何定高

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

盾構(gòu)機(jī)已成為城市軌道交通區(qū)間隧道施工的主要施工設(shè)備，盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式由水文地質(zhì)、工程環(huán)境等因素決定，其型式確定后，后配套設(shè)備的配置應(yīng)滿足不同水文地質(zhì)渣土改良的要求。在實(shí)際施工中，土壓平衡盾構(gòu)根據(jù)掘進(jìn)的水文地質(zhì)、隧道埋深、掘進(jìn)參數(shù)的變化應(yīng)及時(shí)調(diào)整不同的改良劑，對(duì)渣土的流塑性改良，控制盾構(gòu)掘進(jìn)中的螺旋機(jī)噴涌、刀盤(pán)及土倉(cāng)泥餅，實(shí)現(xiàn)有效控制地面及建(構(gòu))筑物變形的目的。

李樹(shù)忱等[1]依托實(shí)際工程通過(guò)理論分析和效果對(duì)比試驗(yàn)，研發(fā)了適用于水壓高、地層多變的渣土改良泡沫劑。劉浩等[2]以濟(jì)南地鐵長(zhǎng)途汽車站為例，研究了不同風(fēng)化閃長(zhǎng)巖的力學(xué)指標(biāo)，研究成果對(duì)盾構(gòu)在富水閃長(zhǎng)巖地層掘進(jìn)具有一定的借鑒意義。馬連叢、許愷、王明勝等人[3-5]研究了砂礫地層中盾構(gòu)掘進(jìn)的渣土改良問(wèn)題。李應(yīng)姣[6]研究了渣土改良關(guān)鍵技術(shù)，改造渣土改良系統(tǒng)以及確定了分散劑的最佳配比。王彥臻[7]以全斷面砂層為例，優(yōu)化泡沫系統(tǒng)，以膨潤(rùn)土＋泡沫改良渣土取得了良好效果。綜上，少有文獻(xiàn)對(duì)富水閃長(zhǎng)巖的渣土改良及改良劑注入點(diǎn)位對(duì)渣土改良效果的影響進(jìn)行研究。本文以濟(jì)南軌道交通2號(hào)線歷山路站～七里堡站區(qū)間富水閃長(zhǎng)巖地層的盾構(gòu)施工為依托，研究富水閃長(zhǎng)巖地層改良劑的應(yīng)用，同時(shí)提出通過(guò)不同改良劑注入點(diǎn)位對(duì)渣土改良效果的影響，實(shí)現(xiàn)渣土改良劑與盾構(gòu)掘進(jìn)地層較好的匹配，達(dá)到控制螺旋機(jī)噴涌提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率的目的。

2 工程概況

濟(jì)南軌道交通2號(hào)線歷山路站～七里堡站區(qū)間右線長(zhǎng)2 172 m，左線長(zhǎng)2 176 m；區(qū)間隧道線間距為12～27.5 m，拱頂埋深約為10.2～23.0 m，水位埋深一般為2～5 m。隧道主要穿越19-1層全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、19-2-1強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖(短柱狀)、19-2-2強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖(砂礫狀)，含有承壓裂隙水，飽和單軸抗壓強(qiáng)度0.3～12.6 MPa，天然單軸抗壓強(qiáng)度2～21 MPa。

3 富水閃長(zhǎng)巖地層盾構(gòu)渣土改良技術(shù)

3.1 常用渣土改良劑及特性

土壓平衡盾構(gòu)渣土改良所用改良劑多為泡沫、膨潤(rùn)土、聚合物等一種或幾種材料的組合，并通過(guò)使用量的調(diào)整使盾構(gòu)切削下來(lái)的渣土具有良好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩擦力。如一般黏土層中多使用泡沫劑、分散劑、水組合作為改良劑，砂卵石地層多使用膨潤(rùn)土作為改良劑，巖石地層多使用泡沫劑、水作為改良劑，富水砂、砂礫地層多使用膨潤(rùn)土、聚合物為改良劑。不同添加劑的特性對(duì)比如表1所示。

表1 不同添加劑的特性對(duì)比

3.2 改良劑的選擇

根據(jù)富水閃長(zhǎng)巖地層特性、項(xiàng)目周邊環(huán)境等因素，富水閃長(zhǎng)巖地層盾構(gòu)渣土改良需要解決的問(wèn)題如下:

(1)提高土倉(cāng)內(nèi)渣土的抗?jié)B透能力，避免開(kāi)挖面因地下水流失而造成較大的地表沉降或地面建(構(gòu))筑物變形過(guò)大甚至坍塌事故發(fā)生。

(2)降低土倉(cāng)內(nèi)渣土以及開(kāi)挖面土體的內(nèi)摩擦角，減少渣土對(duì)刀盤(pán)刀具的磨損，降低刀盤(pán)扭矩。

(3)提高土倉(cāng)內(nèi)渣土的可塑性，避免渣土流塑性差而產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象。

(4)由于渣土泌水性差，掘進(jìn)停機(jī)后，土倉(cāng)內(nèi)渣土易離析、沉淀、密實(shí)，使刀盤(pán)再次啟動(dòng)時(shí)扭矩大，啟動(dòng)困難，對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備損害大。

根據(jù)富水閃長(zhǎng)巖地層渣土改良需要解決的問(wèn)題，本工程采用膨潤(rùn)土＋聚合物的組合方式改良渣土。

膨潤(rùn)土中的細(xì)顆粒填充土體間隙，吸附地層中過(guò)量的游離水，起到穩(wěn)定地層防止地面沉降過(guò)大的作用[8-9]，同時(shí)能補(bǔ)充渣土中缺少的黏性顆粒提高渣土流塑性。為解決渣土中存在過(guò)量水分的問(wèn)題，利用聚合物的增稠、粘合、絮凝、吸水性、減阻性等特性，進(jìn)一步減少渣土中過(guò)量的游離水，以有效提高渣土流塑性、降低土體的滲透系數(shù)，達(dá)到抑制螺旋機(jī)噴涌的目的，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)的安全高效。

3.3 改良劑注入點(diǎn)位的選擇

本項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)渣土改良劑注入點(diǎn)原始設(shè)置情況為刀盤(pán)正面6個(gè)注入點(diǎn)(其中刀盤(pán)周邊4個(gè)，中心2個(gè))、土倉(cāng)隔板3個(gè)注入點(diǎn)(其中上部2個(gè)，中心1個(gè))，螺旋機(jī)6個(gè)注入點(diǎn)(其中靠近土倉(cāng)隔板3個(gè)，靠近出渣口3個(gè))。所有注入點(diǎn)均能在盾構(gòu)機(jī)操作系統(tǒng)中任意切換注入改良劑為泡沫或者水，若需要注入其他改良劑需在設(shè)備橋前部對(duì)管路進(jìn)行更改，切換至膨潤(rùn)土系統(tǒng)或者聚合物系統(tǒng)。

考慮到改良劑需充分和渣土攪拌才能發(fā)揮其性能，螺旋機(jī)位置和土倉(cāng)中心的注入點(diǎn)位不作為膨潤(rùn)土和聚合物的注入點(diǎn)位，改良劑由該點(diǎn)位注入土倉(cāng)后與渣土的攪拌結(jié)合時(shí)間相對(duì)較短，不能充分發(fā)揮改良劑的作用，需要在盾構(gòu)機(jī)設(shè)備橋前部將聚合物管路、膨潤(rùn)土管路與泡沫管路切換，將刀盤(pán)周邊的4個(gè)泡沫注入點(diǎn)位更改為2個(gè)聚合物的注入點(diǎn)位，2個(gè)膨潤(rùn)土注入點(diǎn)位，土倉(cāng)隔板最上部2個(gè)注入點(diǎn)位作為膨潤(rùn)土注入點(diǎn)位，選用該6個(gè)注入點(diǎn)位可以延長(zhǎng)改良劑與渣土結(jié)合的時(shí)間，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)起到攪拌作用，讓膨潤(rùn)土和聚合物能與渣土進(jìn)行充分融合，保證改良劑能發(fā)揮良好的改良效果。

3.4 膨潤(rùn)土、聚合物改良試驗(yàn)

為探究在盾構(gòu)掘進(jìn)中渣土改良時(shí)最優(yōu)膨潤(rùn)土和聚合物使用量，分別針對(duì)膨潤(rùn)土和聚合物改良土體滲透性進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)膨潤(rùn)土改良試驗(yàn)

不同膨潤(rùn)土密度改良土體效果如圖1所示，可以看出整體上隨著膨潤(rùn)土泥漿密度和添加量的增大，改良后渣土的滲透系數(shù)逐漸減小。添加量為4%時(shí)，1.1 g/cm3的膨潤(rùn)土泥漿使土體滲透性系數(shù)達(dá)到1.15×10-4cm/s；添加量為12%時(shí)，1.1 g/cm3的膨潤(rùn)土泥漿使土體滲透性系數(shù)達(dá)到7.2×10-5cm/s；添加量為12%時(shí)，1.3 g/cm3的膨潤(rùn)土泥漿使土體滲透性系數(shù)達(dá)到4.8×10-5cm/s。這說(shuō)明在相同添加量/密度情況下，隨著膨潤(rùn)土泥漿密度/添加量增大，泥漿中有更多的細(xì)顆粒填充渣土的孔隙，進(jìn)而改良渣土滲透性，降低渣土的滲透系數(shù)。

圖1 不同膨潤(rùn)土添加量改良效果

圖2為渣土流動(dòng)性的變化曲線，由圖可以看出，相同密度條件下，混合土的流動(dòng)性隨著膨潤(rùn)土泥漿添加量的增加而不斷增大。在相同膨潤(rùn)土泥漿添加量下，隨著膨潤(rùn)土泥漿密度的增加，混合土的流動(dòng)性逐漸減小。試樣的初始含水率為20%，未添加泥漿改良時(shí)的流動(dòng)度小于160 mm，隨著泥漿添加量增加，混合物呈膏狀，試驗(yàn)過(guò)程中并未發(fā)生水土離析現(xiàn)象，說(shuō)明流動(dòng)性改良效果滿足排土要求。

圖2 膨潤(rùn)土添加量對(duì)流動(dòng)性影響效果

(2)聚合物改良試驗(yàn)

采用相同方法試驗(yàn)驗(yàn)證聚合物溶液的渣土改良特性，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同添加量聚合物改良效果

從圖3可以看出隨著聚合物添加量的增大，渣土的滲透系數(shù)隨之降低，在160 s左右時(shí)添加量為0.5%時(shí)的滲透系數(shù)為1.1×10-4cm/s，添加量為2%時(shí)滲透系數(shù)為6.1×10-5cm/s。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在富水閃長(zhǎng)巖地層盾構(gòu)渣土中加入一定密度的膨潤(rùn)土泥漿及一定濃度的聚合物溶液能有效提高渣土流塑性、止水性和粘聚力[10-11]。

3.5 改良方案的確定及應(yīng)用

歷山路站～七里堡站區(qū)間盾構(gòu)主要穿越上軟下硬的強(qiáng)富水全(強(qiáng))風(fēng)化閃長(zhǎng)巖，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中掌子面水壓高，土倉(cāng)內(nèi)渣土離析，螺旋機(jī)出渣門開(kāi)啟瞬間有壓泥水?dāng)y渣噴出，刀盤(pán)扭矩大，推進(jìn)速度緩慢，地面沉降不易控制，盾尾泥沙清理工作量大，渣土含水量過(guò)大外運(yùn)困難。采用膨潤(rùn)土＋聚合物組合改良渣土，經(jīng)多次試驗(yàn)對(duì)比確認(rèn)，每環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中加入密度1.2 g/cm3完全膨化的膨潤(rùn)土8 m3、1.5%～2%摻量的聚合物溶液作為改良劑，通過(guò)刀盤(pán)周邊和土倉(cāng)隔板最上部的注入點(diǎn)注入，渣土流塑性、止水性、粘聚力得到較好的改善，刀盤(pán)扭矩由2 800～3 200 kN·m 降低至2 200～2 600 kN·m，推進(jìn)速度由1～1.5 cm/min提高至2～3.5 cm/min，螺旋機(jī)噴涌問(wèn)題得以解決。改良后渣土實(shí)況如圖4所示，可以看出皮帶機(jī)掉渣明顯減少，渣土改良[12]取得了較好的效果。

圖4 改良后渣土實(shí)況

4 結(jié)論

土壓平衡盾構(gòu)渣土改良應(yīng)根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件、不同改良劑的特性，通過(guò)試驗(yàn)確定合理的添加劑配合比及注入量，根據(jù)改良劑的特點(diǎn)合理選用注入點(diǎn)位以利于提高渣土的流塑性改良效果。

渣土改良劑注入點(diǎn)位應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)情況、隧道埋深以及實(shí)際改良效果進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)可改造渣土改良系統(tǒng)，增加注入通道，合理延長(zhǎng)渣土與添加劑的攪拌、反應(yīng)時(shí)間，延長(zhǎng)渣土與添加劑的相互作用時(shí)間，有利于提高渣土的流塑性，對(duì)控制螺旋機(jī)噴涌效果良好。