泥岩地层盾构施工渣土改良技术研究

李应姣

(中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉 430074)

1 前言

通常，一般地层岩土不具有良好的塑流状态、黏-软稠度、低内摩擦力、低透水性等优势，易使刀盘转动摩擦阻力增大，刀盘驱动负荷增加。 当盾构密封土仓内渣土流塑和易性较差时，在土压力和搅拌的双重作用下易结成泥饼、产生压密固结等问题，从而降低开挖仓的密封性和影响螺旋机的排土。 当渣土透水性较好时，渣土在螺旋输送机内排出时无法形成有效的压力递降，土仓内的土压力无法达到稳定的控制状态。 然而，渣土改良系统已成为盾构法施工的一个重要组成部分，且渣土改良效果的差异，对降低工程成本、规避施工风险、提高工程进程起着关键性的作用[1-2]。 以南宁轨道交通3 号线1 标土建6 工区东沟岭站～小鸡村站区间盾构施工为工程背景，区间主要穿越地层为泥岩、粉砂质泥岩，在刀具切削和刀盘的撞击下，泥岩变成碎屑和粉末状，再加上泥岩本身的特性、盾构在泥岩中掘进，若渣土改良不到位，会导致渣土干硬、流塑性差，从而使渣土干结在土仓内，达不到排渣要求，导致结泥饼。 为了确保该特殊地层盾构渣土改良效果，保证盾构的顺利实施，开展了泥岩地层盾构渣土改良关键技术研究。

2 工程地质及问题分析

该标段盾构区间穿越地层主要为⑦1-2 泥岩、⑦1-3 泥岩，局部含⑦2-2 砂岩、⑦2-3 粉砂岩、⑦4 炭质泥岩，泥岩层天然状态下强度较高，压缩性低，但浸水易软化，干后则开裂。 黏粒含量较高，盾构施工过程中易结泥饼。 根据本地区类似地层条件下的盾构施工经验，盾构在该地层掘进时，曾多次产生大量堆积的泥饼，经取样，部分泥饼的抗压强度高达5 MPa，且土仓一旦结成泥饼，易使刀盘扭矩、盾构总推力大幅增大，而盾构推进速度变慢，刀盘刀具被磨损；严重时易使盾构掘进困难，尤其对高富水砂层、淤泥等透水性强、自稳性差的高风险地质，易发生地表超挖塌方、涌水涌砂等风险[3-5]。 本标段为规避此现象发生，对临近项目曾出现过大量泥饼进行了分析，主要原因在于：(1)复合式刀盘的型式及选用不合理。 (2)中心区域不够大，刀盘开口率小。 (3)搅拌臂太少。 (4)滚刀与刮刀刀具层次不分明。 (5)未用或未针对性调配渣土改良剂等。 然而，为了使切削下来的渣土具有高流动性，通过合理配置刀具、优化改良系统、调配合适的渣土改良剂等方法，可增加刀具耐磨性、增大开口率、使调配剂与渣土充分混合，提高渣土流动性，达到稳定土压平衡的作用。

3 技术原理

泥岩地层盾构渣土改良是利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌使分散剂与土渣混合，通过分散剂的微观电荷作用力以及渗透功效，泥岩分散剂分子会吸附于黏土表面，通过渗透，盾构泥岩分散剂分子迅速地进入土体内部，将大块的土体快速分散，分离，氧化分解释放出气泡，使得刀盘切削下来的土体流塑性好、稠度适中、透水性低及摩擦阻力小，解决了盾构刀盘易形成泥饼的难题，规避了泥饼带来的掘进风险，同时，为盾构机在泥岩地质条件下掘进提供了良好的工况。

4 渣土改良关键技术

4.1 刀具配置

在泥岩地层下，若中心以滚刀为主要切削刀具，将会出现刀盘中心结泥饼的现象[6-8]，刀盘中心区的泥饼会造成刀盘能够转动，但滚刀却不能产生自转，导致滚刀失效偏磨，同时会造成刀盘转动负荷加大，甚至停止转动，舱体内温度急剧升高，影响主轴承密封的寿命，甚至毁坏轴承密封。 为了防止上述现象的发生，提高渣土的流动性，刀具布置采取以下针对性较强的防泥饼措施：

(1)中心用撕裂刀替换原刀盘设计滚刀，多个楔形撕裂刀安装在刀盘主体正面的十字形刀梁和一字形刀梁上，且同一直线上的多个楔形撕裂刀并排等距分布，每个楔形撕裂刀的刀架通过螺栓与盾构刀盘的固定楔块连接。 该刀具的更换，可增加刀盘中心开口率，较易切入泥岩，可适当降低刀盘推力、扭矩。

(2)由于切削路径长，线速度快，刀具易磨损[9-11]，因此对刀盘边缘刮刀进行结构增强，优化合金结构，即在刀盘开口边缘设合金刮刀，该刀盘开口周边部位的刮刀，可对滚刀已疏松的岩层进行刮擦清除，还能增大刀盘的耐磨性，有效保护刀盘母体，其边缘刮刀采用合金材料制备，防止刀头磨损及碎裂现象发生，从而增强刀盘边缘刮刀的耐磨性能及抗冲击性能。

(3)由于刀盘外周线速度较大，地层对刀盘磨损较为严重，为保护刀盘外周，防止刀盘过度磨损，在刀盘开口边缘加焊外周保护刀，以保护刀盘外周部位。

通过对面板刀具的加强改进，增加了耐磨性，有利于盾构掘进中刀具的充分利用，增加了刀具切削能力，有效增加了长距离掘进下盾构机的适应性。 刀具配置优化前后分别如图1 和图2 所示。

图1 刀具配置优化前

图2 刀具配置优化后

4.2 渣土改良系统优化改造

(1)在土仓胸板上加两个万向球阀和一个高压水泵，当出现结泥饼时，用一根钢管接上高压水泵通过万向球阀探入土仓对准刀盘背后开口用高压水进行冲洗。

(2)在刀盘原有的5 个注入口基础上再多增加一路注入口，并设置在刀盘面板最外侧以减小刀盘边缘刀具的磨损。

(3)将之前的泡沫一拖二改成单管单泵，螺杆泵精度高、稳定性好、维修频率少。

(4)将原先螺旋机两道闸门拆除一道闸门，增大皮带机与螺旋机间的空隙，通过提升皮带输送机高度(提升10 cm)，可降低皮带机的坡度(由原来19.2°降为15.66°，坡度降低了3.6°)，减小渣土在皮带上的黏附力及摩擦力，可大大提高出渣效率。

(5)由于皮带输送机宽度“有限”，通过螺旋机排出的渣土体积较大，易造成渣土黏附在出渣口，致使渣土堆积在螺旋机出渣口，渣滞留，大大降低排土效率，因此将螺旋机闸门口改造成“拱形结构”并减小出渣口大小(出渣口是由上部直径为30 ～40 cm的半圆口和下部边长为30 ～40 cm 的正方形口组成)，可提前对渣土进行“塑型”，降低渣土在出土口堆积几率，可以提高皮带机排土效率。 螺旋机渣土口改造如图3 所示。

4.3 分散剂配比试验

图3 螺旋机出渣口改造

对分散剂原液浓度按1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%的掺量进行稀释，绘制分散剂浓度与半衰期关系图，给出分散剂稀释后最优时的分散剂浓度。 按最优分散剂浓度稀释液与泥岩质量比为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8的比例充分拌和，测定经分散剂改良后拌和料的坍落度数据，分别给出单独使用分散剂为改良剂时的最佳配比，通过反复试验观察得出如下关系：

(1)分散剂浓度—半衰期关系曲线如图4 所示。

分析图4 可知，分散剂浓度从1%增加至5%时，溶液所产生的气泡半衰期由7. 8 min 上升到14.2 min，且随着分散剂浓度不断增加，溶液所发出的气泡逐渐趋于稳定。 另外，分散剂浓度从1%增加至3%时，气泡的半衰期由7.8 min 上升到13.8 min，半衰期变化尤为明显；而分散剂的浓度从3%增加至5%时，气泡的半衰期由13.8 min 上升到14.2 min，半衰期变化幅度很小，且逐步趋于稳定。

图4 分散剂浓度-半衰期曲线

(2)分散剂浓度-最大发泡倍率关系曲线如图5 所示。

图5 分散剂浓度-最大发泡倍率曲线

分析图5 可知，在一定范围内，最大发泡倍率随分散剂浓度的上升而增大，且分散剂浓度为3%时，最大发泡倍率达到最大值(59 倍)；当分散剂浓度大于3%时，溶液的最大发泡倍率小幅度降低，且当浓度升至5%时，倍率逐渐趋于稳定，保持在58 倍左右，且发泡的倍率不再随溶液浓度的增加而发生大的变化。

(3)拌和料质量比- 坍落度关系曲线如图6所示。

图6 拌和料质量比-坍落度曲线

分析图6 可知，坍落度随分散剂稀释液掺量的减少而降低，从1∶1到1∶6，拌和料坍落度由260 mm下降至30 mm，且随着分散剂稀释液掺量(拌和质量比)的减少，坍落度趋于稳定。 分散剂稀释液掺量从1∶1到1∶2时，拌和料坍落度由260 mm 下降到210 mm，拌和料的流塑性最强，但无黏性；而分散剂稀释液掺量从1∶2到1∶4时，拌和料坍落度由210 mm下降到160 mm，拌和料的流塑性最佳，黏性最强；当分散剂稀释液掺量从1∶4到1∶6时，拌和料坍落度由160 mm 下降到30 mm，虽然拌和料黏性最强，但几乎无流塑性。

通过试验，得出分散剂浓度控制在3% ～5%为最佳配比，且用稀释后的发泡剂对其改良后，坍落度随分散剂稀释液加入量的减少逐渐降低，当分散剂稀释液与泥岩的质量比为1∶2 ～1∶4，改良后拌和料坍落度由210 mm 下降到160 mm，拌和料的流塑性最佳，黏性最强，此时泥岩的坍落度已达到或靠近盾构施工渣土的最优坍落度值。

5 应用情况

该技术已成功应用于南宁地铁等泥岩地层盾构施工过程中，通过相应设备的改造以及渣土改良试验，用稀释的改良剂对其改良后，渣土流塑性明显得到了极大的改善。 在掘进过程中，根据掘进速度及时调整加水流量，改良剂浓度控制在3% ～5%，由原来每掘进1 环(1.5 m)需要4 h 缩短至每环掘进只需要0.5 h，大大提高了施工效率，避免了盾构掘进过程中出现渣土滞留、土仓堵塞和结泥饼等情况，减小了刀盘和螺旋机的磨损。 该技术的研究应用，有效节约了施工时间，保证了盾构机安全、快速连续的施工，无刀盘结饼，有利于控制周边沉降，避免了对周边环境(棚户区、居民小区、管线、厂房等)的影响，应用效果良好。

6 结束语

通过采用该技术妥善解决了复杂地质地段中刀盘结饼处理困难的问题，避免了盾构机开仓，省略了带压开仓、地面加固、交通道改等一系列程序，缩短盾构施工工期近3 个月。 该技术优势主要体现在：

(1)该刀盘的设计主要针对较强的防泥设置，将主切割刀全部设置成楔形撕裂刀，增加了刀盘的开口率，且在刀盘开口外缘附加保护刀，增加了其耐磨性，整体可防止刀头磨损及碎裂现象发生，更利于盾构掘进中刀具的充分利用，增加了刀具切削能力，有效增加长距离掘进下盾构机的适应性。

(2)通过对刀具、渣土改良系统的改造以及渣土改良剂的运用，提高了渣土的流动性，平衡了内部的土壤压力，减小刀盘在掘进过程中产生的摩擦阻力损耗，提高了盾构机的掘进效率，同时也保证了开挖的稳定性和安全性，避免了地表沉降问题。

(3)通过研制泥岩分散剂，快速实现了强力剥离和清除黏泥胶团的作用，使得刀盘或土仓内表面清洁，另外，由于改良剂中的微细气泡可以置换上颗粒中的孔隙水，达到了止水效果，同时，也避免出现喷涌问题，提高了施工效率，降低了施工风险。