土压平衡盾构施工中渣土改良技术的应用

潘 真

（中交第二航务工程局有限公司工程装备分公司，湖北 武汉 430000）

0 前言

盾构掘进由于其隧道洞身范围内地质条件复杂，掘进过程中会遇遭遇诸多困难。对于地下水丰富的地区(例如成都地区)，掘进过程中掌子面易塌陷，造成地表沉降变形；砂卵石地层自稳性差，渣土进入盾构机土仓后，流塑性差，土仓压力不稳定，施工中不易保压，容易造成超挖和掌子面塌陷；同时，在卵石地层掘进，刀盘刀具在摩擦过程中，易造成刀盘和刀具的非正常磨损与损坏，严重影响施工速度和效率，若进行停机更换刀具，风险较高。

为提高盾构施工效率，综合考虑各种因素十分必要，其中，土压平衡盾构渣土改良试验在工程实践中具有重要作用，通过取样试验测试土体的坍落度，进而得到地层含水量与泡沫比之间的函数关系，通过添加剂进行渣土改良，提高流动性和排土效率。本文将对试验情况和应用效果进行阐述。

1 盾构机在砂卵石地层中掘进时可能出现的不利情况

(1)当砂卵石地层处于无水状态时，由于砂粒之间相互咬合，产生了内摩擦，土体流动性差，在土仓中充填渣土时，刀盘扭矩增大，螺旋式输送机输送土渣的扭矩随之增大，造成土仓排土不畅，严重时还会产生刀盘结泥饼现象，直接影响盾构掘进。

(2)无水砂卵石地层中未改良的渣土的流塑性较差，造成掘进时刀盘的阻力较大，盾构机的推力增加，刀盘刀具由于摩擦产生的热温度升高，磨损加剧，从而影响盾构机的工作性能和掘进效率。

(3)由于砂卵石地层流塑性差，开挖面自稳性差，土仓压力控制波动频繁，使开挖面稳定性难以维持，直接影响地表隆沉幅度的增加，造成地表沉降和建筑物沉降难以控制。

2 土压平衡盾构渣土改良试验

2.1 渣土级配以及渣土的含水率

通过相关研究发现，影响渣土流动状况的因素很多，其中级配较为显著。所以在实际操作中对级配要求把握准确，可通过现场试验得到。试验结果表明，当颗粒大小达到一定数值时，对结泥饼影响较小。实际资料表明，在盾构施工过程中，渣土的含水量仍处于一种变化状态。综合统计结果选取了粒径不同但性质相同的样本为试验对象，下述实验选取了三组样本为实验对象，分别测试其含水量。

2.2 泡沫改良剂以及渣土改良的具体试验

本次试验选择改性泡沫剂为对象，并和业内广泛使用的一些改性泡沫剂进行对比。为便于记录数据和参数，对改良后的渣土坍落度状况设定了明确的评价指标。实际上，坍落这一评价指标包含了许多内容，其中又以土质和稠度为主要影响因素，因此根据具体情况，试验确定较为合适的坍落度值。

3 土压平衡盾构渣土改良试验结果

3.1 试验结果

在试验过程中详细记录试验中对盾构施工渣土改良的结果，对土质状况也做了详细的分析。实验过程中改良效果的确定依赖于观测方法，通过观察渣土的流动性来判断。研究结果表明，状态良好的土体，其坍落度参考值保持在17～20mm之间。通过试验结果可以看出，在用泡沫改良剂对其进行改良试验时，当土压平衡盾构渣土的含水量较高时，对其使用的泡沫改良剂较少。在含水量较低时，更多的泡沫改良剂将被使用。

3.2 渣土改良参数范围选定

在选择渣土改良参数范围时，应结合渣土改良效果，包括渣土的含水量和用于渣土改良的泡沫改良剂量，通过拟合这些数据，可以得到二者之间的函数关系，从而确定渣土改良辅助工法的各项参数。在一般工程施工中，土压平衡的建立需要适当的条件，如果遇到含水率较高或者较低的地层，则建立土压平衡比较困难，盾构施工的复杂性增加了其施工难度。因此，要想对渣土进行改良，最好的方法就是把渣土含水量控制在适当范围内。在具体试验中还需考虑渣土改良泡沫剂用量和配比问题，由于不同泡沫剂配比导致渣土的状态不同，因此应注意渣土物理性质指标。这样就可以客观、综合的选择出渣土改良添加剂使用的一些参数范围。

3.3 渣土改良施工参数的形成

在土压式盾构渣土改良试验结束后，对试验得到的各项参数进行验证和优化，对实际应用才有意义。改进后的施工参数可用于现场施工，除考虑改进后的发泡剂浓度和起泡速率外，还应结合气压和土压。在此过程中，需注意各参数的精度，所以必须综合基本情况，结合精确的参数控制得出盾构施工每环渣土改良的参数范围。实验结果表明，注水量为550～110L/环时，其泡沫剂用量应在30～50 L/环。同时，为了保证参数能够真正指导实践，对于土压平衡盾构渣的改良具有实践意义，需要在改良参数的过程中确定相应的原则，增加水流量时，应按增加的比例控制泡沫剂的用量的增减，最后得到的参数结果也是有效的。

4 土压平衡盾构渣土改良精细化控制

4.1 渣土改良施工控制参数

为加强土压式盾构施工渣土改良控制参数的有效性，必须后续对其参数控制进行进一步优化。通常情况下，影响渣土改良参数的主要因素是所处盾构施工项目的工况，例如盾构掘进时的速度对渣土改良参数的影响占比就很大。因此需要将这些因素结合起来确定渣土改良参数。在此需要三个参数，一是盾构每环掘进速度，二是泡沫剂用量，三是注水量，然后综合掘进速度、泡沫剂用量和注水量之间的关系，最终确定渣土改良施工控制参数。

4.2 渣土改良参数现场验证

为了保证试验结果的可信度，需要对改良措施采用后的盾构施工渣土适应性性进行验证。除对改良参数进行统计分析外，还应观察掌握改良前后土渣的性质状态，并进行记录。每环添加剂注入率若有较大浮动，往往是由于盾构掘进速度与添加剂注入率匹配不够所致。若盾构掘进速度和添加剂注入率相互匹配，盾构掘进就会进入稳定状态。研究结果表明，因为盾构掘进过程中地质情况的变化，会出现某些不可控的情况，所以须根据实际情况调整改进改良添加剂的用量。这样一来，盾构掘进中各项参数才会得到优化，对实际施工产生的效益才会明显。

5 渣土改良相关建议

施工中渣土含水率调整至15%，膨润土添加3～5%，泡沫剂添加10～15%(原液比例3%)，土质坍落度可达140～180 mm，满足土压平衡盾构渣土改良的需要，渣土具有良好的流动性，排土运输较为理想。

（1）对于砂卵石地层，单独用泡沫剂改良砂卵石渣土的效果并不理想，需要考虑同步加入一些膨润土的方式进行渣土改进。但施工过程中泡沫剂和膨润土泥浆在掌子面上会有流失，为确保改善渣土的效果，施工时添加的添加剂的比例要比试验室结果稍大。

（2）在工程实践中，通过室内试验得出的渣土改良添加剂的最佳比例，使盾构掘进速度明显提高，刀盘扭矩减小，土仓土压控制较好，总推力减小，掌子面稳定性增强，施工效果显著改善。

6 结语

在国内，土压盾构渣土改良技术作为其施工工法的一个重要组成部分，对地铁施工有着深远的影响，对降低盾构施工成本，提高掘进进度有着重要的作用。本文对渣土改良技术中的泡沫剂的使用进行了初步试验探索，但因为试验中往往不能考虑施工过程中的所有客观因素，导致最终试验结果仍然不够精确，推广使用的指导意义较为局限。为此，后续还将进行进一步优化试验方法和论证改良效果，以得出更为有效的数据，为其他同类型项目施工提供参考数据。