老黏土地层提高盾构螺旋机排土效率研究

林 彬

（中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

0 引言

我国各地地质条件各有差异，并且部分地区的地层结构还非常复杂，在具体施工中应根据施工区域的地质条件选择科学的施工技术，在盾构施工中，如果遭遇复杂地质条件，就必须根据地层特点选择可续的盾构施工参数以及配套设备。而老黏土由于粘性大且含水量高，在盾构施工中容易出现挂土以及出水等问题，影响盾构螺旋机的排土效率，给盾构掘进的效率优化带来困难。

1 老黏土地层导致的盾构螺旋机排土效率降低问题分析

姚庄站～文博园站区间线路自御景湾小区前方的姚庄站起，止于娃哈哈自来水厂对面的文博园站。区间里程K15+507.128～K16+809.708，拟采用盾构法施工。主要穿越土层为黏土5-3-4 层（Q3al），为膨胀性老黏土，硬塑状态。盾构穿越土层时，由于老黏土层流动性差，出土口产生滞排，出土口两侧挂土，影响整体施工进度。出土挂土、水土迸溅和喷涌造成的大量水土流出传送带问题，虽然可采用人工清理渣土或者在土舱内加入改良剂改善土的性质后再出土等方法，但是存在效率低，成本高，影响工程进度等问题，提高螺旋机出土口出土效率仍是一个难题。为提高工作效率，我们吸收以往QC活动的先进经验，在此次施工中，将深入开展QC 活动，充分发挥QC 小组作用，并据工程拟定了课题，开展QC 活动，提高老黏土地层盾构螺旋机排土效率[3]。

通常在盾构施工中为了保证盾构设备土压平衡效果，做好进土量和出土量的设置，盾构螺旋机输送渣土量要求精度高，以实现通过控制螺旋输送机对盾构土仓压力的调节（土仓与螺旋机关系如下图），因此，要注意平衡不同方向的力，做好螺旋输送机转速以及掘进速度的匹配工作，从实际应用着手，控制排土量，使其能够最大程度的实现平衡。如果排土量过大，很有可能出现坍塌的情况，另一方面，如果排土量过小，又会因为各种原因导致掘进面失稳，出现地表隆起。而老黏土地层则由于土质较黏，容易出现排土效率低下的问题。实际生产中螺旋机排土量的确定应根据如下公式进行计算：

该公式中ξ是施工中土质的松散率。V 是项目掘进的速度。由公式可以看出土质松散度越高，排土量也就越高。

不同地质情况的土层导致的盾构螺旋机出现的排土问题是长期困扰盾构施工安全的主要问题。尤其是盾构掘进过程中遇见老黏土地质的时候，几乎所有的盾构工程都因此而受到了阻碍，因为老黏土的硬塑形状，以及流动性较差的特点，螺旋机出土口出现两侧挂土的情况非常普遍，这使得盾构机在遇见老黏土的地质土层时就要考虑如何清除土仓的问题，不仅阻碍了排土工作，而且对于整个工程进度造成了较大的影响。通过螺旋机排土问题分析总结可以知道，老黏土地层通常是由硬塑老黏土和软塑老黏土结合而成的，其螺旋排土过程中的挂土问题是影响排土效率的主要问题，通常在项目施工中会在螺旋机排土出口处设置一个出土引导板，以提升排土效率[1]。

据规定要求,我们QC 小组成员对施工现场分别进行实查和抽查，对不合格项施工记录数据进行了列表分析：

不合格项目统计分布如下图表

不合格项目调查表

根据问题统计表，我们绘制了饼分图。从饼分图中可以看出，出土口挂土堵塞和土体倒流是影响该工程出土口合格出土的主要症结。

2 简析老黏土地层提高盾构螺旋机排土效率

2.1 工程概述

本工程采用盾构施工法进行掘进施工，掘进目标地质为黏土层，黏土层特征为膨胀性黏土，状态为硬塑型。当盾构机进行掘进是，因老黏土本身具备较差的流动性，引发了出口土形成了堵塞，形成了出口土两侧挂土的情况，使得施工进度收到了较大的影响。

2.2 排土问题分析

在盾构机进行掘进的过程中，因为老黏土的问题产生了一系列诸如喷涌，挂土，以及水土迸溅等情况，严重的影响了施工进度。施工方虽然通过人工清理的方法对挂土等现象进行了处理，效果不理想后又在土仓加入了土质改良剂后出土的方法，虽然较人工清理的方法有所提升，但是因为添加剂的情况导致了成本的快速上升，但施工效率没有有效提高。因此，此时工程的主要问题集中在了螺旋机出土效率的问题。为解决这个问题，应当对工程中的具体问题进行分析，归纳总结问题为：

（1）挂土，堵塞。由于出口土的滞排现象较为严重，土仓的压力较大，为避免土仓因压力造成损坏，必须停工进行泥土的清理工作，该工作致使工程进度受到了较大影响，人工成本提升较快。

（2）出土含水量较高：因出土含水量较高，使得水土聚集在传送带，无法及时排出，因此需要进行水土清理工作。

（3）喷涌，出土口出现了喷涌现象，对施工安全和进度造成了较大影响。

通过对这些问题进行分析，并从施工效率，施工成本，以及施工进度和施工质量等各个角度的研究分析，对当前所遇到的困难进行明确后，必须解决盾构螺旋机排土的诸多问题才能保证项目有序推进。为彻底解决这个问题，技术人员综合出现问题的盾构组进行具体分析，在参考了一百多组盾构进程，发现了存在的问题的进程大约有40%的程度[2]。

2.3 盾构螺旋机排土问题现状

在本工程中，老黏土平均厚度大约为6 米的硬塑老黏土和软塑老黏土，尽管为了防止穿越老黏土出现排土问题，特别在出土口设置了出土引导板，但仍然无法实现对较高效的聚集引导作用，特别是含水量较高的黏土仍然可能出现较大的迸溅现象。无法聚集水土进入管片区域。导致底板效率不高的问题导致螺旋机无法高效排土，因此对于出土口的改造问题称为了解决排土问题的关键步骤。通过将故障特征进行统计学分布可以发现，当前工程中挂土和堵塞是影响出土口出土效率的主要原因[4]。

2.4 问题分析

尽管为了保证排土效果，已经采取了诸多措施，依然出现了螺旋机排土效率低下的问题，在本次工程中必须采取科学的措施加大螺旋机出土效率。首先，引导板的设置存在问题，由于本工程中遭遇黏土地层，渣土会黏在引导板两侧从而堵塞排除通道，进而导致出土效率降低，因此必须做好引导板两侧结构设置。其次，螺旋机的内部斜板的出土效率也有问题，斜板角度不合理。

2.5 排土效率改进对策

2.5.1 中心斜板两侧加设引流侧板

分析结果显示该工程的主要问题是口排土效率低，因为盾构机在穿越老黏土层，尤其是硬塑老黏土的过程中，因为土层的流动性较差导致了出土口的排土不畅，为了解决两侧挂土的问题。具体改进措施如下：

（1）在出土口中心斜板两侧安置引流侧板，并保持侧板向内倾斜。

（2）通过引流侧板聚集黏土使黏土向中间流动

（3）引流侧板可以矫正老黏土的运动方向，有效地提升了排土能力。

2.5.2 引流侧板后设置延伸管

依据小组的分析可以得知，本工程中致使盾构螺旋机出土口排土补偿的主要因素是老黏土中的含水量较大，在这种含水量较大的黏土通过排土口时会引发水土迸溅情况，随后就会出现喷涌现象，使得大量的泥浆通过这个区域进入盾构机相关施工区域，为了解决这一难题，通过对当地多个盾构工程进行分析总结，结合实际情况得出以下解决方案：

（1）通过将引流侧板与延伸管进行连接，通过油泵装置控制延伸管的伸缩。

（2）为防止水土下降过程与传送带接触发生迸溅情况，应当控制延伸管的与传送带的距离。

（3）为提高出土效率，使得排土能够被传送带正确运送，应当通过延伸管利用水土下降过程中的初速度将水土运送至传送带的末端。

（4）因为该工程的盾构机掘进排土问题是因为穿越老黏土而形成的挂土问题，所以延伸管并不适用于老黏土的排土工作，因为老黏土很容易堵塞延伸管，所以要注意在通过老黏土时应当避免采用延伸管。

2.5.2 改装中心斜板使其角度可调节

土质水分含量较大是影响螺旋机排土工作效率的主要原因，因此针对这个问题应当进行以下的措施：

（1）保证斜板可以调节，实现控制出土速度的目的。

（2）通过设置斜板角度至醉倒角度，原理是加快土的下落，防止出现挂土，堵塞等情况，提升排土效率。

（3）通过改变中心斜板角度来解决含水量较大的问题，含水量与斜板角度保持反向关联，即含水量越大，调整中心斜板角度越小。降低下落速度，提高上升速度，能有效提升排土率。

3 结束语

总之，在我国地铁施工中采用科学的盾构施工效果，必须做好盾构系统设备参数控制，同时还应根据螺旋机排土要求进行各种装置优化设计。在实际工程设备设计中要做好延伸管、引流侧板等结构的分析及改进设计可以有效提升排土效果，地铁施工同仁还应积极采用科学设计方法做好盾构设备的改进设置，为地铁系统施工效率提升提供驱动力。