摘要：无水砂卵石地层力学性质不稳定，卵砾石含量高，颗粒之间空隙大，盾构在此条件下掘进，渣土很难被改良成“塑流性状态”，会出现盾构推力、扭矩大且变化异常，刀盘、刀具及螺旋输送机磨损严重，盾构掘进效率低等问题。结合呼和浩特市轨道交通1号线三间房出入段线盾构区间的工程实践，通过采取渣土置换、渣土改良、盾构掘进参数优化等措施，保证了盾构机在砂卵石地层中的连续高效掘进。
关键词：无水砂卵石地层；渣土置换；渣土改良；参数优化
1前言
随着全国城市轨道交通的快速发展，内蒙古自治区呼和浩特市也迎来了第一条轨道交通线，该条轨道线西起三间房出入段线区间，东至白塔站。其中三间房出入段线盾构区间穿越地层主要以砂卵石地层为主，由于埋深较浅，始发段100m范围内无地下水，盾构始发面临着全断面无水卵石层，此种地层中盾构的施工远比在粘土、砂性土等地层困难。盾构掘进过程中出现了盾构推力、扭矩大且变化异常，刀盘、刀具及螺旋输送机磨损，盾构掘进效率低等问题，施工人员通过采取渣土置换、改良、盾构掘进参数优化等措施，保证盾构机在砂卵石地层中的连续高效掘进，因此对施工过程进行总结，为今后类似地层盾构施工可以提供参考。
图1：区间平面图
2工程背景
呼和浩特市轨道交通1号线一期工程01标段，西起三间房车辆段，东至呼钢东路站，线路全长3.85km，主要施工内容包括3站3区间，其中三间房出入段线盾构区间线路长835m，最大坡度为34‰，盾构区间共设3处曲线，曲线半径由金海工业园区站至三间房车辆基地依次为450m、800m、450m，线间距约为11m。
区间穿越地层主要处在粉质粘土③2层、细砂③5层、圆砾③9层、卵石③10层。勘察期间地下水位埋深约8.9m～14.2m，盾构机在始发前，进行端头井临时加固过程中未见水。
经盾构始发井处实地勘探，区间始发段部分为全断面圆砾层（含卵石），且土体结构密实、稳定、无水，当盾构机在始发时，出现了大扭矩、低推速的问题，为了找出原因，通过取土样进行筛分试验，分析颗粒组成。通过对土样分析，土层中卵、砾石含量较高，粒径2～200mm的颗粒含量达到58.68%，小于0.075mm的颗粒含量为7.355%；细粒土含量极低，在盾构掘进中，出现了渣土的流动性差，导致土仓排土不畅，使得盾构机出现扭矩大速度缓慢等问题；另外卵石及圆砾层内摩擦角较大，对盾构机内的开挖装置和排土机械的磨损较大，在土仓内容易产生堵仓问题。由于渣土改良剂性能不适用该种地层，导致改良渣土的流动性差，粘稠度低，导致大块径卵石沉仓，堆积在土仓底部，刀盘启动时扭矩高达4500-5000KN.m。在推进过程中推进速度只有4-11mm/min的情况下，扭矩高达4500-6000KN，总推力在8000-12000KN。
由于上述问题的出现，导致盾构无法正常推进，如果冒然推进会产生因扭矩过大出现抱死，土仓压力无法建立，地面沉降无法控制。因此急需解决渣土改良的问题，从以下三步进行改进：第一步、将已经沉积在土仓底部堆积的砂砾石置换出来；第二步：对渣土改良方法进行研究，摸索最佳的改良方法，提高渣土的流动性、和易性及粘稠度，确保渣土的顺利排出；第三步、优化盾构掘进参数。
3渣土置换
为保证后续能够继续推进，首先需将土仓内沉积的卵石清理出来，在盾构机推进时向土仓里加入渣土改良剂，通过刀盘转动将沉底的卵石包裹起来，并随着刀盘的搅动，将沉积的砂卵石浮起来，经过螺旋输送机排出土仓。拟采用大比重的膨润土溶液对沉积的砂卵石进行搅拌，通过多次试验，具体处理方法如下：
置换卵石时膨润土溶液配比
根据表中的膨润土溶液配比再加入3-4L泡沫原液，混合液在土仓里发泡2小时左右开始转动刀盘，刀盘通过左右旋转将沉积的卵石搅拌，各搅拌2-5分钟，然后盾构机开始慢慢推进，螺旋输送机转速快速提高，闸门口开到最大限度。沉底的卵石经过多次置换，被最终被完全置换出土仓。
4渣土改良
每环膨润土的用量控制在2-5m3左右，根据渣土的流塑性来定。由于地层缺水，采取刀盘喷水措施。泡沫比例为3%-4%，膨胀率可在8%-15%自行调节。每环用量控制在50-70L，具体用量根据实际渣土改良效果和扭矩的大小来随时调整。
5盾构掘进技术参数优化
5.1土压力优化
经理论计算，结合该地层情况，盾构埋深约8m，上部土压力控制在0.8MPa左右。土压的数值在推进过程中应尽量降低，以降低刀盘扭矩及盾构推力，可以降低刀盘的磨损、减小盾构的推进阻力，提高掘进速度，根据前一个区间的施工经验数据，土压保持在0.6～0.8MPa之间，可以满足要求。
5.2盾构推力优化
无水砂卵石地层中掘进一般推力应控制在20000KN以下，如果在推进过程中当推力超过该数值，采取向盾构侧壁外注入膨润土，以降低盾构壳体与土体之间摩阻力。
5.3刀盘参数优化
在推进速度达到30mm/min时，刀盘转速控制在1～1.4r/min，刀盘扭矩在3000～5000KN.M的范围内较为理想。
6施工效果
1、渣土置换：土仓里的卵石通过6次置换之后，盾构机刀盘启动扭矩已经降到1000KN.M以下，效果明显。
2、渣土改良：经过对渣土改良参量控制以及注入管路改造以后，盾构机推进正常，满足施工要求。推进速度在20-40mm/min，总推力在8000-12000KN，扭矩在3000-5000KN.M之间，基本满足施工生产。
3、掘进参数优化：通过向盾构壁外增加加泥措施，即在盾构壳体预留泥浆注入口，将泥浆注入到盾构壳体与土层的间隙中，在盾构壳体与土体之间形成一层黏稠、润滑效果良好的泥膜，使盾构推进阻力由2000t降至1000～1200t之间，同时也使得推进速度有所提高，可达到35mm/min。
7结语
无水砂卵石地层盾构推进阻力大、扭矩大、推速低，不能确保盾构机正常掘进，通过对渣土置换、土体的塑流化改良、盾构掘进参数优化，不仅可以显著降低推进阻力、降低刀具磨损，还有利于砂卵石的顺利输送，满足了快速施工的要求。在类似无水砂卵石地层中具有很强的指导和借鉴意义。
参考文献：
[1]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年01期
[2]朱伟，陈仁俊；盾构隧道施工技术现状及展望（第2讲）——盾构隧道技术问题和施工管理[J]；岩土工程界；2001年12期
[3]陈馈，国内外盾构法隧道施工实例；北京：人民交通出版社，2016
论文作者:徐宗涛
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/5
标签：盾构论文; 渣土论文; 卵石论文; 地层论文; 扭矩论文; 区间论文; 推力论文; 《防护工程》2019年第5期论文;