李應(yīng)姣

(中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 前言

通常，一般地層巖土不具有良好的塑流狀態(tài)、黏-軟稠度、低內(nèi)摩擦力、低透水性等優(yōu)勢(shì)，易使刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力增大，刀盤驅(qū)動(dòng)負(fù)荷增加。 當(dāng)盾構(gòu)密封土倉內(nèi)渣土流塑和易性較差時(shí)，在土壓力和攪拌的雙重作用下易結(jié)成泥餅、產(chǎn)生壓密固結(jié)等問題，從而降低開挖倉的密封性和影響螺旋機(jī)的排土。 當(dāng)渣土透水性較好時(shí)，渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)排出時(shí)無法形成有效的壓力遞降，土倉內(nèi)的土壓力無法達(dá)到穩(wěn)定的控制狀態(tài)。 然而，渣土改良系統(tǒng)已成為盾構(gòu)法施工的一個(gè)重要組成部分，且渣土改良效果的差異，對(duì)降低工程成本、規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)、提高工程進(jìn)程起著關(guān)鍵性的作用[1-2]。 以南寧軌道交通3 號(hào)線1 標(biāo)土建6 工區(qū)東溝嶺站～小雞村站區(qū)間盾構(gòu)施工為工程背景，區(qū)間主要穿越地層為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，在刀具切削和刀盤的撞擊下，泥巖變成碎屑和粉末狀，再加上泥巖本身的特性、盾構(gòu)在泥巖中掘進(jìn)，若渣土改良不到位，會(huì)導(dǎo)致渣土干硬、流塑性差，從而使渣土干結(jié)在土倉內(nèi)，達(dá)不到排渣要求，導(dǎo)致結(jié)泥餅。 為了確保該特殊地層盾構(gòu)渣土改良效果，保證盾構(gòu)的順利實(shí)施，開展了泥巖地層盾構(gòu)渣土改良關(guān)鍵技術(shù)研究。

2 工程地質(zhì)及問題分析

該標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為⑦1-2 泥巖、⑦1-3 泥巖，局部含⑦2-2 砂巖、⑦2-3 粉砂巖、⑦4 炭質(zhì)泥巖，泥巖層天然狀態(tài)下強(qiáng)度較高，壓縮性低，但浸水易軟化，干后則開裂。 黏粒含量較高，盾構(gòu)施工過程中易結(jié)泥餅。 根據(jù)本地區(qū)類似地層條件下的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)在該地層掘進(jìn)時(shí)，曾多次產(chǎn)生大量堆積的泥餅，經(jīng)取樣，部分泥餅的抗壓強(qiáng)度高達(dá)5 MPa，且土倉一旦結(jié)成泥餅，易使刀盤扭矩、盾構(gòu)總推力大幅增大，而盾構(gòu)推進(jìn)速度變慢，刀盤刀具被磨損；嚴(yán)重時(shí)易使盾構(gòu)掘進(jìn)困難，尤其對(duì)高富水砂層、淤泥等透水性強(qiáng)、自穩(wěn)性差的高風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)，易發(fā)生地表超挖塌方、涌水涌砂等風(fēng)險(xiǎn)[3-5]。 本標(biāo)段為規(guī)避此現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)臨近項(xiàng)目曾出現(xiàn)過大量泥餅進(jìn)行了分析，主要原因在于：(1)復(fù)合式刀盤的型式及選用不合理。 (2)中心區(qū)域不夠大，刀盤開口率小。 (3)攪拌臂太少。 (4)滾刀與刮刀刀具層次不分明。 (5)未用或未針對(duì)性調(diào)配渣土改良劑等。 然而，為了使切削下來的渣土具有高流動(dòng)性，通過合理配置刀具、優(yōu)化改良系統(tǒng)、調(diào)配合適的渣土改良劑等方法，可增加刀具耐磨性、增大開口率、使調(diào)配劑與渣土充分混合，提高渣土流動(dòng)性，達(dá)到穩(wěn)定土壓平衡的作用。

3 技術(shù)原理

泥巖地層盾構(gòu)渣土改良是利用刀盤的旋轉(zhuǎn)攪拌、土倉攪拌裝置攪拌使分散劑與土渣混合，通過分散劑的微觀電荷作用力以及滲透功效，泥巖分散劑分子會(huì)吸附于黏土表面，通過滲透，盾構(gòu)泥巖分散劑分子迅速地進(jìn)入土體內(nèi)部，將大塊的土體快速分散，分離，氧化分解釋放出氣泡，使得刀盤切削下來的土體流塑性好、稠度適中、透水性低及摩擦阻力小，解決了盾構(gòu)刀盤易形成泥餅的難題，規(guī)避了泥餅帶來的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，為盾構(gòu)機(jī)在泥巖地質(zhì)條件下掘進(jìn)提供了良好的工況。

4 渣土改良關(guān)鍵技術(shù)

4.1 刀具配置

在泥巖地層下，若中心以滾刀為主要切削刀具，將會(huì)出現(xiàn)刀盤中心結(jié)泥餅的現(xiàn)象[6-8]，刀盤中心區(qū)的泥餅會(huì)造成刀盤能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，但滾刀卻不能產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，導(dǎo)致滾刀失效偏磨，同時(shí)會(huì)造成刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷加大，甚至停止轉(zhuǎn)動(dòng)，艙體內(nèi)溫度急劇升高，影響主軸承密封的壽命，甚至毀壞軸承密封。 為了防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，提高渣土的流動(dòng)性，刀具布置采取以下針對(duì)性較強(qiáng)的防泥餅措施：

(1)中心用撕裂刀替換原刀盤設(shè)計(jì)滾刀，多個(gè)楔形撕裂刀安裝在刀盤主體正面的十字形刀梁和一字形刀梁上，且同一直線上的多個(gè)楔形撕裂刀并排等距分布，每個(gè)楔形撕裂刀的刀架通過螺栓與盾構(gòu)刀盤的固定楔塊連接。 該刀具的更換，可增加刀盤中心開口率，較易切入泥巖，可適當(dāng)降低刀盤推力、扭矩。

(2)由于切削路徑長，線速度快，刀具易磨損[9-11]，因此對(duì)刀盤邊緣刮刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，優(yōu)化合金結(jié)構(gòu)，即在刀盤開口邊緣設(shè)合金刮刀，該刀盤開口周邊部位的刮刀，可對(duì)滾刀已疏松的巖層進(jìn)行刮擦清除，還能增大刀盤的耐磨性，有效保護(hù)刀盤母體，其邊緣刮刀采用合金材料制備，防止刀頭磨損及碎裂現(xiàn)象發(fā)生，從而增強(qiáng)刀盤邊緣刮刀的耐磨性能及抗沖擊性能。

(3)由于刀盤外周線速度較大，地層對(duì)刀盤磨損較為嚴(yán)重，為保護(hù)刀盤外周，防止刀盤過度磨損，在刀盤開口邊緣加焊外周保護(hù)刀，以保護(hù)刀盤外周部位。

通過對(duì)面板刀具的加強(qiáng)改進(jìn)，增加了耐磨性，有利于盾構(gòu)掘進(jìn)中刀具的充分利用，增加了刀具切削能力，有效增加了長距離掘進(jìn)下盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性。 刀具配置優(yōu)化前后分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 刀具配置優(yōu)化前

圖2 刀具配置優(yōu)化后

4.2 渣土改良系統(tǒng)優(yōu)化改造

(1)在土倉胸板上加兩個(gè)萬向球閥和一個(gè)高壓水泵，當(dāng)出現(xiàn)結(jié)泥餅時(shí)，用一根鋼管接上高壓水泵通過萬向球閥探入土倉對(duì)準(zhǔn)刀盤背后開口用高壓水進(jìn)行沖洗。

(2)在刀盤原有的5 個(gè)注入口基礎(chǔ)上再多增加一路注入口，并設(shè)置在刀盤面板最外側(cè)以減小刀盤邊緣刀具的磨損。

(3)將之前的泡沫一拖二改成單管單泵，螺桿泵精度高、穩(wěn)定性好、維修頻率少。

(4)將原先螺旋機(jī)兩道閘門拆除一道閘門，增大皮帶機(jī)與螺旋機(jī)間的空隙，通過提升皮帶輸送機(jī)高度(提升10 cm)，可降低皮帶機(jī)的坡度(由原來19.2°降為15.66°，坡度降低了3.6°)，減小渣土在皮帶上的黏附力及摩擦力，可大大提高出渣效率。

(5)由于皮帶輸送機(jī)寬度“有限”，通過螺旋機(jī)排出的渣土體積較大，易造成渣土黏附在出渣口，致使渣土堆積在螺旋機(jī)出渣口，渣滯留，大大降低排土效率，因此將螺旋機(jī)閘門口改造成“拱形結(jié)構(gòu)”并減小出渣口大小(出渣口是由上部直徑為30 ～40 cm的半圓口和下部邊長為30 ～40 cm 的正方形口組成)，可提前對(duì)渣土進(jìn)行“塑型”，降低渣土在出土口堆積幾率，可以提高皮帶機(jī)排土效率。 螺旋機(jī)渣土口改造如圖3 所示。

4.3 分散劑配比試驗(yàn)

圖3 螺旋機(jī)出渣口改造

對(duì)分散劑原液濃度按1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%的摻量進(jìn)行稀釋，繪制分散劑濃度與半衰期關(guān)系圖，給出分散劑稀釋后最優(yōu)時(shí)的分散劑濃度。 按最優(yōu)分散劑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、1∶7、1∶8的比例充分拌和，測(cè)定經(jīng)分散劑改良后拌和料的坍落度數(shù)據(jù)，分別給出單獨(dú)使用分散劑為改良劑時(shí)的最佳配比，通過反復(fù)試驗(yàn)觀察得出如下關(guān)系：

(1)分散劑濃度—半衰期關(guān)系曲線如圖4 所示。

分析圖4 可知，分散劑濃度從1%增加至5%時(shí)，溶液所產(chǎn)生的氣泡半衰期由7. 8 min 上升到14.2 min，且隨著分散劑濃度不斷增加，溶液所發(fā)出的氣泡逐漸趨于穩(wěn)定。 另外，分散劑濃度從1%增加至3%時(shí)，氣泡的半衰期由7.8 min 上升到13.8 min，半衰期變化尤為明顯；而分散劑的濃度從3%增加至5%時(shí)，氣泡的半衰期由13.8 min 上升到14.2 min，半衰期變化幅度很小，且逐步趨于穩(wěn)定。

圖4 分散劑濃度-半衰期曲線

(2)分散劑濃度-最大發(fā)泡倍率關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 分散劑濃度-最大發(fā)泡倍率曲線

分析圖5 可知，在一定范圍內(nèi)，最大發(fā)泡倍率隨分散劑濃度的上升而增大，且分散劑濃度為3%時(shí)，最大發(fā)泡倍率達(dá)到最大值(59 倍)；當(dāng)分散劑濃度大于3%時(shí)，溶液的最大發(fā)泡倍率小幅度降低，且當(dāng)濃度升至5%時(shí)，倍率逐漸趨于穩(wěn)定，保持在58 倍左右，且發(fā)泡的倍率不再隨溶液濃度的增加而發(fā)生大的變化。

(3)拌和料質(zhì)量比- 坍落度關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 拌和料質(zhì)量比-坍落度曲線

分析圖6 可知，坍落度隨分散劑稀釋液摻量的減少而降低，從1∶1到1∶6，拌和料坍落度由260 mm下降至30 mm，且隨著分散劑稀釋液摻量(拌和質(zhì)量比)的減少，坍落度趨于穩(wěn)定。 分散劑稀釋液摻量從1∶1到1∶2時(shí)，拌和料坍落度由260 mm 下降到210 mm，拌和料的流塑性最強(qiáng)，但無黏性；而分散劑稀釋液摻量從1∶2到1∶4時(shí)，拌和料坍落度由210 mm下降到160 mm，拌和料的流塑性最佳，黏性最強(qiáng)；當(dāng)分散劑稀釋液摻量從1∶4到1∶6時(shí)，拌和料坍落度由160 mm 下降到30 mm，雖然拌和料黏性最強(qiáng)，但幾乎無流塑性。

通過試驗(yàn)，得出分散劑濃度控制在3% ～5%為最佳配比，且用稀釋后的發(fā)泡劑對(duì)其改良后，坍落度隨分散劑稀釋液加入量的減少逐漸降低，當(dāng)分散劑稀釋液與泥巖的質(zhì)量比為1∶2 ～1∶4，改良后拌和料坍落度由210 mm 下降到160 mm，拌和料的流塑性最佳，黏性最強(qiáng)，此時(shí)泥巖的坍落度已達(dá)到或靠近盾構(gòu)施工渣土的最優(yōu)坍落度值。

5 應(yīng)用情況

該技術(shù)已成功應(yīng)用于南寧地鐵等泥巖地層盾構(gòu)施工過程中，通過相應(yīng)設(shè)備的改造以及渣土改良試驗(yàn)，用稀釋的改良劑對(duì)其改良后，渣土流塑性明顯得到了極大的改善。 在掘進(jìn)過程中，根據(jù)掘進(jìn)速度及時(shí)調(diào)整加水流量，改良劑濃度控制在3% ～5%，由原來每掘進(jìn)1 環(huán)(1.5 m)需要4 h 縮短至每環(huán)掘進(jìn)只需要0.5 h，大大提高了施工效率，避免了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)渣土滯留、土倉堵塞和結(jié)泥餅等情況，減小了刀盤和螺旋機(jī)的磨損。 該技術(shù)的研究應(yīng)用，有效節(jié)約了施工時(shí)間，保證了盾構(gòu)機(jī)安全、快速連續(xù)的施工，無刀盤結(jié)餅，有利于控制周邊沉降，避免了對(duì)周邊環(huán)境(棚戶區(qū)、居民小區(qū)、管線、廠房等)的影響，應(yīng)用效果良好。

6 結(jié)束語

通過采用該技術(shù)妥善解決了復(fù)雜地質(zhì)地段中刀盤結(jié)餅處理困難的問題，避免了盾構(gòu)機(jī)開倉，省略了帶壓開倉、地面加固、交通道改等一系列程序，縮短盾構(gòu)施工工期近3 個(gè)月。 該技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

(1)該刀盤的設(shè)計(jì)主要針對(duì)較強(qiáng)的防泥設(shè)置，將主切割刀全部設(shè)置成楔形撕裂刀，增加了刀盤的開口率，且在刀盤開口外緣附加保護(hù)刀，增加了其耐磨性，整體可防止刀頭磨損及碎裂現(xiàn)象發(fā)生，更利于盾構(gòu)掘進(jìn)中刀具的充分利用，增加了刀具切削能力，有效增加長距離掘進(jìn)下盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性。

(2)通過對(duì)刀具、渣土改良系統(tǒng)的改造以及渣土改良劑的運(yùn)用，提高了渣土的流動(dòng)性，平衡了內(nèi)部的土壤壓力，減小刀盤在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的摩擦阻力損耗，提高了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，同時(shí)也保證了開挖的穩(wěn)定性和安全性，避免了地表沉降問題。

(3)通過研制泥巖分散劑，快速實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)力剝離和清除黏泥膠團(tuán)的作用，使得刀盤或土倉內(nèi)表面清潔，另外，由于改良劑中的微細(xì)氣泡可以置換上顆粒中的孔隙水，達(dá)到了止水效果，同時(shí)，也避免出現(xiàn)噴涌問題，提高了施工效率，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。