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高黏性土质地层土压平衡盾构施工技术研究

  土压平衡盾构施工过程中,如何将开挖面开挖下来的土体在压力舱内调整成一种“塑性流动状态”是土压平衡盾构顺利施工的关键.因此,对渣土进行有效的改良是盾构施工过程中必不可少的一个环节,渣土改良效果的好坏,将直接影响到盾构掘进速度、开挖成本,甚至将直接影响工程的成败.
  国内学者在黏性渣土改良方面展开了大量研究.张平通过对盾构在全断面微膨胀黏土地层试掘进产生的问题进行分析研究,提出了利用泡沫管路系统采用水作为渣土改良剂,注水量90L/min左右,掘进速度控制在30mm/min左右,配合调整掘进参数,可保证盾构顺利掘进;程池浩等通过对土压盾构在武汉老黏土地层掘进产生的实际工程问题及其适应性进行分析研究,提出了采用分散剂配合泡沫剂的方式进行土体改良的方法;宁寅分析了粉质黏土层中盾构施工的影响因素,针对各因素分别从设备、土体改良及施工技术三方面提出了应对措施;谭仁伟等对泡沫改良不同混合比的角砾黏土流动性进行研究,为角砾黏土地层下土压平衡盾构施工泡沫改良土体提供了依据.通过上述文献分析可以发现,众多学者对盾构施工中的黏性渣土采用的改良方法各异,结果却不尽相同,可见盾构在不同黏性地层情况下渣土改良方法具有其独特性.
  为保证土压平衡盾构在徐州高黏性土质地层顺利施工,有必要进行该地层渣土改良的研究,主要目的是降低土体间的黏聚力、减少土舱中土体压实结密的可能性、减少掘削土体与盾构机刀盘及结构间的黏着力,改善土体的和易性,保证土舱内土压力的稳定和出土的顺畅.
  1.工程简介
  路窝村站~杏山子站盾构区间隧道由区间左、右线,一座联络通道组成,是徐州市轨道交通1号线率先实现盾构始发掘进的区间段.区间右线起迄里程为DK2+190.14~DK2+951.277,长756.799m;区间左线起迄里程为左DK2+190.16~左DK2+955.257,长774.786m.区间最大线路纵坡-28.016‰,最小纵坡为4.000‰,最小竖曲线半径为300m.单线隧道开挖轮廓净空6.48m,区间埋深约7.3~14m,线间距11~40m.
  1.1概述
  路窝村站~杏山子站盾构区间地形起伏较小,盾构隧道主要穿越黏土(2-3-3)、粉质黏土(5-4-4)、粉质黏土(2-4-4)地层.各黏土的物理力学参数详见表1.
  1.2 水文情况
  根据区域水文地质资料、现场调查、钻孔简易水文地质观测及抽水实验成果资料分析,场地水文地质条件一般.地下水类型分为填土中的上层滞水、第四系土层中的孔隙水及基岩裂隙水.根据现场钻探揭露情况,上层滞水分布不均,局部富水性较好;孔隙水主要赋存于粉土(2-5-2、2-5-3)层中,富水性中等;灰岩裂隙水富水性中等-丰富,属弱承压水.
  2
.盾构区间土层分析及改良措施
  盾构在试掘进过程中,出现了一系列问题:土仓压力变化大,上部土压传感器显示为(0.3~1.2)×105Pa;螺旋机出土缓慢且不连续,螺旋机压力达到2.3×107Pa,出土效率低仅为0.2m3/min;推力超过10000kN时,推进速度最高可达到35mm/min,同时扭矩增大至2500kN·m以上.对产生的问题分析如下.
  本工程土体黏度高,渗透率低,当渣土黏结在一起时,对上部土压传感器造成冲击,导致土压剧烈变化.当切削下来的渣土进入螺旋机形成土塞效应后,螺旋机所需克服的阻力过大,就会产生螺旋机压力过大且出土困难的现象,说明渣土改良效果较差,土体的黏聚力未得到有效降低.当推力超过10000kN时,推进速度较慢且扭矩快速增大,说明掌子面土体强度高,流塑性差且易结泥饼.
  在右线约180环后进行了渣土取样,通过对出渣目测和手捏分析,确定了盾构穿越地层主要为黏土和粉质黏土.并根据土层性质,制订了改良方案,通过现场实验,取得了良好效果.
  图1中可以看出土体断面较粗糙,黏度较高,具有可塑性,且变干后揉搓略有颗粒感;加水后变软且黏度下降,综上可判断为粉质黏土.根据其遇水易吸收且变得稀软可塑,黏度降低的特性,特制定了增大注水量的方式进行粉质黏土改良的实验方案.盾构机在粉质黏土地层掘进过程中,泡沫混合液箱加大注水量降低泡沫浓度1.5%左右,同时根据土体的含水率及掘进速度调整低浓度泡沫剂的注入量,观察盾构出渣状态,通过对比分析出渣状态,在掘进速度30~50mm/min左右,注入量 200~300L/min左右,渣土改良可以达到较好的效果.
  图2中可以看出掰开的土体断面较为光滑,密实,塑性较好,加水后,水无法渗入土体内部,其塑性没有受到影响,以及所出渣土中存有很多大尺寸的土块见图3所示,很难掰开,掰开后,密实硬塑,可知为黏土,偶尔也可见黏土块中夹杂少量的高岭土. 
 
  盾构机在黏土地层掘进过程中,水与泡沫无法有效渗入黏土,注入过量就会导致螺旋机口出现喷涌现象,块状黏土在表面形成湿滑层,而在受压下,两个湿滑表面的土块极易黏结成更大的块体,经观察,无论或大或小的土块,只要未经皮带及时带走,就会出现与上面散落下来的渣土形成大块土体架在皮带机挡板两侧,类似于悬空在皮带机上面,皮带无法带走,只能人工铲除,占用了大量的掘进时间.
  根据黏土硬塑密实,水与泡沫等添加剂无法渗入的特性,为顺利出土减小土块,只能以加强刀盘切削和土舱内防黏结为主.故提高刀盘转速,由前期的1.0~1.1r/min提高1.2~1.46r/min,降低贯入度,由前期的37~40mm降低到32~36mm,从而增强了刀盘对土体的切削搅拌效果;泡沫混合液箱降低注水量提高泡沫浓度(3.5%左右),同时根据土体的含水率及掘进速度调整泡沫剂的注入量,观察盾构出渣状态,通过对比分析出渣状态,在掘进速度30~50mm/min左右,注入量120~150L/min左右,渣土改良可以达到较好的效果.而在整个盾构区间地层中多为黏土+粉质黏土的复合地层,在这种复合地层掘进过程中,黏土与粉质黏土的比例不一,根据现场施工经验,黏土含量越高,则越需以泡沫为主,水为辅,且注水量需操作手根据出土情况随时调整.
  3.渣土改良优化的技术措施
  3.1出渣口挡板结构优化
  在前期掘进困难期间,单环推进时间达到80~120min,出渣口堵塞频繁,土块较大,人工清理出渣口占用了大量时间.经观察出土状态发现,出渣口的结构不利于高黏性土体运输,存在明显的设计缺陷.由于盾构机输土皮带较窄,螺旋机开口率一旦偏大,加之土体黏度高,就会发生渣土堆积黏贴在挡土板上.另外,左侧挡土板高度偏低,倾斜率较大,如图4所示,不但造成渣土溢出损坏设备、污染管片,还造成高黏性土体与挡板接触面积偏大,黏贴牢固,使得下部土体被带走,上部土体悬空的状态,不得不停止推进,进行人工清理.
 
  为了实现推进连续,降低单环推进时间,提高施工进度.经过讨论研究,对出渣口进行改良,改良措施为:提升左侧挡板,使皮带有效宽度增加10cm,同时调整挡板斜度,使挡板趋于竖直,如图5所示,防止土体堆积黏贴在两侧挡土板上,使其悬空无法由皮带机带走.
 
  3.2泡沫剂选用
  经过对出渣口结构的调整,减少了出渣口堵塞现象.但是,使用的泡沫剂消耗偏大,土体改良效果一般,渣土流动性能受到限制.究其原因:泡沫剂的改良效果是相对所处理的土层条件而言的,不同的地质条件下,选择合理适用的泡沫剂产品,才能做到既保证顺利施工,又节约成本的效果.
  泡沫剂的选择要从两个方面进行考虑,一是泡沫剂材料自身的性质,二是泡沫剂与开挖后土层混合所形成的泡沫混合土力学性质.
  目前应用于土压平衡式盾构施工中的泡沫剂的发泡率在5~20之间,在同样条件下,发泡率越高,等量的泡沫剂产生的泡沫就越多,说明其具有高效性.但是发泡率与生成泡沫的稳定性是相互影响的,较高的发泡率是牺牲泡沫稳定性为代价的,仅仅发泡率高并不能说明泡沫剂的优越,两者需要进行综合考虑[14].泡沫剂作用的土体处于运动状态,泡沫改良土体的作用仅要求从开挖面到螺旋输送机口顺利排出这段运动过程中,所以泡沫的稳定性将直接关系到土体改良效果的持续时间.泡沫的发泡率作为一项可变参数,可以根据具体施工情况进行选择.
  于是,对初期使用的巴斯夫与市场上的鑫山盟SF-02两个品牌的泡沫进行了稳泡能力的对比研究.分别将等量的两种品牌的泡沫溶液放入两个矿泉水瓶中,在摇泡5min后发现,巴斯夫瓶底泡沫消散后形成的溶液已占试验溶液的70%,鑫山盟SF-02只有少量消泡如图6所示,初步确定了鑫山盟SF-02比巴斯夫泡沫半衰期长,稳泡好.后续将两种泡沫剂进行了现场试验对比,在同样泡沫注入量下,使用巴斯夫掘进期间渣土改良效果一般,土体黏度大且出渣速度慢,使用鑫山盟SF-02掘进期间渣土改良效果好,土体呈现“塑性流动状态”,而且渣土中出现肉眼可见的泡沫,从而印证了鑫山盟SF-02比巴斯夫泡沫半衰期长,稳泡好,可更有效地防止土体黏结,如图6所示.
 
  为进一步确定鑫山盟SF-02的渣土改良效果,从210环开始连续试用鑫山盟泡沫剂.在刚加入鑫山盟SF-02时,设备原液箱鑫山盟SF-02与原泡沫占比约为3∶2,掘进13环后,原液箱中的泡沫已持续更新为鑫山盟SF-02泡沫.选取之前巴斯夫的192-209环,以及使用鑫山盟SF-02的210-222环,对比数据如表2所示.
 
  由表2可知,随着鑫山盟SF-02泡沫所占比例不断提升,盾构掘进每环泡沫的用量不断降低,掘进速度明显提升,且有利于盾构机姿态及土仓上土压的控制.一般情况下,速度增大扭矩会升高,但采用新泡沫推进过程中,速度明显改善,刀盘扭矩仍保持稳定状态,可见土体改良效果明显提高.不仅单环纯推进时间有所缩短,而且采用鑫山盟SF-02泡沫改良过的土体较散,表现出流塑性状态,出土顺利,由初期的单环推进时间40min左右降低到30min左右,明显提高了盾构施工进度.
  试用鑫山盟SF-02泡沫对渣土进行改良后,统计对比了改良前后各掘进材料用量,见表3,渣土改良不仅提高了掘进速度,降低了掘进所需时间,而且各种掘进材料用量也有所降低,从经济效益方面讲,降低了综合成本,提高了项目收益.
 
  经过研究分析,确定了半衰期长、稳泡好的鑫山盟SF-02泡沫剂适合高黏性土体的改良,从而优化了盾构掘进施工.在施工过程中对泡沫的使用参数进行了一系列优化,最终选择参数为:发泡率10,注入率单路20%,原液掺比2.5%.但由于前期隧道覆土较浅,地表容易形成空隙,泡沫容易渗出到地面,所以泡沫未充分调整到最佳膨胀率.
  随着盾构的掘进,隧道覆土深度会逐渐增加,地表稳定性将加强,可以将发泡倍率调整到12~13,泡沫剂发泡更加充分,能够进一步降低泡沫消耗量.
  4.结论
  基于现场实验研究,解决了土压平衡盾构机在徐州高黏性土质地层中施工难的问题,从而保证了土压平衡盾构机能够顺利施工.现将研究成果总结如下:
  1)对于粉质黏土,因遇水易吸收且变得稀软可塑,黏度降低,加大注水量降低泡沫浓度,可以增强改良效果.
  2)对于黏土,因为硬塑密实,水与泡沫等添加剂无法渗入,为顺利出土减小土块,只能以加强刀盘切削和土舱内防黏结为主.纯黏土地层,吸水性较差,加水量过多会造成土块表面湿滑,且极易受压黏结,故应降低注水量,提高泡沫浓度.
  3)黏土+粉质黏土地层,必须坚持泡沫+水的改良方式,黏土越多,则越需以泡沫为主,水为辅,且注水量需操作手根据出土情况随时调整.
  4)泡沫剂的发泡率与半衰期强度也能够影响改良后渣土的流塑性及土块状态,故基于现场实验选择了适合于本地区地层的渣土改良剂鑫山盟SF-02.
  5)良好的土体改良能显著提高掘进速度以及减少每环所需的掘进时间.每环掘进时间的减少使得各种掘进耗材用量明显降低,进而降低了施工成本.
  文中基于现场试验获得的相关高黏性土体改良的相关技术措施在徐州地层土压平衡盾构施工中的成功应用,可为类似地层的土体改良提供参考和借鉴.