孟晔1，崔刚2，姚峰2
(1．中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司，上海200135;2．江苏中车城市发展有限公司，江苏无锡214174)
【摘要】盾构施工虽然对地层有着广泛适应性、施工安全高等优点，但因地质情况不同，施工环境复杂，在盾构施工中一定存在盾构机的适应性和施工方法、措施的调整。为明确土压平衡盾构施工在黏土层及中风化石英砂岩中相匹配的施工措施或方法，通过广泛文献、资料和技术的调研，从土层的概述、盾构施工掘进控制技术分析、改良系统、黏土及中风化石英砂岩地层渣土改良技术果多个方面总结分析了盾构法在面对上述条件下的具体处置措施。结果表明:采取分散型的泡沫剂就能够对土壤进行改良，这种物质和土壤能够产生反应，让土壤软化下来，并且能够减少黏性。中风化石英砂岩的处理方式可以进行强化，仅仅使用泡沫改良的效果有限。相关研究成果可为黏土层及中风化石英砂岩条件下的盾构施工提供参考借鉴。
0引言
查阅相关的技术论文及成果，发现:(1)针对软硬混合复杂多变地质条件下盾构法隧道施工技术国内已有相关文献报道，但针对黏土地质变化至中风化岩地层复杂变化对盾构法隧道施工的影响尚未发现相关研究报道;(2)不同地质情况的盾构法隧道施工技术研究国内外已有相关的文件，但涉及多种不同地质的上软下硬施工控制及相应地面沉降变化的研究较少。
1某工程土层概述
1.1土层介绍
隧道推进遇到的土层较多，有②1层淤泥质粉质黏土、③1层黏土、⑤层粉质黏土、⑥1黏土、⑥2层黏土、4142含碎石粉质黏土、4182强风化石英砂岩和4183中风化石英砂岩。区间范围内地质软硬不均，复杂交互。地层强度和压缩性差异较大。以上的土层状况拥有较大的差异性，并且软硬的程度也是不同的，同时也能够融合在一起。地层强度和压缩性差异普遍较大，所以在这种状况下要使用土压平衡盾构隧道需要面临较大的难度，因此要进行突破。
1.2土层的特性
对于黏土层进行分析，它的切面特点是带有一定的光泽，并且拥有良好的韧性和强度，其中也包括了铁锰物质，但是黏土的显著特点是黏性过大，在盾构过程当中会导致盾构设备出现堵塞问题，会影响工程进度［1］。
中度风化石英砂岩的整体结构出现了胶状的特征，并且它的中心是短柱的形状，通过外部的敲击可以产生清脆的声音，并且属于裂隙发育状态，在实施盾构工程时这些岩石会被设备切削成碎片，但是过程较为繁琐，会磨损盾构机的刀盘。因为岩石被外界风化以后，会出现众多的纹理特征，并且岩石的缝隙当中拥有大量的水，如果水压过高，在土仓当中也会形成喷涌状态。大量的水会流入刀盘的开口位置，并且岩石软硬并不均匀，掘进过程当中盾构机会出现抬头现象，这就导致盾构的姿态无法掌控，所以表面会出现塌陷等现象，同时也会磨损盾构机的刀具。基岩可能会产生小范围的顶板冒落，对工程建设产生一定影响，对区间的隧道施工风险控制也是极大考验。
1.3推进的难点
1.3.1黏土地质情况下施工的难点
(1)机器在黏土层推进的过程，在遇水软化后的土有很高的黏性，在以上区域还会产生大量的泥土污垢，造成刀盘上出现强大的阻力，机器会在推进过程中推力变大而速度变慢，使刀盘不转，导致影响施工。
(2)盾构机黏土中不易改良，改良差的情况下容易造成闷仓，影响正常施工进度。
(3)黏土掘进时土质较硬，容易对螺旋机造成损伤。
1.3.2风化石英砂岩地质情况下施工的难点
(1)掌子面不稳定，清理土仓泥巴、更换刀具不易，停机时间长，重新掘进后比较容易出现塌方现象，导致地面沉降。
(2)易造成螺旋机出口出现喷涌、盾尾刷损坏的情况发生几率较大，影响隧道施工的进度，造成巨大的安全隐患。
(3)在盾构机推进的过程中石英砂岩地层对刀盘、刀具、螺旋机系统等磨损较为严重，造成换刀的次数增加，螺旋机等运输设备需得到及时的修复，过程中会消耗太多的时间，及人力物力。
(4)岩石层推进过程中容易使刀盘扭矩过高，造成机器的机刀盘、螺旋机等设备卡死。
(5)地面沉降量不好控制，同步注浆、二次注浆、地面注浆对控制地面的情况较差，不容易控制情况。
施工时应特别关注。岩石段推进的时候，盾构机的姿态不好控制，非常容易出现变动较大的现象，容易对地层造成大的扰动，刀具出现磨损较为严重的现象，需要时刻注意着盾构机的姿态以便及时的控制盾构机的姿态，避免盾构机的姿态发生大偏离轴线现象，推进过程中纠偏需要“勤纠偏、缓纠偏”，不能大幅度的纠偏，导致管片出现碎裂、错台。为了控制地面的沉降，需要采用同步注浆后及时的进行二次注浆［1］。
2盾构施工掘进控制技术分析
2.1土压平衡盾构在黏土地层中渣土改良技术分析
螺旋机里面挤出来的黏土不会分散会呈整根土块出现。黏土层的黏性太大，黏土与土层里面的水不能有效的融合，水会附在泥巴的表面，在皮带机上出现打滑、空转的现象，无法及时将土运输至土箱导致推进过程变慢，无法继续推进，影响施工进度，造成经济损失［2］。
黏土的黏性比较大，不容易端口，条状挤出后，易堆积在皮带机出土口造成出土口堵塞，机器设备一旦出现故障以后，必须要进行处理，但是会占用额外的时间。
如果没有对渣土进行充分的改良，必然会影响黏土的均匀程度。在这种情况下，水和土体加入泡沫剂以后仍然无法进行融合，在螺旋机器启动以后，水和土体就会被带出，因此会出现大量的喷涌现象，此时机器的皮带就会随之滑动［4］，这样一来就给施工带来了众多问题，也影响到效率。
2.2土压平衡盾构在中风化石英砂岩地层中渣土改良技术分析
在全断面中风化石英砂岩中，由于岩层裂隙较多，地下水在裂隙中形成多个汇水面，造成掘进时，打开螺旋机闸门时就立即喷涌(喷涌时，需要关闭闸门，一些较大石块又卡在闸门处，造成闸门不能及时关闭)，喷涌的渣土含水量极大，大颗粒的石块能满足皮带输送，但一些颗粒小的会混合水直接泄露在皮带机滚筒下面流向盾尾或直接滴漏在后方台车区域流向隧道。为保证管片拼装质量，拼装前需要盾尾清洁后才能拼装，这就造成施工效率低，隧道施工文明差。
如图1所示，在全断面硬岩中掘进，开挖面范围内受力后都是不易变形的，所以不像在软土中掘进容易纠偏；而且在硬岩中过多的对姿态进行纠偏也会造成刀具的损坏。由于盾构机在推进时刀盘转动掌子面会反作用产生扭矩，造成盾构机盾体旋转，硬岩中盾体无法像在软土中可以释放部分扭矩，所以盾体易出现扭转。
3改良系统
为了对盾构系统进行改良，可以配备两种改良方式让盾构机正常运转，分别有泡沫系统以及膨润土系统［5］。两种系统可以同时备用，在启动期间只需要使用一套，可以使用球阀将两个系统隔离起来，通过手动就能完成切换。
3.1泡沫系统
利用泡沫系统能够改善渣土的特性，泡沫系统包括了泡沫泵、高压水泵、泡沫发生器、压力传感器、各种管路等［3］。在控制室内部就可以对泡沫系统进行掌控，并且在控制方式上有手动模式、自动模式以及半自动的模式，如果启用手动模式，需要工作人员进行手动的调整，对泡沫水和气流进行掌控。半自动模式:可预先设置好每个泵及气体调节器的参数，由系统自动配比，司机只需根据现场情况控制每路泡沫的开关。自动模式:根据土舱压力、掘进速度等，由系统自动控制，无需人为干涉。
3.2膨润土系统
图2的内容展示了膨润土系统的运行原理，利用该系统可以对渣土展开有效的改良，但是要确保泡沫系统是关闭的状态，因为双方是共用的管道，要关闭泡沫泵的球阀［6］。开启系统以后，膨润土可以在输入泵的作用下来到普仓以及刀盘内部，在机器运转过程当中就能够改善渣土。在管道附近可以启动球阀，通过10s的等待，膨润土的管路和周边的设施就能够共同运转起来，同时该系统也可以保护其他设备的运行，达到目的以后可以关闭球阀，根据不同的功能将膨润土与泥浆混合在一起。
3.3渣土改良的目的
对于渣土进行改良主要是实现土压平衡，达到这一目的以后，在后期的开挖工程期间就能够进行快捷的施工，同时还可以稳定表面让地表不会出现沉降问题，并且让渣土的防水性能也会有所提升，能够对地下水的状态进行调整，让渣土保持良好的流动性，使用输送机可以更好的排土，避免刀盘形成大量的泥污。同时也能够防止设备的喷涌问题，维护了刀盘的运转，确保刀盘的扭矩处于平衡的状态，避免刀盘出现快速的磨损，也能够带动效率的提升。
3.4渣土改良的方法
可以使用多种方式改良渣土，比如盾构机会配备刀盘螺旋机，在以上部位添加一定的添加剂，比如膨润土、泡沫等物质，和水进行融合以后，在刀盘内部进行旋转大量的搅拌之后，膨润土和添加剂就能够充分的混合在一起，这样可以改善渣土的特性，具备了更好的粘稠度，并且产生的摩擦力也会下降。
4黏土及中风化石英砂岩地层渣土改良技术
4.1渣土改良剂的选择
4.1.1渣土改良剂的功能
盾构机推进过程当中，在每一个环节都会添加对应的改良剂，利用改良剂能够达到改善的效果，具体内容可参考表1的内容，在石英砂岩土层方面可以起到防止渗水的作用，同时还可以让土与石块融合在一起。遇到沙性土壤以及岩石期间能够支撑土层，并且改善土壤的流动性特征，遇到黏土层之后，可以改善黏土的性质，避免黏土附着在刀盘上改良剂当中含有众多气泡，可以将土壤当中的缝隙水替换出来，所以可以起到止水的作用。
4.1.2泡沫剂使用
运用泡沫器需要提前设置好泡沫剂和水的比例，双方混合在一起，调配不同的比例来满足不同的需求，通常情况下满足正常的绝境需求信息要按照固定的值，可以选择3.2的比值，如果长时间的超扭矩工作，就要调整比例，流量无法进行掌控，很容易出现喷涌现象，所以可以将比例设置为3.5，泡沫的注入系统有三种使用方式，比如手动模式半自动的模式以及全自动模式。打开了自动模式以后泡沫的使用量通常较大，但购机在行进期间建议使用手动的控制模式，这样也能够减少泡沫的使用量，要求盾构机驾驶人员采取手动控制的模式，并且要观看刀盘的扭矩状态，根据外部的压力以及土壤的性质，以这些参数为主调整系统的流量，假如含水量过高，土壤的泡沫注入量就必须要进行调整［6］。
4.1.3膨润土使用
膨润土在盾构机使用过程当中也有较多的，应用膨润土可以看作是黏土的类型，其中有蒙脱石以及硅的成分。在遇到同类物质时，混凝土当中的物质可以被置换在此过程当中，蒙脱石的晶体表面会出现电荷其中的静电，具备吸附的作用。所以蒙脱石的成分非常特殊，这也让膨润土能够产生膨胀和吸附能力。
钙基彭润土以及钠基彭润土是彭润土的常见应用类型，在施工方面钠基彭润土应用是最广泛的，所以此次的实验同样以纳基膨润土为例［7］。该类型的盆储当中含有众多的钠离子，这些离子可以让水充分的进入其中，水与钠离子融合以后，晶体就会出现膨胀，这种膨胀可以达到40倍左右，膨润土遇水吸收以后可以形成防渗漏的土层，并且还能够保持较长时间膨胀，土的颗粒在此过程当中也会变成膏状物质，渗透系数可以调整为1×10－7m/s以下，在这种情况下隔水性能非常优秀，所以使用膨润土能够有效改善渣土，避免刀盘出现扭矩过大的现象［8］。
应用膨润土要作好配比，渣土和膨润土的浆液必须要有合理的搭配，提前作好配比试验，在施工期间要按照这种比例配备膨润土和砂。
不同的比例配制出的膨润土特点是不一样的，比如按照1∶7制作出的土具备较大的流动性。如果使用1∶9的比例流动性就会减弱，采取1∶10的比例配制出的土样流动性较差，并且可塑性较干。所以综合以上试验，沙土和膨润土的浆液配置比例，建议设置为1∶9。如果将泡沫剂加入到膨润土中，这种效果将会得到提升。
在盾构机上通常会设置两种改良系统，以膨润土浆液注入系统为例，该系统有注射泵、土罐、管道组成。膨润土也会通过管道到土仓内部，并且内部配备了4个出口，这样可以确保膨润土的浆液均匀地喷洒到工作面上。
4.2黏土渣土改良措施
采取不同的泡沫剂产生的作用是不同的，以分散型的泡沫剂为例，如果要配置这种泡沫剂，可以采取4∶1的比例将分散剂和泡沫剂融合在一起，详情可参考图3内容。分散剂与土壤完成了接触之后，可以让土壤的性质出现变化，能够软化土壤的特性。这样能够让土壤的流性更好，减少土壤的黏度。泡沫与改良剂混合到一起以后，通过刀盘的搅拌就能够让土体产生流动性(图4)。
4.3中风化石英砂岩渣土改良措施
泡沫剂和膨润土配合，可以有效改良土壤［9］。盾构机在掘进的过程中，各项参数要作出调整［10］。根据不同的状况设置参数。膨润土的浆液比例要按照1∶0.2进行配制，要满足20h的膨化效果，并且相对密度设置为1.08，粘度值是23s。泡沫的配置参数设置为3.0发泡率控制在15%，并且设置4个管路完成输入。
使用以上方式改善了土壤，为后期施工创造了有利条件，膨润土具备良好的吸附性能和膨胀性，并且与石英砂层融合可以产生良好的润滑作用，并具备流动性。将膨润土以及泡沫剂混合起来，能够让分散的土层融合在一个区域具备了更好的可塑性，提升工作效率(图5)。
5结论及建议
施工遇到了黏土层，建议采取分散型的泡沫剂改良土壤，泡沫剂与土壤混合，让土壤软化，并且能够减少粘性。螺旋机的土体也会受到影响流动性更好。
中风化石英砂岩的处理方式可以进行强化，仅仅使用泡沫改良的效果有限。应该同步注入膨润土来改良土体，填充土仓，建立稳定的刀盘土压，中和渣土中石块和易性。同时使用泡沫剂及膨润土改良土体比单一使用泡沫剂改良土体既经济又能有效改良土体塑流性。
对施工的建议:
(1)泡沫注入过程中必须严密注意压力显示，有堵塞情况时加大气流疏通，严重时可用增压水泵的水压来疏通。保持合理的推进速度，不能过快或者过慢，否则就会影响推进的效果［11］。
(2)操作司机每个交接班前单独操作每一管路，检查堵塞情况。如有堵塞情况发生，单独用加大流量的方法疏通堵塞部位，严重时可用超挖刀泵的液压油疏通。
(3)在配置膨润土浆方面，必须要参考实验室的比例，确保效果能够持续20h。
(4)中风化石英砂岩在推进的过程当中可以按照以下步骤进行改良，首先混合膨润土以及泡沫，启动刀盘稳定运行一段时间以后再开始推进，与此同时要将水注入其中，完成了一环推进以后，然后停止3min再重复以上流程。
转载文献来源：中国知网-四川建筑
