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        土壓平衡盾構(gòu)區(qū)段粉質(zhì)黏土渣土改良技術(shù)探討

        2020-03-02 14:30:15孟憲雷
        現(xiàn)代城市軌道交通 2020年2期
        關(guān)鍵詞:施工

        孟憲雷

        摘 要:在土壓平衡式盾構(gòu)施工過程中,通過對渣土進(jìn)行改良,改善渣土塑性、流動(dòng)性,降低渣土的透水性,使之具有良好的塑性變形、軟稠度、小內(nèi)摩擦角及低滲透率。渣土改良效果對降低工程造價(jià)、提高工程施工進(jìn)度都有著決定性的作用。文章通過對西安地鐵 5 號線 TJSG-3 標(biāo)段粉質(zhì)黏土改良情況進(jìn)行分析研究,并通過不同渣土改良方案的實(shí)施對比,提出合理的渣土改良技術(shù)方案,施工的實(shí)施結(jié)果驗(yàn)證了技術(shù)方案的可行性。

        關(guān)鍵詞:地鐵;土壓平衡盾構(gòu);粉質(zhì)黏土;渣土改良;技術(shù)探討

        中圖分類號:U445.9

        1 工程概況

        西安地鐵5號線一期工程西起西郊和平村,東至紡織城火車站,工程全長25.24km,其中地下線24.04km、高架線1.05km,地面線0.15km,共設(shè)置地下站20座,高架站1座 。

        5號線TJSG-3標(biāo)段阿房宮—西窯頭區(qū)間深度60.0m范圍內(nèi)的地層主要由人工填土、中砂、沖積粉質(zhì)黏土、粗砂及粉質(zhì)黏土等組成。盾構(gòu)通過地段主要為粉質(zhì)黏土地層,其中粉質(zhì)黏土約占50%。區(qū)間地下水為第四系松散層孔隙潛水,地下水水位埋深13.1~22.1m,水位高程383.27~385.40m。潛水位埋深受蒸發(fā)影響較大,夏季天氣炎熱,蒸發(fā)量大,年水位變幅1.0~2.0m。

        阿房宮—西窯頭區(qū)間地層地質(zhì)構(gòu)成見圖1。

        2 盾構(gòu)掘進(jìn)初始參數(shù)確定

        根據(jù)西安地鐵粉質(zhì)黏土地段盾構(gòu)推進(jìn)數(shù)據(jù)分析,同時(shí)借鑒類似工程地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工參數(shù),初步設(shè)定盾構(gòu)推進(jìn)的各項(xiàng)初始參數(shù)。

        (1)推力。初始推力盡量控制在1 000 t以內(nèi),最大不得超過1 500 t。

        (2)土艙壓力。根據(jù)太沙基公式計(jì)算并結(jié)合始發(fā)階段的實(shí)際推進(jìn)情況,初步設(shè)定土壓為100 kPa,根據(jù)地面沉降監(jiān)測報(bào)告及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

        (3)刀盤轉(zhuǎn)速。1.2~1.3 r/min。

        (4)刀盤扭矩。一般控制在2 000 kN · m以下。

        (5)推進(jìn)速度。30~50 mm/min。

        3 盾構(gòu)掘進(jìn)情況分析

        (1)土壓波動(dòng)較大。本標(biāo)段粉質(zhì)黏土黏性大,滲透率低,刀盤的開口率56%,推進(jìn)過程中易出現(xiàn)大塊土體,渣土改良效果較差,對土壓傳感器形成沖擊,造成土壓波動(dòng)幅度較大。

        (2)扭矩變化較大。在粉質(zhì)黏土推進(jìn)過程中,當(dāng)推進(jìn)速度超過50mm/min時(shí),刀盤扭矩快速增大,說明掌子面土體強(qiáng)度高;土艙內(nèi)的渣土流塑性比較差,刀盤需要克服的阻力增大,扭矩能迅速達(dá)到3 000 kN · m以上。

        (3)出土困難。本標(biāo)段粉質(zhì)黏土強(qiáng)度高,渣土的和易性和流塑性較差,渣土與螺旋機(jī)殼體間的摩擦力大,螺旋機(jī)需要克服的阻力過大;螺旋輸送機(jī)出渣口設(shè)計(jì)方面存在不足,渣土在出土口處易失水固結(jié),造成螺旋機(jī)壓出土困難現(xiàn)象。這說明渣土改良效果較差,渣土黏稠度過高,流塑性、和易性不好。

        通過分析總結(jié),盾構(gòu)試推進(jìn)產(chǎn)生的以上問題主要是由渣土黏性大及渣土改良效果差造成的。

        4 盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良技術(shù)方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

        粉質(zhì)黏土吸水膨脹,失水收縮,黏性強(qiáng),滲透率低,不能滿足施工要求。結(jié)合地質(zhì)實(shí)際情況,采用泡沫劑進(jìn)行渣土改良,泡沫劑的配合比為2%,泡沫劑注入率為75%,膨脹率為8%。在注入泡沫劑的同時(shí),通過增壓水泵適量注水,并根據(jù)實(shí)際推進(jìn)及出土情況調(diào)整注水量。

        4.1 渣土改良技術(shù)方案選擇

        (1)方案1,向螺旋機(jī)內(nèi)注入泡沫劑進(jìn)行渣土改良。粉質(zhì)黏土在通過螺旋機(jī)排出時(shí),黏性土體充滿螺旋機(jī)腔內(nèi),渣土改良效果無明顯改善。

        (2)方案2,利用泡沫進(jìn)行土倉內(nèi)渣土改良,利用膨潤土系統(tǒng)進(jìn)行土艙加水。該方案結(jié)果表明,螺旋機(jī)出土能力有一定的提高,但由于膨潤土管路位于土艙下方,水壓較低,無法注入渣土內(nèi),易出現(xiàn)泥水分離,造成皮帶機(jī)輸送能力降低。通過觀察,渣土塊外部有一層泥漿,內(nèi)部硬度依然較高,渣土從螺旋機(jī)口掉落在皮帶輸送機(jī)表面打滑堆積,以至于皮帶輸送機(jī)被堆積的渣土壓停,表明土艙內(nèi)渣土改良效果無明顯改善。

        (3)方案3,增壓水泵對土艙進(jìn)行加水,適當(dāng)提高泡沫注入量,對推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化:①提高盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速,降低盾構(gòu)掘進(jìn)速度,刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.2~1.3r/min,掘進(jìn)速度控制在30~45mm/min;②減小刀盤的貫入度,將刀盤的扭矩控制在2000kN · m以內(nèi);③掘進(jìn)時(shí),利用增壓水泵將水注入到土艙內(nèi),并適當(dāng)提高注入到刀盤面板上的泡沫量,根據(jù)出土情況調(diào)整注水量;④將螺旋后門的開口度適當(dāng)減小,避免大塊渣土堆積在皮帶上。該方案結(jié)果表明,通過優(yōu)化施工參數(shù),渣土改良效果明顯改善,滿足施工進(jìn)度要求。

        本工程推薦方案3。

        4.2 渣土改良效果試驗(yàn)驗(yàn)證

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案3對粉質(zhì)黏土的改良效果,特進(jìn)行如下試驗(yàn)。

        (1)盡可能模擬施工環(huán)境,試驗(yàn)黏土取樣要有代表性,以降低盾構(gòu)穿越這種地層時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

        (2)對泡沫劑原液濃度按1%、2%、3%、4%、5%、6%的摻量進(jìn)行稀釋(圖2),繪制發(fā)泡劑濃度與半衰期關(guān)系圖,給出泡沫稀釋后最優(yōu)時(shí)的泡沫濃度。

        (3)按最優(yōu)泡沫濃度稀釋液與泥巖質(zhì)量比為1:1、1 : 2、1 : 3、1 : 4、1 : 5、1 : 6的比例充分拌合,測定經(jīng)泡沫劑改良后拌合料的坍落度數(shù)據(jù),分別給出單獨(dú)使用泡沫劑為改良劑時(shí)的最佳配比。

        通過以上試驗(yàn)得出如下試驗(yàn)結(jié)果。

        (1)圖3給出了發(fā)泡劑濃度-半衰期關(guān)系曲線,由圖3可見,發(fā)泡劑濃度從1%提高到6%,溶液所發(fā)出的氣泡的半衰期由7.5 min上升到14.5 min,所發(fā)出的氣泡趨于穩(wěn)定;發(fā)泡劑濃度從1%提高到3%時(shí),氣泡的半衰期由7.5 min上升到13.5 min,氣泡穩(wěn)定性變化明顯;發(fā)泡劑濃度從3%提高到6%時(shí),氣泡的半衰期由13.5 min上升到14.5 min,氣泡穩(wěn)定性變化不大。

        (2)圖4給出了發(fā)泡劑濃度-最大發(fā)泡倍率關(guān)系曲線,由圖4可見,發(fā)泡最大發(fā)泡倍率隨發(fā)泡劑濃度的升高而增加,濃度從1%提高到3%時(shí),最大發(fā)泡倍率為28~58;濃度從3%提高到6%時(shí),最大發(fā)泡倍率保持在57,表明發(fā)泡倍率不再受發(fā)泡劑濃度的影響。

        (3)圖5給出了拌合料質(zhì)量比-坍落度關(guān)系曲線,由圖5可以看出,坍落度隨發(fā)泡劑稀釋液摻量的減少而降低,從1 : 1到1 : 6,拌合料坍落度由260 mm下降到30mm,可見,隨著發(fā)泡劑稀釋液摻量的減少,坍落度趨于穩(wěn)定;發(fā)泡劑稀釋液摻量從1 : 1到1 : 2時(shí),拌合料坍落度由260 mm下降到210 mm,拌合料的流塑性最強(qiáng),但無黏性;發(fā)泡劑稀釋液摻量從1:2到1 : 4時(shí),拌合料坍落度由210 mm下降到160 mm,拌合料的流塑性最佳,黏性最強(qiáng);發(fā)泡劑稀釋液摻量從1 : 4到1 : 6時(shí),拌合料坍落度由160 mm下降到30 mm,雖然拌合料黏性最強(qiáng),但幾乎無流塑性。

        5 工程實(shí)施效果

        (1)注水量與出土效率。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄分析可知,隨著注水量增大,出土?xí)r間縮短;盾構(gòu)掘進(jìn)速度為40mm/min、轉(zhuǎn)速為1.3 r/min,泡沫注入量為60 L/min,增壓水每環(huán)注入量為2 m3時(shí),每斗出土?xí)r間趨于穩(wěn)定,渣土的均一性良好,基本無大塊狀土;盾構(gòu)掘進(jìn)速度加快,渣土容易出現(xiàn)攪拌不勻的現(xiàn)象,出土效率降低,推進(jìn)時(shí)間延長。

        (2)注水量與螺旋壓力。注水量增加,螺旋機(jī)壓力下降;盾構(gòu)掘進(jìn)速度為40 mm/min,泡沫注入量為60 L/min,螺旋轉(zhuǎn)速為8~10 r/min時(shí),螺旋機(jī)壓力降低為7~8 MPa,可以實(shí)現(xiàn)螺旋的順暢連續(xù)出土;注水量繼續(xù)增加,渣土比較稀,螺旋機(jī)壓力降低到6 MPa以下,皮帶機(jī)運(yùn)送渣土能力下降,出土效率降低。

        (3)推進(jìn)速度與扭矩。盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速1.3 r/min,盾構(gòu)掘進(jìn)速度30~45 mm/min時(shí),刀盤扭矩小于1500kN · m;

        盾構(gòu)掘進(jìn)速度超過50mm/min時(shí),盾構(gòu)刀盤扭矩迅速增大。

        6 結(jié)束語

        渣土改良是盾構(gòu)施工過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文對粉質(zhì)黏土改良技術(shù)進(jìn)行了探討和分析,通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證,最終確定了粉質(zhì)黏土渣土的有效改良方法和相適應(yīng)的配合比,并在工程施工中得到了良好的應(yīng)用,取得了較好的渣土改良效果。希望本文能夠?yàn)轭愃乒こ痰刭|(zhì)條件的渣土改良提供借鑒。

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        收稿日期 2019-11-16

        責(zé)任編輯 朱開明

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