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1、 东北严寒条件下中砂、粉砂复合地层土压平衡盾构施工关键技术研究研 究 报 告中铁一局集团有限公司（中铁一局集团城市轨道交通工程有限）二一三年三月目 录一、东北严寒条件下中砂、粉砂复合地层土压平衡盾构施工关键技术研究报告41课题立项背景及研究目的71.1课题立项背景71.2课题研究目的72工程概况82.1工程简介82.2盾构区间地质及水文情况93工程重难点及风险分析123.1中砂、粉砂复合地层盾构掘进施工123.2中砂、粉砂复合地层盾构穿越建筑物及管线施工123.3中砂、粉砂复合地层盾构下穿马家沟河施工124土压平衡盾构机在富水砂层中的适应性分析124.1土压平衡盾构在富水砂层中的施工原理124
2、.2土压平衡盾构机在中砂、粉砂复合地层中施工常见问题分析135研究关键技术175.1中砂、粉砂复合地层盾构掘进渣土改良施工技术175.2中砂、粉砂复合地层盾构掘进地面沉降控制215.3中砂、粉砂复合地层管片错台控制技术255.4冬期施工技术措施286研究主要过程357实施情况及效果检查367.1盾构掘进控制367.2管片姿态控制368主要创新点409取得的经济效益和社会效益409.1经济效益分析409.2社会效益分析40二、执行标准及技术规程41三、经济及社会效益分析及应用证明业绩证明等45四、科技查新报告50东北严寒条件下中砂、粉砂复合地层土压平衡盾构施工关键技术研究研 究 报 告中铁一局集
3、团有限公司（中铁一局集团城市轨道交通工程有限）二一三年三月目 录1课题立项背景及研究目的71.1课题立项背景71.2课题研究目的72工程概况82.1工程简介82.1.1工程大学站至太平桥站盾构区间82.1.2太平桥站至交通学院站盾构区间82.2盾构区间地质及水文情况92.2.1工程大学站至太平桥站盾构区间92.2.2太平桥站至交通学院站盾构区间103工程重难点及风险分析123.1中砂、粉砂复合地层盾构掘进施工123.2中砂、粉砂复合地层盾构穿越建筑物及管线施工123.3中砂、粉砂复合地层盾构下穿马家沟河施工124土压平衡盾构机在富水砂层中的适应性分析124.1土压平衡盾构在富水砂层中的施工原理
4、124.2土压平衡盾构机在中砂、粉砂复合地层中施工常见问题分析134.2.1开挖面土体物理性质134.2.2土压平衡盾构机在中砂、粉砂复合地层中施工常见问题分析164.2.3对渣土改良的要求175研究关键技术175.1中砂、粉砂复合地层盾构掘进渣土改良施工技术175.1.1关于压力舱内土体的理想状态塑性流动状态的研究175.1.2盾构在中砂、粉砂复合地层掘进模式选择185.1.3关于中砂、粉砂复合地层盾构掘进渣土改良剂方案的研究185.1.4中砂、粉砂复合地层盾构掘进渣土改良试验195.1.5试验结论205.2中砂、粉砂复合地层盾构掘进地面沉降控制215.2.1出土量控制225.2.2同步注浆
5、控制措施225.2.3监测控制235.3中砂、粉砂复合地层管片错台控制技术255.3.1调查分析255.3.2现状调查分析及要因确认275.3.3对策实施285.4冬期施工技术措施285.4.1冬期施工判定条件285.4.2搅拌站保温措施285.4.3主体保温措施315.4.4盾构施工用材保温措施325.4.5盾构机后配套设备保温措施335.4.6盾构机管路保温措施345.4.7管片黏贴保温措施346研究主要过程357实施情况及效果检查367.1盾构掘进控制367.2管片姿态控制368主要创新点409取得的经济效益和社会效益409.1经济效益分析409.2社会效益分析401 课题立项背景及研究
6、目的1.1 课题立项背景在国家宏观战略、可持续发展战略以及城市长远规划指领下，我国城市轨道交通正处在高速发展的时期。城市轨道交通工程施工技术在国内迎来了一次大发展的黄金时期。根据建设部数据，在今后10余年里，全国城市建设轨道交通建设线路总长约1700公里，总投资达到6200亿元！随着我国城市轨道交通工程的快速发展，盾构法隧道急剧增多，施工难度越来越大。城市地铁由于不同地区地质和气候环境不尽相同，对于东北严寒地区中砂、粉砂复合地层土压平衡盾构法施工，如何正确的设定施工参数，将对周边环境影响降至最低，成为哈尔滨地铁一期工程8标盾构法施工成功与否的关键点。哈尔滨地铁一期工程8标太平桥站交通大学站区间
7、、工程大学站太平桥站区间位于东直路道路下，场地地貌单元属松花江漫滩，马家沟两侧为马家沟河漫滩。漫滩地区空隙微承压含水层由3中砂、3T2粉砂构成。区间地质条件复杂，盾构主要穿越地层为3中砂、3T2粉砂。区间隧道从太平桥站出站后，沿东风桥下穿马家沟，转向东直路向东至交通学院站，沿线主要为多层建筑物，地下管线较多，路面交通繁忙，同时盾构施工将部分处于冬期施工状态，这将对盾构掘进带来较大难度及风险。项目部和公司均十分重视，在项目初期抽调骨干力量成立课题组、确立课题，并在施工中开展一系列针对性的研究总结，以确保安全顺利的完成盾构区间的施工，并积累复式粉细砂地质条件下的盾构法施工经验。1.2 课题研究目的
8、中砂、粉砂复合砂层掘进一直是困扰土压平衡盾构施工的难题。哈尔滨地铁一期工程八标“工程大学站太平桥站区间”、“太平桥站交通学院站区间”盾构机主要穿越地层即为此类，其特点为地下水丰富、砂层距离长并具有一定代表性，同时部分施工阶段需要在严寒条件下进行，我部希望能通过积极探索，摸索出一套适宜于小开口率面板式海瑞克土压平衡盾构机在中砂、粉砂复合砂层中的施工数据，为以后类似地层施工提供技术参考。1、 长距离砂层掘进中的渣土改良和建立土压平衡模式，分析各种渣土改良材料的效果和经济成本，适用条件。2、 小开口率面板式盾构机在砂层中掘进的参数分析，各项参数对施工的影响。3、 摸索出一套适宜东北严寒地区防寒保温的
9、盾构施工措施。2 工程概况2.1 工程简介哈尔滨地铁一号线一期工程土建八标盾构工程包括工程大学站太平桥站区间、太平桥站交通学院站区间。区间具体设计及地质条件概况如下所述：2.1.1 工程大学站至太平桥站盾构区间工程大学站太平桥站区间位于南通大街下方，现状道路幅宽为35m，道路及两侧地形管线较密集，区间设计里程范围DK13+680.336DK14+561.785，全长881.45m，地面起伏较大，地面高程在126.37135.45m之间，轨顶设计标高为108.577121.536m，覆土厚度为816m，最大坡度为21，最大坡长550m，最大坡度为5.35，最小坡长257m，交点XJDJ18；圆曲
10、线半径2000m，第一缓和曲线20m，第二缓和曲线20m，第一切线74.668m，第二切线74.668m，圆曲线长109.290m；交点XJD19：圆曲线半径2000m，第一缓和曲线20m，第二缓和曲线20m，第一切线81.372m，第二切线81.372m，圆曲线长122.683m，全部采用盾构法施工；场地跨越岗埠状平原和松花江漫滩两个地貌单元，盾构区间主要穿越的地层为1、2粉质粘土以及中砂、t2粉砂夹杂部分t粉质粘土层，地下水位高程为116.38117.86m之间，施工中，将受到微承压水及承压水的影响。2.1.2 太平桥站至交通学院站盾构区间太平桥站交通学院站区间位于东直路下方，盾构区间：右
11、线设计里程范围DK14+892.314DK15+362.000，长度为469.686m，左线设计里程范围DK14+893.866DK15+362.000，长度439.134m，轨顶设计标高为100.789107.937m，覆土厚度为714.2m，圆曲线半径300m，第一缓和曲线35m，第二缓和曲线60m，第一切线85.887m，第二切线96.916m，圆曲线长85.445m，采用盾构法施工与明挖法施工相结合。2.2 盾构区间地质及水文情况2.2.1 工程大学站至太平桥站盾构区间1 场地工程地质条件工程大学站太平桥站区间位于南通大街道路下，场地地形起伏较大，地面高程在126.37-135.45m
12、之间，场地跨越剥蚀堆积岗阜状平原和松花江漫滩两个地貌单元，大部分勘探孔（34个），位于岗阜状平原上，极少数勘探孔（5个）位于松花江漫滩上。推断分界里程在CK14+514m左右。2 场地岩土层描述根据野外勘探、现场原位测试，结合土工试验成果综合分析，自上而下详细描述为：1) 人工填土层（Q4ml）一层号（岗阜状平原和松花江漫滩均有出露）2) 全新统低漫滩冲积成因土层（Q42al）一层号A（仅限于松花江漫滩）3) 上更新统哈尔滨组冲积洪积层（Q32hral+pl）、中更新统上荒山组湖积层（Q22h1）一层号（仅限于岗阜状平原）4) 中更新统下荒山组冲积层（Q21hlal）一层号（仅限于岗阜状平原）
13、 区间主要穿越3中砂、3T2粉砂：3中砂：灰色，中密，饱和，颗粒成份为石英、长石及少量暗色矿物。颗粒分选磨圆一般，含大量粗砂层及少量粘性土夹层。层底埋11.5-25.0m，平均层厚4.69m；3T2粉砂：灰色，中密，饱和，颗粒成份为石英、长石及少量暗色矿物。颗粒分选磨圆一般，含少量细砂夹层及少量粘性土夹层。层底10.0-19.0m，平均层厚 1.89m。3 场地水文地质条件根据勘探揭示的地层结构，结合区域水文地质条件，勘探深度内场地地下水可分为潜水和孔隙微承压水。1) 潜水主要赋存于松花江漫滩地段，含水层由层1杂填土、A1层粉质粘土、A1T2层淤泥质粉质粘土、A1T3层粉质粘土构成。2) 孔隙
14、微承压水漫滩地区孔隙微承压含水层由A3中砂、A3T2粉砂构成。相对隔水顶板为A1层粉质粘土、A1T2层淤泥质粉质粘土、A1T3层粉质粘土，相对隔水底板为粉质粘土。据太平桥站有关钻孔资料，实测承压含水层水头深埋在地下7.35m，大连高程为114.02m，抽水试验井所测的水位为6.50m大连高程为114.81m，较潜水位低1.53-1.40m，承压水头高度6.5-7.3m。该含水层与其松花江、马家沟河水具有密切的水力联系，主要补给来源为松花江、马家沟河水的地下径流补给以及上层孔隙潜水的越流补给，以地下径流为主要排泄方式。地下水位随季节不同有升降变化，其年变幅较潜水小，约为0.5m左右。通过现场单井
15、稳定流抽水试验，该层孔隙微承压水单井涌水量为2290m/d,平均渗透系数40.269m/d，属透水-强透水地层。2.2.2 太平桥站至交通学院站盾构区间1 场地岩土层分布根据野外勘探、现场原位测试，结合土工试验成果综合分析，场地土层自上而下详细描述为：1) 人工填土层（Q4ml）一层号2) 全新统低漫滩冲积成因土层（Q42al）一号层A3) 下更新统东深井组冰水堆积层（Q12dfgl）一层号4) 下更新统猞猁组冰水堆积层（Q11shal）一层号2 场地水文地质条件哈尔滨地处松花江中游，属中温带大陆季风气候，冬季漫长寒冷干燥，多西北风，夏季短暂温热多雨，春季多风，秋季凉爽。松花江是哈尔滨市区内主
16、干河流，自西南向东北流经市区北部，河道蜿蜒曲折，边滩及江心洲发育。河床宽293-1000m，水深3.80-6.00m，历史最高水位120.89m，二十五年一遇洪水位119.50m。年径流量153-755.5亿立方米，输砂量152-1150万吨。最大流量12200m/s。最大冰厚1.25m每年12月至第二年三月可通行汽车，其支流何家沟、马家沟、阿什河自西向东一字排开，南源北流。其中阿什河是主要支流，河道曲折，河床宽50-100m。水位115.303-118.952m。 本区间穿过马家沟及其西侧的污水截流干管，生活污水从污水截流干管排出，马家沟河平时干涸，由于马家沟河的景观作用，通过人为控制雨季或
17、从松花江河堤水后可有存水量。根据勘探的地层结构，结合区域水文地质条件，勘探深度内场地地下水可分为上层滞水、潜水和孔隙微承压水、承压水。1) 上层滞水：主要存在于层杂填土，形成的主要原因是管线漏水所致，漏水严重的地段，该层滞水也存在于A1层粉质粘土、A1T2层淤质粉质粘土等土层中。2) 潜水含水层由层杂填土、A1层粉质粘土、A1T2层淤泥质粉质粘土构成。3) 承压水a) 孔隙微承压水孔隙微承压含水层由A3中砂.A2粉砂.A3T2粉砂构成。相对隔水顶板为A1层粉质粘土、A1T2层淤泥质粉质粘土，相对隔水底板为粉质粘土。勘察期间在勘探孔Q15-ZX12号钻孔内采取下套管隔水措施后，实测承压含水层水头
18、深埋地下5.07m，大连高程为115.3m左右，较潜水位低1.87m，承压水头高度3.53m。该含水层埋藏较浅，厚度大。其中，A2粉砂、A3中砂、A3T2粉砂层赋水性较好，透水性较强（根据室内试验，A2粉砂层平均渗透系数为K=124110-6cm/s，最大渗透系数k=200010-6cm/s，属透水层；A3中砂层平均渗透系数为k=889310-6cm/s，属强透水层），水量丰富，盾构施工在该含水层中进行，对将来地铁运营影响较大。通过现场太平桥站和交通学院站单井稳定抽流水试验，该层微承压水单井涌水量为2290-2544m/d，渗透系数40.269-72.74m/d，属强透水地层。隔水底板层透水性
19、微弱（根据室内试验，层平均渗透系数为KV=0.1010-6cm/s，Kh=0.4410-6cm/s，属弱透水层），是相对隔水层。该含水层的隔水顶板分布较稳定，但厚度不大；隔水底板分布较稳定，厚度较小。该含水层具微承压性，其年变幅较潜水小，约为0.5m左右。b) 承压含水层由1 中砂、2T中砂构成。相对隔水顶板为层粉质粘土，相对隔水底板为11层强风化粉砂质泥岩。根据本次勘察在场地埋设水位观测管及在Q15-ZX12号钻孔处采取下套管隔水措施后，量测结果该承压含水层水头埋深在地面下9.27m，大连高程为111.10m，承压水头高度15.23m。结合交通学院与太平桥站承压水头高度，太平桥站至交通学院区
20、间的承压水头高度为15.23-22.64m。该含水层与其上部孔隙微承压水含水层有一定的水力联系，主要补给来源为地下径流以及上层孔隙微承压水的越流补给，以地下径流为主要排泄方式，地下水位基本不随季节变化。该含水层埋藏较深，1层中砂、3层中砂赋水性较好，透水性较好（1层中砂平均渗透系数为KV=459010-6cm/s，属透水层），该含水层厚度较大，含水较丰富，埋藏较深，对地铁施工及运营的影响主要是突勇或隆起。 3 工程重难点及风险分析3.1 中砂、粉砂复合地层盾构掘进施工富水中砂、粉砂复合地层含水量高，渗透系数大，自稳性差，受扰动后极易发生涌砂和喷涌。盾构掘进此种地层有一定的难度，刀盘的转动会引起
21、砂层液化，开挖掌子面易失稳、坍塌，发生喷涌，导致地面沉降或塌方。富水中砂、粉砂复合地层的松散系数小，盾构出土量不宜控制，尤其是发生喷涌时难以计量出土量，若控制不好就易引起塌方。3.2 中砂、粉砂复合地层盾构穿越建筑物及管线施工盾构区间需要穿越的建筑物主要有：工程大学站至太平桥站盾构区间侧穿五环宾馆；太平桥站至交通学院站盾构区间穿越东风桥老桥。盾构掘进过程中存在风险为：如果在此区段盾构机掘进参数控制不当，引起超挖，造成地面沉降；而且此段地层为富水的中砂、粉砂复合地层，受扰动后也易引起地面沉降，可能导致建筑物受损等事故。3.3 中砂、粉砂复合地层盾构下穿马家沟河施工盾构下穿马家沟河，盾构距河床底覆
22、土厚度为4m。盾构掘进过程中存在风险为：如果在此区段盾构机掘进参数控制不当，引起超挖，造成地面沉降；而且此段地层以富水的中砂、粉砂为主，当渣土与大量地下水混合成流体状，进入土仓，随着仓内压力的增大，容易形成喷涌现象。如果地下水路与马家沟河形成通路，会导致严重事故。4 土压平衡盾构机在富水砂层中的适应性分析4.1 土压平衡盾构在富水砂层中的施工原理一般情况下所说的土压平衡盾构适应于某种地层，即是指盾构能够在这种地层中以土压平衡的模式进行掘进。当盾构处于土压平衡状态时土仓所需要的压力为:P =P + P0 公式1式中：P上覆土层产生的土仓压力；P0螺旋输送机出口的压力；P螺旋输送机对碴土所产生的压
23、力降。一般在螺旋输送机出碴时，P0应等于0，碴土从螺旋输送机进口到螺旋输送机出口的压降P正好等于土仓内螺旋输送机进口的压力，此时螺旋输送机能够正常出碴，并且土仓内的压力能够保持所需要的压力，若不满足，则会在螺旋输送机出土口发生碴土喷涌。图 1 土压平衡的力学模型图4.2 土压平衡盾构机在中砂、粉砂复合地层中施工常见问题分析4.2.1 开挖面土体物理性质土压平衡盾构在施工过程中将开挖的土料进行泥土化，通过控制泥土的压力以保证开挖面的稳定。其对土料的要求为：具有良好的流动性、内摩擦角小以及渗透性差。表 1 盾构穿越地层物理力学指标统计表岩土编号岩土名称统计项目天然含水量(%)质量密度(g/cm3)
24、重力密度(kN/m3)天然孔隙比e液限L(%)塑限p(%)液性指数IL塑性指数IP直剪三轴剪粘聚力Cq(kPa)(快剪)内摩擦角q(度)(快剪)粘聚力Cc(kPa)(固快)内摩擦角c(度)(固快)粘聚力Cuu(kPa)(不固结不排水剪)内摩擦角uu(度)(不固结不排水剪)1粉质粘土统计个数5260603773735571661123最大值43.11.9919.91.30952.528.91.3025.615.717.819.919.2最小值26.81.6416.40.83523.413.60.7610.66.06.615.78.3平均值32.91.8618.60.98933.518.20.91
25、15.511.012.010.021.617.813.8标准差4.0480.0811.1230.1395.5332.4240.1253.0854.1253.924变异系数0.1230.0430.1010.1410.1650.1340.1380.1990.3770.328推荐值32.91.8618.60.98933.518.20.9115.510.05.019.914.715.00.91T3粉质粘土统计个数91111813131013441144最大值1.72.0120.10.87248.421.70.7226.721.818.722.018.7最小值24.91.7617.60.70328.31
26、6.00.4512.313.010.419.11.1平均值28.11.9019.00.81436.418.80.6017.617.314.112.021.020.710.1标准差2.2080.0761.3150.0595.6941.7170.1014.0683.9153.6351.838.78变异系数0.0790.0400.0890.0730.1570.0910.1670.2310.2260.2590.090.27推荐值28.11.9019.00.81436.418.80.6017.617.314.130.018.520.710.12粉砂统计个数最大值最小值平均值标准差变异系数推荐值1.52.
27、56.39.23中砂统计个数11999最大值9.22.1421.40.579最小值11.62.0020.00.414平均值14.72.0720.70.479标准差2.2020.0390.6210.047变异系数0.1490.0190.0770.099推荐值14.72.0720.70.47931.02.033.0推荐值29.51.9119.10.83336.319.20.6217.120.019.521.319.925.05.84.2.2 土压平衡盾构机在中砂、粉砂复合地层中施工常见问题分析目前哈尔滨地铁一号线盾构在施工过程中都遇到了流塑性差、含水量高、渗透系数大的砂性土地层，土压平衡盾构在该类
28、土层中施工经常遇到以下技术难题：1) 由于砂性土摩擦阻力大，因而刀盘及千斤顶推力波动较大，对前方土体扰动过多，故地面沉降大而不容易控制，再加上砂性土具较好的渗透性，很容易导致流砂甚至液化发生。如果进行土体改良将刀盘前方砂性土摩擦阻力降低，同时使其具有较好的和易性会有效的改变其施工难度。图 2 部分区间段的盾构推力曲线图2) 盾构掘进时刀盘及主轴承扭矩、千斤顶推力太大，施工进展较慢，同时导致刀盘温度升高、主轴承过度磨损。同样采用渣土改良的方式进行处理，使土体具有较好的和易性也可降低影响施工的程度。图 3 部分区间段的刀盘扭矩曲线图3) 由于砂性土流塑性太差，螺旋输送机排渣困难，工作面形成泥饼。同
29、样对上述问题的处理可以采用渣土改良的方式进行处理。综上所述的种种常见问题中可见盾构在中砂、粉砂复合地层中施工存在一定的困难，但并不是不可以解决和处理的。盾构掘进施工过程中可以对土体进行改良，来解决以上问题。因此盾构在中砂、粉砂复合地层中施工在技术上可行。4.2.3 对渣土改良的要求工程实践研究表明，盾构在砂层中施工进行土体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的技术手段之一。其具有如下作用：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；减少砂层的渗透系数，使之具有较好的止水性，以控制地下水流失及防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；改善砂层
30、的流塑性，使切削下来的碴土顺利快速进入土舱， 并利于螺旋输送机顺利排渣；改善砂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。综上分析，土体改良技术作为土压平衡盾构法施工的一个重要组成部分对盾构法隧道建设的发展有着深远的影响。纵观目前国内各台盾构机的使用工况，不难发现土体改良技术应用的好坏，对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。土体的塑流化技术是保证土压平衡式盾构法成功的关键，因此国内外众多施工企业、研究机构和学者都对其相关问题进行了较为深入的研究和工程实践。5 研究关键技术5.1 中砂、粉砂复合地层盾构掘进渣土
31、改良施工技术5.1.1 关于压力舱内土体的理想状态塑性流动状态的研究土压平衡式盾构需要在压力舱内充满渣土，通过对开挖土体施加压力来平衡开挖面上的土压力和水压力， 因此土压平衡式盾构压力舱内土体的理想状态应为“塑性流动状态”。从目前的研究成果来看，业界对塑性流动状态的含义及其物理力学指标已达成共识。一般认为从土力学的角度分析，这种塑性流动状态主要包括的含义为：土体不易固结排水；土体处于流塑状态；土体具有较低的透水率；土体具有较低的内摩擦角。其力学指标主要包括：渗透系数；内摩擦角()和内聚力(c)；坍落度T（流动度）；压缩系数a。土体应具有优良的粘稠性，相应指标为粘稠度指数Ic。日本的相关研究学者
32、认为：土体的坍落度在1015cm范围内时，可以认为其满足塑性流动状态的要求。国内学者魏康林认为，经过外加剂改良后的土体必须具有较小的抗剪强度、相对适中的可压缩性、较低的渗透性和一定的流动性。现场施工一般通过土舱内的土压、盾构负荷、螺旋输送机的排土效率和排土性状测量（坍落度试验）来进行塑流状态的评价和管理。5.1.2 盾构在中砂、粉砂复合地层掘进模式选择盾构掘进模式根据不同的地质条件可以采用敞开式、半敞开式和土压平衡式三种，以适应不同的地质条件。对于中砂、粉砂复合地层的工作面不具备自稳能力，地层透水性强，同时地层中存在承压水。隧道主要穿越的地层地下水特别丰富，如隧道处于3中砂、3T2粉砂不稳定地
33、层，可能有较大涌水采用半敞开式不能有效控制涌水时，采用土压平衡模式。采用土压平衡工况掘进时，使刀具切下的土砂充满碴仓，呈流塑性控制开挖面，用螺旋输送机和调整装置保持排土与削量平衡，维持碴仓土砂一定的压力，抗衡开挖面的土压和水压用碴仓和螺旋输送机内的土砂获得止水效果，配合一定的渣土改良的方式，保持开挖面稳定，防止地下水涌出。对于流动性差、内摩擦角大、渗透系数大的砂性土地层，切下的渣土流动性差，充满土仓和螺旋输送机的渣土使刀盘、输送机的扭矩和千斤顶推力增大，影响掘进。采用土压平衡模式时，碴土应有良好的流塑状态、良好的软稠度、较低的内摩擦角和较低的透水性。当满足不了要求时，需给开挖面、混合仓和螺旋输
34、送机内注入外加剂对碴土进行改良，使开挖土具有流动性和止水性。另外，压缩的渣土止水性差，当地下水压高时，易出现喷发现象，这时要注入渣土改良剂，使开挖土具有流动性和止水性，平衡开挖面的土压和水压。5.1.3 关于中砂、粉砂复合地层盾构掘进渣土改良剂方案的研究目前使用的改良材料主要分为两大类，即：单一添加剂，复合添加剂。单一添加剂分为：矿物类（粘土膨润土等），高分子类，表面活性材料（气泡剂等）。复合添加剂分为：粘土、膨润土+气泡，膨润土+有机酸；纤维类+负离子类乳胶。课题组结合中砂、粉砂复合地层的特点对以上方法进行比选如下：高吸水性树脂用料是高分子类、不溶性聚合物，这种材料吸水但不溶于水，不会被地下
35、水稀释而劣化，一般应用于高水压的地层，以防喷涌发生。同时由于其能够填充土砂颗粒间隙，减小颗粒之间的摩擦，因而能够有效提高土体的流动性。但是，对于含盐浓度高的海水和金属离子多的地层，或强碱（如化学注浆区）和强酸性地层而言，其吸水性能则大为降低。本工程区间地下水经过化验显示硬度较高会影响其使用效果，同时高吸水性树脂材料价格很高属于特殊改良材料，考虑到施工成本因素及施工效果本次施工不采用此种改良材料。纤维类、多糖类及负离子类材料属水溶性高分子聚合物，粘稠性高，可使土颗粒聚结或土砂水形成絮凝物，减小内摩擦角，提高土体流动性，但也存在着碴土处理困难等问题。以特殊发泡剂为主要原料的表面活性材料可以很好地达
36、到改良土体流动性和不透水性的目的，且混入碴土中气泡可以自动或喷洒消泡剂消泡，故碴土容易处理。矿物类改良剂是以膨润土、粘土等天然矿物为主，其主要作用是补充微细粒成分，使压力舱内土体的内摩擦角减小， 促使其在土压力作用下发生变性和破坏。由于其适用土质范围宽，故在土压平衡式盾构施工中被广泛应用。其缺点是需要较大规模的制浆装置和贮浆槽等设备，同时碴土处理困难。通过以上分析，由于高吸水性树脂材料、纤维类、多糖类及负离子类材料的方案都不具可行性，课题组经过讨论，制定了单纯采用膨润土或单纯采用泡沫剂的两种渣土改良方案进行试验对比并进行效果分析。5.1.4 中砂、粉砂复合地层盾构掘进渣土改良试验室内实验分为两
37、个大组，分别为单纯采用膨润土和采用泡沫剂，其中根据膨润土采用的配比不同再进行分组。1 膨润土的试验膨润土到场后立刻进行委外送检，确定性能是否达到要求，同时按1：10（膨润土和水质量比）、1：8、1：5三种比例进行试拌，将三种配比的膨润土经搅拌后分两组分别放置在室内外，经12小时膨化后测定其粘度。膨润土应以粘度3337s、比重1.06左右为宜。确定膨润土配合比例后，通过连续掘进3环，分别加入6m3、 8m3、10m3膨润土，观察刀盘扭矩、土压、推力和速度的变化，结合地质分析确定膨润土的加入量。2 膨润土膨化设施及膨化流程修建膨化设施对膨润土进行膨化，按每班掘进5环考虑，膨润土每天需用100方。膨
38、化设施分为膨润土堆积区、搅拌池、膨化池和放浆池，合计140，其中搅拌池20、膨化池和放浆池各50。图 4 膨润土制拌场地布置图膨化池墙厚37cm，高1.5m，内、外部采用2cm砂浆抹面。采用标准砖砌筑,砌筑砂浆采用强度等级为M7.5，即配合比为水泥(P.O.32.5)246kg、砂1.01m3、水2933kg，砂浆拌和均匀，拌合时间不小于1.5分钟。考虑冬期施工膨化池四周搭棚子挂棉帘子，顶棚搭彩钢后覆盖棉帘。将循环水管引入池中进行盘绕，利用循环水温对膨化池进行加温。如循环水无法满足温度需要，考虑在膨化池角落生炉子进行加热。膨化时利用反循环泥浆泵使泥浆循环，并通过移动泥浆泵的位置来确保泥浆不沉淀
39、。膨化12小时后，利用反循环泥浆泵将泥浆抽至放浆池中，再通过泥浆泵放至碴车中运送至隧道内，然后用泥浆泵抽至水箱进行使用。采用箱体运输需对编组列车进行新的编组，通常一列编组列车的标准配置为1+4+1+2,即1个电瓶车头，4个碴车（含1个膨润土运输车），1个砂浆车和两个管片车。膨润土使用流程：搅拌池搅拌均匀膨化池12小时膨化放浆池存储通过渣车运送至盾构机内放入盾构机水箱中通过膨润土系统打入刀盘前方。3 泡沫选择不同的发泡率数据进行土体改良。发现在不同发泡率条件下，发泡率控制在1.5%3.5%时对土体改良会产生较好的效果，对刀盘扭矩的降低有利。发泡率要视土层中含沙量不同，在1.5%3.5%之间进行调
40、整。同样在不同发泡率数据条件下选择不同的注入量数据进行土体改良。注入量控制在4080L之间对土体改良会产生较好的效果，对刀盘扭矩的降低有利。5.1.5 试验结论根据以上试验综合考虑，膨润土的膨化过程时间较长同时膨化的程序十分复杂不利于盾构施工进度，同时膨润土膨化场地消耗巨大。相对膨润土渣土改良，泡沫剂改良材料无需前期准备不需要施工场地。施工时，泡沫剂通过泡沫泵与水和空气进行混合后直接注入进行渣土改良作业，有利于盾构施工进度的保证。施工中确定采用的外加剂是泡沫，泡沫通过盾构机上的泡沫系统注入，泡沫以悬乳液的形式通过泡沫系统注入到开挖仓和输送机进口。当围岩稳定性变好时，逐渐加大排土速度，将土仓排至
41、剩少部分土，土仓降到常压，伸出螺旋输送机。当围岩稳定性变差，开挖面有可能坍塌或不能有效控制地下涌水时缩回螺旋输送机，关闭卸料口，冲入压缩空气封闭碴仓，防止坍塌，控制涌水；当开挖面不能达到稳定或水压力过大时，停止出渣使渣土充满土仓并获一定压力，以抗衡开挖面土压和水压，控制出渣量实现土压平衡掘进模式。通过本次应用研究在富水中砂、粉砂地层条件下，采用泡沫剂改良材料，每环发泡率控制在1.5%3.5%时土体改良会产生较好的效果，对刀盘扭矩的降低有利。同时发泡率要视土层中含沙量不同，在1.5%3.5%之间进行调整。同样在不同发泡率数据条件下选择不同的注入量数据进行土体改良。注入量控制在4080L之间对土体
42、改良会产生较好的效果，对刀盘扭矩的降低有利。5.2 中砂、粉砂复合地层盾构掘进地面沉降控制盾构在全断面砂层施工中普遍存在地面沉降不易控制问题。由于砂层的内摩擦角相对较大，主动土压力与被动土压力差值很大。施工过程中如采用主动土压力指导施工往往会造成扰动导致土体液化，造成地面沉降。某一点地表隆沉按照盾构通过的不同阶段可划分为如下三个阶段： 隧道掌子面前方510m初始沉降；隧道掌子面前方5m；隧道正上方（盾构机通过过程中）；盾构机盾尾通过后盾尾空隙沉降；固结沉降直至沉降稳定。图 5 隧道地表沉降三阶段示意图根据哈尔滨地铁1号线工程大学站太平桥站区间地表沉降的情况： 盾构到达前距离510m时地表隆起量
43、为0mm； 盾构到达前距离35m时地表隆起量为03mm以内。 盾构通过时，初推阶段地表沉降-10mm，占总沉降量的34%； 盾尾通过时沉降为 -25mm，占总沉降的50%。 盾尾通过后至30d地表基本稳定，沉降量为-30mm，占总沉降量的16%。沉降机理分析：表 2 盾构施工引起位移的原因与机理沉降类型主要原因应力扰动变形机理初始沉降地下水位降低，围岩（土体）受挤压而压密孔隙水压力减少，有效应力增加孔隙比减小，固结开挖面前方变形隆起 盾构机推力过大孔隙水压力增加反向土压力增加压缩产生弹塑性变形沉降 盾构机推力过小、出渣过量应力释放，扰动弹塑性变形盾构通过时的沉降围岩（土体）失去盾构支撑，管片背后注浆不及时应力释放弹塑性变形盾尾空隙沉降围岩（土体）失去盾构支撑、管片背后
