盾构渣土改良研究报告Word文件下载.docx

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同时，利用螺旋输送机将土舱内的部分渣土排出，并使得排出土量与盾构掘削土量维持平衡。

2）土压平衡盾构渣土的作用及性状

土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为渣土。

土压平衡式盾构施工中开挖出来的土体充满刀盘和隔板之间的压力仓，一方面开挖土作为支撑开挖面稳定的介质，其土性对开挖面的稳定起着决定性的作用。

另一方面，它有源源不断地由螺旋输送机向外排出，它的土性好坏直接影响着出土的顺利与否。

为维持土舱内土压力的稳定和方便渣土的排出，土舱内的渣土应该具有可塑性强、流动性好、密度低、内摩擦小、渗水性弱的特征。

如果地层是相似于淤泥质黏土层的话，只要在压力舱内通过旋转翼板搅拌，就可满足这种状态顺利进行施工。

一般来说，开挖出来的泥土不具有以上特性：

在有的情况下，有的渣土流动困难，易压实固结，产生泥饼或泥团，因此要求刀盘具有较大的扭矩，以确保渣土畅流无阻；

另外在透水性土层中，在水的作用下，渣土在螺旋输送机内排出无法形成有效的压力递减，土舱内的土压力难以稳定……所以土压平衡盾构自身对地层的适应范围相对较窄。

3）渣土不良带来的施工困难

北京地铁盾构隧道的工程实践和国内外诸多施工实例表明，土压平衡式盾构施工成功的关键就是要将从开挖面上切削下来的土体在压力仓内调整成一种比较理想的状态，使土体的性质满足一定的基本条件后，盾构开挖和排土才能顺利地进行。

当开挖土的状态不能满足这一要求时，就会给施工带来困难，这种施工困难主要表现为以下几种：

刀具磨耗严重

随着盾构法在国内地铁施工中的广泛使用，刀具磨损已经成为一个影响盾构隧道施工质量和进度的关键问题。

刀盘作为盾构机的一个关键部件，在地下掘进过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等，刀盘在一定转速和压力条件下进行地下挖掘，刀具要承受非常高的工作压力和温度，恶劣的工作条件会降低刀具的使用寿命。

特别是在砂卵石地层，盾构刀具往往磨损严重，容易破损、脱落，经常导致工程事故的发生，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。

这种情况在北京地铁盾构掘进中普遍存在，在北京地铁9号线06标段军事博物馆站—东钓鱼台站区间，盾构从世纪坛始发并向北掘进不到200m的检查井中发现：

整个刀盘上的刀具磨损非常严重，必须重新购买，全部更换。

在北京地铁9号线02标段丰—科区间、地铁10号线二期11标西—六区间和17标段火—终区间盾构掘进几百米后发现整个刀盘上的刀具磨损非常严重，必须更换。

因此，研究如何减小盾构刀盘的磨损对延长盾构机掘进距离，提高盾构机的工作效率具有重要意义。

而选用合适的土体改良剂可以对刀具起到一定的润滑和冷却作用，并且改善土体的流塑性，使之切削成流动型，减少对刀盘面板和刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。

刀盘及压力仓的结饼和闭塞

压力仓结饼是由于开挖土缺乏流动性，在盾构机推进压力的作用和较高的温度环境下，在压力仓内发生压密、固结排水，形成坚硬“泥饼”的现象。

通常在可塑、硬塑状的粘土类地层、粘土质砂土地层、泥岩、泥质粉砂岩、母岩为花岗岩的残积土层、全风化岩层和强风化岩层等黏土矿物含量超过25%的地层中极易形成泥饼，并且随着矿物含量的增加，相同施工设备和工艺的条件下，泥饼形成的可能性将增加。

压力舱内发生结饼后如果没有其它补救措施，则这种泥饼将不断扩散进而使整个压力舱发生堵塞，导致刀盘转矩过大，开挖困难或无法进行，引发刀盘主轴承温度过高，甚至出现主轴承损坏的严重后果。

压力舱闭塞是由于开挖土体在压力舱成拱，使盾构机不能正常出土，进而土体压实充满压力仓，而缺乏流塑性的土体又使搅拌翼的阻力上升，加大刀盘扭矩，引起施工困难。

压力舱内土体成拱后，若盾构施工继续推进，土体会进一步压缩，导致拱作用更加剧烈。

北京地铁9号线04标丰—六盾构区间和10号线二期11标西—六盾构区间采用土压平衡式盾构掘进时，由于压力舱内的结饼和闭塞等导致舱内的压力失控，造成地面隆起和扭矩上升，甚至无法掘进，必须停机开仓，采用人工丰镐破除，严重影响了施工进度。

丰—六盾构区间由于结饼不得不停机开舱处理。

然而由此引发了地面塌陷等问题，对周围环境产生了重大影响。

土压平衡很难建立

由于有些地层的塑流性较差，设定的工作压力不能顺利地传递到开挖面，不易实现连续的动态平衡，使开挖面稳定难以保持，导致地表隆沉幅度增大。

螺旋排土器出口处的喷涌

土压平衡式盾构机在砂砾层等强透水层地基施工时，开挖面过高的水压力会导致盾构机螺旋输送机出口发生地下水大量流失，严重时会发生涌水、涌砂和掌子面失稳问题，影响掘进效率。

电流消耗过大和发生卡机事件

由于刀具、刀盘与土体间的摩擦因数大，因此，扭矩及推力也相应的增大，造成电流消耗过大，油压增大，甚至发现机械故障的现象。

若开挖面不能保持平衡，开挖面前上方发生坍塌，或遇到卵石块较多的情况，就会发生卡机事件，使盾构机刀盘不能转动。

因此，为扩大土压平衡盾构机对地层的适应范围，必须采用土体改良技术来对开挖后的渣土进行改良，使其具有上述特性。

根据地层情况，向开挖土舱内注入泡沫、粘土或添加剂，进行强制搅拌，使渣土具有可塑性和不透水性，螺旋机排土顺畅，土舱内的压力容易控制和稳定，并减少刀盘功率消耗。

土体改良技术作为土压平衡盾构法施工的一个重要组成部分，对盾构法隧道的发展有着深远影响，纵观目前国内各盾构的使用工况，不难发现，土体改良技术的应用情况，对降低工程造价和提高工程施工进度都有着决定性作用。

1.2渣土改良的作用及目的

1.2.1渣土改良的作用

在盾构施工中尤其是在复杂地层及特殊地层盾构施工中进行，渣土改良是保证盾构施工安全顺利快速的一项不可缺少的重要技术手段，其主要作用如下：

1）提高土舱内渣土的抗渗透能力，避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故，也可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；

2）降低土舱内渣土以及开挖面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损，降低刀盘扭矩，提高盾构机掘进效率；

3）降低土舱内渣土以及开挖面土体的黏聚力，提高土舱内渣土的可塑性，防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼；

4）提高土舱内渣土的和易性，使切削下来的渣土顺利快速进入土舱并利于螺旋输送机顺利排土；

5）使渣土具有较好的土压平衡效果，使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确，利于稳定开挖面控制地表沉降；

6）冷却，适当降低刀盘刀具的工作温度。

1.2.2渣土改良要达到的状态

为保证土舱内渣土能顺利排出，渣土需具有塑性流动状态，也即流塑性。

1）从土力学角度分析，土舱内渣土的流塑性，包括以下三个方面：

土体不易固结排水。

当推力通过隔板传递到土舱内时，如果土舱内土体迅速排水固结，就会在土舱内形成固结土饼，土水分离会影响土舱内土体的循环和排土，因此土体要保持不易固结排水的状态。

土体处于塑性流动状态。

土舱内的土体应具有高含水率、强度较低而易于翼板搅拌的特性。

这一特性可保证土体受到挤压时向螺旋输送机内发生塑性流动而顺利完成排土，形成所谓的“挤牙膏”效应。

土体具有不透水性。

只有压力仓的土体具有足够的不透水性，才能保证维持开挖面上的水压力，同时也能防止排土口发生“喷涌”现象。

2）压力仓内土体的塑性流动状态由以下指标进行衡量：

坍落度T、抗剪强度τ、渗透系数k和压缩系数av。

坍落度T

土舱内土体的流动性直接决定了螺旋输送机的排土状态。

如果土体的流动性较好，螺旋输送机的排土量就容易控制，从而可以较好的控制开挖面的稳定。

一般对于土舱内土体的流动性可以用坍落度来衡量，现场施工经验表明：

土体的坍落度在16~20cm范围时，可认为其满足塑性流动状态的要求。

渗透系数k

在渗透性方面，开挖土体的渗透系数越小，则对盾构施工中“喷涌”防治效果越好，一般认为要想避免盾构中“喷涌”问题的发生，开挖土体的渗透系数要小于1.0×

l0-5cm/s，工程上渗透系数达到1.0×

l0-5cm/s是一个上限。

抗剪强度τ

土体的抗剪强度对盾构开挖及磨耗有着直接的影响。

黏聚力、内摩擦角是土体的强度参数，在避免盾构施工过程中出现结泥饼问题时，开挖土体的黏聚力是主要影响参数，土体黏聚力越大，越容易结泥饼；

在避免盾构施工过程中出现的闭塞问题、刀盘刀具的磨损问题时，开挖土体的内摩擦角是主要影响参数，土体内摩擦角越小，则对闭塞的防治效果越好。

根据国内外的施工经验，开挖土体的抗剪强度小于25kPa时，强度性质已经达到了塑性流动状态的要求。

压缩系数av

土舱内土体压缩系数也是预防盾构机结泥饼的关键参数，土舱内渣土的压缩系数越大，则盾构施工时越不易结泥饼的发生。

所以一般，土体坍落度T在12~20cm之间、渗透系数k小于1.0×

l0-5cm/s、抗剪强度τ小于25kPa、开挖土体的压缩系数av大于0.1MPa-1（压力范围取值100kPa~200kPa）时，即可满足盾构施工的需要。

1.3常用的土体改良剂

良好的渣土能有效降低刀盘磨损、增加开挖面稳定并使排土顺畅、降低扭矩及推力。

在盾构施工中，常用的渣土改良材料有：

界面活性材料类、矿物类、高分子聚合物类和水。

1.3.1界面活性材料类

界面活性类材料主要是注入用特殊发泡剂和压缩空气制作的气泡。

由于经泡沫调节后的土壤具有良好的流动性和塑性以及防水渗透性，所以泡沫剂的使用扩大了土压平衡盾构机适宜开挖的土壤范围。

目前，土压平衡盾构机大都配备了泡沫系统，泡沫也成为渣土改良必不可少的添加剂。

1）泡沫的作用原理

泡沫是发泡液（表面活性剂）和压缩空气经过发泡装置产生的，作为主要成分的发泡剂是由聚合而成的长链分子构成的，含有憎水基和亲水基，当表面活性剂加入液体中，其吸附在固体—液体、液体—气体及液体—液体分界面上，如图所示1-1。

图1-1发泡剂长链分子

当水的表面覆盖一层表面活性剂时，其憎水基与空气接触，从而减小了水的表面张力，表面张力的减小增加了润滑作用；

由于结合水的流动使得原先被结合水束缚的土颗粒可以自由流动；

表面活性剂吸附在土体内的微小裂缝的表面，增加裂缝的深度，减弱微小裂缝愈合的能力，增强扩散能力，并使得土颗粒带有相同的电荷而相互排斥而分开，防止土粒粘附，粘土进入泡沫后快速絮结成小片状，并失去自粘能力，并在絮结物表面电荷的斥力下无法进一步抱结成团块。

图1-2加入泡沫的土体示意图

2）泡沫的作用

化学泡沫的重要作用包括:

黏性土地基中，泡沫起着界面活性剂分散的作用，可有效防止开挖土附着于刀盘上和土压室内壁，防止出现泥饼现象，使掘进工作顺利地进行；

砂性土和砂砾土地基中，泡沫的支承作用使开挖土的流动性提高，土压室内泥土不会产生拥堵，刀盘及螺旋输送机的驱动扭矩减小，刀具磨损减小，从而有利于盾构机掘进；

在硬岩隧道施工中降低粉尘的发生量，发挥良好的润滑作用，使开挖土塑形流动，并提供其止水性；

泡沫混合土具有一定的弹性，其可压缩性使开挖面的土压力波动减小，在不影响开挖面稳定的同时保证顺利掘进；

加入泡沫的混合土体的密实度有较大的变化，泡沫置换了渣土中的一部分土颗粒和水分，使得混合土体密度减小，提高了土的止水性，能较容易地开挖地下水位较高的砂砾土地基，而且可以有效地防止螺旋输送机