土压平衡盾构在富水的复合地层中掘进时, 受到诸多因素影响, 在刀盘结构、刀具配置一定的情况下, 土压、推进速度、刀盘转速影响到推力、扭矩的大小;推进速度、土压、螺旋机转速影响到出土量的多少, 直接影响地面沉降;在富水复合地层中, 土压、推力、扭矩等参数又与螺旋机喷涌和刀盘、土仓结泥饼密切相关。

本文以南昌轨道交通2号线某富水复合地层盾构区间为例, 分析了土压、刀盘转速、推进速度、螺旋机转速等参数与螺旋机喷涌、刀盘 (土仓) 泥饼的关系, 并通过合理的渣土改良控制喷涌, 通过增加高压冲洗装置防控刀盘、土仓泥饼的形成, 在实际施工中取得了良好的效果。

南昌轨道交通2号线某盾构区间位于南昌市红谷滩新区, 区间长度1 420m, 隧道区间地层, 主要为 (1) ₂素填土、 (2) ₁粉质黏土、 (2) ₂淤泥质粉质黏土、 (2) ₃细砂、 (2) ₄中砂、 (2) ₅粗砂、 (2) ₆砾砂、 (2) ₇圆砾, (2) ₈卵石, 下伏 (5) _1-1强风化泥质粉砂岩、 (5) _1-2中风化泥质粉砂岩。隧道主要穿越粗砂、圆砾、砾砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。其中隧道穿越全断面砂砾 (卵) 地层280m、上软下硬地层740m、全断面泥岩地层440m。隧道埋深8.9~17.5m。

区间下穿丰和南大道1号桥、东方水城景观明渠6号箱涵、丰和立交1, 2, 3号桥。下穿DN500污水管 (混凝土) 、DN800雨水管 (混凝土) 等。隧道管片外径6m、内径5.4m、环宽1.2m, 采用3块标准块、2块邻接块、1块封顶块。地下水位于地面以下1.8~2.4m, 主要接受大气降水垂直补给和赣江水体的侧向补给, 该含水层具有一定的微承压性。

取该工程区间隧道20~140环全断面砂砾地层、270~400环上软下硬的富水地层进行研究。隧道区段地层为 (1) ₂素填土、 (2) ₁粉质黏土、 (2) ₃细砂、 (2) ₄中砂、 (2) ₇圆砾、 (5) _1-2中风化泥质粉砂岩, 隧道穿越 (2) ₇圆砾、 (5) _1-2中风化泥质粉砂岩地层。

本工程所用盾构为ZTE6250土压平衡盾构, 刀盘开挖直径6 280mm, 刀盘驱动系统为变频电机驱动 (驱动功率6×132k W) , 刀盘最高转速2.4rpm, 额定扭矩5 700k N·m、脱困扭矩6 300k N·m;额定推力34 212k N、最大推力39 914k N;装机功率1 800k W。

土压平衡盾构在富水砂 (卵) 砾地层掘进时, 土体中黏性颗粒少、松散无黏结力, 在丰富的 (承压) 地下水作用下, 渣土难以在土仓内形成流塑状, 渣土通过螺旋机排出土仓过程中, 难以在螺旋机内形成有效的“土塞”效应, 具有一定压力的泥水夹带着渣土由螺旋机出口喷出, 称之为喷涌。

盾构在土压平衡状态下掘进时有:

式中:P为土仓压力 (k Pa) ;P_水为地下水产生的土仓压力 (k Pa) ;P_土为土体产生的土仓压力 (k Pa) ;ΔP为渣土在螺旋机内的压力降 (k Pa) ;P₀为螺旋机出渣口压力 (k Pa) 。

将式 (1) , (2) 整理得:P_水+P_土=ΔP+P₀。在土压平衡状态下, 螺旋机正常出土时P₀=0, 渣土在螺旋机内移动的压力降ΔP=P_水+P_土;盾构掘进中, ΔP≥P_水+P_土时, 螺旋机正常出土, 反之P₀>0, 螺旋机喷涌。

渣土在螺旋机内移动所受阻力主要与渣土与螺旋机筒体、叶片的摩擦力有关, 摩擦力的大小与渣土的流塑状、渣土组成、螺旋机结构有关。

盾构掘进中, 通过泡沫、膨润土对渣土进行改良, 提高渣土的流塑性与止水性, 在泡沫膨润土难以达到满意的渣土改良效果时, 注入高吸水性树脂 (聚合物) , 提高渣土改良效果, 利于喷涌的控制。盾构掘进区间既有富水砂层、上软下硬地层, 又有全断面泥岩地层, 渣土改良系统由原盾构配制的泡沫膨润土系统, 又增加了聚合物注入系统, 以满足不同地层的渣土改良需要。

工程所用盾构泡沫膨润土系统由单泵单供的6路泡沫及2路膨润土组成, 如图1所示为泡沫膨润土系统原理, 其中刀盘面板有6个泡沫注入点, 土仓4个注入点, 螺旋机2处8个注入点, 泡沫膨润土管路在设备桥前部可相互切换。泡沫单泵额定流量1.2m³/h、压力40MPa, 膨润土单泵额定流量10m³/h、压力1.6Pa, 盾构配置8m³/h、扬程93m的清水增压泵, 用于土仓辅助加水、前部设备冲洗等。

高分子注入系统由搅拌桶、注入泵、水气管路、管路组件等组成, 采用气动搅拌, 将粉状高分子制成溶液, 根据现场实际需要可通过注入泵将聚合物溶液注入到刀盘、土仓、螺旋机等部位。

根据掘进区段的地质情况, 通过试验确定渣土改良剂的种类及相关参数。膨润土选用钠1级优质膨润土 (蒙脱石含量60%~88%, 膨胀容25~50m L/g, 胶质价≥99m L/15g, 2h吸水率250%~350%, 含水率≤12%, 湿压强度≥0.23MPa) , 泡沫为某知名品牌, 高分子聚合物 (HHZ-A) 为白色粉剂 (含有强亲水性基团, 不溶于水, 可吸收自重数10倍、数百倍甚至上千倍水) 。

不同泡沫、膨润土配合比的渣土试样如表1所示, 泡沫剂原液稀释到浓度3%。通过对不同地质、不同含水率的渣土进行模拟改良试验, 得出了改良剂的注入参数。在施工中, 应根据出渣情况不断调整并完善渣土改良效果, 保证盾构的顺利推进。

盾构在全风化、强风化、中风化等泥岩及泥质粉砂岩等含黏性颗粒较多的地层中掘进时, 刀盘切削挤压黏性土体后, 易在刀盘中心形成向外周扩散的泥饼, 随着泥饼的不断挤压与扩展, 刀盘进渣口被堵塞, 随着盾构的推进, 泥饼变大变硬, 刀盘失去切削土体的能力;泥饼加重了刀盘、刀具的负荷, 极易引起掘进参数突变, 降低施工效率。含黏性颗粒较多的土体在渣土改良欠佳、土仓内渣土置换不及时时, 易导致土仓底部形成泥饼。土仓泥饼不仅影响盾构的正常掘进, 严重时还会影响主驱动密封的安全。在富水地层中掘进时, 土仓泥饼减小了土仓的有效容积, 影响渣土改良效果, 在较高水压下极易形成螺旋机喷涌。

刀盘土仓泥饼以有效的渣土改良为主, 在黏性颗粒较多的地层以泡沫改良为主, 根据实际需要可用增压水与泡沫进行改良, 但仍有较大的结泥饼风险, 为了更有效地规避泥饼带来的一系列施工风险, 采用如图2所示的高压水同步射流冲洗系统, 利用新增高压水泵与原配离心泵串联, 以提供较高的水压。

同步射流泥饼防治技术主要是应用高压水射流原理, 即利用高压发生装置, 以水为介质, 使其在获得巨大能量后, 以流体方式, 通过预装在土仓隔板、刀盘面板上的特定喷嘴产生高速的射流束, 对刀盘及土仓内不同位置的土体进行冲洗、切割, 避免渣土固结成块形成泥饼, 从而达到泥饼防治与盾构掘进同步的目标。

该装置充分利用土仓隔板上的预留孔, 安装用于喷射高压水流的冲洗喷头, 在易形成泥饼的位置选择安装冲洗喷头, 喷嘴安装在靠近刀盘中心部位及土仓底部的隔板预留孔上, 实际使用中根据掘进需要确定冲洗喷头的开启数量。该系统可实现泥饼防治与盾构掘进同步进行, 即在刀盘有泥饼形成时开启增压泵对泥饼进行冲洗, 在泥岩地层掘进时, 开启增压水既可预防泥饼的形成, 又可起到渣土改良的效果。

在盾构始发段, 掘进地层为富水砂砾地层, 以静止土压力为依据, 采用水土分算的方式, 取土的静止侧压力系数K₀为0.42, 根据地质纵剖面, 取MBZ3-xfcy-067, MBZ3-xfcy-052点计算土压力。

查阅地勘资料, MBZ3-xfcy-067点: (2) ₁粉质黏土1.2m、 (2) ₂素填土5.5m、 (2) ₄中砂1.3m、 (2) ₇圆砾3.8m, 埋深11.8m, 水位地面下2.2m;MBZ3-xfcy-052点: (1) ₂素填土3m、 (2) ₁粉质黏土2.9m、 (2) ₃细砂3.9m、 (2) ₇圆砾3.7m, 埋深13.5m, 水位地面下1.81m。

土层密度 (1) ₂素填土1.87g/cm³、 (2) ₁粉质黏土1.87g/cm³、 (2) ₃细砂1.9g/cm³、 (2) ₄中砂1.8g/cm³、 (2) ₇圆砾2.0g/cm³。将以上数据代入式 (3) :

计算得MBZ3-xfcy-067:P_土=150k Pa, 考虑地面荷载20k Pa, 取土压力1.7bar;MBZ3-xfcy-052:P_土=163k Pa≈1.6bar, 考虑地面荷载取土压力1.8bar。

根据以上土压力计算, 借鉴类似地层的成功经验, 取推进土压力1.5~1.6bar (≥1.4bar) , 保压时土压力1.6~1.8bar。

在盾构掘进20~140环全断面富水砂砾地层时, 经渣土取样, 渣土含水率10%~14%, 渣土改良采用泡沫膨润土, 采用2种方式注入泡沫膨润土。

采用水土比4∶1的膨润土浆与发泡剂改良 (泡沫原液3%, 膨胀率8~10倍) , 膨润土浆每环注入4~6m³, 泡沫剂注入2~3m³, 刀盘外周注入2路膨润土, 刀盘靠近中心部位注入4路泡沫, 土仓注入1路膨润土。刀盘转速1.1~1.2rpm, 土压力1.5~1.6bar, 推力1 200~1 350t (12 000~13 500k N) , 扭矩3 200~3 800k N·m, 推进速度25~35mm/min, 推力、扭矩、速度平稳, 渣土流塑性较好, 每环出渣量39~40m³, 地面累计沉降5~10mm。

采用水土比4∶1的膨润土浆与发泡剂改良 (泡沫原液3%, 膨胀率8~10倍) , 刀盘注入6路泡沫, 土仓注入2路膨润土, 膨润土浆每环注入3~4m³, 泡沫剂注入4~4.5m³, 刀盘转速1.1~1.2rpm, 土压力1.5~1.6bar, 推力1 360~1 450t (13 600~14 500k N) , 扭矩3 800~4 200k N·m, 推进速度17~25mm/min, 推力、扭矩、速度均有较大波动, 渣土有离析现象, 每环出渣量39~42m³, 地面累计沉降5~15mm。

为验证在富水砂砾地层土压与地面沉降关系, 掘进中土压力降到1.0~1.2bar, 刀盘注入6路泡沫, 土仓注入2路膨润土, 渣土出现明显离析, 螺旋机出渣口土压力0.3~0.7bar, 螺旋机出现微喷涌, 随着螺旋机出口压力升高喷涌加剧, 刀盘转速1.2~1.4rpm, 推力1 460~1 750t (14 600~17 500k N) , 扭矩4 200~5 270k N·m, 推进速度10~15mm/min, 扭矩随刀盘转速波动较大, 推力、速度均有大的波动, 每环出渣量41~45m³;推进2环后, 刀盘外周注入2路聚合物、4路泡沫, 土仓注入2路膨润土, 刀盘转速1.2rpm, 推力1 380~1 670t (13 800~16 700k N) , 扭矩3 900~4 800k N·m, 推进速度10~20mm/min, 刀盘扭矩、推进速度、推力波动减小, 螺旋机出渣口土压力0.1~0.4bar, 螺旋机喷涌有所减轻, 随掘进的进行, 提高土仓压力到1.4~1.5bar, 螺旋机出口土压力降为0bar, 渣土流塑性变好, 推力1 350~1 450t (13 500~14 500k N) , 扭矩3 900~4 170k N·m, 推进速度15~25mm/min, 掘进中推进速度、扭矩波动变小。每环出渣量42~44m³, 最大一环出土约46m³, 地面沉降明显增加, 由20mm增加到50mm, 出渣多的点对应的沉降增大。

随着推进参数的正常, 在富水砂砾地层采用表1中 (序号1) 配合比, 并根据实际情况微调, 掘进参数稳定, 地面沉降为10mm以内。刀盘外周注入膨润土具有良好的止水、降低摩擦力的作用。土仓压力不低于掌子面水土压力, 地下水不易进入土仓, 土仓压力较低时, 地下水进入土仓, 渣土离析, 易造成螺旋机喷涌, 刀盘注入聚合物可有效控制喷涌, 需根据实际情况确定注入量与聚合物的浓度。

盾构掘进到上软下硬地层区段, 在泥岩厚度1.5m以下时, 采用刀盘2路膨润土+4路泡沫的添加剂注入方法, 根据渣土的流塑性可在土仓注入适量泡沫或增压水, 掘进土压力1.5~1.6bar (≥1.4bar) , 掘进参数稳定正常。在土压力降至1.0~1.2bar时, 渣土离析, 螺旋机出口背压0.4~0.7bar, 土压力低至1.0bar时, 螺旋机出口背压在0.6~1.0bar波动, 喷涌较严重, 出渣不易控制, 地面沉降较大, 土压力提高到1.5bar出渣正常, 随着泥岩的增加停止膨润土注入, 刀盘注入6路泡沫, 根据情况土仓适量加水, 掘进到300~305环时, 推力由1 150~1 260t (11 500~12 600k N) 增加到1 780~2 000t (17 800~20 000k N) , 推进速度由30~40mm/min降低到10~20mm/min, 扭矩由3 300~3 770k N·m增加到3 800~4 270k N·m且波动较大, 根据掘进参数及现场情况确认, 判断土仓底部、刀盘面板结泥饼较为严重, 主要原因为地层中黏性颗粒的增多及欠压掘进导致水土离析, 土仓底部离析的渣土积聚导致推力增加, 土仓泥饼、刀盘面板、背部泥饼导致刀盘扭矩增加。启用增压水冲洗系统, 减小刀盘中心部位泡沫流量, 刀盘面板中心开启2路中心冲洗喷头 (设计4路, 根据需要确定开启数量) , 开启1个隔板固定喷头冲洗刀盘中心背部, 根据掘进参数可开启1~2路土仓底部冲洗点, 具体开启喷头数量、冲洗点位根据出渣情况确定, 设计喷头流量1~2m³/h, 具体流量与喷头开孔数量相关, 增压泵流量8m³/h, 满足冲洗需要。

盾构在富水复合地层掘进, 渣土的改良因地质情况而异。在富水砂砾地层刀盘外周注入膨润土、其余部位注入泡沫, 根据地层的含水量, 膨润土浆液水土比6∶1~4∶1间调整, 泡沫原液浓度3%~4%, 其膨胀比砂层为8~10、黏性土体为10~12 (膨胀倍数因泡沫质量而异, 以试验为主) , 以土压平衡模式掘进, 土压不宜比计算值低0.2bar, 可根据实际地质情况及掘进参数选用70%仓位的气压模式掘进, 土压平衡模式利于控制喷涌, 聚合物注入刀盘外周 (浓度0.5%~1%) 有良好的抑制喷涌作用。

针对黏性颗粒较多的地层, 采用同步射流冲洗刀盘面板、刀盘背部、土仓底部, 该系统在泥岩地层中, 在控制泥饼的同时可起到加水辅助渣土改良的作用, 具有良好的效果, 加水量以实际情况确定。