硬塑粘土层盾构干碴出土施工技术研究.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１６０３０４硬塑粘土层盾构干碴出土施工技术研究康洪信（中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司　广东深圳　５１８０８３）摘　要　合肥地铁　２　号线　ＴＪ１１　标盾构区间主要为硬塑粘土层，盾构施工过程中易出现刀盘结泥饼、螺旋输送机出碴困难、碴土外运困难等难题。经过多次研究与实践，提出解决这一系列难题的盾构干碴出土的施工技术；该施工技术主要是通过设备改进、碴土改良，并配合掘进参数的调整，使得盾构机能够满足这种地层掘进施工的需要；经工程实践检验，这种技术应用效果良好，对类似工况的盾构施工具有较好的借鉴意义。关键词　硬塑粘土　盾构掘进　碴土改良　干碴出土中图分类号　　　Ｕ４５５．４３文献标识码　　　Ａ文章编号　１００９４５３９　（２０１６）增　１０２４８０４　　　　　　　　　　ＳｈｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅＤｒｙＳｏｉｌＥｘｃａｖａｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎＨａｒｄＰｌａｓｔｉｃＣｌａｙＬａｙｅｒ　　ＫａｎｇＨｏｎｇｘｉｎ（　　　　　　　ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢｒｉｄｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ２ｎｄ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，　　　ＳｈｅｎｚｈｅｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１８０８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｈｅｆｅｉ　　　　　　　　　　　　　ＭｅｔｒｏＬｉｎｅ２ＴＪ１１ｓｅｃｔｉｏｎｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｈａｒｄｐｌａｓｔｉｃｃｌａｙｌａｙｅｒ，　　　　　ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｗｈｅｅｌｉｓｏｆｔｅｎｔｒａｐｐｅｄ　　ｂｙｍｕｄｃａｋｅ，　　　　　　　　　　　　　ｍｕｃｋｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｂｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｄａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅａｂｏｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，　　　ｗｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅ　　　　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｄｒｙｓｏｉｌ　　　　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ．Ｔｈｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｃｌｕｄｅｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｍｐｒｏｖｉｎｇ，ｓｏｉｌｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　　　ａｎｄａｄｖａｎｃｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒａｄｊｕｓｔｉｎｇ，　　　　　　　　　　　ｓｏｉｔｃａｎｍｅｅｔｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｓｅｘｃａｖａｔｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｓｗｏｒｋｗｅｌｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｉｎｔｈｉｓｄｒｙａｎｄｐｌａｓｔｉｃｃｌａｙｌａｙｅｒｂｙｕｓｉｎｇｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔｈａｓａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｇｏｏｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｉｍｉｌａｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　　ｈａｒｄｐｌａｓｔｉｃｃｌａｙ；　　ｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｅｘｃａｖａｔｉｎｇ；ｓｏｉｌｉｍｐｒｏｖｉｎｇ；　ｄｒｙｓｏｉｌｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　　１引言硬塑黏土地层是目前地铁盾构施工中较为常见地层，硬塑黏土地层盾构施工［１］较为普遍的做法是通过向土仓内加水来改良渣土的和易性，但这种做法改良效果有限且易带来如结泥饼［２］、出碴难、渣土外运难等问题。硬塑黏土干碴出土盾构掘进技术是解决上述问题的另一种盾构掘进施工的新技术，应用效果明显。　２工程概况合肥市轨道交通　２　号线　ＴＪ１１　标石莲北路站　～创新大道站区间、创新大道站　～振兴路站区间采用盾构法施工，两区间主要穿越　　＜３２＞硬塑状黏土、　·　“”全风化泥质砂岩、　·　∶”强风化泥质砂岩、　·　”中风化泥质砂岩。地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水。硬塑黏土层是合肥市覆盖范围最广的典型地层之一，以伊利石为主，含有较多的蒙脱石　～伊利石混层矿物，高岭石含量少于　１０％。硅铝率　　２．３５～２．９１，ｐＨ　为　　７．４～７．７。该地层由具有裂隙、涨缩性、超固结性的硬塑至坚硬状态的晚更新世冲洪积“黏土组成，黏土层外观坚强，但遇水极易软化。干”时一把刀，湿时一团糟是对其工程性质最好的写照，总体来说具有以下特点：（１）多呈硬塑　～坚硬状态，韧性高，干强度较高；（２）黏性强，土中粘粒含量达　　　，其中矿物成分以伊利石为主；８４２铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·隧道／地下工程·（程）微观有裂隙，遇水极易软化，具有弱至中等膨胀性。　３施工中遇到的问题区段隧道范围内黏土层较厚，在此种地层中进行盾构掘进施工时，因土层黏性极强，极易造成土仓和刀盘结泥饼，同时大部分土质坚硬，刀盘直接进行开挖扭矩过大，从而造成掘进困难，导致施工进度缓慢。目前，施工中渣土改良［３］通用的做法主要是通过加大注水量软化渣土以利于开挖和防止刀盘结泥饼，但也带来了盾构渣土过稀、外运困难等一系列问题，对施工和环保影响均较大。　４改进方案及思路考虑原状黏性土具有硬塑性、含水量小、较干燥的特点，以及盾构渣土较稀时运输困难的现状，针对该种地层，施工中大胆提出一种盾构干碴出土的技术方案，希望最大限度地解决渣土过稀和刀盘易结泥饼等问题。这种技术方案主要通过对盾构刀盘、刀具［　４－５］选择、渣土改良控制、螺旋出土方式改进三方面内容着手进行研究。首先采用合适的渣土改良配方软化土体表层，再利用刀盘将土体切削成细小土块，经过螺旋输送机时，在螺旋输送机桶体内被挤压成整体，在螺旋输送机出碴口排出时将整体挤碎摊铺，待土块表层的泡沫剂消解后，土块表面基本保持干燥，从而实现干碴出土的实际效果。　　４．１盾构刀盘、刀具的选用　　　４．１．１硬塑黏土刀盘应用的现状根据改进方案的总体思路，盾构刀盘要有将土体切割成小土块的开挖能力。因本地区地层局部尚有强度较高的泥质砂岩，目前本地区针对硬塑黏土层的盾构刀盘形式主要有两种：一种为软土刀盘，另一种为复合式刀盘。软土刀盘主要配备切刀，其对硬塑黏土层的开挖能力相对较弱，直接开挖扭矩过大，一般先通过土体改良，土体改良的好坏直接决定着盾构刀盘开挖效率。复合式刀盘其原理是以滚刀和切刀等共同作用，分别达到破碎（硬岩）和切削（土砂）的目的，对较硬的地层适应能力强。当然，这种方案也存在一定的缺陷，在本地这种黏性较强的硬塑黏土层中掘进，有可能将滚刀转轴堵死，使其难以旋转，从而失去滚刀的功能，加大用水量是施工中必不可少的应对措施。但是不管是软土刀盘还是复合式刀盘，刀盘的结构形式也是影响施工效率的重要因素之一，通过对沿线盾构施工实际情况的调查，刀盘结泥饼情况经常出现，其中结泥饼部位主要出现在刀盘中心，如图　１　所示。刀盘中心处结泥饼，容易造成盾构掘进速度明显降低，切削扭矩增大，同时造成土仓内温度升高，影响主轴承密封的寿命，严重时会造成主轴承密封老化破坏。　　４．１．２硬塑黏土盾构刀盘配置思路为了实现干碴出土的效果，一方面要切削土体成块、降低用水量，另一方面需要保证刀盘不结泥饼，通过对比分析发现采用软土刀盘形式更为合适，但需保证中心部位的开口率（　）。刀盘配置形式如图　２　所示。　　图　　　１刀盘结泥饼　　　　　图　２硬塑黏土刀盘配置　　４．２渣土改良方式和改良剂注入量控制　　４．２．１渣土改良方式土压平衡式盾构机的渣土改良要求作为支撑介质的渣土要具备良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小等特性，其技术要点是向刀盘前部和渣土仓内分别注入水、膨润土浆液、分散剂或泡沫等混合物添加剂，经强力搅拌，改善开挖下来渣土的塑性、流动性，并可降低渣土的透水性。然而要实现干碴出土必须保证渣土含水量要小，这与通常的渣土改良技术有所冲突。为此，在保证干碴出土情况的下，本案渣土改良已不再是常规意义上的渣土改良，而是以满足刀盘开挖，并实９４２铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·隧道／地下工程·现干碴出碴为目的特定意义的渣土改良，即通过加入少量的水和改良剂软化土体从而为刀盘开挖创造有利的开挖条件。　４．２．２改良剂的选择和注入量控制土压平衡式盾构机一般采用膨润土浆液和泡沫作为改良剂。而采用泡沫剂改良的渣土，泡沫自然消解后，渣土基本能恢复原状，所以在改良剂的选择上采用泡沫剂较为普遍。为保证改良效果，泡沫采用了进口康达特泡沫浓缩液，同时出于节约施工成本考虑，浓缩液使用前先进行稀释处理，原液按　∶１４与水进行混合（厂商推荐实验配比），即　１　桶浓缩液配置成４　桶泡沫剂使用（　　　１０００ｋｇ／桶）。盾构机配备有泡沫注入系统，通过独立管路分别把泡沫注入不同位置，以注入刀盘前部为主，在泡沫发生器工作的过程中，设定泡沫剂与水的混合比例。在正常掘进状态下，一般不需要对该值做过多的调整。根据工程实践通常取值为　，本工程在硬塑黏土地层中的泡沫稀释液的平均用量设计为　　６６Ｌ／环（　１．５ｍ）左右，总用水量设计为　　　５～７ｍ３／环。　４．３螺旋输送机改进改良的渣土在被刀盘切割成小土块后，先堆集在土仓，再经螺旋输送机缠卷挤压成整体向外排运。按照既定的改进方案，需将挤压成的整体碴块破碎并排放到运输皮带上。为实现这一功能还需要对螺旋输送机结构进行相应的技术改造［　６－９］，实际施工中主要做了以下两项改进（见图　、图　４）。图　　３旋转轴剪切叶片　　　　　图　　４出碴口十字网格　（１）在螺旋输送机旋转轴的尾端用钢板焊接两道剪切叶片，防止渣土在到达螺旋出碴口处时以大块方式被挤压出来。（２）在螺旋机出碴口处用钢板焊接十字网格，来进一步挤碎分割渣土整体大块，确保落到皮带上的渣土是小块。　４．４盾构掘进技术改进措施施工过程中向土仓内加水量如果控制不好或泡沫剂溶液添加量控制不得当易导致以下两个问题经常出现。（１）渣土改良［　１０－１２］效果差异性大渣土的含水量控制的主要关键环节在于渣土改良时加水操作，加水量偏少会导致整个碴块结球现象严重，即使经过螺旋出碴口的分割装置也不能完全分离成块；而加水量过多会导致渣土过稀，出现堵塞螺旋出土口和皮带打滑无法出土的现象，详见图　５、６。　图　　５过干渣土　　　　　　　　图　　６过稀渣土　（２）刀盘扭矩波动大采用干碴出土对盾构机司机的操作控制水平是一项考验，土体是否能被切削成均匀的小块和掘进操作息息相关，需要盾构机司机合理控制推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速三项参数，并按要求及时进行渣土改良剂的添加，但实际操作上还是存在一定的困难，刀盘扭矩过大的现象极易出现。而低转速、高扭矩时，刀盘开挖出的土块均较大，严重影响了出土的效果和施工进度。针对上述两个主要问题，施工中采取以下技术措施：（１）及时进行渣土取样分析，对碴样进行含水量测定，以实际含水量为依据调整渣土改良剂和水的注入量，通施工探索，在合肥硬塑黏土层中盾构掘进，泡沫剂与水混合的比例设定值取　较为合理，整环总掘进用水量控制在　　　５～７ｍ３／环（可通过增设加水流量控制阀来控制加水量）。（２）考虑土体为硬塑土，干强度高，具有一定的自稳能力，掘进时可采用　　　　１／４～１／３　仓堆土和保气压的方式进行掘进，尽可能降低刀盘扭矩。（程）以稳定刀盘转速为前提，实时调整推力和推进速度，控制刀盘转速在　　　１．１～１．５ｒ／ｍｉｎ。（４）掌握好刀盘扭矩与掘进速度之间的变化关系，找出合适掘进速度（建议　４０ｍｍ／ｍｉｎ　左右）以指导施工。通过采取上述方面设备改进措施再配合适当０５２铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·隧道／地下工程·的掘进参数控制，基本可以实现干碴出土的效果，　图　　７改良后渣土整体效果渣土的含水量与原状土相似，极大地方便了掌子面开挖和渣土外运，具体效果见图　７。　５经验总结经过本工程的不断实践，通过盾构刀盘刀具的选择、渣土改良剂的添加控制、螺旋输送机改进等措施，再采取合理的掘进参数控制，完全可以实现土压平衡盾构机在硬塑黏土地层掘进时干碴出土。虽然对掘进过程控制的要求相对较高，但是无论是对施工成本控制还是对文明施工及环保都能发挥非常积极的促进作用，能够有效解决以往黏土地层盾构渣土过干、过稀及盾构机消耗材料用量过大等系列难题，对类似地层盾构施工开辟了新思路。参考文献［１］　付款峰．地铁盾构工程穿越市政设施风险源施工控制技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（９）：５５．［２］　陈建福．硬质膨胀性黏土地质泥水盾构掘进施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（９）：６４．［３］　薛静．某型盾构刀盘开裂改造的有限元分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（１０）：１００［４］　宁士亮．富水砂层盾构渣土改良技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（３）：８７．［５］　孙立建．浅覆土大粒径无水砂卵石地层盾构施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（９）：７２．［６］　乐费平．盾构工程技术问答［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１３：２５．［７］　郑礼均．孤石地层盾构推进施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（７）：１３．［８］　徐军．某管棚盾构结构的优化设计研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（１１）：３２．［９］　《建筑结构静力计算手册》编写组．建筑结构静力计算手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９８：２２３．［１０］刘兰利．北京地铁　７　号线广安门内站道路沉降规律分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（６）：４３．［１１］张运庭．浅埋软弱地层隧道围岩稳定性分析及综合施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（５）：８７．［１２］陈颖．盾构下穿三蟯河施工中的风险控制措施［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（４）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪３４．　　（上接第　２４７　页）构下穿　Ｍ１５　线隧道的安全。同时，在　Ｍ１５　线左、右线隧道各布设深层沉降监测点，加密对　Ｍ１５　线附近地层沉降的监测，以便及时掌控　Ｍ１５　线周边土体隆沉情况并采取处理措施。　４结束语通过对下穿　Ｍ１５　线土压平衡盾构机的土压力、掘进速度、出土量、盾构轴线等控制，同时在盾构机掘进过程中采取渣土改良、同步注浆、洞内注浆、盾体外侧临时注浆等措施，采取远程自动监测和人工监测相结合，最终顺利穿越　Ｍ１５　线，隧道结构竖向变形、轨道竖向变形、隧道上浮变形控制在设计要求范围内。参考文献［１］　任国青．地铁区间隧道盾构法施工下穿既有线铁路立交桥施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（１１）：　３２－３５．［２］　黄明利，陆培炎．盾构掘进对既有铁路变形影响的工程分析法［Ｃ］．城市地下空间开发与地下工程施工技术高层论坛论文集，２００４．［３］　宋军．大直径土压平衡盾构隧道下穿既有线施工技术研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（Ｓ１）：　１１９－１２３．［４］　王庆．成都地铁盾构施工对周边环境的影响研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００９．［５］　柴江明．盾构下穿既有铁路时安全技术措施研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（７）：　４６－４９．［６］　周松．大型泥水盾构近距离穿越运营地铁的扰动位移特性及施工风险研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００９．［７］　汤怀凯．盾构隧道下穿既有线施工控制技术研究［Ｄ］．长沙：中南大学，２０１３．［８］　杨冬．盾构切割素混凝土过暗挖隧道下穿既有线施工技术［Ｊ］．铁道工程学报，２０１４（９）：　２４－２６．［９］　南文胜，白朝旭，雷崇红，等．盾构下穿既有线工程风险监测分析［Ｊ］．现代城市轨道交通，２０１１（Ｓ１）：　１３３－１３５．［１０］程雄志．地铁盾构隧道下穿既有铁路变形控制研究［Ｊ］．现代城市轨道交通，２０１２（６）：　４６－４９．［１１］孙国庆．深圳地铁盾构隧道接收端近距离下穿既有线加固技术［Ｊ］．隧道建设，２０１５，３５（１０）：　１０４８－１０５２．［１２］郑宜枫，丁志诚，戴仕敏．超大直径盾构推进引起周围土体变形和土水压力变化分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００６（Ｓ２）：　１３４９－１３５３．１５２铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）