膨潤土在地鐵盾構(gòu)施工中的應(yīng)用.doc

以鄭州地鐵一號(hào)線05標(biāo)會(huì)展中心站黃河?xùn)|路區(qū)間隧道為例，介紹了膨潤土漿液的性能及其在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用1 工程概況 鄭州地鐵一號(hào)線05標(biāo)會(huì)展中心站黃河?xùn)|路站區(qū)間大體呈反“S”形，區(qū)間線路從會(huì)展中心站東端頭出發(fā)，下穿會(huì)展中心立交匝道后繼續(xù)行進(jìn)，在下穿熊兒河后，于軍事管理區(qū)西南角轉(zhuǎn)向東，沿金水路到達(dá)黃河?xùn)|路站。線路右線全長2094.200m（右DK25+261.700右DK27+355.900），左線全長2094.200m（左DK25+261.700左DK27+355.900）。本段線路左線設(shè)二條平曲線，曲線半徑分別為350m、400m；右線設(shè)兩條平曲線，曲線半徑分別為350m、410m。區(qū)間覆土厚度為8.618m，區(qū)間最小坡度3.10，最大坡度21.50。區(qū)間隧道設(shè)一處泵房（與區(qū)間風(fēng)井合建），聯(lián)絡(luò)通道二處。區(qū)間所處地層主要為第 （8） 層：粉砂，淺灰色， 飽和，中密密實(shí)，顆粒級(jí)配一般，顆粒成分由石英、長石、云母組成。局部夾灰色密實(shí)粉土。層厚0.903.80m，平均厚度2.43m，層底標(biāo)高67.9572.08m，平均標(biāo)高70.21m，層底埋深18.0022.50m，平均埋深20.18m；第 （9） 層：細(xì)砂，灰一褐黃色，飽和，中密一密實(shí)，偶見蝸牛殼碎片、小姜石，顆粒級(jí)配一般，顆粒成分主要由石英、長石組成，含少量暗色礦物。層厚8.5014.30m，平均厚度11.39m，層底標(biāo)高56.3558.30m，平均標(biāo)高57.45m，層底埋深31.9034.10m，平均埋深32.93m。2 膨潤土的使用研究會(huì)展中心站黃河?xùn)|路站區(qū)間風(fēng)井始發(fā)后，地層主要以富水砂層為主，使用泡沫劑進(jìn)行改良土壤效果不明顯，推進(jìn)速度緩慢，出土溫度過高，刀盤扭矩經(jīng)常達(dá)到額定扭矩，開挖土艙壓力無法建立，超挖現(xiàn)象明顯，地面沉降較大，掘進(jìn)速度為5mm/min以內(nèi)，推進(jìn)一環(huán)的時(shí)間最長可達(dá)到8個(gè)小時(shí)，推進(jìn)期間由于機(jī)器溫度過高會(huì)引起刀盤不停的跳閘，刀盤結(jié)泥餅的機(jī)率也大大的增加。3 膨潤土改良土體的機(jī)理研究3.1 膨潤土的組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造膨潤土是以蒙脫石為主要成分的非金屬粘土類礦物，蒙脫石含量占到30%80%。蒙脫石是含水的層狀鋁硅酸鹽，其晶體結(jié)構(gòu)由兩層硅氧四面體晶片中間夾一層鋁氫氧八面體晶片組成，屬2：1型層狀硅酸鹽礦物。其理論化學(xué)式為Nax（H20）4A12A1xSi4-x010（OH）2，八面體中存在的陽離子數(shù)為2，四面體中存在的陽離子數(shù)為4。一般硅氧四面體和鋁氫氧八面體中存在如Fe2、Fe3+、Mg2+、A13+等陽離子的同象置換，當(dāng)置換陽離子為低價(jià)時(shí)，使結(jié)構(gòu)增加等當(dāng)量的負(fù)電荷，由層間吸附陽離子補(bǔ)償。蒙脫石晶層之間陽離子與晶體格架間形成電偶極子，加上蒙脫石晶層之間結(jié)合力較弱，能吸附極性水分子，根據(jù)陽離子種類及相對(duì)濕度，層間能吸附一層或兩層水分子。另外，在蒙脫石晶粒表面也吸附了一定的水分子，結(jié)構(gòu)水以0H基形式存在于晶格中。3.2 膨潤土的膨脹和滲透機(jī)理盾構(gòu)掘進(jìn)中所使用的膨潤土是粘土的一種，主要成分蒙脫石其四面體中的硅可被鋁隨機(jī)置換，八面體中的鋁可被同價(jià)或低價(jià)離子如Ca2+、Na+、Mg2+等類質(zhì)同象置換，這種類質(zhì)同象置換過程使蒙脫石晶層面有過剩的負(fù)電荷，在層間產(chǎn)生靜電場(chǎng)，因此蒙脫石層間可吸附Ca2+、Na+、Mg2+等陽離子和水（H30+）、氨（NH+4）等極性分子。正是蒙脫石這種特有的吸附功能使得膨潤土具有很強(qiáng)的膨脹能力。膨潤土一般分為鈉基和鈣基膨潤土，在工程中多使用鈉基膨潤土（本試驗(yàn)中也選用了鈉基膨潤土），其顆粒的單位晶層中存在極弱的鍵，鈉離子本身半徑小，離子價(jià)低，水很容易進(jìn)入單位晶層問，引起晶格膨脹，顆粒的體積膨脹為原來顆粒體積的l040倍，吸水后形成一道不透水的防滲層。若再經(jīng)過一段較長時(shí)間，膨潤土顆粒會(huì)變成膏脂狀，滲透系數(shù)可以降到110-7m/s以下，幾乎不透水。從微觀結(jié)構(gòu)來看，膨潤土顆粒是粒徑小于2m的無機(jī)質(zhì)，主要結(jié)構(gòu)體系為SiAlsi，是由云母狀薄片堆壘而形成的單個(gè)顆粒。這些薄片層的上下表面帶負(fù)電，因而膨潤土的構(gòu)成單位是互相排斥的。膨潤土在水化時(shí)，水分子沿著SiAlSi結(jié)構(gòu)單位的硅層表面被吸附，使得相鄰的結(jié)構(gòu)單位層之間的距離加大。鈉基膨潤土單位結(jié)構(gòu)層問能吸附大量的水，層間距離大，膨脹率高，鈉離子連接各層薄片。膨潤土水化后，形成不透水的可塑性膠體，同時(shí)擠占與之接觸的土顆粒之間的孔隙，形成致密的不透水的防水層，從而達(dá)到防水的目的。膨潤土由于具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能。土壓平衡式盾構(gòu)施工對(duì)加入的膨潤土泥漿的一個(gè)基本要求就是它能夠形成“濾餅”，可以形成于土粒內(nèi)部和土粒之間，由膠結(jié)和固結(jié)的膨潤土組成。這個(gè)“濾餅”可以演變?yōu)橐粋€(gè)低滲透性的薄膜，從而可以將過量的地下水壓力中的液體壓力轉(zhuǎn)化為土顆粒和土顆粒之間的有效應(yīng)力，這對(duì)穩(wěn)定地層防止推進(jìn)中的地面塌陷至關(guān)重要。不同壓實(shí)密度的膨潤土的主要差別在于其土體顆粒問孔隙的大小，當(dāng)密度大時(shí)，單位空間中的土體顆粒及吸附水層所占的體積就大，滲流液體通道就窄。由于膨潤土的高吸濕膨脹性和自封閉性，遇水時(shí)極度膨脹，其密度越大，膨脹倍數(shù)越大，同樣的滲流空間留給過流液體的通道就越窄，其滲流系數(shù)也就降低了。3.3 適合使用膨潤土改良的地層（1） 細(xì)粒含量少的土體 根據(jù)國內(nèi)外眾多的施工經(jīng)驗(yàn)，在土壓平衡式盾構(gòu)施工中，為了使開挖下來的渣土具有一定的流動(dòng)性和止水性，保證盾構(gòu)機(jī)的正常推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)壓力艙內(nèi)的土體必須保證一定含量的微細(xì)顆粒，有相關(guān)資料顯示這種微細(xì)顆粒的含量應(yīng)該在35%以上。所以膨潤土泥漿適用于細(xì)料含量少的中粗砂土、砂礫土、卵石漂石地層等等，主要原因就在于膨潤土泥漿能夠補(bǔ)充砂礫土中相對(duì)缺乏的微細(xì)粒含量，提高和易性、級(jí)配性，從而可以提高其止水性。（2） 透水性高的土體 膨潤土泥漿這種添加材料適用于高透水性的土體，這主要是因?yàn)樵谕杆暂^低的地層中，膨潤土泥漿相對(duì)難以滲入土體并填充孔隙，滲入的距離短因此難以和土體廣范圍結(jié)合從而包裹土體顆粒。土體的低透水性最終導(dǎo)致土顆粒周圍的低滲透性的膨潤土泥膜非常難以形成。 會(huì)展中心站黃河?xùn)|路站區(qū)間風(fēng)井始發(fā)后進(jìn)入全斷面砂層，砂層地質(zhì)細(xì)粒含量少，土體摩擦很大，透水性也很高。所以本工程是非常適合使用膨潤土進(jìn)行土體改良。3.4 膨潤土漿液的作用在會(huì)黃區(qū)間全斷面砂層中掘進(jìn)選擇膨潤土作為渣土改良劑可提高砂土的含量，補(bǔ)充土體的微細(xì)粒組成成份，使土體的內(nèi)摩擦角變小，增加開挖土體的流動(dòng)性和不透水性，主要作用如下：（1）降低土體的滲透系數(shù)，使其具有良好的止水性，以控制地下水的流失。（2）可有效的提高土體的保水性，防止渣土的離析、沉淀和板結(jié)。（3）使渣土具有較好土壓平衡效果，有利于開挖面，控制地表沉降。（4）使土體有較低的內(nèi)摩擦角，降低刀盤扭矩，減少對(duì)刀盤和螺旋輸送機(jī)的磨損。（5）使切下來的渣土順利快速的進(jìn)入土艙，并利于螺旋機(jī)順利排土，提高掘進(jìn)速度。3.5 膨潤土漿液使用配比研究3.5.1 膨潤土漿液的配比研究 通過對(duì)掘進(jìn)過程中各項(xiàng)參數(shù)及出渣效果研究發(fā)現(xiàn)，采用膨潤土漿液進(jìn)行渣土改良的效果有： （1）渣土粘性、和易性明顯增大，但渣土也明顯變得更稀，對(duì)渣土的改良效果較差；（2）相同的摻入量，水土比越大，渣土和易性越好，對(duì)渣土的稀釋作用越小。在富水砂層中掘進(jìn)采用膨潤土對(duì)渣土進(jìn)行改良，能有效降低刀盤扭矩，改善渣土的和易性。3.5.2 膨潤土漿液與渣土配比研究通過膨潤土漿液與渣土的配比實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)施工如何使用膨潤土漿液。按比例1：7配制出來的土樣為可塑狀、流動(dòng)性大；按比例1：9配制出來的土樣為可塑狀、有少許流動(dòng)性；按比例1：10，配制出來的土樣為可塑性、即不可流動(dòng)性又干土樣。由上述幾種配比可知，漿液與粉質(zhì)粘土較為合適的配比為1：9。此外，實(shí)驗(yàn)時(shí)還在膨潤土漿液中加入少許泡沫劑，改良效果更好，盾構(gòu)每掘進(jìn)一環(huán)理論出土量為46m3，在中細(xì)砂掘進(jìn)一環(huán)使用膨潤土漿液為11.5m3。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況每環(huán)使用膨潤土漿液為68m3。4膨潤土漿液在實(shí)際施工中的使用本工程使用的海瑞克盾構(gòu)機(jī)上配備了膨潤土漿液注入系統(tǒng)，膨潤土系統(tǒng)主要包括：1個(gè)4m3的膨潤土罐，1臺(tái)膨潤土螺桿型注射泵， 流量為10m3/h，分四條管路注入土艙內(nèi)，土艙內(nèi)設(shè)有四個(gè)出漿孔，能夠保證膨潤土能夠均勻的注射到切削面。由于膨潤土漿液用量較大，更簡(jiǎn)便快捷的使用膨潤土漿液成為施工能夠順利開展的前提條件。首先在風(fēng)井處修砌一個(gè)容量約300m3的膨潤土漿液池，由于膨潤土漿液剛攪拌出來改良砂層土體不理想，放置24個(gè)小時(shí)后有更好的改善效果，所以將膨潤土池平均分為兩部分，一部分為新漿調(diào)制池，另一部分為放置24小時(shí)后的漿液作為盾構(gòu)掘進(jìn)使用，膨潤土漿液池容量可滿足24小時(shí)內(nèi)掘進(jìn)20環(huán)的施工需求。膨潤土漿液池通過鍍鋅鋼管連接盾構(gòu)機(jī)備用管路，最后用膠皮管引入盾構(gòu)機(jī)上膨潤土罐內(nèi)。地面用22KW的泥漿泵進(jìn)行供給。盾構(gòu)機(jī)操作室內(nèi)配備電話與膨潤土攪拌站直接相連接，保證地上地下的及時(shí)溝通，做到了信息化施工，使地面膨潤土攪拌站能夠及時(shí)迅速的供給膨潤土漿液，滿足了快速均勻連續(xù)的施工要求。5 膨潤土漿液實(shí)際使用的效果本工程在全斷面砂層中掘進(jìn)使用膨潤土改良土體的措施解決了推進(jìn)速度緩慢，推進(jìn)一環(huán)的時(shí)間過長，刀盤扭矩偏大，超挖嚴(yán)重的現(xiàn)象。膨潤土不僅可以有效改良砂層土體，防止超挖現(xiàn)象嚴(yán)重引起的地面過大的沉降，而且形成的“泥膜”也可以穩(wěn)固富水砂層的流動(dòng)性，減小發(fā)生噴涌的可能性，同時(shí)同步注漿也可以順利的注入，更進(jìn)一步減小了地面的沉降量。在工期短，施工質(zhì)量要求高的前提下，全斷面高壓富水砂層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)使用膨潤土漿