超大断面矩形顶管隧道全断面渣土改良施工技术_程斌.pdf

：超大断面矩形顶管隧道全断面渣土改良施工技术程斌，陈治（武汉城市职业学院建筑工程学院，武汉 ；上海隧道工程股份有限公司，上海 ）摘要：土压平衡盾构机在地铁区间隧道施工中应用非常广泛，但如遇到地质情况差，就存在沉降大、掘进困难，开挖面围岩土体稳定性不易保持等问题。通过某城市道路隧道工程超大断面矩形顶管隧道推进期间全断面渣土改良剂的选择、土体改良口的设置及施工技术的应用，使得盾构掘进顺畅、高效，减少停机时间，防止螺旋机中渣土固结，从而保障施工安全顺利。结果表明，最佳的改良剂参数和掘进参数的改进，能加快掘进速度，减少盾构机磨损。关键词：超大断面；矩形顶管；渣土改良；施工技术 ，（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：武汉城市职业学院科研创新团队建设计划资助项目“农村公路智能化监测科研团队”（）作者简介：程斌（），硕士，副教授 ：超大断面矩形顶管顶进施工中，要求在顶管机土舱内填满泥土的工况条件下，保证螺旋机正常、连续地出土。为了满足这一施工要求，土舱和螺旋机内的土体应该具有良好的塑性、流动性和均匀度，保证开挖下来的渣土能不断地流动到螺旋机，这样就可以避免土体在土舱内的闭塞和堆积，避免刀盘和螺旋机旋转力矩和驱动力矩的上升。此外，提高土体流塑性与均质度，对保持开挖面的稳定性与轴线控制也极为重要。因此，为了满足超大断面矩形顶管顺利施工，土体的力学性质应该满足：）良好的流塑性；）保证土体良好的均匀度。因为一般的土壤不能完全满足这些特性，所以需要改良。技术要点是在刀盘前端和土仓内注入水、发泡剂、聚合物泥浆等混合材料，经过强力搅拌，提高挖出土的流动性和均匀性。渣土改良系统已成为顶管施工的重要组成部分，对顶管隧道施工的发展影响深远。渣土改良技术的应用对降低工程成本、提高工程建设进度起着决定性的作用。某城市道路隧道工程采用 矩形顶管机进行施工。其中，隧道断面宽、高，竣工后内部净宽为、净高为。顶管施工段主要穿越粉土和粉质黏土，出渣较慢，隧道施工期间需采用全断面渣土改良施工技术，以保证施工快速安全。建材世界 年第 卷第期渣土改良设计改良剂的比选在特殊工况条件下使用改良添加剂材料，其目的主要是为利于保持开挖面土压平衡，减轻机械负荷及刀盘磨损，降低推进扭矩，保证顶管机能顺畅地切削排土及匀速推进。在顶管机推进时，向开挖面、土舱等处加注改良添加剂，其具体功能如下：）在黏土和粉质黏土地层中，可以起到支撑作用并且可以改善渣土的流动性；）在黏土和粉质黏土地层中，可以防止渣土附着刀盘和土舱内壁结成泥饼。针对该大道超大断面矩形顶管施工特点，对各种改良添加剂自身的材料特性、添加剂注入土体后的作用机理以及土体改良效果进行分析与比较。主要选取添加剂为：水，提高土体流塑性；泡沫剂，降低黏土粘附与内聚力：聚合物泥浆，提高土体流塑性、润滑刀盘、降低摩阻力。其中泡沫原材料采用 型泡沫剂作为原材料，其产品标准如表所示。表 型泡沫剂性能标准表型号颜色状态密度（）（）黏度（）倾点 无色亚麻色液态 聚合物泥浆原材料采用高分子聚合物、钠基膨润土、水组成，各组成原材料要求见表。表聚合物泥浆原材料要求原材料种类要求高分子聚合物 类由大、中分子量的聚丙烯酸盐类、纤维素盐类、抗盐抗钙剂、改性土、增效添加剂等组成。膨润土钠基 目筛余量，膨胀率 水工业用水，无杂质土体改良口的设置为达到全断面渣土改良的目的，将超大断面矩形顶管机设计为个偏心小刀盘 个中心大刀盘的“”组合形式，并且每个偏心刀盘后都加装个搅拌棒，加强对土舱内土体的搅拌。相应的土体改良也分为大区域，个偏心小刀盘土体改良口区域（，）大刀盘土体改良口区域（中心区域）。大刀盘共计根条幅，土体改良口布置于大刀盘个条幅上且点分布（见图），每个改良口均配置根管路，改良口轮迹线为隧道开挖面不同半径的圆周，并由台螺杆泵和台泡沫泵控制；其余土体改良口分布在土舱内胸板上，分为个区域（见图），分别由台螺杆泵和台泡沫泵控制。顶管推进过程中通过对大刀盘和土舱胸板内注入改良剂进而达到改善土体性能的目的，从而保证顶管机顺利排土及匀速推进。渣土改良施工泡沫剂的应用顶管机后配套设备中配备有泡沫注入系统，泡沫发生器发泡运行后，通过泡沫注入系统即大刀盘根独建材世界 年第 卷第期立管路，把泡沫剂注入大刀盘前部相对应改良口。在泡沫发生器发泡运行中，可以设定泡沫剂与水混合的比例，在正常推进状态下，一般不需要对该值做过多的调整，当大刀盘扭矩 时，通常取值为 ；只有在大刀盘扭矩 ，单靠调整流量难以降低扭矩时，才将比例调整为 。泡沫注入系统有三种控制模式：自动、半自动和手动。正常推进情况下，如果使用自动控制，泡沫消耗量会很大。由于顶管推进沿线土质情况时有变化，采用手动控制可节省泡沫用量。因此，在推进过程中，一般要求顶管司机采用手动控制方式，主要根据刀盘的扭矩、千斤顶的顶力和出土情况来调节泡沫喷射系统的流量。当观察到出土含水量过高时，应立即适当调整泡沫注入量。该工程采用进口康达特泡沫，在粉质黏土层中每节（）用量为 ，在粉土中每节（）用量为 。聚合物泥浆的应用在推进施工过程中，除了人工调节泡沫浓度外，还需要通过加泥加水注入系统向土仓内注入聚合物，对渣土进行改良。增加泡沫混合物浓度的目的是增加发泡比。发泡比越高，半衰期越长，稳定性越好，可以更好地填充渣土之间的孔隙，更容易让大刀切土。往土舱仓内注入聚合物可增大渣流性和均匀性，使螺旋机更容易排土。经试验，高分子聚合物、钠基膨润土、水的配合比为，见表。表聚合物泥浆材料配合比及指标 膨润土水密度（）黏度滤失量 聚合物首先与水混合，然后通过膨润土注入系统注入土壤室。搅拌过程中，先将水加入膨润土储罐中，然后人工按比例均匀喷洒聚合物，充分搅拌使其快速溶解，防止聚合物结块或粘罐壁。通过注入聚合物混合物，流体泥浆可以达到理想状态（坍落度，不离析、不泌水）。工程应用该项目隧道全长 ，其中顶管区间隧道在前 推进过程中较为顺利，过后由于顶进土层发生了变化，从粉土变为粉质黏土，土体物理力学性能发生改变，现场测得渣土坍落度在 左右，且土体干燥，大刀盘和偏心小刀盘扭矩增大（见图图）。开始时调整渣土改良施工参数只是单纯调整了泡沫剂的注入参数，效果并没有改善，大刀盘扭矩变大并达到蜂值 ，上部偏心刀盘扭矩变大并达到峰值 ，下部偏心刀盘扭矩变大并达到峰值 。建材世界 年第 卷第期尝试采用在大刀盘前方注入泡沫剂和土舱内注入聚合物泥浆的方法，刀盘扭矩回落，证明效果得到改善。此后的推进过程中，沿用大刀盘注泡沫剂，土注聚合物泥浆方法，大刀盘、上部偏心刀盘、下部偏心刀盘的扭矩分别在 、上下浮动，此时渣土坍落度。推进过程中泡沫剂浓度（为确保刀盘扭矩稳定及施工进度，一直沿用 浓度泡沫剂），采用进口康达特泡沫每节（）用量为 ，聚合物泥浆每节（）用量为 。施工顶进过程中，大刀盘前方土体通过采用加泡沫剂的改良方式，胸板土舱内土体采用聚合物泥浆的改良方式。通过该工程施工效果分析，采用刀盘、土舱多部位组合式的土体改良技术，渣土土体改良技术达到了预期效果，满足了超大矩形断面渣土开挖、切削和排送的要求。渣土实测坍落度为 ，同时刀盘扭矩控制在额定扭矩的。结论依托城市道路隧道工程顶管施工项目，对粉土和粉质黏土进行渣土改良设计，并通过施工应用，效果良好，结论如下：采用该土体改良方式后，顶管开挖面的稳定及推进效率都有了明显改进，顶管推进速度由每天节（）提高到每天节（）；刀盘波动幅度变小，并趋于稳定，大刀盘扭矩由 优化到 ；上部偏心刀盘扭矩由 优化到 ；下部偏心刀盘扭矩由 优化到 。全断面渣土改良施工技术可在其他大断面矩形顶管施工中推广应用，同时该技术可为后续类似工程的施工提供参考。参考文献宁士亮富水砂层盾构渣土改良技术铁道建筑技术，（）：绳钦柱，刘序鹏，王李果钻孔灌注桩后压浆法桩端地基加固施工技术施工技术，（）：，刘滨滨 南昌富水砂层渣土改良技术研究 路基工程，（）：杨洪希，黄伟，王树英，等 粉质黏土地层土压平衡盾构渣土改良技术 隧道与地下工程灾害防治，（）：陆正 饱和粉土粉砂层土压平衡盾构渣土改良技术应用 绿色建筑，（）：，王岩松 盾构长距离穿越砂性土改良技术研究及应用 城市建筑，（）：建材世界 年第 卷第期