鄒超（中國中鐵一局第四工程有限公司，陜西咸陽712000）

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土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工渣土改良指標(biāo)探討

鄒超
（中國中鐵一局第四工程有限公司，陜西咸陽712000）

摘要：為了改良土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工中渣土性能指標(biāo)，根據(jù)多個(gè)城市地鐵土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，對(duì)渣土性能指標(biāo)的改良進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明，渣土性能改良后,土體流塑性得到了改善，摩擦性顯著降低，刀盤扭矩顯著減小，盾構(gòu)刀具磨損減少，支掌面穩(wěn)定性提高。

關(guān)鍵詞：土壓平衡；盾構(gòu)法；隧道施工；渣土改良

土壓平衡盾構(gòu)施工的關(guān)鍵是用開挖出的土體作為支撐開挖面穩(wěn)定的介質(zhì)，因此要求作為支撐介質(zhì)的土體具有良好的流塑性和保水性。為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)施工中的渣土改良做了深入研究。Raffaele Vinai[1]等通過室內(nèi)圓錐坍落度試驗(yàn)和壓力艙模型試驗(yàn)設(shè)備對(duì)改良土進(jìn)行研究；宋克志[2]研究了無水砂卵石地層在土壓平衡式盾構(gòu)工法下的土體改良，利用泡沫技術(shù)對(duì)砂卵石地層進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；周永攀[3]對(duì)卵石地層土壓平衡盾構(gòu)法施工土體的改良進(jìn)行了研究。為此，本文通過渣土滲透性、粘聚性、保水性和塌落度等室內(nèi)試驗(yàn)，為改良了渣土配合比提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1　概述

通過廣州地鐵3號(hào)線、鄭州地鐵1號(hào)線、石家莊地鐵1號(hào)線、鄭州地鐵2號(hào)線、成都地鐵4號(hào)線以及北京地鐵7號(hào)線等城市的土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工實(shí)踐，結(jié)合設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，對(duì)渣土改良進(jìn)行了一些試驗(yàn)，充分認(rèn)識(shí)到渣土改良效果對(duì)盾構(gòu)刀具磨損、地表沉降控制、綜合施工功效、施工成本控制等的影響，利用科學(xué)的試驗(yàn)手段，總結(jié)提煉出土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工渣土改良的相關(guān)指標(biāo)。

2　土壓平衡盾構(gòu)法施工原理

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)利用改良好的渣土形成土倉壓力，來平衡前方掌子面的水土壓力(如圖1所示)。保證開挖面的相對(duì)穩(wěn)定，并通過控制盾構(gòu)推進(jìn)千斤的速度和螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，來保持土艙內(nèi)改良渣土的壓力與掌子面前方水土壓力達(dá)到平衡，盾構(gòu)機(jī)持續(xù)向前掘進(jìn)，螺旋輸送機(jī)持續(xù)排土，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)。

圖1　土壓平衡式盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定原理示意圖

3　設(shè)計(jì)及施工規(guī)范對(duì)渣土改良的要求

盾構(gòu)施工規(guī)范《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》GB50446-2008中7.3.1條規(guī)定盾構(gòu)機(jī)需要配置渣土改良系統(tǒng)，并在盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收階段要納入驗(yàn)收。7.5.2條掘進(jìn)中應(yīng)監(jiān)測(cè)和記錄盾構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，排出渣土情況并及時(shí)分析反饋，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。7.5.5條要求根據(jù)盾構(gòu)穿過的地層條件，可有選擇地向土倉內(nèi)適當(dāng)注入泥漿或水、泡沫劑、聚合物等，以改良倉內(nèi)土質(zhì)，使其保持一定程度的塑性流動(dòng)狀態(tài)。建立土倉內(nèi)平衡土壓力，保持開挖面的穩(wěn)定，同時(shí)易于排土。8.2.8條規(guī)定采用土壓平衡盾構(gòu)通過砂卵石地段時(shí)，應(yīng)進(jìn)行渣土改良。而對(duì)具體的渣土改良指標(biāo)與方法沒有提及，不利于實(shí)施與控制。

4　渣土改良相關(guān)指標(biāo)的提出

4.1渣土改良的原則、目的和意義

在土壓平衡盾構(gòu)施工中，土倉內(nèi)渣土能形成良好的流塑性，是盾構(gòu)順利推進(jìn)的重要前提。通常中粗砂地層流塑性差、力學(xué)穩(wěn)定性也較差，粘土地層粘聚性太大，為了使開挖土體有良好的流動(dòng)性，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)如遇中粗砂地層，需向掌子面添加膨潤土泥漿，以改善中粗砂地層的物理特性；如遇粘土地層，需向掌子面注入泡沫，最終形成具有低透水性和較好流塑性的混合渣土，經(jīng)土倉向掌子面?zhèn)鬟f設(shè)定的平衡壓力，使盾構(gòu)機(jī)始終在保持水土壓力動(dòng)態(tài)平衡的條件下持續(xù)向前掘進(jìn)。

盾構(gòu)掘進(jìn)中添加改良材料對(duì)不良地層進(jìn)行改良的目的和意義：

1）通過改良可有效地保持開挖面穩(wěn)定。改良材料能有效提高開挖面土體的強(qiáng)度，從而對(duì)開挖面土體起到支護(hù)作用，進(jìn)一步減少掌子面失穩(wěn)的可能。

2）減小渣土對(duì)刀盤與刀具的磨損。中粗砂或卵石層顆粒松散，幾乎無粘聚力，顆粒通過內(nèi)摩擦角傳力，向開挖面土體添加改良材料后，有效增加顆粒間的粘聚力，減小渣土的密實(shí)度，增加渣土的流塑性，改善土體的受力狀況，從而并減小渣土對(duì)刀盤與刀具的磨損。

3）防止渣土粘附在刀盤、刀具及螺旋輸送機(jī)內(nèi)，造成泥餅與堵塞現(xiàn)象，降低刀盤扭矩，減小盾構(gòu)機(jī)的負(fù)荷，進(jìn)而提高掘進(jìn)速度。

4.2渣土改良指標(biāo)提出

根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)原理及需要達(dá)到的結(jié)果，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)渣土改良室內(nèi)試驗(yàn)提出以下重要指標(biāo)。

4.2.1渣土流動(dòng)性

土壓平衡盾構(gòu)渣土流動(dòng)性主要用坍落度來表達(dá)，根據(jù)室內(nèi)渣土試拌試驗(yàn)結(jié)果顯示，渣土坍落度在90～120mm時(shí)，消耗的扭矩較小。

4.2.2保水性

土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)，渣土的保水性嚴(yán)重影響盾構(gòu)臨時(shí)停機(jī)時(shí)間的長短，如果保水性好，盾構(gòu)臨時(shí)停機(jī)后渣土不會(huì)離析或大量失水而導(dǎo)致渣土性能嚴(yán)重變化，致使盾構(gòu)啟動(dòng)困難，啟動(dòng)階段刀盤扭矩過大，甚至無法正常啟動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)分析，渣土保水率在75%～80%時(shí)，渣土靜置3h后，流動(dòng)性影響較小，坍落度損失約10～15mm。

4.2.3粘聚性

土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)泥餅形成的機(jī)理指出，其影響因素主要有：刀盤開口形式、刀盤溫度情況、臨時(shí)停機(jī)時(shí)間、土壓設(shè)定情況、渣土的粘聚性等。但主要原因之一還是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)當(dāng)遇上渣土粘聚性較大時(shí)，一旦刀盤溫度稍高就容易從刀盤中心開始，形成強(qiáng)度很高的泥餅，這將嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率，甚至?xí)p傷設(shè)備。

4.2.4滲透性

土壓平衡盾構(gòu)法施工時(shí)，地質(zhì)條件、水文情況、掘進(jìn)參數(shù)是引發(fā)螺旋輸送機(jī)噴涌的決定性因素，在砂卵石等富水地層地下水的通路沒有阻斷、泡沫、膨潤土等改良材料使用不當(dāng)，渣土改良不理想，未能有效降低渣土的滲透性，極易引發(fā)螺旋輸送機(jī)噴涌。土壓平衡盾構(gòu)渣土滲透性主要用滲透系數(shù)來表達(dá)，如果滲透系數(shù)太大，則在富水地層掘進(jìn)時(shí)，容易導(dǎo)致螺旋噴涌，而引發(fā)事故。

5　渣土改良配合比設(shè)計(jì)原理

渣土拌和物是由膨潤土、砂、水及攪拌時(shí)混入的空氣組成的多相分散體系,塑性渣土中的膨潤土漿是連續(xù)相,砂粒成了膨潤土漿中的分散相,這是渣土拌和物在重力或外力作用下能流動(dòng)變形的原因。低塑、中塑和高塑的差別就在于膨潤土漿的粘度及砂粒間膨潤土漿的厚度不同。渣土中還有一定量的氣相,以氣泡狀態(tài)分布在膨潤土漿中,也能增加渣土的流動(dòng)性。如圖2所示。

圖2　渣土多相示意圖

5.1渣土流動(dòng)性試驗(yàn)

5.1.1渣土試拌

渣土改良初步配合比設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)專用機(jī)械攪拌儀器，在恒定轉(zhuǎn)速條件下，將不同坍落度的等量渣土放入攪拌儀器內(nèi)進(jìn)行拌和，并記錄每次正常拌和時(shí)試驗(yàn)的扭矩值以及停機(jī)后啟動(dòng)階段扭矩值，從而找出：

1）正常拌合階段攪拌儀器的扭矩與渣土坍落度之間的關(guān)系。

2）停機(jī)一段時(shí)間后啟動(dòng)階段扭矩與渣土保水率之間的關(guān)系。

5.1.2渣土改良后的坍落度試驗(yàn)

用測(cè)定拌和物和易性的方法，測(cè)定渣土拌和物在自重作用下的流動(dòng)性。如圖3所示。

圖3　渣土坍落度試驗(yàn)示意圖

5.2渣土改良后保水性試驗(yàn)

渣土保水率試模用規(guī)定流動(dòng)度范圍的新拌渣土，按規(guī)定的方法進(jìn)行吸水處理。渣土保水率就是吸水處理后渣土中保留水的質(zhì)量，并用原始水量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示。

渣土保水率計(jì)算式：

式中：w——渣土保水率（%）；

m1——底部不透水片與干燥試模質(zhì)量（g），精確至1g;

m2——15片濾紙吸水前的質(zhì)量（g）,精確至0.1g;

m3——試模、底部不透水片與渣土總質(zhì)量（g），精確至1g;

m4——15片濾紙吸水后的質(zhì)量（g）,精確至0.1g;

a——渣土含水率（%）。

5.3渣土改良后的粘聚性試驗(yàn)

利用直接剪切試驗(yàn)，測(cè)定泥餅在不同垂直壓力下的水平剪切破壞，求得測(cè)定土樣的摩擦角和粘聚力。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線傾角為摩擦角，直線在縱坐標(biāo)軸上截距為粘聚力。

5.4渣土改良后的滲透性試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定滲透系數(shù)k的儀器和試驗(yàn)方法很多，但從試驗(yàn)原理上大體可分為“常水頭法”和“變水頭法”兩種。常水頭試驗(yàn)適用于測(cè)定透水性大的沙性土滲透參數(shù)，而改良后的渣土滲透系數(shù)很小，滲透水量很少，須改用變水頭試驗(yàn)。液體在空隙介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，因液體粘性會(huì)引起水頭損失，且滲流流速極微小，所以，流速水頭可忽略不計(jì)。因此，總水頭H可用測(cè)壓管水頭h來表示。水頭損失hw可用測(cè)壓管水頭差表示。

5.5原土試驗(yàn)

根據(jù)區(qū)間地質(zhì)勘察報(bào)告，提煉出盾構(gòu)開挖面所主要包括的地層，在車站施工時(shí)，對(duì)相應(yīng)的地層號(hào)取出原狀土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)。通過試驗(yàn)確定土樣的顆粒級(jí)配、天然含水率、密實(shí)度等主要指標(biāo)，為渣土改良試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

5.6試掘進(jìn)階段改良配合比動(dòng)態(tài)調(diào)整

試掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)區(qū)間土層含水量對(duì)理論配合比進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)操作原理與步驟，地質(zhì)與水文資料，計(jì)算出主動(dòng)土壓力，輸入推力、刀盤轉(zhuǎn)速，反饋掘進(jìn)速度和刀盤扭矩。當(dāng)土壓、推力、刀盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，刀盤扭矩與渣土改良有一定的關(guān)系，在施工配合比的條件下，分多組進(jìn)行試驗(yàn)。

推進(jìn)過程中膨潤土改良液的輸入量計(jì)算：

Q=k·v·A·t

式中：k——膨潤土液與原狀土的比例；

A——土壓平衡盾構(gòu)刀盤開挖面積m2；

t——單位掘進(jìn)時(shí)間min；

v——土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)速度mm/min。

盾構(gòu)試掘進(jìn)階段參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　盾構(gòu)試掘進(jìn)階段參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4　盾構(gòu)試掘進(jìn)階段刀盤扭矩與掘進(jìn)速度及膨潤土液注入速度關(guān)系圖

由圖4可知，當(dāng)膨潤土液注入速度與盾構(gòu)掘進(jìn)速度基本匹配時(shí)，刀盤扭矩在掘進(jìn)速度為20～40mm/min時(shí)，基本穩(wěn)定在1850kN·m左右，渣土坍落度也基本穩(wěn)定在110mm左右。掘進(jìn)速度提高到45～65mm/min時(shí)，刀盤扭矩隨掘進(jìn)速度的增大明顯增加（從1970kN·m迅速上升到3010kN·m），同時(shí)坍落度波動(dòng)嚴(yán)重（波動(dòng)幅度達(dá)55mm）。分析原因可能是在刀盤轉(zhuǎn)速不變的情況下，掘進(jìn)速度過快，渣土在土倉中攪拌不均勻，導(dǎo)致扭矩明顯增加，坍落度波動(dòng)嚴(yán)重。

6　總結(jié)

影響渣土性能指標(biāo)因素除了渣土的表面光滑程度外，取決于渣土相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)渣土粒的接觸點(diǎn)多少，渣土粒不是均勻理想地分散在改良液中的，其中一些渣土粒互相接觸,流動(dòng)過程中相互摩擦。在攪拌均勻的情況下，影響渣土接觸點(diǎn)多少的因素是渣土顆粒間改良漿液的厚度；改良漿液越厚,接觸幾率越少，渣土顆粒間摩擦力就小，渣土的流動(dòng)性就大，反之則小。影響渣土顆粒間改良漿液厚度的因素是改良漿液量、渣土顆粒的空隙率和比表面，改良漿液量多、渣土顆粒粗及空隙率小時(shí)，渣土顆粒間改良漿液的厚度就大，流動(dòng)性就越好。

參考文獻(xiàn):

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中圖分類號(hào)：TU432