盾构施工渣土改良专项方案.docx
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盾构施工渣土改良专项方案
编制依据
（1）隧道施工图
（2）铁路隧道工程施工技术指南（TZ204-2008）
（3）公司《质量管理体系-要求》（GB/T19001-2000）
一、工程概况
本工程盾构区间总长度3566.5m，附属工程包括7个联络通道、2个防淹门、12个洞门。
盾构区间采用德国进口的两台直径8.84米的海瑞克土压平衡盾构机进行施工。
二、工程地质条件和水文地质条件
2.1地形地貌
本线地处广东省中部，沿线经过珠江三角洲海陆交互沉积平原区，地形平坦，地面高程多为0～10m，仅佛山西站附近有零星剥蚀残丘分布，高程10～20m。
区内道路纵横，水网发达，河流纵多，主要河流有汾江、东平水道、吉利涌、潭洲水道、陈村水道等，均为通航河道。
2.2工程地质条件
（1）洞身地层
本标段区间盾构隧道范围地层岩性按成因和时代分类主要有：
第四系人工填土层<1-1>；第四系全新统海陆交互沉积层<2-1>、<2-2>、<3-1>、<3-2>、<3-3>、<3-4>、<4-1>；第四系全新统残积层<5>；白垩系下统基岩<7-1>、<7-2>、<7-3>。
在里程DK31+439~DK32+260洞身范围地层主要为上软下硬，上部为砂层或全风化或强风化砂质泥岩、砂岩W4、W3（821m）；里程DK32+260~DK34+500洞身范围地层主要为弱风化砂质泥岩、砂岩W2（2240m）；里程DK34+500~DK35+005.5洞身范围地层主要为上软下硬，上部为强风化砂质泥岩、砂岩W3，下部为弱风化砂质泥岩、砂岩W2（500.5m）。
（2）洞身地层分布统计
根据目前提供的地质断面图，隧道洞身地层统计如下表所示：
表2-1隧道地层统计
地层
比例
折合长度（m）
左线
淤泥<2-2>
3.48%
124.1
粉砂<3-1>
0.33%
11.3
细砂<3-2>
0.38%
12.8
中砂<3-3>
0.29%
9.8
粉质粘土（残积）<5>
0.25%
8.5
粉质粘土（沉积）<4-1>
2.10%
74.9
全风化砂质泥岩、砂岩<7-1>
4.98%
168.6
强风化砂质泥岩、砂岩<7-2>
16.98%
574.9
弱风化砂质泥岩、砂岩<7-3>
76.26%
2581.8
合计
100%
3566.5
右线
粉砂<3-1>
3.46%
123.3
中砂<3-3>
0.60%
19.0
粉质粘土（残积）<5>
0.90%
29.5
粉质粘土（沉积）<4-1>
1.93%
68.8
全风化砂质泥岩、砂岩<7-1>
4.60%
155.7
强风化砂质泥岩、砂岩<7-2>
10.8%
365.6
弱风化砂质泥岩、砂岩<7-3>
82.9%
2804.6
合计
100%
3566.5
（3）岩层特性
全风化砂质泥岩、砂岩W4：
灰色，棕红色，原岩结构已经破坏，岩芯呈土状，水浸易软化崩解。
强风化砂质泥岩、砂岩W3：
棕红色、深灰色，泥质、铁质胶结，裂隙很发育，岩芯呈碎块状、局部短柱状，锤击易碎。
弱风化砂质泥岩、砂岩W2：
棕红色、深灰色，泥质、铁质胶结，中厚层状构造，裂隙稍发育，岩芯呈短柱状、柱状。
（4）岩石的物理力学性质
根据我司的勘察报告，在岩样中取样进行岩石试验及原位测试，结果如下所示：
岩石（弱风化）的天然抗压强度最大值为53.0MPa，最小值3.7MPa，平均值20.36MPa。
强风化岩层的推荐基本承载力为400kPa。
全风化岩层的实测标准贯入试验值N=10~59击，标贯平均击数36击。
级硬土，推荐基本承载力为200kPa。
2.3水文地质条件
2.3.1地表水
地表水：
线路主要经过河涌和陈村水道，地表水系主要为陈村水道水系。
2.3.2地下水
地下水主要是第四系土层中的孔隙水和基岩风化裂隙水。
勘测期间测得第四系孔隙潜水地下水水位埋深在0.4~6.1m；主要接受大气降水、地表补给，通过地表蒸发、人工开采、地表径流等方式排泄。
第四系孔隙水主要赋存于海陆交互沉积层中的粉砂、细砂、中砂、粗砂中，海陆交互含水层厚度较大，分布较连续，径流畅通，渗透性好，水量较为丰富。
基岩风化裂隙水主要赋存于白垩系下统强、弱风化砂岩、泥岩及泥岩夹砂岩风化节理裂隙中，含水层埋深和厚度差异较大，砂岩、泥岩节烈裂隙较发育，水量一般。
由于岩性及裂隙发育程度的差异，其富水程度与渗透性也不尽相同，裂隙发育，连通性较好，渗透性较强富水较好。
三、设备配置
本标段盾构区间采用德国进口的两台直径8.8米的海瑞克土压平衡盾构机进行施工，渣土改良系统主要包括泡沫系统和膨润土系统，同时刀盘形式对渣土能否顺利进入土仓有很大影响。
3.1泡沫系统
泡沫系统主要包括泡沫剂桶、泡沫剂泵、水泵、溶液计量调节阀、空气剂量调节阀液体流量计、气体流量计、泡沫发生器及连接管路，泡沫系统有8条泡沫管，分别通往刀盘面，土仓，螺旋输送机，其泡沫发生原理见图3-1，各部件连接示意图见图3-2。
向盾构机掘进仓中注入泡沫发生装置产生的泡沫，用于掘进面土壤的性状改良，掌子面土层在加入泡沫后，其塑性、流动性、防渗性都得到改进，同时亦可减少刀具的磨损。
图3-1泡沫发生原理图
图3-2泡沫及膨润土系统示意图
图3-3泡沫原液泵、水泵图3-4泡沫剂混合系统
泡沫系统有关参数介绍如下：
稀释液浓度（x）：
稀释液中所含发泡剂原液的比例
FER=泡沫体积/稀释液体积
FIR=泡沫注入量/开挖土方量，即注入泡沫体积总量与盾构机刀盘切削的原状岩土的实方比
3.2膨润土系统
盾构机配置有一套膨润土注入系统。
在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土输送管道打开，通过输送泵将膨润土压入刀盘、碴仓和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。
根据实际需要，可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内。
膨润土只应用在一些特殊的工程下。
图3-5膨润土泵图3-6膨润土罐
四、渣土改良方法
4.1渣土改良必要性
土压平衡式盾构的特点是用开挖出的渣土作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的渣土具有良好的塑性变形和软稠度，以及内摩擦角小及渗透率小等特点。
由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良，其技术要点是在刀盘前部和泥土仓中注入水、膨润土泥浆、粘土、聚合物或泡沫等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖渣土的塑性、流动性，降低渣土的透水性。
在富水含砂地层的掘进主要是要降低对刀具磨损、降低刀盘扭矩、螺旋输送机的磨损，防止喷涌，采取向刀盘前和土仓内及螺旋输送机内注入泥浆或泡沫混合物的方法来改良碴土。
并增加对螺旋输送机内注入量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。
根据设计提供的地质勘察报告可知，本项目盾构前段区间820m左右和尾段区间500m左右为砂层、淤泥层及全强风化层，且地下水丰富，地下水位较高，且上部砂层渗透性较好，粘性较小，不易形成密闭空间，盾构在该区段掘进存在喷涌的风险，且盾构机在砂层中掘进时对刀具磨损较快，增大了开仓换刀频率。
同时该地层属于软弱地层，容易塌陷，且在始发和到达段附近，隧道埋深较浅，存在土仓漏气而保不住气压的风险。
因此，在盾构掘进过程中，要保证出渣顺畅，维持仓内土压（或气压）平衡，快速通过。
4.2渣土改良剂种类
渣土改良剂能较好解决以上问题，在盾构机掘进时，向开挖面、土仓等处加注改良添加剂，其具体功能如下：
①对于富含水砂层，一方面止水，另一方面可以改善砂的和易性；②在砂性土和砂砾土地层中，可以起到支撑作用而且可以改善土的流动性；③在粘性土层，可以防止渣土附着刀盘和土仓室内壁，另一方面，由于改良剂中的微细气泡可以置换土颗粒中的孔隙水，因而可以达到止水效果。
目前常用的渣土改良剂包括膨润土、泡沫剂、高分子聚合物、增粘剂等，不同种类改良剂的适用范围和改良效果有很大差别，具体见下表4-1。
表4-1各种改良剂特点及适用范围
膨润土
泡沫剂
高吸水性树脂（聚合物）
增粘剂
特性
PH值7.5～10.0，粘度：
2～10Pa·s
PH值7.3～8.0 粘度:
0.003～0.2Pa·s
PH值7.5～10.0 粘度：
0.7～2.0Pa·s
PH值7.5～10.0粘度：
0.5～15 Pa·s
适用范围
砂～砂（卵）砾石地层
粘土～砂（卵）砾石地层
固结粘土～砂砾地层
粗土～粗砂地层
特征
制浆和输送设备需较大的空间
输送和使用便捷，消泡后渣土能恢复原来状态
在粘性软土层有时会因粘土变硬而出现堵塞
停止开挖时，有时会堵塞。
4.3泡沫剂的应用
在实际操作过程中，通过调整螺旋输送机的转速，可以调整土仓内土压力，而在不同地层和操作条件下，渣土的类别和性质都不一样，必须加入外加剂来改良渣土。
土压平衡盾构成功的关键是要将开挖面开挖下来的土体在土仓内调整成一种“塑性流动状态”。
1、发泡剂的使用量参数
主要取决于三个参数：
稀释液浓度（x）、发泡倍率（FER）、注入率（FIR）
①稀释液浓度（x）
稀释液中所含发泡剂原液的比例，一般取值为2%～5%。
②发泡倍率FER
FER=泡沫体积/稀释液体积，一般取值为8～15
③注入率FIR
FIR=泡沫注入量/开挖土方量。
即注入泡沫体积总量与刀盘切削的原状岩土的实方比，通常取值20～45%。
表4-2不同地层中注入率
土层
FIR
粘土
20～35％
砂、粘土混合物
25～35％
砂、砾石性土
30～45％
砂性土
35～60％
岩石
100%
2、泡沫用量计算
①泡沫流量QF：
QF=A*V*FIR
（1）
泡沫总流量，以L/min为单位，
式中，
A=隧道开挖面积，A=3.14*（8.84/2）*（8.84/2）=61.3m2；
V=盾构推进速度；
FIR=注入率。
②稀释液流量QL：
QL=QF/FER=A*V*FIR/FER
（2）
泡沫剂原液加水稀释后的混合物，通常按照2～5%的比例进行，以L/min为单位;
式中，
V——盾构推进速度；
FIR——注入率；
FER——发泡倍率。
则：
原液流量Q＝QL*x（x=稀释液浓度）
③压缩空气流量QA：
QA=QF-QL=A*V*FIR*（P+1）*（1-1/FER）（3）
即注入压缩空气的流量。
式中P=空气支持压力（相对压力，一般P=0.2～0.3MPa）
3、本工程泡沫剂用量计算
根据本工程实际情况确定以下参数：
盾构机开挖直径R=8.84m，故A=61.3m2；
盾构机推进速度取V=0.03m/min。
稀释液浓度x=3%；注入率FIR=35%；发泡倍率FER=10
空气支持压力P＝0.3MPa
按照公式
（1）:
QF=A*V*FIR
求得泡沫流量QF=643.7L/min；
按照公式
（2）:
QL=A*V*FIR/FER
求得稀释液流量QL=64.4L/min；
按照公式（3）:
QA=A*V*FIR*（P+1）*（1-1/FER）
求得压缩空气量QA=2.317m3/min；
原液流量Q=QL*X=64.4L/min*3%=1.932L/min
掘进1米所需时间：
1/0.03=33.33min
每米用量为：
33.33*1.932=64.39L
每环用量为：
64.39*1.6=103.0L
4、中控室电脑显示操作：
图4-1F2泡沫显示图
图4-2F2泡沫显示图
图4-3泡沫参数调整
4.4膨润土的使用
膨润土浆液对土体的改良作用主要体现在较好的润滑及降低抗剪强度，浆液中的膨润土掺量、膨润土浆液的注入率均对土体改良效果产生影响。
一般情况下浆液中膨润土掺量越高，则浆液的质量性能越好，相应的改良作用也较明显；浆液注入章越高，则相应的改良作用也越大。
但掺量不宜过大，否则会造成土体的分层离析，不利于盾构开挖而的稳定。
具体产掺入量和注入量要根据现场地层条件和膨润土品质进行试验，以确定最佳配比。
盾构施工用膨润土必须保证膨润土的质量，严禁膨润土泥浆中含有硬质颗粒，以防损坏中心回转体或卡死刀盘泡沫管路中的止回阀。
4.5两种改良方式适用地层
适合使用膨润土改良的地层，
（1）细粒含沙量少的土体，膨润土泥浆能够补充砂砾土中相对缺乏的微细粒含量，提高和易性，级配性，从而可以提高止水性；
（2）透水性高的土体，在高透水性土体中膨润土泥浆较易渗入，并形成具有气密性的泥模，可有效改善渣土喷涌。
本工程中，里程DK32+260~DK34+500洞身范围地层主要为弱风化砂质泥岩、砂岩W2（2240m），用膨润土泥浆对渣土进行改良较为适合。
适合使用泡沫改良的地层，
（1）泡沫更适合于颗粒级配相对良好的土体，在级配良好的土体中，泡沫和土体颗粒结合得更完整和致密，容易形成更多封闭的空间
（2）泡沫更适合平均粒径较大的土体（3）泡沫更适合含水量较高的土体。
本工程中，前面800m左右和尾段500m左右上部为砂层、淤泥层及全/强风化砂岩和泥岩，使用泡沫剂改良能取得较好效果。
五、防喷涌措施
本盾构区间附近河涌、水道较多，地下水丰富且水位较高，根据地质剖面图可知，线路洞身地层前800m左右主要为砂层、淤泥层及全/强风化砂岩和泥岩，中间，尾段500m左右上软下硬地层，上部为强风化砂质泥岩、砂岩，下部为弱风化砂质泥岩、砂岩。
砂层渗透系数大，难以形成封闭空间，较易发生喷涌。
喷涌的发生不但影响正常施工排土和压力舱压力的控制，严重时会过多的将开挖面和管片四周的土、砂带出，造成地表沉降、塌陷，管片漏水、移位等施工事故。
5.1喷涌产生原因
地层条件、水压、掘进参数是喷涌发生的决定因素，在砂层、砂卵石等敏感地层，地下水的通路没有阻断，泡沫剂或膨润土易稀释，土体改良效果差，未能有效改变土体的渗透性．在水流量大或水力梯度大的情况下，极易发生喷涌。
在中风化或者微风化岩层中，若裂隙水发育，后方水路又未封闭，土仓内土体由于水流的影响难以改良时，也经常会发生喷涌现象。
高压力的水体穿越土仓和螺旋输送机形成集中渗流带动土仓内的土颗粒一起涌动，较大水流量的渗流经过土仓和螺旋输送机后其压力水头没有递减到接近于零的范围。
渗流夹带土颗粒在输送至螺旋输送机出口的一瞬间，由于前方是临空的隧道内部，处于无压状态，渗流水便在忽然降低的压力下带动正常输送的砂土喷涌而出。
5.2防止喷涌措施
（1）严格控制掘进参数，注重同步注浆，裂隙水发育的情况下，要分段做止水环，避免水路连通；
（2）认真分析勘探资料，在隔水层缺失的地层掘进要严格控制土仓压力，以免喷涌发生后土压难以建立，引起地面的塌陷；
（3）避免停机后开启螺旋输送机闸门引发的喷涌，在停机时要严格判断土仓压力显示的是土压还是水压；
（4）做好施工工序安排，减少盾构机停机等待的时问，从而减少土仓内的积水；
（5）控制每环的出渣量，在停机时适当建立土仓内的土压，使之大于停机处地层的水土压力，必要时可通过泡沫管路向土仓内适当加入压缩空气。
5.3喷涌发生时的处理措施
（1）分析喷涌原因
对于螺旋输送机的喷涌现象，首先应确认螺旋输送机喷涌的原因：
水量增大导致渣土过稀不能在螺旋输送机形成堵塞效果？
则尝试加快速度，使渣土变得浓稠，渣土被土仓内较大气压压出而且螺旋输送机内不能形成堵塞效果？
则尝试检查泡沫发生效果，是否由于泡沫在压力状态下寿命过短或注入泡沫量过大。
土仓内渣土的水量不能控制？
则应首先通过管片二次注浆确定切断水从管片后部汇流所致，再尝试以泡沫会膨润土方式隔阻掌子面来水
（2）在螺旋输送机停止旋转并且螺旋输送机后舱门开度无论如何调节仍无法满足渣土出土量控制时，应尝试反向旋转螺旋输送机出渣，避免所出渣土过量。
（3）控制螺旋出土器的转速，可以保证掘进中遇到突发性地下涌水的时候，能使螺旋机中的碴土有效地形成“土塞”，以便在封堵涌水的同时，还能将土仓中的碴土带出，继续掘进。
不会出现带式螺旋从螺旋芯部不受控制地涌水的情况。
（4）螺旋出土器出料口可以用滑动闸门关上，然后向土舱内注入添加剂进行土壤调节后，再打开滑动闸门出土。
滑动闸门靠液压油缸控制，具有停电时自动关闭的紧急功能，以防出现喷涌的时候恰逢停电，造成不可预料的事故。
六、防结泥饼措施
泥饼是盾构刀盘切削下来的细小砂土颗粒、碎屑在土仓内重新聚集而成的半固结和固结状的块状体，泥饼的存在加重了盾构机刀盘和刀具的负荷，常常使掘进参数出现突变，使施工效率大大降低。
6.1泥饼的成因
（1）地层原因
隧道穿越的复合地层多为全/强风化的泥岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩，这几类岩层富含粘土矿物颗粒，在刀具的切削和刀盘的冲击作用下，岩块变成碎屑和粉末状，这些碎屑粉末状的粘土颗粒是形成泥饼的基础材料。
本盾构区间在始发段和尾段上覆土为砂土和淤泥质土，岩层为全/强风化泥质砂岩，较易形成泥饼。
（2）盾构机刀盘和刀具的影响
盾构刀盘和刀具设计制造缺陷会导致施工掘进中泥饼的产生，刀盘中心区开口率是泥岩和砂岩地层盾构掘进中结泥饼的重要因素。
刀盘内的搅拌棒及幅条型式、数量也是泥饼产生的因素。
刀具布置不合理会导致切削下的砂土块度不均、滚刀磨损，进而降低掘进和排土效率，使其产生泥饼。
本区间盾构机刀盘开口率为26%，开口率较低，在掘进过程中要采取有效措施防止泥饼形成。
（3）施工控制因素
除地层地质和刀盘刀具设计制造缺陷外，施工过程中操作手的行为也是刀盘结泥饼的一个不可忽视的因素，归结为以下几条:
a）未能正确判断复合地层下的盾构掘进模式
在土压平衡模式时土仓内土压设定值过高，导致切削下来的渣土不能顺利通过螺旋机排出，在土仓内堆积挤压，密实度和密度越来越大，最终形成泥饼。
b）掘进施工中砂土改良不到位
为改善切削砂土的和易性（干稀度、流动性），通常在刀盘和土仓内加入水、膨润土和泡沫剂，泡沫剂是一种化学物质，它对砂土有膨化、润滑和降低附着力的作用，对降低砂土和刀盘刀具温度也起主要作用。
施工过程中因经验和现场判断失误，对加入的改良剂的浓度配比、注入压力、注入量等掌握不准，导致砂土得不到很好改良，促成泥饼产生。
c）盾构机械维护保养问题
因系统冷却水温度偏高，或是刀盘高速旋转后与周围土体介质摩擦生热，使土仓内温度升高，对泥饼有烧结促成作用。
设置在刀盘面板上的注入孔时常被堵塞，无法适时按量加入泡沫剂，砂土和易性得不到有效改良。
6.2防结泥饼施工措施
设计上，在土仓内设置土压力传感器，及时反映土仓内泥土粘附情况，预防泥饼的形成。
刀盘内侧（土仓侧）设有搅拌棒，随刀盘一起转动，可加速土体流动及对螺旋机喂料，减少泥饼的形成。
在施工中将采取如下措施：
（1）粘性土地层砂土的土体改良
在粘性土地层中的土压平衡盾构施工区段，为了降低土体间的粘聚力、减少土仓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粘着力，应改善土体的和易性，保证土仓内土压力的稳定性和出土的顺畅。
在施工过程中，应及时观察所排土体的情况，分析土体粘性和含砂粒比例的情况，及时添加适量的土体改良剂——泡沫，进行土体改良，以减小土体粘性度和粘着力。
（2）盾构掘进参数的设定
在粘性土地层中的土压平衡盾构施工区段，土压力的设定以理论的土压力为基础，并作适当降低，具体可根据实际操作作调整。
但在施工过程中必须观测分析盾构穿越地层的特性，在推进过程中应充分了解施工速度、盾构掘进性能、泥土温度之间的能量转换关系及其对泥饼形成的影响。
控制好推进速度，减少泥饼产生的机率。
（3）土压力传感器的设置
在土仓内不同高度设置土压力传感器，通过两个固定高度点的土压力差可测出土体的表观密度；在感觉有泥饼生成前应用500×10-6/700×10-6漏斗法对土样的粘度进行测量，当粘度指标大于12s时应在注入泡沫剂和膨润土方面加强，改良砂土的和易性。
（4）控制循环水温度
严格控制土砂密封温度，其密封温度与刀盘的冷却程度有很大关系，循环水是刀盘冷却系统的主要介质。
当外界气温高于30℃、隧道内通风系统的功能较差时，随着单环掘进时间的增加，土仓内的温度很容易上升，因此应控制冷却水的温度，必要时需使用冰水。
（5）快速均衡施工
盾构施工要求“连续、快速、稳定”，长时间的停机会导致土仓内土压逐步升高、流动性减弱、刀盘及刀具板结泥饼的可能性增加；掘进速度太慢，生成泥饼的可能性越大。
（6）定期开舱、清舱
盾构施工中的开舱检查好比人的体检一样，要定期进行，而不是在出现病态后才采取补救措施。
定期的开舱可以较准确地掌握前方地层的地质状况和刀具的磨损情况，对刀盘结泥饼可起到预防作用，当检查出刀盘有泥饼粘着的情况时应及时、彻底清理。
七、质量安全保证体系
7.1组织架构
图7-1质量管理架构图
：
7.2安全保证措施
渣土改良的过程伴随着盾构掘进的过程，互相影响，要想实现不断高效掘进，应确保渣土改良过程安全可靠，主要安全保障措施如下：
（1）膨润土的运输、拌合、发酵过程要注意安全；
（2）泡沫剂垂直与水平运输的要保证安全；
（3）如发生严重喷涌时，应远离螺旋输送机出土口，以免高压泥浆喷出受伤；
（4）渣土改良过程中要注意避免造成机械伤害。
7.3质量保证措施
在渣土改良能过程中，泡沫剂的发泡效率和膨润土的质量对渣土改良效果起着至关重要的作用，盾构机操作人员只有准确地掌握所使用泡沫剂的发泡率和稀释液最适合浓度，才能正确调整泡沫剂注入量，以达到最佳改良效果。
膨润土的掺入量和浆液的配比是准确计算膨润土注入量的基础。
同时膨润土必须纯净无颗粒，否则极易造成堵管。
为控制改良剂质量，应做好一下几点措施：
（1）保证膨润土材料的质量；
（2）严格按照配合比拌制，并保证膨润土膨化时间；
（3）当确定使用膨润土泥浆改良时，要保证每环注入量；
（4）保证泡沫剂的质量；
（5）使用之前进行试验，确定最佳稀释比例、发泡率以及相应的半衰期；
（6）改良剂在拌合和使用过程中均要注意防止杂志进入，以免影响改良效果和堵塞系统管道。
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