严寒漫滩地区渣土改良技术在地铁盾构施工中的应用

严寒漫滩地区渣土改良技术在地铁盾构施工中的应用

鞠海峰

中国能源建设集团南方建设投资有限公司  广东省深圳市  518126

摘要：哈尔滨松花江漫滩是严寒、高富水区域，砂土、黏土土质，施工难度很大，为了避免由于盾构扰动造成的地层沉降和喷涌，同时提高盾构施工的掘进速率，采用特殊的泥浆配比对刀盘削切下的渣土进行改良，提高其流塑性、减少喷涌等成为本区间盾构施工中关注的重点。本文以人中区间盾构施工掘进为依托，对严寒地区富水砂层地铁盾构施工中渣土改良技术和措施进行总结，为类似工程的施工提供一定的借鉴与参考。

键词：严寒地区；松花江漫滩；泥浆处理技术；地铁盾构；施工应用

1 前言

哈尔滨松花江漫滩区域是严寒地区、高富水的区域，而且在地层中有砂层、黏土分布，也就是说其土质属于砂土和黏土交替分布。鉴于在松花江漫滩高富水土壤断面的结构特点，其施工难度非常大，由于受施工场地限制，采用土压平衡盾构机施工。但是由于砂土层的可液化，在盾构扰动的前提下，液化土体在水压力的作用下容易产生“喷涌”现象；特别是对于哈尔滨地区的富水砂粘土地层，盾构渣土的力学行为特征直接影响其工程效益，也影响着盾构机的使用时间，亟待需求一种泥浆改良方案，以提高砂粘土的流动性和稳定性。这是因为砂粘土地层具有粒径悬殊、充填黏土或砂土以及受扰定后极不稳定等特征，造成削切下来的渣土容易结成泥饼、喷涌等危害，影响了掘进的效率和提高了施工成本。通过渣土改良技术对膨润土泥浆的处理，达到改良盾构施工渣土行为特性的目的。

2 工程概况及特点

2.1 工程概述

人民广场站～中央大街站区间为双单洞单线隧道，区间线路起自人民广场站大里程端，然后沿经纬街敷设，终至中央大街站小里程端。本区间隧道右线起讫里程为SK16+148.226～SK16+849.813，全长701.587m；左线里程起讫里程为XK16+089.226～XK16+849.813，短链1.137m，全长759.45m。本段区间全线敷设于地下，采用盾构法施工，左、右线均为6m外径圆断面隧道。本区间线路线路纵断面为单向坡，线路出人民广场站后，右线以短距离2‰坡度上坡再长距离5.085‰，而后以长距离21‰坡度上坡，再以短距离2‰坡度上坡到达区间线路设计终点中央大街站；左线以短距离2‰坡度上坡再长距离5.024‰，而后以长距离21‰坡度上坡，再以短距离2‰坡度上坡到达区间线路设计终点中央大街站。区间结构顶板覆土厚度约为10.2m～18.2m。

2.2 工程地质特点

人中区间、中尚区间地质资料表明场地均被第四纪地层所覆盖，缺失第三纪地层，第四纪地层不整合接触在白垩纪泥岩之上。第四纪地层从新到老，从上到下顺序如下：全新统人工堆积层（Q）全线均有分布；松花江漫滩：全新统漫滩冲积成因土层（Qa）。勘察期间通过干钻测得孔隙潜水初见水位埋深2.50～8.20m，地下水静止水位埋深为2.30～7.30m，标高113.34～116.05m（大连高程系）。人中区间地质自上而下分布为：①杂填土、<2-1-1>粉质粘土、<2-2>粉砂、<2-3>细砂、<2-3-1>中砂、<2-4>中砂、<2-4-1>砾砂及<2-4-2>粉质粘土层，本区间盾构洞身穿过地层主要为<2-3-1>中砂、<2-4>粉质粘土、<2-4-1>砾砂及<2-4-2>粉质粘土层。

图2.2 人民广场站～中央大街站盾构区间地质纵剖面图图

本区间位于松花江漫滩区，主要为第四系全新统孔隙潜水与下更新统砂砾石层孔隙承压水。盾构穿越地段主要赋存于第四系全新统冲积层中（2-2）层粉砂、（2-3）层细砂、（2-4）层中砂、（2-4-1）层砾砂、（2-4-3）层粉砂中及下更新统东深井组（7-2）层中砂中，地层富水性好，透水性强，该层与松花江水力联系密切。补给方式主要有松花江侧向径流补给、大气降水入渗、地表水入渗等，其中松花江侧向径流补给及大气降水入渗为主要补给来源，另外丰水期内，区域内湖水、河水等地表水对地下水也有一定的补给作用。排泄方向主要为蒸发及人工开采。水位和水量随季节性变化，最高一般在7～8月份，最低水位多出现在翌年的3月份至5月份，地下水位的年变化幅度在2.0m-3.0m左右。

哈尔滨市属寒温带大陆性季风气候，一年平均气温3.6摄氏度，极端最高气温可达36.4摄氏度，极端最低气温－38.1摄氏度，年最大冻土深度205cm。

本盾构区间主要通过中粗砂层、细砂层、粉质粘土层，透水性强，盾构机穿越软土地层技术要求高。在此种地层中进行盾构施工容易引起地面沉降、喷涌和流砂等现象，施工时必须予以重视，要求盾构机具有防水、止水、防喷涌的功能，施工过程中做好泥浆处理技术和措施。

3碴土改良技术

3.1碴土改良的作用

盾构在粉、中砂层或粉质粘土地层中施工，进行碴土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的最重要技术手段。具有作用如下：

（1）保证碴土和添加介质充分拌合，以保证形成不透水塑流性的碴土从而建立良好的土压平衡机理，只有碴土改良效果好才能从根本上保证掘进过程中地表的沉降控制，同时提高掘进效率，以保证预定的施工进度目标；

（2）使砂层具有流塑性和较低的透水性，形成较好的土压平衡效果而稳定开挖面，控制地表沉降；

（3）改善砂层的流塑性，使切削下来的碴土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输机顺利排土；

（4）改善砂层土的流动性和减少其内摩擦角，有效降低刀盘扭矩、降低对刀具和螺旋输送机的磨损、降低掘进切削时的摩擦发热，提高掘进效率。

3.2泡沫的作用机理

泡沫的作用机理主要表现在以下几个方面：

（1）通过注入泡沫，在刀盘前方形成了一层膜，建立起泥土压力，为土体结构提供水平推力，有利于形成拱结构。

（2）泡沫使开挖面土体的强度和刚度得到加强，提高了开挖面土体的竖向抗力，对开挖面土体起到了支护作用，减少了开挖面土体失稳的可能。

（3）利用泡沫优良的润滑性能，改善土体粒状构造，同时吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦。降低土体的渗透性，又因其比重小，搅拌负荷轻，容易将土体搅拌均匀，从而做到既能平衡开挖面土压，又能连续向外顺畅排土。同时泡沫具有可压缩性，对土压的稳定也有积极作用。

图3.3 加泡沫对开挖面土体的改善示意图

（4）碴土改良的主要技术措施

碴土和易性是判定碴土改良成效的最重要标准。正常的和易性，是土水不分离、且流动性较好，碴土稠度在12～20。这也很大程度上影响了盾构推进效率。

① 在地下水发育地段，可在土仓下部靠近螺旋机部位注入空气，将土仓内和前方的土体孔隙水疏干，从而防止喷涌。

② 对于土仓旋转主臂内结饼的预防措施：通过回转单元增加一条注入管道，该管道将在靠近土仓的中间区域进行高压水注射。以防止碴土在中间部分阻塞。

3.3膨润土的作用机理

膨润土在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘带性、触变性和润滑性，它和水、泥、砂等细琐屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。膨润土在水化时，钠离子连接各层薄片，同时挤占与之接触的土颗粒之间的间隙，积聚于土壤与泥水的接触表面，形成不透水的可塑性胶体，从而形成泥膜。在富水砂层的盾构机掘进中使用，可提高砂土的含泥量，补充土体的微细颗粒组分，使土体的内摩擦角变小，增加开挖土体的流动性和不透水性，主要作用如下：

（1）降低土体的渗透系数，使其具有较好的止水性，以控制地下水流失。

（2）可有效提高土体的保水性，防止渣土离析、沉淀板结。

（3）使渣土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降。

（4）使土体具有较低的内摩擦角，降低刀盘扭矩，减少对刀具和螺旋输送机的磨损。

（5）使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土，提高掘进速度。

3.4碴土改良的方法

碴土改良就是通过盾构机的专用装置向刀盘面、土仓、或螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下掘进时都可达到理想的工作状况。添加剂主要有泡沫、膨润土以及聚合物。

3.5改良剂的确定及配比、掺量。

见各种改良剂的性能指标表。

表3.5 各种改良剂的性能指标表

（1）盾构在粉质砂层中掘进时，主要是要稳定开挖面，在刀盘面和土仓内注入少量膨润土加泡沫的方法进行改良，必要时向螺旋输送机内注入泡沫。泡沫的注入方式根据实际情况采用手持半自动操作方式和自动操作方式。

（2）在富水砂层地段和其它含水地层采用土压平衡模式掘进时，主要是防止涌水和喷涌，降低刀盘扭矩，拟向刀盘面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土，并增加对螺旋输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。

根据本区间地质情况，正常推进阶段泡沫剂添加率20～35%。泡沫组成：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液；泡沫溶液的组成为泡沫添加剂2～3%、水95～98%。本标段所用泡沫剂粘度不低于0.1Pa·s。

富水砂层推进阶段采用膨润土，土膨润土泥浆配合比为水：膨润土：外加剂=10∶1∶0.2，膨润土为优质的钠基膨润土，外加剂为碱、CMC及超流化剂DAV等，泥浆坍落度控制在20cm以内。

4 结论

盾构施工方法在城市地铁的修建中发挥了极其重要的作用。然而受到严寒地区河漫滩富水砂层地层条件的影响，盾构掘进过程中需要克服富水砂层的喷涌等不利因素的影响，采取了合理的渣土改良措施，避免喷涌现象的发生，主要是在区间富水砂层采用膨润土浆液，比重在1.02～1.05，粘度18～22S，按照6:1（渣土：膨润土浆液）注入土仓，高分子聚合物选用两性聚丙烯胺，具有较强的吸水膨胀并增加粘稠性，注入后提高渣土的粘稠度，使渣土改良成塑性流动体，有利于螺旋机排土而不发生喷涌现象。本文结合哈尔滨地铁二号线严寒漫滩地区富水砂层地层工程案例，采用渣土改良技术，对地铁施工过程中的渣土进行改良，配置合适的膨润土泥浆改善砂粘土的稠度和流动性，以提高隧道盾构掘进速率和合理控制出渣量。研究成果可以为严寒漫滩地区富水砂粘土地层的盾构施工提供渣土配比技术，为盾构施工中的渣土改良提供技术依据。

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