地鐵盾構(gòu)渣土改良研究報(bào)告

1、盾構(gòu)渣土改良研究報(bào)告北京地鐵8號(hào)線天橋站永定門(mén)外站第I頁(yè)共ii頁(yè)目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 渣土改良研究現(xiàn)狀 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1 渣土改良的原因 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 渣土改良的作用及目的 41.2.1 渣土改良的作用 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.2.2 渣土改良要達(dá)到的狀態(tài) 4 HYPERLINK l

2、bookmark16 o Current Document 1.3 常用的土體改良劑 51.3.1 界面活性材料類 6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.3.2 礦物類 9 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.3.3 高分子類聚合物 11 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.3.4 分散劑 13 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1.3.5 水 13 HYPERLINK l bookmar

3、k26 o Current Document 1.3.6 不同渣土改良劑比較 13 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 1.4 渣土改良劑添加部位 14 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 渣土改良應(yīng)用實(shí)例 15 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.1 無(wú)水砂卵石地層 15 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 北京地鐵 4 號(hào)線 20 標(biāo) 15 HYPERLINK l bookmark36 o Cur

4、rent Document 北京地鐵 10 號(hào)線 2 期 15 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2.1.3 北京地鐵 10 號(hào)線（蓮花橋六里橋） 15 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.1.4 北京地鐵 4 號(hào)線（動(dòng)物園站雙榆樹(shù)站） 16 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2.1.5 北京地鐵 5 號(hào)線試驗(yàn)段 17 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 2.1.6 北京地鐵 4 號(hào)線角門(mén)北路站北

5、京南站 17 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 2.1.7 北京地鐵 9 號(hào)線豐臺(tái)東大街站豐臺(tái)北路站 18 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 2.1.8 北京地鐵 7 號(hào)線達(dá)官營(yíng)站廣安門(mén)內(nèi)站區(qū)間 18 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 2.1.9 無(wú)水砂卵石地層渣土改良應(yīng)用小結(jié) 18 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 2.2 富水砂卵石地層 19 HYPERLINK l bookmark54 o

6、Current Document 2.2.1 北京地鐵九號(hào)線六標(biāo) 19 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 成都地鐵一號(hào)線 19 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 2.2.3 長(zhǎng)沙地鐵 2 號(hào)線（體育公園長(zhǎng)沙大道） 20 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 2.2.4 富水砂卵石地層渣土改良應(yīng)用小結(jié) 21 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 2.3 粉質(zhì)黏土、粉土層 21 HYPERLINK l boo

7、kmark64 o Current Document 2.4 全斷面砂層 21 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 2.4.1 西安地鐵一號(hào)線二標(biāo) 21 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 哈爾濱地鐵一號(hào)線（程哈東站南直路站） 22 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 2.4.3 廣州地鐵 3 號(hào)線（珠江新城站客村站） 22 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 不同地層渣土改良劑選用 24 HYPERLI

8、NK l bookmark74 o Current Document 軟土地層 24 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 砂卵石地層 24 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 砂性土地層 25 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 硬巖地層 26 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 富水地層 26 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 3.6 總結(jié) 26 HYP

9、ERLINK l bookmark86 o Current Document 北京地鐵八號(hào)線三期 05 標(biāo)渣土改良 28第I頁(yè)共II頁(yè)第 II 頁(yè) 共 II 頁(yè) TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 工程概況 28 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 4.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)概況 28 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 4.2.1 工程地質(zhì) 284.2.2 水文地質(zhì) 31 HYPERLINK l bookmark96 o

10、Current Document 4.2.3 縱斷面工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況 32 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 4.3 改良對(duì)象和添加劑的確定 32 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 4.4 渣土改良試驗(yàn)內(nèi)容 32 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 4.4.1 室內(nèi)試驗(yàn) 32 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 4.4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 33 HYPERLINK l bookmark106 o

11、 Current Document 4.4.3 試驗(yàn)方案 33 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 4.5 本標(biāo)段渣土改良總結(jié) 35第 頁(yè) 共 35 頁(yè)渣土改良研究現(xiàn)狀1.1 渣土改良的原因渣土改良就是通過(guò)盾構(gòu)配置的專用裝置向刀盤(pán)面， 土艙內(nèi)或螺旋輸送機(jī)內(nèi)注 入水、泡沫、膨潤(rùn)土、高分子聚合物等添加劑，利用刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)攪拌、土艙攪拌 裝置或者螺旋輸送機(jī)選擇攪拌使添加劑與土渣混合， 使盾構(gòu)切削下來(lái)的渣土具有 好的流塑性、合適的稠度、 較低的透水性和較小的摩阻力。 進(jìn)行渣土改良的原因：1）土壓平衡式盾構(gòu)的基本原理通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)， 在刀盤(pán)旋

12、轉(zhuǎn)的同時(shí)， 安裝在刀盤(pán)面上的切 削刀具切入土中并將土體切割撕裂； 刀盤(pán)切削的渣土通過(guò)刀盤(pán)上的開(kāi)口部分?jǐn)D壓 進(jìn)入并填滿土艙，土艙內(nèi)的渣土在土艙壁的加壓作用下與刀盤(pán)前方的水土壓力保 持平衡，使得開(kāi)挖面保持穩(wěn)定狀態(tài)； 同時(shí)，利用螺旋輸送機(jī)將土艙內(nèi)的部分渣土 排出，并使得排出土量與盾構(gòu)掘削土量維持平衡。2）土壓平衡盾構(gòu)渣土的作用及性狀 土壓平衡盾構(gòu)維持工作面穩(wěn)定的介質(zhì)為渣土。 土壓平衡式盾構(gòu)施工中開(kāi)挖出 來(lái)的土體充滿刀盤(pán)和隔板之間的壓力倉(cāng)， 一方面開(kāi)挖土作為支撐開(kāi)挖面穩(wěn)定的介 質(zhì)，其土性對(duì)開(kāi)挖面的穩(wěn)定起著決定性的作用。 另一方面， 它有源源不斷地由螺 旋輸送機(jī)向外排出， 它的土性好壞直接影響著出土的順

13、利與否。 為維持土艙內(nèi)土 壓力的穩(wěn)定和方便渣土的排出， 土艙內(nèi)的渣土應(yīng)該具有可塑性強(qiáng)、 流動(dòng)性好、 密 度低、內(nèi)摩擦小、滲水性弱的特征。如果地層是相似于淤泥質(zhì)黏土層的話，只要在壓力艙內(nèi)通過(guò)旋轉(zhuǎn)翼板攪拌， 就可滿足這種狀態(tài)順利進(jìn)行施工。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)挖出來(lái)的泥土不具有以上特性： 在有的情況下，有的渣土流動(dòng)困難，易壓實(shí)固結(jié)，產(chǎn)生泥餅或泥團(tuán)，因此要求刀 盤(pán)具有較大的扭矩， 以確保渣土?xí)沉鳠o(wú)阻； 另外在透水性土層中， 在水的作用下， 渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)排出無(wú)法形成有效的壓力遞減，土艙內(nèi)的土壓力難以穩(wěn) 定所以土壓平衡盾構(gòu)自身對(duì)地層的適應(yīng)范圍相對(duì)較窄。3）渣土不良帶來(lái)的施工困難 北京地鐵盾構(gòu)隧道的工程實(shí)踐和

14、國(guó)內(nèi)外諸多施工實(shí)例表明， 土壓平衡式盾構(gòu) 施工成功的關(guān)鍵就是要將從開(kāi)挖面上切削下來(lái)的土體在壓力倉(cāng)內(nèi)調(diào)整成一種比 較理想的狀態(tài)， 使土體的性質(zhì)滿足一定的基本條件后， 盾構(gòu)開(kāi)挖和排土才能順利 地進(jìn)行。 當(dāng)開(kāi)挖土的狀態(tài)不能滿足這一要求時(shí)， 就會(huì)給施工帶來(lái)困難， 這種施工 困難主要表現(xiàn)為以下幾種：刀具磨耗嚴(yán)重 隨著盾構(gòu)法在國(guó)內(nèi)地鐵施工中的廣泛使用，刀具磨損已經(jīng)成為一個(gè)影響盾構(gòu) 隧道施工質(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵問(wèn)題。刀盤(pán)作為盾構(gòu)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，在地下掘進(jìn) 過(guò)程中會(huì)遇到各種不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等，刀盤(pán)在一定 轉(zhuǎn)速和壓力條件下進(jìn)行地下挖掘，刀具要承受非常高的工作壓力和溫度，惡劣的 工作條件會(huì)降

15、低刀具的使用壽命。特別是在砂卵石地層，盾構(gòu)刀具往往磨損嚴(yán)重，容易破損、脫落，經(jīng)常導(dǎo)致 工程事故的發(fā)生，給整個(gè)工程的工期、造價(jià)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，甚至威脅人的生命。 這種情況在北京地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)中普遍存在， 在北京地鐵 9號(hào)線 06標(biāo)段軍事博物館 站東釣魚(yú)臺(tái)站區(qū)間，盾構(gòu)從世紀(jì)壇始發(fā)并向北掘進(jìn)不到 200m 的檢查井中發(fā)現(xiàn)： 整個(gè)刀盤(pán)上的刀具磨損非常嚴(yán)重，必須重新購(gòu)買，全部更換。在北京地鐵 9 號(hào)線 02 標(biāo)段豐科區(qū)間、地鐵 10 號(hào)線二期 11 標(biāo)西六區(qū)間和 17 標(biāo)段火終區(qū)間盾 構(gòu)掘進(jìn)幾百米后發(fā)現(xiàn)整個(gè)刀盤(pán)上的刀具磨損非常嚴(yán)重，必須更換。因此，研究如何減小盾構(gòu)刀盤(pán)的磨損對(duì)延長(zhǎng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)距離，提高盾構(gòu)機(jī)

16、的 工作效率具有重要意義。而選用合適的土體改良劑可以對(duì)刀具起到一定的潤(rùn)滑和 冷卻作用，并且改善土體的流塑性，使之切削成流動(dòng)型，減少對(duì)刀盤(pán)面板和刀具 的磨損，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。刀盤(pán)及壓力倉(cāng)的結(jié)餅和閉塞 壓力倉(cāng)結(jié)餅是由于開(kāi)挖土缺乏流動(dòng)性，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)壓力的作用和較高的溫 度環(huán)境下，在壓力倉(cāng)內(nèi)發(fā)生壓密、固結(jié)排水，形成堅(jiān)硬“泥餅”的現(xiàn)象。通常在 可塑、硬塑狀的粘土類地層、粘土質(zhì)砂土地層、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、母巖為花崗 巖的殘積土層、全風(fēng)化巖層和強(qiáng)風(fēng)化巖層等黏土礦物含量超過(guò) 25%的地層中極易 形成泥餅，并且隨著礦物含量的增加，相同施工設(shè)備和工藝的條件下，泥餅形成 的可能性將增加。壓力艙內(nèi)發(fā)生結(jié)餅后如果

17、沒(méi)有其它補(bǔ)救措施，則這種泥餅將不 斷擴(kuò)散進(jìn)而使整個(gè)壓力艙發(fā)生堵塞，導(dǎo)致刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩過(guò)大，開(kāi)挖困難或無(wú)法進(jìn)行，引發(fā)刀盤(pán)主軸承溫度過(guò)高，甚至出現(xiàn)主軸承損壞的嚴(yán)重后果。壓力艙閉塞是由于開(kāi)挖土體在壓力艙成拱，使盾構(gòu)機(jī)不能正常出土，進(jìn)而土 體壓實(shí)充滿壓力倉(cāng)， 而缺乏流塑性的土體又使攪拌翼的阻力上升， 加大刀盤(pán)扭矩， 引起施工困難。壓力艙內(nèi)土體成拱后，若盾構(gòu)施工繼續(xù)推進(jìn)，土體會(huì)進(jìn)一步壓縮， 導(dǎo)致拱作用更加劇烈。北京地鐵 9 號(hào)線 04 標(biāo)豐六盾構(gòu)區(qū)間和 10 號(hào)線二期 11標(biāo)西六盾構(gòu)區(qū)間采 用土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，由于壓力艙內(nèi)的結(jié)餅和閉塞等導(dǎo)致艙內(nèi)的壓力失控， 造成地面隆起和扭矩上升，甚至無(wú)法掘進(jìn)，必須停機(jī)開(kāi)

18、倉(cāng)，采用人工豐鎬破除， 嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。豐六盾構(gòu)區(qū)間由于結(jié)餅不得不停機(jī)開(kāi)艙處理。然而由此 引發(fā)了地面塌陷等問(wèn)題，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。土壓平衡很難建立 由于有些地層的塑流性較差，設(shè)定的工作壓力不能順利地傳遞到開(kāi)挖面，不 易實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)態(tài)平衡，使開(kāi)挖面穩(wěn)定難以保持，導(dǎo)致地表隆沉幅度增大。螺旋排土器出口處的噴涌土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在砂礫層等強(qiáng)透水層地基施工時(shí)， 開(kāi)挖面過(guò)高的水壓力會(huì) 導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)出口發(fā)生地下水大量流失， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生涌水、 涌砂和掌 子面失穩(wěn)問(wèn)題，影響掘進(jìn)效率。電流消耗過(guò)大和發(fā)生卡機(jī)事件 由于刀具、刀盤(pán)與土體間的摩擦因數(shù)大，因此，扭矩及推力也相應(yīng)的增大， 造成電流消耗過(guò)

19、大，油壓增大，甚至發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障的現(xiàn)象。若開(kāi)挖面不能保持平 衡，開(kāi)挖面前上方發(fā)生坍塌，或遇到卵石塊較多的情況，就會(huì)發(fā)生卡機(jī)事件，使 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)不能轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，為擴(kuò)大土壓平衡盾構(gòu)機(jī)對(duì)地層的適應(yīng)范圍， 必須采用土體改良技術(shù)來(lái) 對(duì)開(kāi)挖后的渣土進(jìn)行改良， 使其具有上述特性。 根據(jù)地層情況， 向開(kāi)挖土艙內(nèi)注 入泡沫、粘土或添加劑，進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，使渣土具有可塑性和不透水性，螺旋機(jī) 排土順暢， 土艙內(nèi)的壓力容易控制和穩(wěn)定， 并減少刀盤(pán)功率消耗。 土體改良技術(shù) 作為土壓平衡盾構(gòu)法施工的一個(gè)重要組成部分， 對(duì)盾構(gòu)法隧道的發(fā)展有著深遠(yuǎn)影 響，縱觀目前國(guó)內(nèi)各盾構(gòu)的使用工況，不難發(fā)現(xiàn)，土體改良技術(shù)的應(yīng)用情況，對(duì) 降低工

20、程造價(jià)和提高工程施工進(jìn)度都有著決定性作用。渣土改良的作用及目的 1.2.1 渣土改良的作用 在盾構(gòu)施工中尤其是在復(fù)雜地層及特殊地層盾構(gòu)施工中進(jìn)行，渣土改良是保 證盾構(gòu)施工安全順利快速的一項(xiàng)不可缺少的重要技術(shù)手段，其主要作用如下：1）提高土艙內(nèi)渣土的抗?jié)B透能力，避免開(kāi)挖面因排水固結(jié)而造成較大的地 表沉降或坍塌事故，也可防止或減輕螺旋輸送機(jī)排土?xí)r的噴涌現(xiàn)象；2）降低土艙內(nèi)渣土以及開(kāi)挖面土體的內(nèi)摩擦角，減少渣土對(duì)刀盤(pán)刀具的磨 損，降低刀盤(pán)扭矩，提高盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率；3）降低土艙內(nèi)渣土以及開(kāi)挖面土體的黏聚力，提高土艙內(nèi)渣土的可塑性， 防止渣土粘附在刀盤(pán)上結(jié)成泥餅；4）提高土艙內(nèi)渣土的和易性，使切削下來(lái)的

21、渣土順利快速進(jìn)入土艙并利于 螺旋輸送機(jī)順利排土；5）使渣土具有較好的土壓平衡效果， 使盾構(gòu)機(jī)前方土壓計(jì)反映的土壓數(shù)值更 加準(zhǔn)確，利于穩(wěn)定開(kāi)挖面控制地表沉降；6）冷卻，適當(dāng)降低刀盤(pán)刀具的工作溫度。1.2.2 渣土改良要達(dá)到的狀態(tài)為保證土艙內(nèi)渣土能順利排出，渣土需具有塑性流動(dòng)狀態(tài)，也即流塑性。1）從土力學(xué)角度分析，土艙內(nèi)渣土的流塑性，包括以下三個(gè)方面： 土體不易固結(jié)排水。當(dāng)推力通過(guò)隔板傳遞到土艙內(nèi)時(shí)， 如果土艙內(nèi)土體迅速排水固結(jié)， 就會(huì)在土 艙內(nèi)形成固結(jié)土餅， 土水分離會(huì)影響土艙內(nèi)土體的循環(huán)和排土， 因此土體要保持 不易固結(jié)排水的狀態(tài)。土體處于塑性流動(dòng)狀態(tài)。 土艙內(nèi)的土體應(yīng)具有高含水率、 強(qiáng)度較低

22、而易于翼板攪拌的特性。 這一特性 可保證土體受到擠壓時(shí)向螺旋輸送機(jī)內(nèi)發(fā)生塑性流動(dòng)而順利完成排土， 形成所謂 的“擠牙膏”效應(yīng)。土體具有不透水性。 只有壓力倉(cāng)的土體具有足夠的不透水性，才能保證維持開(kāi)挖面上的水壓力，同時(shí)也能防止排土口發(fā)生“噴涌”現(xiàn)象2）壓力倉(cāng)內(nèi)土體的塑性流動(dòng)狀態(tài)由以下指標(biāo)進(jìn)行衡量：坍落度T、抗剪強(qiáng)度t、滲透系數(shù)k和壓縮系數(shù)av。坍落度 T土艙內(nèi)土體的流動(dòng)性直接決定了螺旋輸送機(jī)的排土狀態(tài)。 如果土體的流動(dòng)性 較好，螺旋輸送機(jī)的排土量就容易控制， 從而可以較好的控制開(kāi)挖面的穩(wěn)定。 一 般對(duì)于土艙內(nèi)土體的流動(dòng)性可以用坍落度來(lái)衡量， 現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)表明： 土體的坍 落度在1620cm范圍時(shí)

23、，可認(rèn)為其滿足塑性流動(dòng)狀態(tài)的要求。滲透系數(shù) k 在滲透性方面，開(kāi)挖土體的滲透系數(shù)越小，則對(duì)盾構(gòu)施工中“噴涌”防治效果越好，一般認(rèn)為要想避免盾構(gòu)中“噴涌”問(wèn)題的發(fā)生，開(kāi)挖土體的滲透系數(shù)要 小于1.0 l0-5cm/s,工程上滲透系數(shù)達(dá)到1.0 0-5cm/s是一個(gè)上限?？辜魪?qiáng)度 t土體的抗剪強(qiáng)度對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖及磨耗有著直接的影響。 黏聚力、內(nèi)摩擦角是土 體的強(qiáng)度參數(shù)， 在避免盾構(gòu)施工過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)泥餅問(wèn)題時(shí)， 開(kāi)挖土體的黏聚力是 主要影響參數(shù)， 土體黏聚力越大， 越容易結(jié)泥餅； 在避免盾構(gòu)施工過(guò)程中出現(xiàn)的 閉塞問(wèn)題、 刀盤(pán)刀具的磨損問(wèn)題時(shí)， 開(kāi)挖土體的內(nèi)摩擦角是主要影響參數(shù)， 土體 內(nèi)摩擦角越小， 則

24、對(duì)閉塞的防治效果越好。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外的施工經(jīng)驗(yàn)， 開(kāi)挖土體的 抗剪強(qiáng)度小于25kPa時(shí)，強(qiáng)度性質(zhì)已經(jīng)達(dá)到了塑性流動(dòng)狀態(tài)的要求。壓縮系數(shù) av土艙內(nèi)土體壓縮系數(shù)也是預(yù)防盾構(gòu)機(jī)結(jié)泥餅的關(guān)鍵參數(shù)， 土艙內(nèi)渣土的壓縮 系數(shù)越大，則盾構(gòu)施工時(shí)越不易結(jié)泥餅的發(fā)生。所以一般，土體坍落度T在1220cm之間、滲透系數(shù)k小于1.0 Q5cm/s、 抗剪強(qiáng)度t小于25kPa開(kāi)挖土體的壓縮系數(shù) av大于0.1MPa-1 （壓力范圍取值 100kPa200kPa時(shí)，即可滿足盾構(gòu)施工的需要。常用的土體改良劑第 頁(yè)共35頁(yè)良好的渣土能有效降低刀盤(pán)磨損、增加開(kāi)挖面穩(wěn)定并使排土順暢、降低扭矩 及推力。在盾構(gòu)施工中，常用的渣土改

25、良材料有：界面活性材料類、礦物類、高 分子聚合物類和水。1.3.1界面活性材料類界面活性類材料主要是注入用特殊發(fā)泡劑和壓縮空氣制作的氣泡。由于經(jīng)泡沫調(diào)節(jié)后的土壤具有良好的流動(dòng)性和塑性以及防水滲透性，所以泡沫劑的使用擴(kuò)大了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適宜開(kāi)挖的土壤范圍。目前，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)大都配備了泡沫系統(tǒng)，泡沫也成為渣土改良必不可少的添加劑。1）泡沫的作用原理泡沫是發(fā)泡液（表面活性劑）和壓縮空氣經(jīng)過(guò)發(fā)泡裝置產(chǎn)生的，作為主要成 分的發(fā)泡劑是由聚合而成的長(zhǎng)鏈分子構(gòu)成的， 含有憎水基和親水基，當(dāng)表面活性 劑加入液體中，其吸附在固體一液體、液體一氣體及液體一液體分界面上，如圖 所示1-1。25水奩面活性劑圖i-i發(fā)

26、泡劑長(zhǎng)鏈分子/ / / / / 7 /電才性團(tuán)悻6da5d6d66d當(dāng)水的表面覆蓋一層表面活性劑時(shí)， 其憎水基與空氣接觸，從而減小了水的 表面張力，表面張力的減小增加了潤(rùn)滑作用；由于結(jié)合水的流動(dòng)使得原先被結(jié)合 水束縛的土顆?？梢宰杂闪鲃?dòng)；表面活性劑吸附在土體內(nèi)的微小裂縫的表面， 增 加裂縫的深度，減弱微小裂縫愈合的能力，增強(qiáng)擴(kuò)散能力，并使得土顆粒帶有相 同的電荷而相互排斥而分開(kāi)，防止土粒粘附，粘土進(jìn)入泡沫后快速絮結(jié)成小片狀， 并失去自粘能力，并在絮結(jié)物表面電荷的斥力下無(wú)法進(jìn)一步抱結(jié)成團(tuán)塊。圖1-2加入泡沫的土體示意圖o 土胃拉o氣泡2）泡沫的作用化學(xué)泡沫的重要作用包括：黏性土地基中，泡沫起著界

27、面活性劑分散的作用，可有效防止開(kāi)挖土附著 于刀盤(pán)上和土壓室內(nèi)壁，防止出現(xiàn)泥餅現(xiàn)象，使掘進(jìn)工作順利地進(jìn)行；砂性土和砂礫土地基中，泡沫的支承作用使開(kāi)挖土的流動(dòng)性提高， 土壓室 內(nèi)泥土不會(huì)產(chǎn)生擁堵，刀盤(pán)及螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩減小， 刀具磨損減小，從而 有利于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)；在硬巖隧道施工中降低粉塵的發(fā)生量， 發(fā)揮良好的潤(rùn)滑作用，使開(kāi)挖土塑 形流動(dòng)，并提供其止水性；泡沫混合土具有一定的彈性，其可壓縮性使開(kāi)挖面的土壓力波動(dòng)減小， 在 不影響開(kāi)挖面穩(wěn)定的同時(shí)保證順利掘進(jìn)；加入泡沫的混合土體的密實(shí)度有較大的變化， 泡沫置換了渣土中的一部分 土顆粒和水分，使得混合土體密度減小，提高了土的止水性，能較容易地開(kāi)挖地

28、下水位較高的砂礫土地基，而且可以有效地防止螺旋輸送機(jī)泥水噴涌， 同時(shí)一定 程度上減小了顆粒之間的接觸，起到一定的潤(rùn)滑作用，降低了接觸面的粗糙度，使摩擦系數(shù)降低，減少土壤在刀盤(pán)、螺旋輸送機(jī)、運(yùn)輸帶的磨損，使土體易于分 離、運(yùn)輸，同時(shí)降低磨損成本。3）泡沫工法的優(yōu)點(diǎn)泡沫新工法的諸多優(yōu)點(diǎn)自然而然地代替了以往向掘削面和土艙內(nèi)加注泥材 的工法。泡沫已成為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)渣土改良必不可少的添加劑。泡沫工法迅速取代以往的加泥材方法，自然有它的很多優(yōu)點(diǎn)，具體如下：泡沫劑是一種無(wú)色無(wú)毒無(wú)味的工業(yè)制劑， 避免了隧洞內(nèi)外的污染， 有助于 保持良好的工作環(huán)境；泡沫注入設(shè)備和制作設(shè)備比加泥設(shè)備規(guī)模小，設(shè)備布置、安裝更便利

29、；排出土中的泡沫在短時(shí)間內(nèi)會(huì)逐漸消除， 另外由于泡沫中的特殊發(fā)泡材料 是少量的， 因此排出的渣土很快就可以恢復(fù)到注入泡沫前的狀態(tài)， 渣土處理問(wèn)題 容易解決；當(dāng)盾構(gòu)施工通過(guò)透水性較強(qiáng)的砂土、 含有少量粘土、 粉砂細(xì)屑的礫石層或 透水性較強(qiáng)的風(fēng)化花崗巖地層時(shí)， 使用泡沫劑進(jìn)行渣土改良的效果明顯優(yōu)于應(yīng)用 膨潤(rùn)土泥漿。4）泡沫工法的缺點(diǎn)泡沫并非每一種土質(zhì)都是適用的， 它適用于細(xì)顆粒土層中， 一般而言， 在 滲透系數(shù)超過(guò) 10-5m/s 的較粗顆粒土層中不適用，粗顆粒土層孔隙較大，氣泡不 易充分填充， 無(wú)法達(dá)到減小其滲透系數(shù)的作用， 泡沫劑在富水的地層中并不能很 好地抑制水分，難以有效填充顆粒間的孔隙，

30、渣土改良效果一般；泡沫的發(fā)泡效果非常重要，需要經(jīng)常檢查，保證泡沫劑充分發(fā)泡；但是泡沫劑發(fā)泡需要很大的氣體壓力， 如果向土艙內(nèi)注入， 則會(huì)引起土壓 力突然增大、螺旋機(jī)噴涌等現(xiàn)象，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)操作造成一定的影響。5）泡沫的參數(shù) 泡沫劑是一種無(wú)色無(wú)毒無(wú)味的粘稠狀工業(yè)制劑，泡沫的組成比例一般如下： 泡沫溶液的組成： 5%7%泡沫劑，水 93%95%；泡沫組成： 90%95%壓縮空氣和 510%泡沫溶液混合而成。發(fā)泡率 發(fā)泡率，又稱“泡沫倍數(shù)”，指一定質(zhì)量發(fā)泡劑溶液所產(chǎn)生的泡沫體積與原液體體積之比， 是衡量泡沫劑質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)， 在同樣情況下， 發(fā)泡率越高， 等量泡沫劑產(chǎn)生的泡沫越多，說(shuō)明其具有高效性

31、。穩(wěn)定性泡沫材料作用的土體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 泡沫改良土體的作用僅要求從開(kāi)挖面到 螺旋輸送機(jī)出口這段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中， 所以泡沫的穩(wěn)定性如何將直接關(guān)系到改良效果 的持續(xù)時(shí)間。 發(fā)泡率與生成泡沫的穩(wěn)定性二者是相互影響的， 較高的發(fā)泡率是犧第 8 頁(yè) 共 35 頁(yè)第 頁(yè)共35頁(yè)牲泡沫穩(wěn)定性為代價(jià)的。注入率泡沫劑量的注入率Y=注入泡沫總量/開(kāi)挖渣土的容積，根據(jù)地質(zhì)的不同有所 不同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和至今的實(shí)績(jī)綜合考慮，注入率丫的估算公式為：Y(%)=a260-4 D0.880 -3.3 E0.890-2.7 F0.8其中，丫一一泡沫注入率，當(dāng)計(jì)算值小于 20%時(shí)，取為20%；D 0.075mm粒徑的通過(guò)百分率，當(dāng)

32、4 D0.860時(shí)，取4 D0.8=60 ；E 0.42mm粒徑的通過(guò)百分率，當(dāng)3.3 E0.8 80時(shí)，取3.3 E.8=80 ；F 2mm粒徑的通過(guò)百分率，當(dāng)2.7 F0.890時(shí)，取2.7 F0.8 =90 ；a由均粒系數(shù)決定的系數(shù)，當(dāng) 乂：4時(shí)，a=1.6；當(dāng)4 215時(shí)，a=1.2 ；當(dāng)Vc 15時(shí)，a=1.0。在一般情況下泡沫的注入率的最小值為 20%當(dāng)渣土較黏時(shí)，為防止產(chǎn)生泥 餅或堵倉(cāng)，泡沫的注入率最小不小于 30%在實(shí)際施工過(guò)程中，泡沫的注入率要 根據(jù)掘進(jìn)期間對(duì)渣土的觀察來(lái)做相應(yīng)的調(diào)整。發(fā)泡劑濃度發(fā)泡劑濃度X=S沫系統(tǒng)中所需發(fā)泡劑的流量/泡沫系統(tǒng)中水泵的流量根據(jù)泡沫劑生產(chǎn)商的不

33、同，泡沫劑成分有所不同，一般泡沫劑濃度根據(jù)開(kāi)挖 土體的顆粒級(jí)配、不均勻系數(shù)、掘進(jìn)速度、掘進(jìn)的推力和扭矩的具體情況進(jìn)行調(diào) 整。一般渣土流動(dòng)性不好適當(dāng)增加泡沫劑濃度，渣土如果稀要適當(dāng)提高發(fā)泡率，發(fā)泡率越高渣土?xí)礁梢恍?。泡沫的濃度和發(fā)泡率要視渣土和刀盤(pán)扭矩的實(shí)際情 況而定：當(dāng)渣土中的卵石含量較多或者刀盤(pán)扭矩一直很大時(shí)，泡沫濃度可以適當(dāng)調(diào)大，當(dāng)渣土的含砂量較多或者刀盤(pán)扭矩不高時(shí)，濃度可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)小，發(fā)泡率不變。1.3.2礦物類礦物類添加劑(也稱泥材)，主要包括膨潤(rùn)土、黏土、陶土等天然礦物。盾 構(gòu)施工中的經(jīng)驗(yàn)值是開(kāi)挖土中的微細(xì)顆粒必須達(dá)到35流右。若開(kāi)挖土體中的微細(xì)顆粒不足時(shí)，使用黏土、蒙脫土等作為添

34、加材料制成泥漿進(jìn)行補(bǔ)給，使土體的 內(nèi)摩擦角變小，提高土體的流動(dòng)性和止水性。礦物類添加劑主要是泥漿的形式， 其濃度和注入量根據(jù)開(kāi)挖土的級(jí)配、不均勻系數(shù)等確定?？墒?，這種改良劑需要 使用制泥設(shè)備和貯泥槽等大規(guī)模的設(shè)備； 另外，渣土由于呈泥狀而必須將其作為 工業(yè)廢棄物進(jìn)行處理，使用時(shí)要考慮環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。對(duì)其代表材料膨潤(rùn)土介紹如下：1）膨潤(rùn)土改良機(jī)理膨潤(rùn)土主要是由蒙脫石類礦物組成的非金屬黏土類礦物，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2個(gè)硅氧四面體晶片中夾一個(gè)鋁（鎂）氧八面體晶片組成，屬 2： 1型層狀硅酸鹽礦物，晶層中存在 極弱的鈉離子鍵，鈉離子本身半徑小，離子價(jià)低

35、，水很容易進(jìn)入單位晶層間，引 起晶格膨脹，吸水后形成一道不透水的防滲層； 鈉離子連接各層薄片，同時(shí)擠占 與之接觸的土顆粒之間的孔隙，在“阻塞”和“架橋 效應(yīng)的作用下，積聚于土 壤與泥水的接觸表面，形成不透水的可塑性膠體，從而形成泥膜，膨潤(rùn)土單位結(jié) 構(gòu)層間能吸附大量的水，層間距離大，膨脹率高。如圖1-3所示。圖1-3膨潤(rùn)土形成泥膜示意圖土壓平衡盾構(gòu)施工對(duì)加入的膨潤(rùn)土泥漿的一個(gè)基本要求就是它能夠形成“濾餅”，“濾餅”可以形成于土粒內(nèi)部或土粒之間，由膠結(jié)或固結(jié)的膨潤(rùn)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(guò)量的地下水壓力轉(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

36、進(jìn)中的地面塌陷至關(guān) 重要。2）膨潤(rùn)土的作用第 頁(yè) 共 35 頁(yè)膨潤(rùn)土具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能。膨潤(rùn)土可在工作面上形成低滲透性的泥膜， 有利于給工作面?zhèn)鬟f密封土艙 壓力，以平衡水土壓力；膨潤(rùn)土可改變密封土壓倉(cāng)內(nèi)渣土和易性， 提高砂性土塑性， 以便出土減少 噴涌；使泡沫、聚合物等在開(kāi)挖面不擴(kuò)散，改善刀盤(pán)、刀具、螺旋輸送機(jī)的工作 環(huán)境，減少磨損等作用。3）膨潤(rùn)土的優(yōu)點(diǎn)在泡沫不適用的土質(zhì)中， 例如中粗砂中， 中粗砂土的孔隙較大， 氣泡不易充 分填充，無(wú)法達(dá)到減小其滲透系數(shù)的作用。 膨潤(rùn)土在遇水膨脹后其體積可以達(dá)到 原來(lái)體積的數(shù) 10 倍，可以充填于土的空隙中改變土的滲透性，且

37、價(jià)格低廉。4）膨潤(rùn)土的缺點(diǎn)膨潤(rùn)土需要經(jīng)過(guò)12h以上的拌漿、運(yùn)輸及預(yù)膨脹的階段，因此，在施工平 面布置時(shí)， 要布置制泥設(shè)備和貯泥槽等大規(guī)模的設(shè)備， 這種方法的施工過(guò)程比較 麻煩，在用量大時(shí)會(huì)影響施工速度；渣土由于呈泥狀而必須將其作為工業(yè)廢棄物進(jìn)行處理， 使用時(shí)要考慮環(huán)境 保護(hù)問(wèn)題；膨潤(rùn)土易堵塞輸送管路。5）適用地層 膨潤(rùn)土通常用在破碎且滲透性大的地層。1.3.3 高分子類聚合物高分子聚合物是長(zhǎng)鏈分子有機(jī)化合物， 可單獨(dú)使用也可與膨潤(rùn)土及泡沫混合 使用。高分子聚合物對(duì)渣土改良可以起到立竿見(jiàn)影的效果， 但是價(jià)格很昂貴， 一 般僅作為輔助措施配合其它材料進(jìn)行渣土改良。1 ）高吸水性樹(shù)脂類由于高吸水性樹(shù)

38、脂吸水而不溶于水， 可以吸收自身質(zhì)量幾百倍的地下水成為 膠凝狀態(tài)，如圖 1-4所示。所以對(duì)防止高水壓地基的噴涌有很好的效果。樹(shù)脂填 充砂土的顆粒空隙，提高土體的流動(dòng)性。 在鹽分濃度高的海水區(qū)域或含有大量鐵、 銅等金屬離子的地基， 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性地基和化學(xué)加固區(qū)間等地基， 由于會(huì)發(fā)生一第 頁(yè)共35頁(yè)定的化學(xué)反應(yīng)，其吸水能力會(huì)大大降低圖1-4高吸水性樹(shù)脂類工作原理2）水溶性高分子類它與樹(shù)脂一樣是高分子化合物構(gòu)成的材料， 此類添加劑可以連接混合土中的 微小顆粒，在土粒之間形成絮狀凝聚物，使其發(fā)生粘結(jié)，可以減小內(nèi)摩擦角，提 高流動(dòng)性，具有可以使開(kāi)挖土體的黏性增大的效果， 泵送性好。在過(guò)去的盾構(gòu)施 工中很

39、多情況下都使用 CMC，但其渣土有時(shí)會(huì)成為泥糊狀而需要作為工業(yè)廢棄 物來(lái)處理。圖1-5水溶性高分子類作用機(jī)理示意圖例如，TAC高分子聚合物可對(duì)砂層進(jìn)行改良。該材料具有出色的親水性，能迅速吸收砂層中的水分，使砂層流動(dòng)性降低，轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉軤?，可以達(dá)到減小土 壤粘性的目的，土的和易性增強(qiáng)，流動(dòng)性加大。高分子材料附著于黏粒表面，增 粘效果顯著，在掌子面形成一層非常粘稠的泥膜，維持掌子面上土壓平衡。另外, 高分子聚合物能增加水的稠度、吸收渣土中的水并改善渣土的結(jié)構(gòu)， 對(duì)于防止噴 涌有一定效果。聚丙烯酸鈉（PAAS）,在廣州富水高粘性泥層中，為防止刀盤(pán)泥餅形成和改 善土艙內(nèi)渣土的和易性，使出渣更順暢，采用了

40、聚丙烯酸鈉添加劑，該添加劑還 可在巖層掘進(jìn)中使用。聚氧化乙烯（PEO）改良劑是水溶性和熱塑性的非離子型 線性高分子聚合物，具有絮凝、增稠、緩釋、潤(rùn)滑、分散、助留、保水等性能， 溶于水后形成高黏度液體，在廣州全斷面砂層中使用過(guò)，效果顯著。3）新型聚合物新發(fā)展的聚合物釋放土粒之間的水， 使泡沫較容易進(jìn)入土粒之間，增強(qiáng)土體 的流動(dòng)性和添加劑的功效。1.3.4分散劑用來(lái)改良高粘性土體，降低其粘附性，增加土體流動(dòng)性，被改良好的高粘性 土在含有砂性土體的復(fù)合地層中可同時(shí)起到對(duì)砂性土的改良作用； 若在盾構(gòu)掘進(jìn) 過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象，可用來(lái)處理泥餅。水水水最普通的添加劑，起到冷卻和潤(rùn)滑的作用，能在一定程度上降

41、低開(kāi)挖的 巖渣和滾刀溫度，減小刀具的磨損；適量注水可以稀釋泡沫、降低泡沫和聚合物 的用量。遇到較硬圍巖的情況下，渣土較干，流動(dòng)性不好，單純通過(guò)注人泡沫劑或膨 潤(rùn)土泥漿，難以達(dá)到理想的渣土改良效果， 這種情況下可以注人適量的水， 來(lái)進(jìn) 行渣土改良比較有效。向高粘性渣土中注水，可以在增加其流動(dòng)性的同時(shí)，降低 其粘著力，防止掘削土附著于刀頭或土艙內(nèi)壁上形成泥餅。但在采用此方法進(jìn)行渣土改良時(shí)，因渣土物理狀態(tài)不好，含水量大，出渣困 難，容易污染。這種方法比較經(jīng)濟(jì)，但是效果一般，在渣土改良要求不是很高的 地層可以使用。1.3.6不同渣土改良劑比較表1-1渣土改良劑比較種類代表材料原理作用優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用土質(zhì)界

42、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(rùn)滑、擴(kuò) 散、彈性特性便于渣土的流 動(dòng)和運(yùn)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(wú)污染，渣 土容易解 決；設(shè)備簡(jiǎn) 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(rùn)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 為一個(gè)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

43、存在環(huán)境 污染問(wèn)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(jiàn)影廢物處理； 價(jià)格昂貴無(wú)黏性土高吸水性 樹(shù)脂（環(huán) 氧樹(shù)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(jiàn)影酸堿地基、 化學(xué)加固 區(qū)不適宜； 價(jià)格昂貴高水位、 含水量高水一水可降溫，潤(rùn) 滑提高渣土的流 動(dòng)性、降低刀 盤(pán)溫度廉價(jià)，方便改良效果 一般，作為輔助材料土質(zhì)較 干，硬巖1.4渣土改良劑添加部位圖1-6刀盤(pán)上渣土改良劑注入口渣土改良劑注入位置分為土艙內(nèi)、刀 盤(pán)中心正面、刀盤(pán)邊緣、刀盤(pán)輻條側(cè)面及 螺旋輸送機(jī)

44、。由于注膨潤(rùn)土?xí)r注漿管的堵 塞問(wèn)題，刀盤(pán)前以泡沫和水為主。泡沫的 發(fā)泡效果非常重要，在開(kāi)倉(cāng)維修刀具或換 刀時(shí)也要檢查泡沫管路是否通暢。針對(duì)不 同地層，在不同位置注入不同的材料，可 實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的渣土改良功能。第 頁(yè) 共 35 頁(yè)渣土改良應(yīng)用實(shí)例2.1 無(wú)水砂卵石地層北京地鐵 4號(hào)線 20標(biāo)1）工程概況此標(biāo)段包括頤和園至北宮門(mén)盾構(gòu)區(qū)間、 北宮門(mén)車站、 北宮門(mén)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(guò)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(duì)砂卵石地層， 選用泡沫劑、 膨潤(rùn)土和冷卻水來(lái)改良土體， 在刀盤(pán)面板上 設(shè)計(jì)有 8 處泡沫及膨潤(rùn)土注射

45、裝置；土艙的倉(cāng)板上設(shè)計(jì)有攪拌翼，同時(shí)還有 4 個(gè)膨潤(rùn)土和泡沫注射口； 在螺旋輸送機(jī)的筒壁上有 8 個(gè)膨潤(rùn)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(rùn)土和冷卻水， 對(duì)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(hào)線 2期1）工程概況 北京地鐵十號(hào)線石榴莊路大紅門(mén)區(qū)間隧道穿過(guò)地層主要為： 卵石、圓礫 層、粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土1層、細(xì)中砂2層、卵石層和粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘 土1 層、細(xì)中砂 2 層。盾構(gòu)隧道截面下半部以卵石、圓礫為主，粒徑大約為 526.7mm。2）渣土改良方案選用泡沫作為土體改良劑。 實(shí)踐證明， 土體經(jīng)過(guò)泡沫的改良后， 盾構(gòu)的總推 力以及刀盤(pán)扭矩

46、明顯減小，也大大降低了刀盤(pán)在砂卵石地層中的磨損。北京地鐵 10號(hào)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：粉土層、粉質(zhì)黏 土1層、粉細(xì)砂3層；第四紀(jì)晚更新世沖洪積層：卵石層、中粗砂 1層、 卵石層、中粗砂1層、粉質(zhì)黏土層、細(xì)中砂3層、卵石層、粉質(zhì)黏土 層。盾構(gòu)主要穿越卵石層，一般粒徑為 20300mm,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 01.5m處。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(rùn)土改良土體，均無(wú)法將土體 調(diào)制成理想的流塑狀態(tài)， 無(wú)法建立真正的土壓平衡， 從而出現(xiàn)刀盤(pán)扭矩過(guò)大， 掘 進(jìn)

47、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：優(yōu)化膨潤(rùn)土注入?yún)?shù)：經(jīng)過(guò)多種嘗試，改用鈉基優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土， 并調(diào)整了膨潤(rùn)土的發(fā)酵時(shí)間及粘稠度， 一般在每環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，向土艙內(nèi)注入 57m3發(fā)酵至少24h以上粘稠度為50s 的膨潤(rùn)土。加入高分子、分散劑和聚合物在地面上經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)， HHZ-A 分散劑溶液對(duì)泥餅的形成有著良好的防 治效果。在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)向土艙內(nèi)分別增加注入 TAP 聚合物、 HHZ-Z 高分子、 HHZ-A分散劑溶液及Rheosoil143發(fā)泡聚合物，通過(guò)刀盤(pán)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(pán)進(jìn)

48、土口處泥餅 的形成，將泥餅對(duì)正常掘進(jìn)的影響降至最低。優(yōu)化泡沫劑類型及注入?yún)?shù)經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)， 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)嚢韬螅?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(duì)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(pán)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(hào)線（動(dòng)物園站雙榆樹(shù)站）1 ）地層條件北京地鐵四號(hào)線動(dòng)物園白石橋區(qū)間、 白石橋?qū)W院南

49、路及學(xué)院南路雙榆 樹(shù)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(dòng)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(guò)， 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(yàn)， 在密封土艙內(nèi)加入泥漿等 潤(rùn)滑材料，一方面可以潤(rùn)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(rùn)滑密封土艙內(nèi)切削土體，

50、 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(yàn)， 盾構(gòu)掘進(jìn) 時(shí)，泡沫注入量以掘進(jìn)每環(huán)切削土體體積的 45%55%計(jì)算。2.1.5 北京地鐵 5號(hào)線試驗(yàn)段1）工程概況北京地鐵 5 號(hào)線工程左線北新橋站雍和宮站區(qū)間作為北京地鐵5號(hào)線盾構(gòu)試驗(yàn)段工程， 試驗(yàn)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(dòng)時(shí)均易坍塌 .2）渣土改良方案在里程 K11+700K11+950 段為粉細(xì)砂及砂礫層和卵石層段，此段渣土改良 方案

51、如下：由于在砂礫和卵石層施工，地層對(duì)切削刀頭的磨損較大，而且掘進(jìn)過(guò)程中， 為了使土體具有良好的流動(dòng)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(guò)程中除了使用泡沫外， 還輔以 膨潤(rùn)土漿液以加強(qiáng)刀具的潤(rùn)滑、 冷卻，改善工作狀態(tài)， 同時(shí)起到補(bǔ)充地層土體微 細(xì)顆粒的不足，提高土體流動(dòng)性和止水性的作用。北京地鐵 4號(hào)線角門(mén)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)為全斷面卵石層，卵石粒徑一般為2060m m,最大 粒徑180m m,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(rùn)土漿液進(jìn)行渣土改良,泡沫的濃度為5%,使用量

52、為0.40.6m3/m3,制泥材料的濃度為 5%,使用量為0.40.6m3/m3北京地鐵 9號(hào)線豐臺(tái)東大街站豐臺(tái)北路站1 ）工程概況本區(qū)間隧道覆土 912m,隧道通過(guò)地層為砂卵石地層，卵石最大粒徑不小于 420mm，一般粒徑為 2070mm，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(wú)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(dòng)性, 于是向開(kāi)挖面注入大量泥漿, 結(jié) 果在施工中發(fā)現(xiàn)泥漿量過(guò)大使螺旋排出的土過(guò)稀, 甚至出現(xiàn)噴涌, 土壓力波動(dòng)較 大。同時(shí),土壓倉(cāng)內(nèi)大粒徑砂卵石會(huì)在重力作用下沉至底部, 使土體攪拌不均勻

53、, 增大了刀盤(pán)扭矩和刀具的磨損, 經(jīng)過(guò)分析后, 減少泥漿注入量, 增大泡沫注入量, 同時(shí)提高稀釋液的粘度和泡沫的發(fā)泡率, 結(jié)果刀盤(pán)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(pán)扭矩明顯減小, 推進(jìn)速度大幅提高, 刀盤(pán)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(hào)線達(dá)官營(yíng)站廣安門(mén)內(nèi)站區(qū)間1 ）工程概況盾構(gòu)機(jī)全部在卵石地層中穿行，此地層密實(shí)，最大粒徑大于 20cm，一般 粒徑2060mm，亞圓形，粒徑大于20 mm顆粒約占總質(zhì)量的70%。結(jié)構(gòu)覆土 厚度為14.15 25.18m,水位埋深25.

54、20 27.00m,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(rùn)土、 泡沫等塑性劑改善渣土的流動(dòng)性， 降低刀具及刀盤(pán)磨 耗。無(wú)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(wú)水砂卵石地層。 根據(jù)以上列舉的幾個(gè)工程實(shí)例發(fā) 現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)在這種地質(zhì)環(huán)境中掘進(jìn)時(shí)，普遍選用泡沫 +膨潤(rùn)土或者泡沫 +加泥式 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)加泥對(duì)渣土進(jìn)行改良。 根據(jù)地質(zhì)的變化， 也可單獨(dú)使用泡沫， 或 者加入泡沫與膨潤(rùn)土渣土改良效果仍不理想時(shí)，可針對(duì)性的選用高分子聚合物。2.2 富水砂卵石地層2.2.1 北京地鐵九號(hào)線六標(biāo)

55、1）工程概況軍事博物館一東釣魚(yú)臺(tái)站區(qū)間某一段掘進(jìn)地層為卵石層，地下含水量大， 石頭含量多，通過(guò)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、1厘米的石塊占的比例分別是 1.3%、2.6%、4.2%、 7.7%、8.3%、17.3%、10.7%。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(guò)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(yùn)輸車?yán)铩?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(pán)被卡。 因此研制出卵石層 渣土改良添加劑， 即在卵石層使用大稠度納基膨潤(rùn)土溶液加一級(jí)康達(dá)特泡沫及

56、 高分子聚合物溶液， 較好地解決了渣土排出問(wèn)題。 經(jīng)過(guò)渣土改良， 輸送出來(lái)的渣 土像混凝土，石頭和顆粒全部裹挾在泥漿中。2.2.2 成都地鐵一號(hào)線1）工程概況成都地鐵 1 號(hào)線全部位于密實(shí)砂卵石地層中。 其特點(diǎn)為粗粒粒徑大、 密實(shí)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312cm，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(jiàn)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 1 、2號(hào)線采用加

57、泥式土壓平衡盾構(gòu)施2）渣土改良方案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(shí)施， 尚處于摸索過(guò)程中， 單 獨(dú)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(chǎng)現(xiàn)象主要為砂卵石地層使其刀盤(pán)、 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(diǎn)難以選擇；卵石地層 局部有粉細(xì)砂土處已結(jié)泥餅。天府廣場(chǎng)騾馬市刀盤(pán)上有 8 個(gè)泡沫注入點(diǎn)，經(jīng)泡沫調(diào)節(jié)后的渣土有以下特點(diǎn)：流動(dòng)性好，滲 水性能低，彈性良好，并降低了對(duì)盾構(gòu)的附著性，減少對(duì)盾構(gòu)的磨損，減少驅(qū)動(dòng) 功率。同時(shí)還使用膨潤(rùn)土， 高密度膨潤(rùn)土的使用能夠使開(kāi)挖的高

58、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(shí)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(rùn)土， 作用更加明顯。 在掘進(jìn)中憑經(jīng)驗(yàn)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(shí)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。天府廣場(chǎng)站省體育館站刀盤(pán)上設(shè)置有 8 個(gè)泡沫注入口， 其中包括中心攪拌棒部分的四個(gè)泡沫注入孔， 泡沫注入口也可以用來(lái)加注膨潤(rùn)土和泥漿， 能夠充分保證渣土的改良效果， 可以 有效地防止刀盤(pán)中心產(chǎn)生泥餅，提高掘進(jìn)效率。桐梓林站倪家橋站省體育館站盾構(gòu)機(jī)配有 3 套渣土改良系

59、統(tǒng)：泡沫系統(tǒng)、膨潤(rùn)土（泥漿）系統(tǒng)、聚合物注 入系統(tǒng)。通過(guò)泡沫、膨潤(rùn)土系統(tǒng)同時(shí)對(duì)渣土進(jìn)行改良，系統(tǒng)性能良好，完全能夠 滿足該地層條件下渣土改良的需要。施工中不斷摸索總結(jié)， 總結(jié)出成都富水砂卵石層中采用泡沫劑、 泥漿、 水相 結(jié)合的渣土改良工藝， 當(dāng)渣土較干或渣土中夾有泥巖時(shí)可通過(guò)膨潤(rùn)土罐或盾構(gòu)前 體上安裝的水管向土艙內(nèi)加入適量的水； 當(dāng)在掘進(jìn)中憑經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有泥餅產(chǎn)生， 則 在土艙內(nèi)注入大量的分散劑。長(zhǎng)沙地鐵 2號(hào)線（體育公園長(zhǎng)沙大道）1）工程概況隧道穿越地層主要為卵石隧道穿越地層主要為 2 - 4 卵石、 5 - 1 強(qiáng)風(fēng)化 泥質(zhì)粉砂巖地層。卵石地層厚度 28 m,該地層多為中密狀，卵石含量約 5

60、5 % 60%,石英質(zhì)，亞圓形，磨圓度較好，最大粒徑達(dá)10 c m, 般粒徑2040 mm, 砂質(zhì)充填。卵石地層侵入隧道最大約 4m,隧道斷面下部為泥質(zhì)粉砂巖，巖石強(qiáng) 度約49MPa。砂卵石地層空隙率高，連通性好，和地表水聯(lián)系密切，富水性強(qiáng)。2）渣土改良方案 起初采用加泡沫對(duì)渣土改良，其效果不理想，盾構(gòu)施工時(shí)有糊刀現(xiàn)象，刀盤(pán) 扭矩大，推力大，速度慢。后渣土改良以泡沫為主，同時(shí)針對(duì)砂卵石地層加入高 分子聚合物防止糊刀及噴涌現(xiàn)象發(fā)生， 對(duì)泡沫加入量不進(jìn)行限制， 以渣土改良均 勻?yàn)槟康?，高分子聚合物每環(huán)加入量在 2kg 左右。富水砂卵石地層渣土改良應(yīng)用小結(jié)在富水砂卵石地層， 單獨(dú)使用泡沫很難取得良好