深圳风化花岗岩地层盾构防泥饼渣土改良技术
0 引言
由于施工安全、快速、经济,土压平衡盾构法已广泛应用于城市地铁隧道施工。在穿越复杂地质层段时,盾构在黏土矿物含量高的土层和风化岩层施工过程中,会出现从刀盘刀具局部堵塞到土仓整体性闭塞等不同程度的“结泥饼”现象,导致盾构推力和扭矩增大、掘进效率降低。
针对土压平衡盾构在黏性地层掘进易出现渣土饼化现象,国内外学者依托现场做了一些研究。在泥饼形成方面,M.Thewes等
综上所述,本文依托深圳地铁某线盾构工程,基于盾构掘进参数阐述泥饼的形成过程、泥饼对刀具磨损的影响,并根据不同地层情况提出相应盾构掘进预防泥饼的渣土改良方案,取得成功应用。
1 工程概况
1.1 区间线路设计
深圳市某盾构区间隧道采用土压平衡盾构施工,左线长912.065m,共计608环,右线长930.457m,共计620环,全长1 842.522m,合计1 228环。本区间共有2组曲线,左线曲线半径为450,350m,右线曲线半径为450,370m,线间距为9.05～22.05m,呈S形布置。线路纵坡设计为V形坡,最大坡度为27‰,最小坡度为9.4‰。区间最大埋深为24.41m,最小埋深为13.23m。
1.2 地质水文情况
隧道上部覆土地层主要为:(1)1素填土、(1)5杂填土、(2)2淤泥质黏性土、(2)3淤泥质砂、(3)4粉质黏土、(3)5粉砂、(3)6细砂、(3)7中砂、(3)8粗砂、(3)9砾砂、(3)10圆砾土、(7)2砂质黏性土、(8)1全风化花岗岩、(8)2-1强风化花岗岩。区间隧道穿越地层以(3)8粗砂、(3)9砾砂、(3)11卵石土、(8)2-2块状强风化花岗岩、(8)3中风化花岗岩为主,局部隧底为(8)4微风化岩层,线路走向大部分均位于上软下硬地层。
场地地下水主要有2种类型:一类为第四系地层中的松散岩类孔隙潜水,主要赋存于冲洪积砂土层中,略具承压性;另一类为基岩裂隙(构造裂隙)水,主要赋存于强～中等风化带及断裂构造裂隙中,具有承压性。勘察期间测得地下水位埋深2.40～5.60m,高程-1.070～2.520m。根据地区经验,地下水位的年平均变化幅度为0.5～2.0m。
2 泥饼形成及对刀具磨损的影响
盾构正常掘进过程中,无法直接观察前方刀盘和土仓状况。若经常停机开仓检查则降低掘进效率,故一般通过分析掘进参数预测泥饼的形成趋势。
2.1 泥饼形成过程中掘进参数变化
隧道前165环工程地质条件如图1所示,主要穿越由圆砾土、卵石土、粗砂、砂土状强风化花岗岩和中风化花岗岩等组成的复合地层。隧道第0～165环对应的推力、掘进速度、刀盘扭矩和螺旋输送机扭矩变化曲线如图2,3所示。盾构进洞后前21环穿越富水地层,采用泥浆和泡沫改良渣土,使用的膨润土泥浆为一般钠基膨润土,膨润土和水在设备桥上的膨润土箱中直接混合后使用,泥浆膨化时间为1h(拼装管片的时间),膨润土离析严重,泥浆改良效果差,易引起喷涌现象,因此前6环掘进速度慢,仅为10～15mm/min。随后改变膨润土处理工艺,先将膨润土与水混合熟化4h再注入,喷涌现象得到改善,掘进速度逐渐上升至25～30mm/min。穿过全断面富水地层后,左线盾构掘进至67环前,盾构推力保持在12 000～16 000kN,推进速度在25～40mm/min,刀盘扭矩保持在2 000～3 000kN·m。67环后在逐渐加大推力的情况下,掘进速度在逐渐下降,当掘进第69～90环时,盾构保持推力在17 000～20 000kN,掘进速度保持在16～24mm/min。81环后,刀盘扭矩突然上升至3 000～4 000kN·m。第91～94环后在保持此推力的情况下掘进速度下降至5mm/min,此时可认为泥饼已形成。于是向前方刀盘注入分散剂并浸泡1d后,恢复掘进后推力和扭矩分别为17 000～20 000kN和3 000～4 000kN·m,掘进速度恢复至15～25mm/min,在133环后掘进速度又逐渐下降。当掘进至第165环时,掘进速度仅为5mm/min。
Fig.2 Variation curves of thrust force and tunneling speed between No.0 and No.165 rings
图3 第0～165环刀盘扭矩与螺旋输送机扭矩变化曲线
Fig.3 Variation curves of cutterhead and screw conveyor torque between No.0 and No.165 rings
综上所述,并结合地质情况可推断,盾构在进入含全风化花岗岩和砂状强风化花岗岩后,在地层变化不大的情况下,掘进约67环后出现推力增大、掘进速度下降以及刀盘扭矩维持不变的现象。这可能是由于刀盘上有一定量的泥饼形成,减小了刀盘开口率,切削下来的土体从开挖面进入土仓的通道面积减小,造成推力增大,但此时刀具磨损量小,未对其切削能力产生影响,且速度降低后贯入度降低,因此刀盘扭矩基本不变。随后继续掘进,刀盘扭矩在砂状花岗岩增多的位置增大,但此时掘进速度维持原有水平,这可能是由于地层中砂状花岗岩增多,其砂和粉黏粒含量大,具有较大的黏性和较高的内摩擦角,造成刀盘维持相同转速时所需扭矩增大。掘进至第94环时,掘进速度持续下降至盾构基本无法推进,可推断至第94环时泥饼已大规模形成,使前方土体难以进入土仓导致盾构无法掘进。当掘进至第94环时采用分散剂对土仓内渣土浸泡,能够消除部分泥饼,但由于后期渣土改良效果不理想,造成后续的掘进中泥饼继续累积,造成第2次速度下降致使盾构无法掘进。
2.2 泥饼引起的刀具磨损
由于盾构无法正常掘进,在第165环处进行带压开仓换刀,开仓后发现刀盘出现“结泥饼”现象(见图4)。刀箱内充满了固结后的渣土,部分滚刀被渣土糊死不能自转,导致24把滚刀偏磨。图5中灰点为换刀时发生偏磨的刀具。刀盘回转中心处的刀具全部偏磨,(1)号和(4)号辐条刀具呈对称布置,辐条上的全部滚刀偏磨。(2)号和(5)号辐条除最边缘的滚刀其余均偏磨,且最边缘的2把刀(29号和30号)磨损值分别达到10mm和11mm,磨损量相近。(3)号和(6)号辐条上刀具虽呈对称布置,但磨损刀具数量不同,(3)号辐条上有4把刀具均偏磨,(6)号辐条仅有1把滚刀偏磨,该辐条上刀具21号、27号和33号刀依次向外布置,虽然3把刀均为均匀磨损,但磨损量依次为15,10,15mm。
盾构发生“结泥饼”后,会加剧刀具磨损,磨损刀具相对于回转中心基本呈中心对称,且刀具的磨损形式主要表现为偏磨,主要原因是泥饼黏附在滚刀上,造成滚刀不能正常转动,最终形成偏磨。
3 预防泥饼渣土改良及掘进参数分析
隧道第165～315环地质纵断面如图6所示,盾构在该段穿越地层中均含砂土状强风化花岗岩和全风化花岗岩,其中第165～176环断面下部有少量微风化花岗岩,第170～218环断面上部为富水砂卵石地层,第218～292环盾构穿越全断面的砂状花岗岩和全风化花岗岩,293环后穿越地层上部出现少量卵石土、圆砾和砂质黏性土。
图5 刀具磨损标识
Fig.5 Wear identification of the cutters
3.1 渣土改良方案及实施
盾构开仓后,为防止再次发生“结泥饼”现象,改变渣土改良方案。改良剂主要采用分散型泡沫剂、水和膨润土泥浆,泡沫剂浓度为3%,发泡率设置为10,实测发泡率为8。考虑到之前使用的钠基膨润土需较长的熟化时间才具有较好的黏度,盾构需较长的停机时间,因此改用钻井级膨润土,将膨润土与水按1∶5混合后,约0.5h便有很高的黏度。
根据地层情况,拟定表1中的各地层渣土改良方案。第165～176环和第219～315环因地层中含有大量强风化和全风化花岗岩,渣土中黏粒、砂粒含量都较高,若渣土改良不当易造成“结泥饼”现象,因此采用分散型泡沫和水改良渣土。第177～218环盾构穿越富水卵石土含量较高的复合地层,尤其在第206环卵石含量高,水头高度约10m,且第183～191环位于福民新村33栋楼下方,在第208～222环位于34栋楼下方,若土仓中渣土抗渗性差,开挖面前方的水易从螺旋输送机口喷出造成水土流失,引起地面房屋沉陷。因此,该区段渣土中加入膨润土泥浆,增强其抗渗性。
表1 不同地层渣土改良方案
Table 1 Residue improvement scheme for various stratums
为确定渣土的最优状态,对盾构排出渣土进行坍落度试验,试验结果如图7所示。当排出渣土坍落度值>20cm时(见图7a),渣土直接从螺旋输送机口喷出,出渣难以控制;渣土的坍落度<15cm时(见图7b),渣土的流动性差,盾构掘进效率较低,且易发生“结泥饼”;当渣土的坍落度为15～20cm时(见图7c,7d),渣土的流塑性较好,且盾构排土效率较高。因此,盾构掘进过程中,根据地层情况,实时调整改良参数,使盾构排出的渣土坍落度维持在15～20cm,此后盾构实现顺利掘进。
图6 第165～315环地质纵断面
Fig.6 Geological profile between No.165 and No.315 rings
图7 现场坍落度试验结果
Fig.7 Slump test results in the construction site
3.2 掘进参数分析
调整渣土改良方案后,盾构掘进参数如图8～9所示。盾构于第166环后穿越地层下方有少量微风化花岗岩,盾构推力为13 000～15 000kN,刀盘扭矩保持在3 000kN·m左右,低于换刀前相同地层盾构掘进扭矩,盾构掘进速度在10～15mm/min,高于换刀前相同地层中的掘进速度。盾构于第174环刀盘脱出微风化岩层后,推力和扭矩分别在10 000～13 000kN和1 500～2 000kN·m,掘进速度增加至30～40mm/min。掘进至第203环后,该段全～强风化花岗岩层逐渐增多,盾构推力和扭矩增大,掘进速度逐渐减慢,但渣土流塑状态稳定,无喷涌现象发生。至第209环后,推力逐渐保持在15 000～19 000kN,刀盘扭矩保持在3 000～4 000kN·m,盾构掘进速度保持在20～30mm/min。螺旋输送机扭矩全程波动较小,表明排土一直保持稳定。
通过对掘进参数分析可知,在调整渣土改良方案后,掘进参数仅因地层不同而有较大波动。盾构在卵石土和强风化花岗岩复合地层中时,推力和扭矩相对较小,为10 000～13 000kN和1 500～2 000kN·m,掘进速度较快,为30～40mm/min;当盾构进入全～强风化花岗岩地层时,盾构推力和扭矩明显增大,分别在15 000～19 000kN和3 000～4 000kN·m,掘进速度明显减慢,为20～30mm/min。盾构全程掘进正常,表明调整后的渣土改良方案能有效防止泥饼产生、提高掘进效率。
Fig.8 Variation curves of thrust force and tunneling speed between No.166 and No.300 rings
图9 第166～300环刀盘扭矩与螺旋输送机扭矩变化曲线
Fig.9 Variation curves of cutterhead and screw conveyor torque between No.166 and No.300 rings
4 结语
1)盾构发生“结泥饼”后,推力明显增大,掘进速度逐渐减慢接近0,扭矩变化不大。采用分散剂浸泡刀盘,能消除部分泥饼,但若渣土改良不合适,泥饼又将会快速形成。因此,采用分散剂去除泥饼后,配合合适的渣土改良方案才能预防泥饼产生。
2)盾构发生“结泥饼”后,能加剧刀具磨损,磨损刀具相对于回转中心基本呈中心对称,且刀具的磨损形式主要表现为偏磨。
3)在风化花岗岩地层中,采用分散型泡沫剂和水可有效提高渣土的流动性,取得理想的改良效果;但在卵石土和风化花岗岩复合地层中,需采用膨润土、分散型泡沫剂和水相结合的渣土改良方案,提高渣土的抗渗性和流动性,防止发生喷涌。在风化花岗岩与卵石土复合地层和风化花岗岩地层中理想渣土的坍落度值为15～20cm。
4)相比于渣土改良,地层对掘进参数的影响更明显。盾构在卵石土和强风化花岗岩复合地层中时,推力和扭矩相对较小,分别在10 000～13 000kN和1 500～2 000kN·m,掘进速度较快,为30～40mm/min;而当盾构进入全～强风化花岗岩地层时,盾构推力和扭矩明显增大,分别在15 000～19 000kN和3 000～4 000kN·m,掘进速度明显减慢,为20～30mm/min。
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