1、富水砂层掘进中的渣土改良及喷涌控制技术哈尔滨地铁项目部 刘华【摘 要】在富水砂层中选择土压平衡盾构机掘进施工，对渣土改良和喷涌控制有更高要求和难度，哈尔滨地铁【南直路站哈东站站】区间地质构造为典型的富水砂层，本文结合哈尔滨地铁工程采用土压平衡盾构施工的成功案例，论 述土压平衡盾构机在富水砂 层掘进中的渣土改良及喷涌控制技术。【关键词】土压平衡盾构机 富水砂层 渣土改良 喷涌控制引言土压平衡盾构机穿越富水砂层具有较大的风险，由于砂层自身的不稳定性及土仓内砂质渣土易离析沉淀，极易造成盾构机前方地表塌方及构筑物开裂损坏，因此在富水砂层中掘进对渣土改良效果要求极高，只有渣土改良效果理想，才能在土仓内实
2、现土压的动态平衡，避免喷涌现象发生，从而降低对前方土体的扰动。1 工程概况哈尔滨地铁【南直路站哈东站站】区间全长 514.943 米，根据地质勘察报告和车站主体开挖情况，本工程盾构区间场地范围内主要为第四纪全新统堆积层，地处河谷漫滩及波状冲击平原，地层岩性为粉质粘土、砂类土，隧道开挖的地层主要为中砂层，部分区段含少量粗砂层和粉细砂层，地下水稳定水位为自然地面下 2.5m，含水量较大，达到 15%，有的地段可达 30%。区间隧道埋深在 914m。2 盾构机具有的渣土改良设备哈尔滨地铁九标段使用的盾构机为维尔特产土压平衡盾构机，渣土改良剂由泵送设备通过中心回转轴连接刀盘注入到刀盘前方，刀盘辐条上均
3、匀分布 4 个注射孔，两个为膨润土注射管道，另外两个为高分子聚合物注射管道。本标段项目工程主要采用膨润土浆液和高分子聚合物配合使用作为渣土改良剂。2.1 膨润土系统整个膨润土系统分为两部分，一部分为拌合系统，一部分为注入系统。拌合系统在地面，主要进行膨润土浆液的拌合与发酵存储，拌合发酵完成后通过管道泵送到盾构机的膨润土存储罐里。盾构机膨润土注入系统不属于维尔特原装配置，是为了满足哈尔滨地铁施工而专门增设的系统，注入系统所有构件都是后期添置，主要由存储罐、注入泵、变频器及管道组成。存储罐体积 4.5 m3，另配有两组搅拌轴；注入泵为郑州瑞申产软管挤压泵，型号为 RH65770，最大排量 1350
4、0 L/h，额定压力 1.2MPa，介质最大颗粒 8mm，电机功率 11KW，由现场使用情况看，此泵完全满足膨润土注入要求。另外配置变频器以便根据渣土改良效果和掘进速度及时调整挤压泵转速从而改变膨润土注入量。2.2 高分子聚合物注入系统高分子聚合物注入系统由高分子聚合物拌合箱、注入泵、变频器及管道组成。拌合箱体积 3 m3，另配两组搅拌轴；注入泵为多级螺杆泵，输出额定压力 1.2MPa，电机功率为 7.5KW；另外配置变频器以便根据出渣情况和喷涌情况及时调整螺杆泵转速从而改变高分子聚合物注入量。2.3 刀盘辐条上的渣土改良剂注射管道分布渣土改良的重点在于改良剂与渣土能拌和均匀，改良剂从刀盘前方
5、面板上注射尤为重要。掘进过程中刀盘低速切削掌子面，与此同时改良剂同步注射到掌子面上，这样切削下来的渣土与改良剂混合的面积达到极值的概率最大。挤压到土仓里的渣土已夹杂大量的改良剂，再通过刀盘的继续旋转带动搅拌土仓内渣土，使改良剂与渣土进一步混合。富水砂层中渣土改良工艺复杂，要膨润土浆液与高分子聚合物合理搭配使用，如何利用好刀盘前侧仅有的 4 根注射管道非常重要。首先要考虑两种改良剂间隔分布，其次考虑改良剂注射到掌子面上要内外兼顾。管道分布情况见下图：刀盘前侧改良剂注射口分布图四个注射口到刀盘中心的距离都不相同，就是说在刀盘旋转时 4 根管道的注射轨迹不会重合，这样既能保证改良剂注射均匀，又能将膨
6、润土浆液与高分子聚合物之间的相互影响降到最低。 另外，根据地层变化，高分子聚合物注射管道可以随时改为泡沫注射管道，在黏土含量高的地层亦能保证正常掘进。3 渣土改良3.1 富水砂层掘进中渣土改良需要解决的问题富水砂层掘进中渣土改良是整个施工过程中的难点和重点，渣土改良到位，才能保证盾构施工安全、顺利、快速。富水砂层掘进中渣土改良需要解决如下问题：（1） 提高土仓内渣土的抗渗透能力，避免掌子面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故发生。（2） 降低土仓内渣土以及掌子面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损，降低刀盘扭矩。（3） 提高土仓内渣土的可塑性，防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼。（4） 由于
7、砂层密水性差，掘进停机后，土仓内砂土易离析、沉淀、密实，使刀盘再次启动时扭矩大，启动困难，对盾构机设备损害大。（5） 采用土压平衡模式掘进时会因渣土密水性差而产生喷涌现象。（6） 渣土和易性差，螺旋机出渣不畅，导致掘进速度慢，掘进参数不易控制。3.2 渣土改良剂根据富水砂层掘进中渣土改良所面临的问题，在哈尔滨地铁 9 标段的盾构施工中，采用了天然钠基膨润土浆液和高分子聚合物作为渣土改良剂，渣土改良效果非常理想。3.2.1 膨润土浆液膨润土在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘带性、触变性和润滑性，它和水、泥、砂等细琐屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。膨润土在水化时，钠离子连接各层薄
8、片，同时挤占与之接触的土颗粒之间的间隙，积聚于土壤与泥水的接触表面，形成不透水的可塑性胶体，从而形成泥膜。在富水砂层的盾构机掘进中使用，可提高砂土的含泥量，补充土体的微细颗粒组分，使土体的内摩擦角变小，增加开挖土体的流动性和不透水性，主要作用如下：（1） 降低土体的渗透系数，使其具有较好的止水性，以控制地下水流失。（2） 可有效提高土体的保水性，防止渣土离析、沉淀板结。（3） 使渣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。（4） 使土体具有较低的内摩擦角，降低刀盘扭矩，减少对刀具和螺旋输送机的磨损。（5） 使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土，提高掘进速度。
9、膨润土浆液的水土比直接影响到渣土改良的效果，同时还要综合考虑盾构施工中渣土改良的成本和膨润土浆液的泵送性能。经过大量试验和施工生产中的实际应用，我们总结出了不同水土比浆液的一些基本性能：1）水土比为 1：1 的膨润土浆液变成膏状，不具备泵送性；2）水土比为 5：4 的膨润土浆液较粘稠，可泵送；3）水土比为 5：3 的膨润土浆液较稀，可泵送；4）对水土比为 5：3 的膨润土浆液掺入 0.1%的增稠剂（火碱） ，可增加浆液粘稠度。5）向膨润土浆液中掺加高分子材料，搅拌后膨润土浆液变成膏状体，使膨润土浆液失去泵送性；不同水土比的膨润土浆液样本如下：水土比 1:1 水土比 5:4水土比 5:3 水土比
10、 5:3,掺入 0.5增稠剂水土比 5:3；1.5高分子浓度、0.5%掺入量通过对掘进过程中各项参数及出渣效果研究发现，采用膨润土浆液进行渣土改良的效果有：1）渣土粘性、和易性明显增大，但渣土也明显变得更稀，对渣土的改良效果较差；2）相同的掺入量，水土比越大，渣土和易性越好，对渣土的稀释作用越小。在富水砂层中掘进只采用膨润土对渣土进行改良，能有效降低刀盘扭矩，但效果并不十分理想，虽改善了渣土的和易性，但却增大了盾构掘进时喷涌风险，不利于掘进参数的控制和掌子面的稳定。表 1 膨润土浆液配比与用量表材料 配合比 膨化时间（h） 比重 用量（m 3/环）钠基膨润土 膨润土 水 6 1.081.1 6
11、814 73.2.2 高分子聚合物哈尔滨地铁九标段盾构施工采用的高分子聚合物为两性聚丙烯胺，具有较强的吸水膨胀能力并可增稠，还能起到润滑效果。在富水砂层中注入高分子聚合物材料是为提高渣土粘稠度，将渣土改良成塑性流动体，防止或减轻螺旋输送机排土时产生喷涌现象，并防止渣土粘结刀盘而产生泥饼。通过试验和生产实践发现，在富水砂层中只用高分子聚合物作为改良剂可以有效增加渣土的密水性和粘稠度，但不足的是不能有效改变土体的内摩擦角，渣土还是易沉淀离析，无法有效降低刀盘扭矩，只使用高分子聚合物改良效果并不理想。表 2 高分子聚合物配合比与用量表材料 配合比 用量（m 3/环）高分子聚合物 水高分子聚合物14
12、1000463.2.3 膨润土浆液同高分子聚合物配合使用在富水砂层掘进中，若只使用膨润土做渣土改良剂，会使土仓内水土比变大，加大喷涌风险；只使用高分子聚合物渣土改良效果也并不理想，高分子聚合物可以中和掉渣土中多余水分，但渣土易离析沉淀，渣土的可塑性始终不佳；在富水砂层中掘进，为达到理想的渣土改良效果，还需配合使用膨润土浆液同高分子聚合物。在含水量 30%的中粗砂地层中掘进，平均土压保持在 1.2bar,采用水土比 5:4 的膨润土浆液，浓度为 2的高分子材料做渣土改良剂，通过不断的尝试摸索，得到以下规律：（1） 掘进速度 24mm/min，膨润土浆液注入速度 90L/min，高分子聚合物不注入
13、时,刀盘扭矩维持在 3000knm3300knm，出渣连续性差，时稀时干，有坨状渣土，渣土斗内过段时间砂水分离，沉淀明显，出土时渣土很难倒净，可高达 1/5 渣土残留斗中。（2） 掘进速度 24mm/min，膨润土浆液注入速度 120L/min，高分子聚合物无注入时，刀盘扭矩维持在 2700knm3100knm，出渣连续性得到明显改善，渣土较稀，偶尔有小规模喷涌。渣土斗内过段时间砂水分离，有沉淀，出土时渣土难倒净，渣土残留量有所降低。（3） 掘进速度 24mm/min，膨润土浆液注入速度 150L/min，高分子聚合物无注入时，刀盘扭矩维持在 2500knm2800knm，出渣连续性较好，渣土
14、很稀，小规模喷涌频率增加，土压波动范围增加。渣土斗内过段时间砂水分离，上层为膨润土色水体，出土时渣土难倒净，有局部残留。（4） 掘进速度 24mm/min，膨润土浆液注入速度 170L/min，高分子聚合物注入速度 100L/min时，刀盘扭矩维持在 2400knm2700knm，出渣连续性较好，出渣均匀流畅，渣土流塑性明显改善，喷涌现象基本消失，掘进参数稳定。渣土斗内过段时间无明显砂水分离，出土时渣土易倒出，渣土残留量很小。通过以上规律，总结经验如下：（1） 渣土改良以膨润土浆液为主，高分子聚合物为辅。以掘进速度和刀盘扭矩为主要依据，适时调节膨润土浆液注入量；以出渣稠度和喷涌频率为依据，适时
15、调整高分子聚合物注入量。（2） 膨润土泥浆要达到良好的改良效果，应达到以下要求：一是保证膨润土材料的质量；二是严格按照配合比拌制，并保证膨润土膨化时间；三是每环注入量 68 m3，即注入体积为富水砂层总体积的 15%20%，使砂层含泥量达到 15%以上。（3） 高分子聚合物材料的配合比和注入量应根据螺旋机出渣的具体情况确定，若喷涌现象轻微，则减小高分子聚合物混合液浓度或注入量；反之则需提高高分子聚合物混合液浓度或（和）注入量。每环高分子混合液的注入体积一般为富水砂层总体积的6%12%。4 喷涌控制4.1 喷涌原因分析在富水砂层中掘进，水含量大，土层稳定性差，为防止地面沉降，都需土仓保压推进。土
16、仓压力大，仓内土体改良效果差，在仓内形成泥浆，掘进时大量水进入土仓，在仓内经过搅拌就会形成水、渣离析的情况，当螺旋机排土时，大量的泥水将会从螺旋机喷涌而出。这种渣土和泥水无法通过皮带机输送，将大量流入隧道底部，而且由于螺旋机排土不畅，掘进速度会明显降低，土压难以控制，往往忽高忽低，进一步扰动前方土体，形成恶性循环，大大影响了施工效率。4.2 控制措施富水砂层中掘进防喷涌控制措施（1） 渣土改良是防止喷涌的关键。通过渣土改良降低土仓内水含量，渣土在膨润土浆液和高分子聚合物的吸附和隔离作用下变得粘稠不易离析沉淀，不会砂水分离，螺旋机排土时便会均匀流畅。（2） 合理设置土压力值。掘进过程中，根据螺旋
17、机实际压力、刀盘扭矩和千斤顶总推力及时调整设定土压力，使土仓压力略高于水压，确保正面的土压保持平衡，严格控制出土数量，防止超挖和欠挖。（3） 合理调整掘进参数。盾构机操作人员主要通过对推力及出渣速度的控制，尽量维持土仓压力的稳定，降低喷涌风险。（4） 出渣门开度、螺旋机转速适中，不宜过大，在喷涌来临时，受出渣门流量影响，泥浆会在出渣口出积累而不会瞬间全喷，延长操作人员的反应时间，以便采取措施降低喷涌风险。（5） 根据盾构机推进的地质预报及渣样分析，了解前方地层情况，及时制定应对方案，添加调整渣土改良材料，以改良渣土，增加水密性和流动性，防止产生喷涌。5 结语在富水砂层中采用土压平衡盾构机施工有很大的难度和一定的风险，如何避免因喷涌、失水、扰动等原因造成地表沉降的关键控制点就是渣土改良，渣土改良达标，富水砂层掘进中的喷涌等问题都会迎刃而解。只要渣土改良到位、施工方案合理，土压平衡盾构机在富水砂层掘进中也可以发挥出其强大的功能。参考文献1 张敏，扩展土压平衡盾构在含水地层中的适应性J.隧道建设，2003（5）：462朱伟，秦建设，魏康林，土压平衡盾构喷涌发生机理研究J.岩土工程学报，2004（5）：589593
