土压平衡盾构掘进土体改良技术探究_宋建华.pdf

67建筑科技2023 年 第 3 期土压平衡盾构掘进土体改良技术探究Research on Soil Improvement Technology of Earth Pressure Balanced Shield Tunneling宋建华（上海申铁投资有限公司,上海 200030）摘要：粉砂地层具有高渗透性、内摩擦角大等特点,土压平衡盾构在其中掘进时易产生螺旋机喷涌、土压波动大等一系列问题。水溶性高分子聚合物进行土体改良,具有可链接细小颗粒、增大土体黏性等优势。通过盾构机加泥加水系统将改良剂注入到刀盘前方,经过盾构机刀盘充分搅拌后可明显改善粉砂层的土体特性,使其具备低渗透性、低抗剪强度及良好的流动性等,可有效避免螺旋机喷涌、土压波动大等问题,为类似工程中土体改良提供了参考和借鉴。关键词：土压平衡盾构;粉砂地层;土体改良;高分子聚合物中图分类号：TU921 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0067-030引言随着我国城市现代化进程的不断发展,城市轨道交通建设也越来越普遍。由于施工相对安全、快速和经济,盾构法成为了目前城市轨道交通建设中的主要施工方法,其中以土压平衡盾构的应用最为普遍。土压平衡盾构用开挖出的土体作为支撑开挖面稳定的介质,要求开挖土体具有良好的流动性及塑性、较低的抗剪强度和黏附强度、较小的渗透系数和一定的压缩性1。粉砂地层通常具有高渗透性和高含水量等特性,土压平衡盾构掘进该类地层极易发生螺旋机喷涌风险及由此引发一系列的问题,需进行土体改良以满足盾构掘进施工的需求。根据以往的施工经验,在粉砂地层中采用泡沫剂、膨润土浆液等土体改良剂的效果极为有限,而采用高分子聚合物可极大地改善粉砂地层的土质特性。1工程概况上海轨道交通某线某区间隧道工程采用土压平衡盾构进行施工,单线长度约为1 260 m,其中穿越黄浦江段的单线长度约为580 m,掘进土层为1-2层草黄灰黄色粉砂及2层灰黄灰色粉砂。上海地区的1-2层草黄灰黄色粉砂及2层灰黄灰色粉砂层呈中密密实状态,具有中等低等压缩性,其渗透系数达到10-3 cm/s,且为承压水含水层。土压平衡盾构在其中掘进时,存在螺旋机喷涌、土压波动大、地表沉降难以控制等风险。2螺旋机喷涌的原理及危害2.1螺旋机喷涌的原理土压平衡盾构工作的原理是：通过盾构刀盘的旋转,使刀盘上安装的刀具对开挖面的土体进行切削,切削破碎的土体通过刀盘开口进入土仓,使土仓内充满切削下的土体2,并通过螺旋机及配套皮带机将土仓内土体输送至泥斗后再运输至地面。盾构机千斤顶的推力通过盾构土仓胸板给土仓内的泥土加压,使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力3。盾构掘进过程中,需通过螺旋机控制出土的速度和方量,使盾构进出土保持动态平衡,从而形成稳定的开挖面。68建筑科技2023 年 第 3 期如果盾构开挖面存在高水压并且开挖面的土体渗透系数较大,刀具的切削扰动会导致开挖面土体流动性变大,高压水可能穿过土仓和螺旋机形成集中荷载,造成土仓内和螺旋机后闸门处的压力增高4。此时,螺旋机闸门开启会发生喷涌现象,土仓内压力随之减小,但在关闭闸门时,高压水又会很快充满土仓及螺旋机内,土仓内压力又会迅速上升。如此反复循环,会导致盾构机土压力频繁大幅波动,盾构掘进难以正常进行,并且地表沉降也难以得到有效控制。2.2螺旋机喷涌的危害盾构掘进过程中,如果出现螺旋机喷涌现象,首先影响的就是盾构头部的现场作业,如果喷涌情况严重,喷出的泥水甚至会漫延到整个车架段。喷涌发生后无法正常作业,需要停机清理涌出的泥水,受盾构头部作业空间的限制只能进行人工清理,工作任务繁重且消耗工时长。在关闭螺旋机后闸门后,泥水又会快速填满整个螺旋机腔体,一旦重新开启闸门进行出土,又会重新出现喷涌5。施工作业就在喷涌和停机清理的过程中不断循环,盾构的施工效率受到极大的影响。同时,由于在螺旋机喷涌的过程中无法有效控制实际出土量,盾构在掘进过程中难以建立真正的土压平衡6,加大了地层的扰动,存在地表沉降扩大甚至坍塌的风险。特别是盾构穿越江河时,还存在江水或河水直接涌入隧道甚至淹没整条隧道的风险。3土体改良剂的选择3.1土体改良的作用土压平衡盾构在复杂地层中掘进施工时,进行必要的土体改良是保证盾构施工安全、高效的重要技术手段之一7。土体改良的主要作用包括以下4个方面。（1）降低土仓内泥土的渗透系数,提高抗渗透能力8,避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降,也可有效预防螺旋机喷涌现象。（2）降低掘进土体的内摩擦角,减少对刀盘刀具的磨损,并有效降低刀盘扭矩。（3）降低掘进土体的黏性,防止土体黏附在刀盘上结成泥饼。（4）起到一定的冷却作用,可降低刀盘刀具的工作温度。3.2土体改良剂的分类在土压平衡盾构施工过程中,常用的土体改良材料包括界面活性材料类、矿物类、高分子聚合物类及水等9。（1）界面活性材料类的代表有泡沫剂等,其原理为发泡剂与压缩空气混合形成泡沫。泡沫具有润滑、扩散、弹性等特性,作为土体改良剂有利于泥土的流动和运输,且泡沫和土仓内的泥土混合加压可稳定开挖面,从而有效防止坍塌并提高止水性,但其在含水量较高的粉砂地层中改良效果一般。（2）矿物类的代表材料有膨润土等,其原理为蒙脱石晶格吸水膨胀,晶层间钠离子相互链接形成一个低渗透性的薄膜,作为土体改良剂可形成低渗透性的泥膜,有利于给开挖面传递土仓压力,并且可提高渣土的和易性,减少喷涌。矿物类土体改良剂需要制泥设备,占用空间较大,熟化时间长,且泥浆存在环境污染等问题。（3）高分子聚合物类的代表材料有水溶性高分子及高吸水性树脂,其中水溶性高分子聚合物可链接细小颗粒,增大土体的黏性,但其不适用黏土。高吸水性树脂遇水会发生反应达到止水效果,可提高泥土的止水性,防止喷涌,但其不适用于酸碱地基、化学加固区等。（4）水作为土体改良剂,起到降温、润滑的作用,可有效降低泥土的流型性及刀盘刀具的温度,但其改良效果一般,常作为辅助材料使用。3.3土体改良剂的选择根据上海轨道交通某线某区间盾构掘进1-2层草黄灰黄色粉砂、2层灰黄灰色粉砂的实际工况,综合考虑各类土体改良剂的特点,选择了水溶性高分子聚合物作为土体改良剂。实际施工时采用了某品牌高分子聚合物作为土体改良剂,其是丙烯酰胺均聚物或与其他单体共聚而得的聚合物的统称,是水溶性高分子中应用最广泛的品种之一,其呈白色粉末或者小颗粒状,不溶于大多数有机溶剂,具有絮凝性、黏合性、降阻性及增稠性。4粉砂层土体改良为充分验证高分子聚合物（聚丙烯酰胺）的土体改良效果,按照经济、适用、可靠的原则,结合工程的进展将土体改良划分为3个阶段,分别是初步试验阶段、掘进粉砂土地面试验阶段、工程实际应用阶段。4.1初步试验阶段初步试验时采用纯净的粉细砂作为试验主体,但纯净的粉细砂基本不含泥土颗粒,与盾构实际掘进的砂性土性状差异较大,因此加入膨润土尽可能模拟实际砂性土的性状。试验时,在粉细砂中加入膨润土浆液,直至粉细砂完全饱和,然后再取不同浓度（质量比）的高分子聚合物溶液按不同掺量（体积比）掺加其中,充分搅拌后再测量试样的坍落度,69建筑科技2023 年 第 3 期具体坍落度值如表1所示。为后续盾构掘进粉砂土地面试验提供参考。试验材料：粉细砂、膨润土浆液、高分子聚合物溶液（3浓度、6浓度）。试验1：取10 L粉细砂并加入膨润土浆液,直至粉细砂完全饱和,再取3浓度的高分子聚合物溶液,分别按照3%、6%、9%、12%的掺量加入试样中,充分搅拌后测量其坍落度。试验2：取10 L粉细砂并加入膨润土浆液,直至粉细砂完全饱和,再取6浓度的高分子聚合物溶液,分别按照3%、6%、9%、12%的掺量加入试样中,充分搅拌后测量其坍落度。表1初步试验的坍落度值统计表浓度不同浓溶度掺量坍落度/cm3%6%9%12%32114151966101723根据以往的施工经验,螺旋机输送出的泥土坍落度不超过12 cm即可满足实际的施工需求。根据上述试验,可以发现聚合物溶液的浓度和掺量并不是越高越好,固定浓度的聚合物溶液随着掺量由低到高,试样的坍落度整体呈现出由高到低再到高的凹曲线状态。因此需要通过进一步的掘进土地面试验,以寻找出经济、适用的浓度及掺量。4.2掘进粉砂土地面试验阶段根据初步试验的结果,采用6浓度聚合物溶液、掺量不超过6%时,泥土的坍落度不超过12 cm,可满足实际施工需求。由于掘进出的粉砂土的砂含量相对较低,因此在地面试验时,聚合物溶液的浓度采用6及以上。试验时,采用盾构掘出的黄浦江底1-2层草黄灰黄色粉砂、2层灰黄灰色粉砂作为试验材料,为充分模拟江底粉砂土的性状,试验前将取得的粉砂土加水搅拌至饱和状态。同时考虑到试验材料的统一性,加水搅拌后的试样坍落度均控制在18 cm,再分别采用6、7、8、9浓度的高分子聚合物溶液按照3%、6%、9%、12%的掺量加入到试样中,经充分搅拌后测量试样的坍落度,具体坍落度如表2所示。试验材料：江底粉砂土、水、高分子聚合物溶液（6浓度、7浓度、8浓度、9浓度）。试验1：取10 L江底粉砂土加水搅拌至饱和状态（坍落度约为18 cm）,再取6浓度的高分子聚合物溶液,按照3%、6%、9%、12%的掺量加入到试样中,充分搅拌后测量其坍落度。试验2：取10 L江底粉砂土加水搅拌至饱和状态（坍落度约为18 cm）,再取7浓度的高分子聚合物溶液,按照3%、6%、9%、12%的掺量加入到试样中,充分搅拌后测量其坍落度。试验3：取10 L江底粉砂土加水搅拌至饱和状态（坍落度约为18 cm）,再取8浓度的高分子聚合物溶液,按照3%、6%、9%、12%的掺量加入到试样中,充分搅拌后测量其坍落度。试验4：取10 L江底粉砂土加水搅拌至饱和状态（坍落度约为18 cm）,再取9浓度的高分子聚合物溶液,按照3%、6%、9%、12%的掺量加入到试样中,充分搅拌后测量其坍落度。表2地面试验的坍落度值统计表浓度不同浓溶度掺量坍落度/cm3%6%9%12%61312.511.510716141211.5814131211915131312试验数据显示,针对1-2层草黄灰黄色粉砂、2层灰黄灰色粉砂地层,当采用69浓度的高分子聚合物溶液、掺量不小于9%时,试样的坍落度基本都在12 cm以内,已具备良好的黏聚性、流动性及低渗透性,土体的流塑性得到了极大的改善,可满足实际施工的需求10。4.3工程实际应用阶段在上述试验的基础上,盾构施工时,通过盾构机的加泥加水系统将高分子聚合物溶液注入到刀盘前方进行土体改良,并根据螺旋机出土的状态、刀盘扭矩等调整聚合物溶液的浓度及加注量,以满足盾构安全、高效掘进施工的需求。在施工过程中,通过对螺旋机出土及刀盘扭矩等施工参数的观察分析,对聚合物的浓度及掺量进行有针对性的调整。实际施工过程中,采用1.52浓度的高分子聚合物溶液,按照7%8%的掺量注入到刀盘前方进行土体改良。经过改良后,渣土的流塑性得到了极大改善,可满足螺旋机连续排土的需求,推进速度、刀盘扭矩及土压力等参数均处于相对稳定的状态,有效避免了螺旋机喷涌风险,使盾构在粉砂层中可以保持高效、安全的掘进施工。区间盾构在开始进入粉砂层时,出现刀盘扭矩急剧上升、总推力迅速增大的情况,盾构掘进开始出现困难。当推进速度由40 mm/min降至10 mm/min左右时,刀盘扭矩依然维持在5 000 kNm左右,总推力维持在3 000 t左右,（下转第 74 页）74建筑科技2023 年 第 3 期（4）步骤4。钢箱梁顶推到位后拆除导梁,导梁拆除在天窗点内。导梁拆除后在铁路封锁点内分多次进行落梁施工。4结语本工程按照既定方案,顺利完成施工,验证了顶推器夹紧装置的良好可靠性、液压泵站控制器的良好可靠性、顶推液压千斤顶的良好同步性、钢支架基础和钢管支撑的可靠性以及纠偏装置的适用性。本工程将新型夹板器应用于顶推施工中,采用自动控制顶推及自动纠偏系统,较常规顶推工艺提速约40%,大幅缩短施工对既有铁路的时长影响。采用此种改进型的顶推施工工艺,很好地解决了跨铁路钢箱梁安装的难题,对以后类似工况项目施工具有一定的参考意义。参考文献：1 赵天成.新建高速公路钢箱梁上跨既有高速公路吊装施工技术J.交通世界,2020,27(8):162-164.2 张彪.高速公路建设中的钢箱梁安装施工技术J.四川建材,2021,47(1):113-114.3王希岗.钢桁梁顶推施工中滑道梁设计与安装J.铁道建筑技术,2017(3):37-40.4 刘长超.钢箱梁顶推方案设计与施工技术J.智能城市,2021,7 (12):121-122.收稿日期：2023-03-24作者简介：李培源,工程师,主要研究方向为桥梁工程,现供职于中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司。通信地址：上海市静安区会文路2号。但是10 mm/min的推进速度导致盾构施工效率较低,施工进度受到极大影响。因此采取土体改良措施,通过在刀盘前方注入聚合物溶液进行土体改良。在后续的施工过程中,推进速度提升到40 mm/min左右,刀盘扭矩基本保持在5 500 kNm,总推力保持在3 000 t左右,且参数波动比较小,从而使盾构机保持相对稳定的状态进行高效、安全的掘进施工。5结语土体改良技术是确保土压平衡盾构在复杂地层中安全、高效掘进施工的重要技术手段之一。上海轨道交通某线某区间盾构在掘进黄浦江粉砂层期间,以水溶性高分子聚合物作为土体改良剂,极大地改善了掘进土体的流塑性,有效降低了螺旋机发生喷涌的风险,实现了相对稳定的土压平衡。盾构机能以较为稳定的推进速度、刀盘扭矩进行盾构掘进施工,可为今后类似工况的盾构法隧道施工提供参考和借鉴。参考文献 1 马亮.浅谈发泡剂在盾构施工中的使用J.山东建材,2006(4):24-26.2 陈馈,洪开荣,吴学松.盾构施工技术M.北京:人民交通出版社,2009.3 彭敏.土压平衡式盾构机的施工技术与设备故障处理J.山西建筑,2011,37(26),231-233.4 茅华.隧道施工盾构螺旋机喷涌应对措施J.铁道建筑,2014(10):39-41.5 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):589-593.6 魏康林.土压平衡式盾构施工中喷涌问题的发生机理及其防治措施研究D.南京：河海大学,2003.7 邱龑,杨新安,唐卓华,等.富水砂层土压平衡盾构施工渣土改良试验J.同济大学学报(自然科学版),2015,43(11):1703-1708.8 邴帅.青岛富水复杂地层盾构施工渣土改良技术研究J.低温建筑技术,2020,42(4):130-133.9 苏小江,邓国华.全断面砂层土压平衡盾构掘进渣土改良技术试验研究J.水利与建筑工程学报,2014,12(4):166-170,199.10 陆正.饱和粉土粉砂层土压平衡盾构渣土改良技术应用J.绿色建筑,2021,13(4):123-124,127.收稿日期：2023-03-31作者简介：宋建华,本科,工程师,主要从事工程项目管理研究,现供职于上海申铁投资有限公司。通信地址：上海市徐汇区大木桥路18号8楼。（上接第 69 页）