盾构施工中的的渣土改良工法
一、前言
碴土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的重要技术手段，其主要作用是使碴土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；使碴土具有较好的止水性，以控制地下水流失；使切削下来的碴土具有良好的塑性流动性，能够顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土；有效防止土碴粘结刀盘而产生泥饼；可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；可有效降低刀盘扭矩，降低对刀具和螺旋输送机的磨损。

二、工法特点
1、可根据不同的地质情况以及不同的目的采取不同的技术措施来改善渣土的性质，以确保盾构安全快捷的掘进施工。

2、以信息化施工为手段，通过对通过地层的地质情况的及时、超前的预报来指导施工。

3、能有效地降低对刀具和螺旋输送机的磨损，具有良好的经济效益。

三、适用范围
土压平衡盾构机，在采取土压平衡模式掘进的隧道。

四、施工工艺及流程
1、总体流程
2、超前地质预报
a. 利用TSP202超前地质预报系统进行超前探测
TSP202超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方及周围临近区域的地质情况，其能够较准确地探测地层构造界面，同时也能准确探测到前方地层中的桩基等，其的预报距离为地质雷达的4～12倍。

隧道地震波超前地质预报原理图
b. 在掌子面进行超前探测
在地层复杂的地段，在采用TSP202系统进行超前地质预报的基础上，利用盾构机上自带的小型钻机进行超前钻探，依据相同压力下钻进速度的不同来判断前方地层的变化情况及位置，以进一步核实TSP202系统的超前预报结果，确认施工前方围岩物理特性，为盾构机选择正确的掘进模式及是否需要进行渣土改良提供科学的依据。

3、渣土改良方式的选择
土压平衡盾构机的掘进模式（敞开式Open、半敞开式semi-open、土压平衡式EPB）根据围岩的情况进行选定，即控制土仓内的土压力。

土仓内的土压力受掘进速度和螺旋输送机的出土速度控制，为了保持开挖面的稳定性，必须控制此两个速度在适当的数值，同时确保开挖渣土的流动性和止水性。

当从开挖面切削下来的岩土不具有下列特性：
良好的塑性活动；粘～软的稠度；内部磨擦低；透水性低时，在开挖时可加入泡沫或膨润土对岩土进行改良，使之具有这些特性。

根据我集团公司在广州地铁二号线越～三盾构区间的施工经验，注入泡沫和膨润土都能较好的改善渣土的流动性、不透水性和防止泥饼产生，但在降低刀盘扭矩，降低对刀具和螺旋输送机的磨损方面注入泡沫的效果优于注入膨润土；对于改善渣土的不透水性方面注入膨润土的效果优于注入泡沫。

注入何种材料应根据渣土改良所要达到的目的进行选择。

4、渣土改良施工
①施工流程
②泡沫的注入
a. 泡沫组成的比例
泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，97%；泡沫添加剂0.75~1.5L和聚合体300～600g；泡沫组成：90～95%，压缩空气和5～10%泡沫溶液混合而成。

b. 泡沫注入量计算
泡沫的注入量和土质、掘进速度等有很大关系，且从越~三盾构工程的统
计中也显示发泡剂消耗量波动较大，从而也证明了这一点。

根据施工经验泡沫的注入量可根据开挖方量计算：300～600L／m3，合计泡沫剂的用量为46.7 L／m3。

c. 泡沫的注入方式
泡沫的注入可选择采用两种操作方式，即半自动操作方式和自动操作方式。

采用半自动操作方式时，要求泡沫流体的加入根据开挖仓的土体压力值和碴土特性设定初始值，这时空气分压气的数值连续变化，直至达到设定值为止。

计算机控制系统根据系统参数自动实现泡沫的产生与注入，不需要外界干涉。

半自动操作方式向自动操作方式的转换，只有在掘进速度V>3m/min 时，才能实现。

③膨润土的注入
膨润土以悬乳液的方式通过膨润土注入系统注入，其体积使用量为20%～30%。

拌制的悬乳液泵入储存罐中后通过不同的注入口分别注入到开挖仓及螺旋输送机进口处。

五、机具与材料
六、劳动组织
根据施工工序合理安排劳动力。

劳动力组织如下表：
七、质量标准及技术要求
在砂质粘性土和全、强、中风化泥质粉砂岩的掘进中，主要是要稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼，并降低刀盘扭矩。

拟采取分别向刀盘面和土仓内注入泡沫的方法进行碴土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。

同时，采用滚刀与齿刀混合破岩削土或全齿刀削土、增大刀盘开口率等方法来防止泥饼形成。

泡沫的注入量为每立方米碴土300~600升。

在硬岩地段的掘进主要是要降低对刀具磨损、螺旋输送机的磨损，防止涌水，拟采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入泥浆的方法来改良碴土。

泥浆的注入量一般为每立方米碴土注入20%~30%。

在富水地段和其它含水地层采用土压平衡模式掘进时，主要是要防止涌水、防止喷涌、降低刀盘扭矩，拟向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入膨润土，并增加对螺旋输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。

膨润土添加量应据具体情况确定。

在砂土地层中掘进时，主要是保持土仓内的压力平衡，以稳定开挖面，控制地层沉降，拟采取向刀盘面和土舱内注入泡沫来改良碴土。

泡沫注入量
根据具体情况确定。

八、效益分析
1、施工程序化，工作标准化，可以有效地防止在赋水地层发生涌水涌泥。

2、改善渣土的流动性，能够快速进入土仓，为盾构机的快速有序的掘进创造了条件。

3、可有效降低刀盘扭矩，降低对刀具和螺旋输送机的磨损。

九、工程实例
由中铁隧道集团广州盾项目部承担的越三区间隧道工程是广州地铁二号线的重点控制工程，是中隧集团首次采用盾构法施工的隧道。

该工法在越三区间得到了有效的运用，并自主研制了泡沫剂，取得了良好的经济效益和社会效益。

通过越三区间隧道工程实践证明，改工法具有施工组织便利，施工规范科学有序，施工安全可靠，技术先进的优点。