监理3标渣土改良小结

监理3标土压盾构施工渣土改良小结

摘要：在土压平衡式盾构施工过程中，对开挖面的渣土调整是一项关键工作，通过对开挖下来的渣土进行改良，可以大幅度提高盾构的施工效率。本文依托南昌地铁彭家桥站～师大南路站区间盾构施工，对富水砂卵地层渣土改良技术加以总结。 关键词：土压平衡盾构 渣土改良 总结

1 概述 1.1 工程概况

彭家桥站～师大南路站区间设计里程范围：SK18+319.900～SK17+658.811，上行线隧道长661.089，单线延米全长1322.18。区间共设置一处联络通道兼废水泵房，中心里程为SK17+991.756。区间线路区间线路最大纵坡为15‰，最小纵坡为12.3‰。区间西出彭家桥站，沿着北京东路西进，下穿彭家桥，穿过顺外立交桥（已拆除），然后沿着北京西路西进到达师大南路站。北京西路和北京东路道路较宽，区间在正下方穿过，对两边建筑物影响较小，主要影响的建筑物是顺外立交桥（拆除）和彭家桥。区间隧道主要穿越地质为砾砂、圆砾层。彭家桥站～师大南路站区间隧道主要穿越粗砂、砂砾、圆砾层，部分卵石层，圆砾：粒径>20mm约占4.0％～44.3％，砾砂：粒径>20mm约占1.0％～4.7％。

1.2 渣土改良在砂卵石地层施工中的重要性

中铁十八局南昌地铁项目部所使用的盾构机为铁建重工生产的土压平衡式盾构，其特点是用开挖出的砂作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的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膨润土泥浆、聚合物或泡沫等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖的砂塑性、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 渣土改良技术的现状

盾构法施工的主要机械就是盾构机，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、粗砂、圆砾等地层中使用。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，尤其当盾构通过透水性较强的砾砂、圆砾、粗砂层时，发泡剂和膨润土泥浆结合应用，效果颇佳。

1.4 主要研究成果

本标段彭家桥站～师大南路区间左线由“永昌一号”盾构施工,始发阶段以发泡剂为渣土改良剂，在出去加固区后，泡沫结合膨润土同时注入刀盘使用，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，后期推进在刀盘注入泡沫，土仓注入膨润土，刀盘扭矩得到控制，推进速度明显提高。

本区间暂时未出现涌水、涌砂、喷涌和结泥饼等现象。 2 砂卵石地层渣土改良技术 2.1 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；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。

2.2 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，本标段区间隧道工程地质主要由人工填土（Qml）、第四系上更新统冲积层（Q3al），下部为第三系新余群（Exn）基岩。按其岩性及其工程特性，自上而下依次划分为①1杂填土、③1粉质粘土、③2细砂、③3中砂、③3-j圆砾、③5砾砂、③6圆砾、③7-j砾砂、⑤1泥质粉砂岩、⑤3粉砂质泥岩。区间隧道主要穿越粗砂、砂砾、圆砾层，部分卵石层。

2.2.2 盾构机类型

“永昌一号”盾构是由中国铁建重工集团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台泡沫注入系统和1套膨润土注入系统。泡沫系统为六路单独管道，对应到刀盘六个注入口，膨润土系统为2路，可以单独的注入到土仓及螺旋，在设备桥位置和膨润土可以通过旁通阀利用泡沫管道注入到刀盘面的六个注入口。

2.2.3 渣土改良剂的选择 （1）泡沫剂的应用

“永昌一号”盾构机配备有泡沫注入系统，泡沫发生器自动运行, 6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。

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时可以适当增大比例。

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东莞明洁泡沫40～70L/环(1.2m)。

（2）高吸水聚合物的应用

在遇喷涌、流砂地层时，可以往土仓内注入聚合物对高含水量的渣土进行改良。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，现场通过人为的改变渣土造成喷涌现场，通过千分之二比例的高分子聚合物注入螺旋后，止水及防止喷涌效果较好（本工程暂未遇到喷涌现象）。

（3）膨润土浆和泡沫混合添加剂在彭～师区间的应用

“永昌一号”在彭家桥站～师大南路站区间左线盾构施工中，始发时在加固区推进以发泡剂和水为渣土改良剂，泡沫分六道管路注入刀盘前方。出加固区后同时注膨润土泥浆和泡沫作为渣土改良剂，刀盘注入口为4、5号一直用泡沫改良，防止刀盘中心结泥饼，刀盘边缘位置注入口注入膨润土，对改良渣土及降低刀盘扭矩效果良好，土仓内注入膨润土对渣土和易性及降低螺旋机扭矩效果良好。

地面上设两个膨润土搅拌罐，拌好后通过输送管路进入中板膨化池。在车站的中板上设置了三个膨化池，每个池容积为90m3,地面拌好的膨润土浆液进入1#膨化池，直至池满，待膨化12小时后抽入2#膨化池。再膨化12小时后抽入3#膨化池，保证膨润土浆液有一定的膨化时间。,设有输送泵，设专人负责放浆，在接到洞下司索的指令后，打开输送泵, 膨润土浆液通

过输送泵、输送管道泵入电瓶车上的储存罐。 3#膨化池内的膨润土

加固区段：

端头加固段采用三轴搅拌桩及高压旋喷桩相结合的加固方式，通过现场取芯效果较好，且通过始发段掘进出渣效果，渣土粘度较高，为防止刀盘结泥饼及减低刀盘温度，加固区段渣土改良主要为泡沫改良，刀盘六路注入口注入全部为泡沫，泡沫浓度为1%-2.5%，随着出加固区的距离逐渐改变泡沫浓度。

始发掘进段（10-50环）

此区段位于始发掘进降水井降水范围之内，前方刀盘掌子面渣土含水量较小，为保证切割下的土体具有良好的和易性，掌子面渣土改良为泡沫+膨润土改良，土仓内注入一路膨润土以改良切割下的土体。膨润土浆的施工配比为：膨润土：水=50kg(2袋):500kg。在此地段，泡沫浓度为2.5%，每环注40～70L，膨润土浆3～5m3；推进速度明显提高，出土顺畅，渣土和易性较好。

存在问题：施工过程中膨润土和泡沫剂都注入到刀盘，在停机时不注意管路的清洗和疏通，掘进结束后对泡沫及膨润土阀的切换不及时造成泡沫管路堵塞，无法对前方土体进行有效改良，造成推力和扭矩大，速度缓慢。

掘进段（50环）

随着盾构机远离始发段降水区域，地层含水量的增加，渣土明显含水量较多，且在前面施工中管道的经常堵塞，开始尝试刀盘注入口全部注入泡沫改良，对土仓内改用两路膨润土进行改良，通过一段时间的摸索后，确定泡沫浓度为3%，注入量为50-65L/环，膨润土注入量为2.5-4 m3 。渣土和易性较好，盾构掘进速度达到30-50mm/min。下图为皮带机上的渣土和查土池的渣土情况

皮带机上的渣土 渣土池的渣土

3 效果验证

通过工程实例，总结出：彭家桥站～师大南路站区间正常掘进时，使用泡沫剂和膨润土改良渣土，盾构总推力在10000～16000KN，20～50mm/min，扭矩3000～4000KN·m，刀盘上

部土压0.8～1.0Bar，每环泡沫用量40～70 L，每环膨润土用量为3～5m3，出土情况良好。

4 结论及建议 4.1 结论

盾构在全断面富水砂卵地层中掘进施工，采用泡沫、膨润土泥浆复合添加技术，能有效改善土体塑流性、减小刀盘扭矩、提高推进速度。

4.2 建议

(1)泡沫注入过程中必须严密注意压力显示，有堵塞情况时加大气流疏通，严重时可用增压水泵的水压来疏通。推进速度不应过快，过快会造成渣土与添加改良材料混合不及时，改良效果差。

(2)操作司机每个交接班前单独操作每一管路，检查堵塞情况。如有堵塞情况发生，单独用加大流量的方法疏通堵塞部位，严重时可用液压油疏通。

(3)膨润土利用膨润土管道用在推进结束后及时切换到泡沫模式，利用泡沫对管道进行重洗。

(4)膨润土浆严格按试验室下达的配合比拌制，膨化时间要保证在12小时以上。

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