【文章內(nèi)容簡介】 。 不同渣土改良劑比較 表11 渣土改良劑比較種類代表材料原理作用優(yōu)點缺點適用土質(zhì)界面活性材料泡沫劑發(fā)泡劑與壓縮空氣混合，形成泡沫，泡沫具有潤滑、擴(kuò)散、彈性特性便于渣土的流動和運輸；泡沫和土艙內(nèi)的泥土混合加壓穩(wěn)定掌子面、防止坍塌；提高止水性無污染，渣土容易解決；設(shè)備簡單，施工便利發(fā)泡需要很大的氣體壓力，可能引起土艙壓力突增適用于細(xì)顆粒土層中礦物類膨潤土、蒙脫土蒙脫石晶格吸水膨脹，晶層間鈉離子相互連接形成濾餅”可以演變?yōu)橐粋€低滲透性的薄膜低滲透性的泥膜，有利于給工作面?zhèn)鬟f密封土艙壓力；提高密封渣土和易性，減少噴涌 膨脹率高，在粗砂等滲透性很大而泡沫改良效果不好的地層中可以起到很好的效果需要制泥設(shè)備；泥漿存在環(huán)境污染問題；易堵塞管路滲透性稍大的地層高分子類聚合物水溶性高分子（CMC）聚合物鏈連接細(xì)小顆粒，增大土體粘性增大粘性渣土改良效果立竿見影廢物處理；價格昂貴無黏性土高吸水性樹脂（環(huán)氧樹脂）遇水發(fā)生反應(yīng)達(dá)到止水效果提高渣土的止水性，防止噴涌渣土改良效果立竿見影酸堿地基、化學(xué)加固區(qū)不適宜；價格昂貴高水位、含水量高水—水可降溫，潤滑提高渣土的流動性、降低刀盤溫度廉價，方便改良效果一般，作為輔助材料土質(zhì)較干，硬巖 渣土改良劑添加部位渣土改良劑注入位置分為土艙內(nèi)、刀盤中心正面、刀盤邊緣、刀盤輻條側(cè)面及螺旋輸送機(jī)。由于注膨潤土?xí)r注漿管的堵塞問題，刀盤前以泡沫和水為主。泡沫的發(fā)泡效果非常重要，在開倉維修刀具或換刀時也要檢查泡沫管路是否通暢。針對不同地層，在不同位置注入不同的材料，可實現(xiàn)針對性的渣土改良功能。 圖16 刀盤上渣土改良劑注入口 2渣土改良應(yīng)用實例 無水砂卵石地層 北京地鐵4號線20標(biāo)1）工程概況此標(biāo)段包括頤和園至北宮門盾構(gòu)區(qū)間、北宮門車站、北宮門至龍背村盾構(gòu)區(qū)間。盾構(gòu)隧道位于永定河沖洪積扇，巖石不均勻出露，在掘進(jìn)過程中遭遇砂卵石地層、風(fēng)化石灰?guī)r等軟硬不均地層。2）渣土改良方案針對砂卵石地層，選用泡沫劑、膨潤土和冷卻水來改良土體，在刀盤面板上設(shè)計有8處泡沫及膨潤土注射裝置；土艙的倉板上設(shè)計有攪拌翼，同時還有4個膨潤土和泡沫注射口；在螺旋輸送機(jī)的筒壁上有8個膨潤土和泡沫注射口。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間，不斷向工作面噴注泡沫、膨潤土和冷卻水，對減少刀具磨損和保證順利掘進(jìn)起到了很好的效果。 北京地鐵10號線2期1）工程概況北京地鐵十號線石榴莊路—大紅門區(qū)間隧道穿過地層主要為：卵石、圓礫③層、粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土③1層、細(xì)中砂③2層、卵石④層和粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土④1層、細(xì)中砂④2層。盾構(gòu)隧道截面下半部以卵石、圓礫為主，粒徑大約為5~。2）渣土改良方案選用泡沫作為土體改良劑。實踐證明，土體經(jīng)過泡沫的改良后，盾構(gòu)的總推力以及刀盤扭矩明顯減小，也大大降低了刀盤在砂卵石地層中的磨損。 北京地鐵10號線（蓮花橋—六里橋） 1）工程概況 地層自上而下依次為人工填土層；第四季新近沉積層：粉土②層、粉質(zhì)黏土②1層、粉細(xì)砂②3層；第四紀(jì)晚更新世沖洪積層：卵石⑤層、中粗砂⑤1層、卵石⑦層、中粗砂⑦1層、粉質(zhì)黏土⑧層、細(xì)中砂⑧3層、卵石⑨層、粉質(zhì)黏土⑩層。盾構(gòu)主要穿越卵石⑦層，一般粒徑為20~300mm，大于20mm顆粒物含量約占80%，充填物為中粗砂，潛水水位位于隧道結(jié)構(gòu)底板以下0~。 2）渣土改良措施在盾構(gòu) 始發(fā)掘進(jìn)階段，單純使用泡沫劑及膨潤土改良土體，均無法將土體調(diào)制成理想的流塑狀態(tài)，無法建立真正的土壓平衡，從而出現(xiàn)刀盤扭矩過大，掘進(jìn)速度緩慢、土壓不穩(wěn)定及易結(jié)泥餅的情況，在后續(xù)的施工中采取了以下措施進(jìn)行了土體改良：①優(yōu)化膨潤土注入?yún)?shù)：經(jīng)過多種嘗試，改用鈉基優(yōu)質(zhì)膨潤土，并調(diào)整了膨潤土的發(fā)酵時間及粘稠度，一般在每環(huán)掘進(jìn)過程中，向土艙內(nèi)注入5～7m3發(fā)酵至少24h以上粘稠度為50s的膨潤土。②加入高分子、分散劑和聚合物在地面上經(jīng)過多次的試驗，HHZA分散劑溶液對泥餅的形成有著良好的防治效果。在盾構(gòu)掘進(jìn)時向土艙內(nèi)分別增加注入TAP聚合物、HHZZ高分子、HHZA分散劑溶液及Rheosoil143發(fā)泡聚合物，通過刀盤攪拌，使所注入的溶液充分混合，這樣能有效控制土艙內(nèi)泥餅的形成，而且有效控制刀盤進(jìn)土口處泥餅的形成，將泥餅對正常掘進(jìn)的影響降至最低。③優(yōu)化泡沫劑類型及注入?yún)?shù)經(jīng)過大量的試驗，得到優(yōu)化泡沫劑類型及注入?yún)?shù)如下：在渣土內(nèi)按體積比摻入30%的泡沫，充分?jǐn)嚢韬?，發(fā)現(xiàn)渣土的性狀發(fā)生明顯的改變，加入的水與渣土和泡沫充分的融合在一起呈流塑狀，渣土的黏性明顯降低。采取了多種改良材料共同對掌子面土體進(jìn)行塑流化改良的措施，在這幾種措施的綜合作用下，掌子面土體的流塑性得到了有效改善，土壓平衡得以真正建立，刀盤的扭矩也由以前的250bar降至140bar，并且排土順暢，效果明顯。 北京地鐵4號線（動物園站—雙榆樹站）1）地層條件北京地鐵四號線動物園—白石橋區(qū)間、白石橋—學(xué)院南路及學(xué)院南路—雙榆樹區(qū)間盾構(gòu)全斷面穿越砂卵石地層，該3段區(qū)間的地層條件分述如下：動—白區(qū)間隧道內(nèi)大部分為卵石圓礫層，部分地段夾少量的砂層；白—學(xué)區(qū)間隧道斷面內(nèi)基本上為全斷面卵石、圓礫層；學(xué)—雙區(qū)間該段隧道上半斷面在粉土層中通過，下半斷面進(jìn)入圓礫石層。2）渣土改良措施盾構(gòu)穿越地層主要為砂卵石，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，在密封土艙內(nèi)加入泥漿等潤滑材料，一方面可以潤滑密封土艙內(nèi)切削土體，使順利出土；另一方面可以形成壓力水膜，起到穩(wěn)定挖掘面的作用。此外還加入泡沫改良土體，在密封土艙內(nèi)加入泡沫主要是為了增加土艙內(nèi)土體間的疏松性，并可以在卵石表面形成黏土膜，潤滑密封土艙內(nèi)切削土體，使順利出土，另外可以形成壓力膜起到穩(wěn)定挖掘面的作用。根據(jù)以往經(jīng)驗，盾構(gòu)掘進(jìn)時，泡沫注入量以掘進(jìn)每環(huán)切削土體體積的45%~55%計算。 北京地鐵5號線試驗段1）工程概況北京地鐵5號線工程左線北新橋站—雍和宮站區(qū)間作為北京地鐵5號線盾構(gòu)試驗段工程，試驗段工程穿越的地層總體上可分為三段：粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土層段；粉細(xì)砂及砂礫層和卵石層段；粉土層及砂質(zhì)地層段。區(qū)間隧道全部處于潛水位以下。北京地區(qū)，粉質(zhì)黏土、粘質(zhì)粉土段地層穩(wěn)定性較好，其余兩地層段在受擾動時均易坍塌.2）渣土改良方案在里程K11+700~K11+950段為粉細(xì)砂及砂礫層和卵石層段，此段渣土改良方案如下：由于在砂礫和卵石層施工，地層對切削刀頭的磨損較大，而且掘進(jìn)過程中，為了使土體具有良好的流動性和止水性，必須有30%左右的微細(xì)顆粒，單靠泡沫的改良作用已不能完全滿足施工的要求。在推進(jìn)過程中除了使用泡沫外，還輔以膨潤土漿液以加強(qiáng)刀具的潤滑、冷卻，改善工作狀態(tài)，同時起到補(bǔ)充地層土體微細(xì)顆粒的不足，提高土體流動性和止水性的作用。 北京地鐵4號線角門北路站—北京南站1） 工程概況 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)為全斷面卵石⑦層，卵石粒徑一般為20~60mm，最大粒徑180mm，中粗砂充填。隧道下方處于層間潛水層。2）渣土改良方案 采用泡沫和改性膨潤土漿液進(jìn)行渣土改良，泡沫的濃度為5%，~，制泥材料的濃度為5%，~ 北京地鐵9號線豐臺東大街站—豐臺北路站1）工程概況本區(qū)間隧道覆土9~12m，隧道通過地層為砂卵石地層，卵石最大粒徑不小于420mm，一般粒徑為20~70mm，粒徑大于20mm顆粒含量約為總質(zhì)量的50%~80%，亞圓形，中粗砂填充，全斷面無地下水。采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。2）渣土改良方案在掘進(jìn)初期，為使土體具有良好的流動性，于是向開挖面注入大量泥漿，結(jié)果在施工中發(fā)現(xiàn)泥漿量過大使螺旋排出的土過稀，甚至出現(xiàn)噴涌，土壓力波動較大。同時，土壓倉內(nèi)大粒徑砂卵石會在重力作用下沉至底部，使土體攪拌不均勻，增大了刀盤扭矩和刀具的磨損，經(jīng)過分析后，減少泥漿注入量，增大泡沫注入量，同時提高稀釋液的粘度和泡沫的發(fā)泡率，結(jié)果刀盤扭矩大大降低，能夠建立穩(wěn)定的土壓力。由此可得，在砂卵石地層中，泡沫能夠大大改善土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能，泡沫注入量加大以后刀盤扭矩明顯減小，推進(jìn)速度大幅提高，刀盤刀具的磨損程度降低，提高了設(shè)備的使用壽命。 北京地鐵7號線達(dá)官營站—廣安門內(nèi)站區(qū)間1）工程概況盾構(gòu)機(jī)全部在卵石地層⑦中穿行，此地層密實，最大粒徑大于20cm，一般粒徑20—60mm，亞圓形，粒徑大于20 mm顆粒約占總質(zhì)量的70%?！?，區(qū)間隧道約有1/ 2位于水位以 下。2）渣土改良方案向泥土艙加注膨潤土、泡沫等塑性劑改善渣土的流動性，降低刀具及刀盤磨耗。 無水砂卵石地層渣土改良應(yīng)用小結(jié)由于北京市地鐵規(guī)劃所穿越地層有大量的砂土及砂卵石地層，而且不少地區(qū)地下水位較低，甚至隧道穿越無水砂卵石地層。根據(jù)以上列舉的幾個工程實例發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)在這種地質(zhì)環(huán)境中掘進(jìn)時，普遍選用泡沫+膨潤土或者泡沫+加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)加泥對渣土進(jìn)行改良。根據(jù)地質(zhì)的變化，也可單獨使用泡沫，或者加入泡沫與膨潤土渣土改良效果仍不理想時，可針對性的選用高分子聚合物。 富水砂卵石地層 北京地鐵九號線六標(biāo) 1）工程概況軍事博物館—東釣魚臺站區(qū)間某一段掘進(jìn)地層為卵石⑦層，地下含水量大，石頭含量多，通過篩分得出石塊含量比例：直徑分別為30厘米、10厘米、8厘米、6厘米、4厘米、2厘米、%、%、%、%、%、%、%。2）渣土改良方案理論上，盾構(gòu)機(jī)把大粒徑石頭磨成碎塊，通過螺旋機(jī)把渣土傳送到傳送帶上，傳送帶把渣土傳送到機(jī)尾的運輸車?yán)?。但由于石頭含量巨大，不利于盾構(gòu)螺旋機(jī)傳輸，石頭容易沉到螺旋機(jī)下部，常常發(fā)生盾構(gòu)刀盤被卡。因此研制出卵石⑦層渣土改良添加劑，即在卵石⑦層使用大稠度納基膨潤土溶液加一級康達(dá)特泡沫及高分子聚合物溶液，較好地解決了渣土排出問題。經(jīng)過渣土改良，輸送出來的渣土像混凝土，石頭和顆粒全部裹挾在泥漿中。 成都地鐵一號線 1）工程概況成都地鐵1號線全部位于密實砂卵石地層中。其特點為粗粒粒徑大、密實度大、含量高、強(qiáng)度大、磨蝕性高等。卵石以中風(fēng)化為主，充填物主要為中、細(xì)砂，夾少量黏性土。卵石粒徑大部分為3~12cm，卵石含量占55%~85%，地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，孔隙潛水主要埋藏于砂卵石地層中，水量豐富，埋深較淺。成都地層是世界罕見的富水砂卵石地層，以地下水位高、卵石含量多及硬度大著稱。根據(jù)成都砂卵石層的地質(zhì)情況，地鐵2號線采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)施工。2）渣土改良方案①人民北路站—文武路站—騾馬市站 在成都典型富水砂卵石地層中，渣土改良初步實施，尚處于摸索過程中，單獨使用泡沫進(jìn)行渣土改良，效果尚不理想，使得盾構(gòu)在掘進(jìn)中遇到一些施工困難，進(jìn)度較緩慢，其中現(xiàn)場現(xiàn)象主要為砂卵石地層使其刀盤、刀具、出渣系統(tǒng)等部位磨損嚴(yán)重；掌子面不穩(wěn)定、換刀停機(jī)易坍塌；降水換刀地點難以選擇；卵石地層局部有粉細(xì)砂土處已結(jié)泥餅。②天府廣場—騾馬市刀盤上有8個泡沫注入點，經(jīng)泡沫調(diào)節(jié)后的渣土有以下特點：流動性好，滲水性能低，彈性良好，并降低了對盾構(gòu)的附著性，減少對盾構(gòu)的磨損，減少驅(qū)動功率。同時還使用膨潤土，高密度膨潤土的使用能夠使開挖的高滲水性渣土擁有良好的粘結(jié)性，并能滲入礫質(zhì)渣土的空隙中，從而實現(xiàn)止水和固結(jié)掌子面的作用，在區(qū)段強(qiáng)透水性的砂卵石土中使用膨潤土，作用更加明顯。在掘進(jìn)中憑經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)有泥餅產(chǎn)生，則在土艙內(nèi)注入大量的分散劑，讓分散劑侵入泥餅的表面和內(nèi)部，將泥餅打散，根據(jù)實際使用帶分散劑的泡沫情況看，分散劑可以有效控制泥餅的發(fā)生，效果明顯。③天府廣場站—省體育館站刀盤上設(shè)置有