的一个基本要求就是它能够形 成 “滤饼”，可以形成于土粒内部和土粒之间，由胶结和固结的膨润土组成。这个“滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜，从而可以将过量的地下水压力中的液体压力转化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力，这对稳定地层防止推进中的地面塌陷至关重要。
2）由于掘进时膨润土注入到掌子面的流量有限，不能完全对刀盘前方土体进行改良，盾构掘进过程中推力和扭矩非常大甚至刀盘跳停，推进速度极为缓慢，甚至低至10mm 以内。因掘进速度缓慢，刀盘长时间转动对地层扰动极大，易造成地面及周边建构筑物沉降变形。
由于掘进时膨润土注入到掌子面的流量有限，不能完全对刀盘前方土体进行改良，盾构掘进过程中推力和扭矩非常大甚至刀盘跳停，推进速度极为缓慢，甚至低10mm以内。因掘进速度缓慢，刀盘长时间转动对地层扰动极大，易造成地面及周边建构筑物沉降变形。
（3）用膨润土+泡沫剂进行渣土改良，同时保压掘进
采用饱压参数进行掘进，导致刀盘扭矩过高，掘进速度较慢，盾构推力随着环数增加持续 升高。在此地层中，本参数掘进对盾构机刀具磨损将极其严重。土仓内压力过大，出渣时出现喷涌现象，闸门无法全开，螺旋机只能低速转动，大量卵石堆积在土仓和螺旋机内，经常造成刀盘和螺旋机卡死，对地面上建构筑物和地下管线影响非常大。
（4）用膨润土+泡沫剂进行渣土改良，同时欠压掘进
经过渣土改良和土压参数优化后，盾构机刀盘扭矩和总推力大幅度较小，掘进速度增加，因螺旋机能高速旋转并顺利出渣，从而避免了螺旋机和刀盘卡死风险；每环渣土采用称重措施，确保每环出土量数据真实准确。同步注浆量为 5.7m3（150%）以上，施工过程中每环注入量为 6～7.5m3。
渣土改良以泡沫、膨润土组合方式进行渣土改良。膨润土具有膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等，使其能够渗透进入砂砾层，润滑并包裹砂砾，使砂砾具有良好的塑流性。膨润土+泡沫剂混合液能起到润滑土体和使松散的土体聚合在一起，使之具有良好的和易性，便于螺旋机出土顺畅，刀盘扭矩减小。在掘进过程中膨润土浆液采用水：膨润土为 1：0.2 的配合比拌制，膨化时间为 24h；膨润土膨化后比重为 1.08，粘度为 23s。在掘进过程中如遇地层含水量较大出渣较稀导致螺旋机喷涌时，通过聚合物注入系统向土仓壁和螺旋机胴体加注浓度为 3‰的高分子聚合物混合液。
5结束语
（1）在保证土体改良剂质量的前提下采用泡沫和膨润土泥浆相结合，并在刀盘前分区式注入的方式进行土体改良是合理的，其效果比单独使用泡沫或膨润土改良有很大的改善。
（2）采用刀盘转速、刀盘扭矩、盾构推力、土压力、渣土温度等盾构掘进参数来评价土体改良效果，具有量化指标明确、易操作的优点。土体改良显著降低了刀盘、螺旋输送机的油压及盾构推力，减小了刀盘扭矩，减轻了砂卵石地层对盾构设备的磨损，提高了设备的使用寿命。
参考文献：
[1]王明胜.复杂地层中盾构法隧道渣土改良技术[J].地下空间与工程学报，2007-3（8）：1446-1447.
[2]马连从.富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究[J].隧道建设，2010，30（4）：411-415.
论文作者:郑永杰
论文发表刊物:《建筑科技》2018年第1期
论文发表时间:2018/4/8
标签：盾构论文; 地层论文; 卵石论文; 渣土论文; 膨润土论文; 扭矩论文; 泡沫论文; 《建筑科技》2018年第1期论文;