砂卵石地层盾构渣土改良技术粟路好中铁五局城通分公司沈阳地铁二号线三标项目部摘要：在土压平衡式盾构施工过程中，开挖面支撑的土砂具有十分重要的作用，通过对开挖出渣土进行改良，用以满足施工要求。
本文依托沈阳地铁北～崇区间盾构施工，对砂卵石地层渣土改良技术加以总结，对之后类似工程提供经验。
关键词：砂卵石渣土改良盾构1 概述1.1 工程概况沈阳地铁二号线第三合同段北～崇区间单线全长为703.8m，盾构通过地段主要为砂卵石地层，其中粘土（即粒径≤0.075mm）约占18.1%,砂（即粒径＜5mm,≥0.075mm）约占44.1%,砾卵石（即粒径≥5mm）约占37.8%,隧道结构底最大埋深22.7m；工～文区间单线全长为1302.7m，盾构通过地段主要为砂卵石地层，其中粘土（即粒径≤0.075mm）约占3.2%,砂（即粒径＜5mm,≥0.075mm）约占56.7%,砾卵石（即粒径≥5mm）约占30.1%,，隧道结构底最大埋深31.66m。
1.2 渣土改良在砂卵石地层施工中的重要性目前我国所应用的盾构机类型主要为土压平衡式盾构，其特点是用开挖出的土砂作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的土砂具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小。
由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良，其技术要点是在刀盘前部和泥土仓中注入水、膨润土泥浆、粘土、聚合物或泡沫等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖的土砂塑性、流动性，降低渣土的透水性。
渣土改良系统已成为盾构法施工的一个重要组成部分，对盾构法隧道施工的发展有着深远的影响。
纵观目前国内各台盾构机的使用工况，不难发现土质改良技术应用的好坏，对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。
1.3 渣土改良技术的国内外现状盾构法施工的主要机械就是盾构机，有泥水盾构和土压平衡盾构,土压平衡式盾构机因其能较好地控制地面沉降，保护环境，适应在市区和建筑密集区施工等优点，在隧道施工中被广泛应用。
土压平衡式盾构机能适应多种环境和地层的要求, 可以在砂砾、砂、粉砂、粘土等地层中使用。
纵观国内外，泥水盾构主要以加水、加泥作为改良剂，土压平衡式盾构机所采用膨润土泥浆和泡沫作为改良剂。
通过泡沫剂改良的渣土，泡沫自然消解后，渣土基本能恢复原状；通过膨润土泥浆改良的渣土，在某些发达国家被认定为污染物，其处理价格昂贵，膨润土泥浆注入法需用大型设备生产相当数量的膨润土泥浆，站用大面积场地。
在日本和欧洲等发达国家，用发泡剂取代膨润土泥浆，尤其当盾构通过透水性较强的砂土、含有少量粘土、粉砂细屑的砾石层时，应用发泡剂优于应用膨润土泥浆。
1.4 取得的主要研究成果本标段北～崇区间左线由“中铁8号”盾构施工,始发阶段以发泡剂为渣土改良剂，由于刀盘和螺旋输送机设计的缺陷，和渣土改良没有做好，导致刀盘结泥饼，盾构无法推进，挖竖井开仓，通过改造刀盘和螺旋输送机后，以膨润土泥浆和泡沫的混合添加材料为渣土改良剂，推进速度明显提高。
但在施工过程中或在停机时不注意管路的清洗和疏通，造成泡沫和膨润土注入系统有几路堵塞，刀盘又结泥饼，后期一百多环的推进速度缓慢，扭矩大。
通过注入快速渗透剂消解部分泥饼勉强出洞。
工～文区间由“韶山1号”盾构施工，发泡剂为渣土改良剂，掘进过程中多次遇到水囊、喷涌、流砂地层，通过摸索和试验，得出了合理、适用的聚合物改良渣土的配合比，注入高吸水聚合物，解决了螺旋机喷涌的问题。
2 砂卵石地层渣土改良技术2.1 渣土改良剂的选择2.1.1 渣土改良剂的功能在盾构机掘进时，向开挖面、土仓等处加注改良添加剂，其具体功能如下：①对于富含水砂层，一方面止水，另一方面可以改善砂的和易性；②在砂性土和砂砾土地层中，可以起到支撑作用而且可以改善土的流动性；③在粘性土层，可以防止渣土附着刀盘和土仓室内壁，另一方面，由于改良剂中的微细气泡可以置换土颗粒中的孔隙水，因而可以达到止水效果。
2.1.2渣土改良剂的类型表1 渣土改良剂的种类2.2 渣土改良方案2.2.1 工程地质情况根据区域地质资料及其现场勘察表明，北～崇区间、工～文区间的场地地基土主要由第四系全新统和更新统粘性土、砂类土及砾石类土组成。
地层自上而下分别是杂填土、粘土、砾砂、圆砾、砾砂、粘土、砾砂。
盾构通过地段主要为砂卵石地层。
2.2.2 盾构机类型“韶山1号”盾构是由德国海瑞克公司设计制造的土压平衡式盾构机，刀盘处直径6.28米，装配有1台康达特M4B型泡沫机泡沫注入系统和1套膨润土注入系统。
“中铁8号”盾构是由中铁装备制造有限公司设计制造的土压平衡式盾构机，机型CTE6250，刀盘直径6.28m，也装配有1台泡沫机泡沫注入系统和1套膨润土注入系统。
2.2.3 渣土改良剂的选择（1）泡沫剂的应用“韶山1号”盾构机配备有泡沫注入系统，泡沫发生器自动运行, 4根独立管路分别把泡沫注入不同位置, 一般以注入刀盘前部为主，管路上有一段是透明的,可供观察。
在泡沫发生器工作的过程中, 可以设定泡沫剂与水混合的比例, 在正常掘进状态下, 一般不需要对该值做过多的调整, 在许可的范围内, 通常取值为3:100,只有在扭矩长时间过大，而单靠调整流量又难以降低扭矩或遇喷涌、流砂的情况下，才调整为8:100。
泡沫注入系统有三种控制方式: 分别为自动、半自动及手动。
在正常掘进状态下, 若使用自动状态, 泡沫的用量比较大。
由于盾构掘进沿线土质情况时有变化, 而采用手动控制就可以节省泡沫的用量, 因此, 在掘进过程中,一般要求盾构驾驶员采取手动控制方式, 主要根据刀盘的扭矩, 千斤顶的顶力以及出土的情况三项参数来调整泡沫注入系统的流量。
当观察到出土的含水量过高时, 应马上适当调整泡沫的注入量, 本工程在砂土地层中的泡沫用量为沈阳国产泡沫70～100L/环(1.2m),进口康达特泡沫50～80 L/环(1.2m)。
（2）高吸水聚合物的应用在遇水囊、喷涌、流砂地层时，通过手动控制调整泡沫浓度至8:100，同时通过膨润土注入系统往土仓内注入聚合物对高含水量的渣土进行改良。
加大泡沫混合液浓度是为了提高发泡倍率，发泡倍率越高半衰期越长，稳定性越好，样能更好的填充砂土间的孔隙，起到止水的作用。
往土仓内注入聚合物可吸收一定量的水分，使渣土流动性降低，防止螺旋输送机喷水，不过聚合物的注入量及聚合物与水的混合比例必须通过试验确定。
工～文区间在掘进过程中多次遇到水囊、喷涌、流砂地层，通过摸索和试验，得出了合理、适用的聚合物改良渣土的配合比。
渣土是喷涌时从螺旋输送机开口处取出土样，聚合物是北京合东双产的高吸水性树脂聚合物，经试验，得出的配合比如表2。
表2 聚合物改良剂配合比聚合物先与水拌合，拌合均匀后通过膨润土注入系统注入土仓，拌合过程中先在膨润土储存罐中加好水，再按比例通过人工均匀的撒入聚合物，充分搅拌，使其快速溶解，防止聚合物结成团或粘结在储存罐壁上。
通过聚合物混合液的的注入使流态的渣土到达理想状态（坍落度160～200mm,不离析，不泌水），解决了螺旋机喷涌的问题，图1为室内试验配比调试情况。
图1 试验人员室内调配聚合物改良剂配合比（3）施工中遇到的问题及渣土改良措施右线掘进比较顺利，遇到水囊、喷涌、流砂时通过上述的注高吸水性树脂聚合物解决。
在出洞前的60多环，由于井点降水的缘故，地层中含水量低，出土坍落度在70mm以下，渣土干燥，盾构机推力、扭矩大，只是调整了泡沫剂的注入参数，改良效果没有明显改善。
左线掘进时，盾构密封不好，一直漏浆、漏泡沫，在最后100多环推进困难（无水地层），多次出现地面塌陷。
尝试过注入快速渗透剂消解刀盘泥饼，注入膨润土浆和泡沫混合添加剂，没起到明显效果，在第978环时挖竖井开仓对刀具进行了修复，对严重磨损的刀片进行了更换，对刀盘上的泥饼进行了清理。
再次推进时，刀盘前方注泡沫剂，土仓注膨润土浆，推了十多环，推进参数基本正常，推力稍大，渣土坍落度140mm，偏小，没有多出土。
膨润土的浆液配比为：膨润土：水：纤维素=100:1000:8。
十多环过后又出现推力大、扭矩大，推进速度慢，多出土，造成地面下沉的现象。
最后80环采用刀盘前注泡沫剂和土仓注水解决问题。
泡沫浓度4%，每环泡沫（原液）注入量70-90L,水注入量4-6m3。
（4）膨润土浆和泡沫混合添加剂在北～崇区间的应用“中铁8号”在北～崇区间左线盾构施工中，始发时参照工～文区间的掘进模式，以发泡剂为渣土改良剂，泡沫分三道管路注入刀盘前方。
由于刀盘和螺旋输送机设计的缺陷，加之始发段是无水地层，粘土含量占到18.1%，掘进速度慢，推力和扭矩大，出土困难，判断为刀盘结泥饼。
盾构推进到第47环时，挖竖井开仓，清除泥饼，对刀盘和螺旋输送机进行了改造。
从竖井取原状土，通过试验观察膨润土泥浆和泡沫的混合添加材料对渣土改良效果比较好，决定以同时注膨润土泥浆和泡沫作为渣土改良剂，为此，特增加,一套膨润土膨化系统装置，如图2，包括搅拌罐、输送泵、膨化池、输送管路和三通。
图2 膨润土膨化系统流程图地面上设一膨润土搅拌罐容量为1000L, 功率16kw,最高转速100转/小时,一次搅拌0.8m3，如图3。
在768ml处刻一刻度，做明显标记，搅拌前先加水至768ml刻度位置，然后加入2袋膨润土，高速搅拌5-8分钟，拌好后通过输送泵（功率4kw,流量10m3/h）泵入膨化池。
在车站的中板上设置了两个膨化池，如图4。
每个池容积为50m3,地面拌好的膨润土浆液泵入1#膨化池，直至池满，待膨化8小时后方可使用。
在使用1#膨化池内的膨润土浆液时，地面搅拌好的膨润土浆液泵入2#膨化池膨化，将两个膨化池通过三通阀完全隔离，交替使用，保证膨润土浆液有一定的膨化时间。
中板上每一工作台班设有1台输送泵（泥浆泵，功率28kw,流量30m3/h）、1专人负责放浆，在接到盾构操作室的指令后，打开三通阀、输送泵, 膨润土浆液通过输送泵、输送管道泵入盾构机上的储存罐。
图3 地面膨润土搅拌罐图4 中板上的两个膨化池原三道泡沫管路不变，分别向刀盘前方注入泡沫，膨润土注入系统有两路管道，每一路管道分别通土仓和刀盘。
膨润土浆的施工配比为：膨润土：水=80kg(2袋):768kg。
再次始发时，三道泡沫管路往刀盘注泡沫，两道膨润土管路往刀盘注膨润土浆，在无水地段，泡沫浓度为3%，每环注30～50L，膨润土浆6m3；在有水地段，泡沫浓度为5%，每环注40～60L，膨润土浆4m3。
推进速度明显提高，出土顺畅，渣土和易性较好，坍落度为190mm。
但在施工过程中或在停机时不注意管路的清洗和疏通，在掘进到400多环时造成一道泡沫管路和两道膨润土管路堵塞，造成后来刀盘再结泥饼，后期一百多环的推力和扭矩大，速度缓慢，只要推进速度小于20mm/min就会超挖，而导致地面坍塌。