闫鹏升
（兰州市轨道交通有限公司，甘肃，兰州，730000）
【摘 要】伴随城市轨道交通不断的发展，全国大中城市纷纷投入到地铁建设，借力“一路一带”国家重要战略部署，兰州从传统的内陆城市转变为向西开放的前沿城市，兰州轨道交通建设作为一项重点工程，紧跟时代步伐，1号线一期工程已开工建设。本文针对兰州轨道交通1号线正式开工后首条贯通的某区间，对其施工过程中对盾构参数的不断调整，得出相对合理的施工参数用于指导兰州地区土压盾构施工。
【关键词】兰州地铁；砂卵石地层；盾构；掘进参数
1、工程概况
兰州轨道交通1号线一期工程某区间盾构穿越地质结构上方有②-1-1 层黄土状土，湿陷性土层分布深度为6m～10m 左右，湿陷土层厚度约5～9m。②-10 卵石（Q4al）层，粒径20～40mm 的颗粒约占10～20%，粒径40～60mm 的颗粒约占15～30%，粒径大于60mm的颗粒含量约占20～30%，最大粒径可达25cm，含砂量较大，地下水潜水位埋深15.00m～18.70m，水位高程1517.78m～1518.02m，地下水与黄河水存在补排关系。
2、技术方案
2.1碴土改良系统
盾构机配有两套碴土改良系统：泡沫系统和膨润土系统。两者在桥架前部共用一套输送管路，两个系统用球阀隔离使用时手动转换。
2.1.1泡沫系统
泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器、管路等组成。泡沫系统在控制室内控制，分为手动、半自动、自动三种模式。
2.1.2膨润土系统
膨润土注入系统输送管道使用前须关闭与之共用管道的泡沫输送泵及相应的球阀，膨润土通过输送泵压入刀盘、土舱和螺旋输送机内，达到改良碴土的目的。膨润土管路旁通有气动球阀，起泵时气动球阀打开（约10S），膨润土管路与膨润土罐旁通，可防止膨润土泵带载起动，起到保护作用。在起泵后气动球阀关闭，系统正常工作。根据实际需要，可以往膨润土箱装入泥浆，然后注入土舱内。
2.2盾构施工参数理论值
2.2.1 盾构掘进土压力初步设定
水位在刀盘中心下方处，水压暂未考虑，根据计算，土压为0.104MPa，盾构推进出土量控制在98%～102%之间，即37.93m3/环~39.48m3/环。
2.2.2 注浆量初步设定
同步注浆压力控制为1.1~1.2倍的静止土压，注浆量为理论注浆量的1.5~2.5倍，单环注浆量约为1.2×3.14×[（6.41/2）2-（6.2/2）2]×1.5×150%=5.61m3。
2.3 仅注入泡沫剂进行渣土改良
土西区间右线在+1环~+50环掘进过程中，利用泡沫剂进行渣土改良，泡沫参数：原液配合比2.0-3.5，流量400L/min，发泡率13%-15%，4根管路注入，原液用量每环约100L。通过试验发现，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。
图1 刀盘扭矩趋势图
2.4 仅注入膨润土进行渣土改良
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。
土西区间+51环~+100环在掘进过程中注入膨润土浆液，浆液采用水：膨润土为1:0.2的质量配合比拌制，膨化时间为24小时；膨润土膨化后比重为1.08，粘度为23s，注入率120L/min。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5mm以内。因掘进速度缓慢，刀盘长时间转动对地层扰动极大，易造成地层及周边建构筑物沉降变形。
2.5 用膨润土+泡沫剂进行渣土改良，同时保压掘进
综合前100环的渣土改良经验，+101环~+150环改良剂调整为膨润土+泡沫剂的混合浆液，膨润土和泡沫剂浆液的配合比维持不变。此段埋深约14米，计算土压为0.104Mpa（即1.04Bar），掘进过程中土仓上部土压保持在1.0bar左右。
采用保压参数进行掘进，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较大。
2.6 用膨润土+泡沫剂进行渣土改良，同时微欠压掘进
综合前150环掘进经验，掘进参数不断改良优化，最终形成参数为：膨润土浆液采用水：膨润土为1:0.2的质量配合比拌制，膨化时间为24小时；膨润土膨化后比重为1.08，粘度为23s，注入率80L/min。泡沫参数：原液配合比3.0-3.5，流量200L/min，发泡率13%-15%，4根管路注入，原液用量每环约30L~40L。土压降低至理论土压的70%左右，计算土压为1.0Bar。
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减小，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。同步注浆量理论值为5.7 m?（150%）以上，施工过程中每环注入量为6-7.5m3；出土量理论值为41-43m3，施工过程中每环出土量为40m3左右，实际施工过程中对出渣量称重双重控制。
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。
图2 160环至210环地表数据监测情况
2.7机械设备及盾构参数
本区间盾构机配置采用常规配置，不做详细赘述。
2.8 渣土改良材料
根据本区间工程的施工经验，采用注入泡沫剂+膨润土，能显著降低刀盘、螺旋输送机的油压及盾构推力，减小刀盘扭矩，减轻砂卵石地层对刀盘主体的磨损，提高掘进速度和设备的使用寿命。
3、结论
最终形成参数为：膨润土浆液采用水：膨润土为1:0.2的质量配合比拌制，膨化时间为24小时；膨润土膨化后比重为1.08，粘度为23s，注入率80L/min。泡沫参数：原液配合比3.0-3.5，流量200L/min，发泡率13-15，4根管路注入，原液用量每环约30L~40L。土压降低至理论土压的60%~70%左右。
参考文献：
[1]马连丛. 富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究[J]. 隧道建设. 2010(04)．
[2]杨书江，孙谋，洪开荣． 富水砂卵石盾构隧道施工技术［M］． 人民交通出版社，2011．
[3]魏康林. 土压平衡盾构施工中泡沫和膨润土改良土体的微观机理分析[J]. 现代隧道技术. 2007(01)
论文作者:闫鹏升
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年6月总第211期
论文发表时间:2016/8/11
标签：盾构论文; 膨润土论文; 渣土论文; 泡沫论文; 卵石论文; 参数论文; 兰州论文; 《工程建设标准化》2016年6月总第211期论文;