CN105545314A - 一种富水砂层盾构渣土改良施工系统和施工工法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富水砂层盾构渣土改良施工系统和施工工法，其特征是，包括膨润土系统，泡沫注入系统、盾构机渣土改良系统；所述膨润土系统包括盾构机膨润土拌合系统、盾构机膨润土注入系统。施工工法，包括以下步骤：(一)制作膨润土浆液，膨润土进行膨化，泵送运输膨化的膨润土或用高分子聚合物代替；(二)运输泡沫剂；(三)将步骤(一)、步骤(二)膨润土和泡沫剂分别注入盾构机，于所述土仓(17)内进行土体搅拌，进行土体改良。本发明改变了土体的触变性能的缺点，具有最优的土体塑流化改造效果，确保了盾构安全顺畅掘进施工，缩短了工期，具有显著的社会效益和经济效益。

Description

一种富水砂层盾构渣土改良施工系统和施工工法

技术领域

本发明涉及一种建筑施工领域的施工方法，尤其涉及一种富水砂层盾构渣土改良施工系统和施工工法。

背景技术

目前盾构机主要为土压平衡式盾构，其特点是用开挖出的土体作为支撑开挖面稳定的介质，但要求作为支撑介质的土体具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小。由于一般土体不能完全满足这些特性，所以要进行改良。如果采用单独添加膨润土或泡沫的工法，土体改良效果差，掘进速度缓慢，工期长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种富水砂层盾构渣土改良施工系统和施工工法，克服了现有技术土体的触变性能的缺点，具有最优的土体塑流化改造效果，确保了盾构安全顺畅掘进施工，缩短了工期。

本发明所述工法适用范围尤其适用于土压平衡盾构机在富含地下水砂层中掘进时对砂性土体进行改良，以改善土体的物理性质，保证盾构施工顺利进行。

本发明所述技术方案基于以下工艺原理：

土压平衡盾构施工中，在土仓内形成良好塑流性的土体，是盾构顺利施工的重要前提。砂性地层塑流性差、具有力学不稳定性，为了使开挖土体具有良好的流动性，必须有30％左右的微细颗粒，砂土地层中微细颗粒很难达到这个含量。因此，在盾构机掘进时向开挖面添加膨润土泥浆，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，有效增加了砂地中的细颗粒含量，改善砂土地层的物理性质，形成具有较好塑流性和低透水性的混合土体，经土仓内塑流状态良好的土体向掌子面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。同时，利用泡沫优良的润滑性能，可以有效降低刀盘扭矩，提高掘进速度。另外，泡沫具有可压缩性，对土压的稳定也具有积极的作用。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种富水砂层盾构渣土改良施工系统，包括膨润土系统，泡沫注入系统、盾构机渣土改良系统；所述膨润土系统包括盾构机膨润土拌合系统和盾构机膨润土注入系统。

所述盾构机膨润土拌合系统通过管道泵连接盾构机的膨润土存储罐；

所述盾构机膨润土注入系统包括电机带动的膨润土搅拌罐、并通过由泥浆泵控制的出浆管与膨润土发酵罐连接，所述膨润土存储罐与彭润土发酵罐之间连接有由渣浆泵控制的送浆管；

所述盾构机膨润土拌合系统置于地面，主要用于膨润土浆液的拌合与发酵存储，拌合发酵完成后通过管道泵送到盾构机的膨润土存储罐；

所述盾构机膨润土注入系统，包括存储罐、注入泵、变频器及管道；所述存储罐内可设搅拌轴；所述注入泵用于膨润土泥浆注入；所述变频器用于根据渣土改良效果和掘进速度及时调整注入泵转速从而改变膨润土注入量。

所述泡沫注入系统包括泡沫发生器、空压机、储料罐和各种管道泵组成，主要用于将泡沫剂与水混合后，用压缩空气将混合液体膨胀产生泡沫，通过刀盘和土仓内的泡沫注入口注入所述刀盘前方的掌子面和土仓内。

所述盾构机渣土改良系统的盾构机为公知的一种，如日立土压平衡盾构机，所述系统通过采用膨润土浆液和泡沫剂配合使用作为渣土改良剂，或，特殊情况下遇水囊、喷涌等情况时采用高分子聚合物替代膨润土作为渣土改良剂。

所述盾构机渣土改良系统还包括渣土改良剂注射管道分布，所述渣土改良剂由泵送设备通过中心回转轴连接刀盘注入到刀盘前方，所述刀盘辐条上均匀分布注射孔，包括膨润土注射管道的注射孔、泡沫剂注射管道注射孔。另外，在所述土仓内还设有膨润土浆料或泡沫注入口，在系统的螺旋输送机上设有泡沫注入口。

通过所述渣土改良系统，创新点还表现在所述改良剂与渣土能拌和均匀。尤其是，改良剂从刀盘前方面板上注射尤为重要。掘进过程中刀盘低速切削掌子面，与此同时改良剂同步注射到掌子面上，这样切削下来的渣土与改良剂混合的面积达到极值的概率最大。挤压到土仓里的渣土再通过刀盘的继续旋转带动搅拌土仓内渣土，使改良剂与渣土进一步混合。

本发明上述系统的结构部件可以从市场获得，但其部件之间的组合工艺顺序是本发明所特有的。

事实上，富水砂层中渣土改良工艺复杂，要膨润土浆液与泡沫剂合理搭配使用，如何利用好刀盘前侧的注射管道也非常重要。所述注射口到刀盘中心的距离都不相同，就是说在刀盘旋转时管道的注射轨迹不会重合，这样既能保证改良剂注射均匀，又能将膨润土浆液与泡沫剂之间的相互影响降到最低。另外，根据地层变化，膨润土注射管道可以随时改为高分子聚合物注射管道，防止喷涌情况的发生。

基于上述渣土改良施工系统，本发明还提供了所述施工系统的施工工法，包括以下步骤：

(一)制作膨润土浆液，膨润土进行膨化，泵送运输膨化的膨润土；

(二)运输泡沫剂；

(三)将步骤(一)、步骤(二)膨润土和泡沫剂分别注入盾构机，于所述土仓(17)内进行土体搅拌，进行土体改良。

根据富水砂层掘进中渣土改良所面临的技术问题，本发明使用的渣土改良剂包括膨润土和泡沫剂；所述膨润土为钠基膨润土，制成膨润土浆液；所述膨润土可以采用高分子聚合物来代替，所述高分子聚合物为已知的一种盾构用聚合物，如北京合东双科技有限公司生产的合东双盾构用聚合物；尤其是渣土局部有遇水囊、喷涌等情况时采用高分子聚合物替代膨润土作为渣土改良剂,渣土改良效果较好。

所述膨润土PH值7.5～10.0，粘度为2～10Pa·s；尤其适用于砂～砂(卵)砾石地层制浆和输送设备需较大的空间；

所述泡沫剂PH值7.3～8.0，粘度:0.003～0.2Pa·s；粘土～砂(卵)砾石地层，特征是输送和使用便捷，消泡后渣土能恢复原来状态；

所述高分子聚合物PH值7.5～10.0，粘度：0.7～2.0Pa·s；尤其适用于固结粘土～砂砾地层，特征是在粘性软土层有时会因粘土变硬而出现堵塞。

膨润土浆液的水土比会直接影响到渣土改良的效果，同时还要考虑盾构施工中渣土改良的成本和膨润土浆液的泵送性能。经过大量试验和施工生产中的试验，膨润土与水，采用水土重量比为14：1的膨润土，与渣土样以体积比1：3的比率拌合，改良效果较好。本发明泡沫注入系统中泡沫剂的应用：

所述盾构机配备有所述泡沫注入系统，所述泡沫发生器自动运行,独立管路分别把泡沫注入不同位置,如，以注入所述刀盘前部和土仓内为主；所述管路上可设置一段是透明,可供观察。

在所述泡沫发生器工作的过程中,可以设定泡沫剂与水混合的比例,在正常掘进状态下,在许可的范围内均可,尤其泡沫剂与水混合的体积比取值优选为3:100；当在扭矩长时间过大，而单靠调整流量又难以降低扭矩或遇水囊、喷涌、流砂地层的情况下，上述泡沫剂与水混合的体积比例取值优选为6:100。

所述泡沫注入系统有三种控制方式:分别为自动、半自动及手动。在正常掘进状态下,若使用自动状态,泡沫的用量比较大；如在掘进过程中,要求盾构驾驶员采取手动控制方式,主要根据刀盘的扭矩、千斤顶的顶力以及出土的情况三项参数来调整泡沫注入系统的流量。当观察到出土的含水量过高时,应马上适当调整泡沫的注入量,如，在砂土地层中的泡沫用量为40～50kg/环(1.2m),在含有粉质粘土薄夹层地段泡沫用量15～25kg/环(1.2m)。

当在遇水囊、喷涌、流砂地层时，使用高分子聚合物代替膨润土，通过手动控制调整泡沫浓度至6:100，同时通过膨润土注入系统往土仓内注入聚合物对高含水量的渣土进行改良。加大泡沫混合液浓度是为了提高发泡倍率，发泡倍率越高半衰期越长，稳定性越好，样能更好地填充砂土间的孔隙，起到止水的作用。

所述高分子聚合物改良剂配合比，高分子聚合物(kg)1～3、水(L)1000、渣土(m³)7的比例；所述聚合物先与水拌合，拌合均匀后通过膨润土注入系统注入土仓。通过聚合物混合液的的注入使流态的渣土到达理想状态，渣土坍落度可达160～200mm,不离析，不泌水，解决了螺旋机喷涌的问题。

当所述膨润土浆液同泡沫剂配合使用时，膨润土浆液与泡沫剂的比例根据实际情况不同，如，根据平均土压的保持0.9bar,采用水土比14:1的膨润土浆液，浓度为3％的泡沫剂做渣土改良剂，通过试验，得到以下技术参数：

1)始发阶段：

(1)1-45环:由于始发降水影响，该段处于无水全砂地层，掘进速度20～30mm/min，膨润土浆液注入速度140～180L/min，注入量7～9m3/环,泡沫剂(康达特牌)注入量20～30L/环,推力维持在18000～28000KN，刀盘扭矩维持在2700KN·m～3600KN·m，渣土改良效果较好，地面沉降控制在2cm以内，但刀盘扭矩略微偏大。

(2)46-83环:该段处于富水全砂地层，掘进速度30～40mm/min，膨润土浆液注入速度180～240L/min，注入量9～12m3/环,泡沫剂(合众双牌)注入量20～30L/环,推力维持在20000～22000KN，刀盘扭矩维持在3200KN·m～3700KN·m，渣土改良效果较好，地面沉降控制在2.5cm以内，但刀盘扭矩偏大。

2)正常掘进阶段

(1)84-195环：该段处于富水全砂地层，掘进速度40～70mm/min，膨润土浆液注入速度130～200L/min，注入量4～6m3/环,泡沫剂(合众双牌)注入量40～50L/环,推力维持在19000～25000KN，刀盘扭矩维持在2900KN·m～3800KN·m，渣土改良效果较好，地面沉降控制在2.5cm以内，但刀盘扭矩仍偏大。

(2)196-548环：该段处于富水全砂地层(含粉质粘士薄夹层)，掘进速度70～80mm/min，膨润土浆液注入速度75～200L/min，注入量1.5～4m3/环,泡沫剂(合众双牌)注入量25～30L/环,推力维持在14000～21000KN，刀盘扭矩维持在1600KN·m～3400KN·m，渣土改良效果良好，地面沉降控制在2.5cm以内，刀盘扭矩正常，推进较为顺利。

(3)549-690环：该段处于富水全砂地层，掘进速度70～80mm/min，膨润土浆液注入速度80～350L/min，注入量4～7m3/环,泡沫剂(合众双牌)注入量40～60L/环,推力维持在15000～21000KN，刀盘扭矩维持在3000KN·m～4100KN·m，渣土改良效果较好，地面沉降控制在2.5cm以内，但刀盘扭矩偏大，推进较为顺利。

本发明上述工法的技术方案具有以下技术效果和工法特点：

1.保持开挖面的稳定性，防止地面过大的隆起和沉降。膨润土浆液使开挖面土体形成具有较好塑流性和低透水性的混合体，而泡沫具有可压缩性，两者结合对开挖面土体起到了支护作用，有利于土压平衡的建立，从而避免地面出现过大的隆起和沉降。

2.减少砂层土对刀盘和刀具的磨损，降低施工成本。砂性土颗粒松散，无粘聚力，加入泥浆后，泥浆包围在颗粒周围，形成一层泥膜，增加了颗粒之间的粘聚力，改善了土体的受力状况，有效地减小了砂性土颗粒对刀盘、刀具的磨损。泡沫的体积极小，混合泡沫后的泥浆扩散性得到增强，可在刀盘的搅拌下迅速渗透到土层中，降低了土体的密实度，加快了土体的流动性，同时吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦，从而减小对刀盘的磨损，降低施工成本。

3.防止渣土粘附在刀盘及螺旋输送机内，避免闭塞现象，减轻机械负荷，降低刀盘扭矩，提高掘进速度。利用泡沫优良的润滑性能，改善土体粒状构造，降低土体的渗透性。又因其比重小，搅拌负荷轻，容易将土体搅拌均匀，从而既能平衡开挖面土压，又能连续向外顺畅排土。

4.本工程采用55KW大功率泥浆泵对膨润土进行强制循环膨化后立即使用(通常膨润土浆液制作完毕后要在储浆罐中储存6小时以上才能使用)，节省了储存容器，节省了占地面积，加快了施工进度，取得较好效果。

附图说明

图1本发明富水砂层土体改良施工工艺流程图

图2为本发明刀盘前侧改良剂注射口分布结构示意图

图3为本发明结构示意图

其中，1-盾构机，2-管道泵，3-膨润土存储罐，4-电机，5-膨润土搅拌罐，6-泥浆泵，7-出浆管，8-膨润土发酵罐，9-渣浆泵，10-送浆管，11-刀盘，12-泡沫注入口,13-泡沫发生器,14-储料罐

具体实施方式

如图3所示的本发明富水砂层土体改良施工系统和施工工法流程，包括膨润土系统，泡沫注入系统、盾构机渣土改良系统；所述膨润土系统包括盾构机膨润土拌合系统、盾构机膨润土注入系统；

盾构机膨润土拌合系统通过管道泵2连接盾构机的膨润土存储罐3；

盾构机膨润土注入系统包括电机4带动的膨润土搅拌罐5、并通过由泥浆泵6控制的出浆管7与膨润土发酵罐8连接，所述膨润土存储罐3与彭润土发酵罐8之间连接有由渣浆泵9控制的送浆管10；

泡沫注入系统包括泡沫发生器13、空压机、储料罐14和管道泵，设于盾构机1的刀盘11和土仓内的泡沫注入口12，泡沫剂注入所述刀盘11前方的掌子面和土仓内。

如图2所示盾构机渣土改良系统内的渣土改良剂为注射管道分布；所述刀盘11辐条上均匀分布注射孔，所述注射孔包括膨润土注射管道的注射孔、泡沫剂注射管道注射孔；所述土仓内还设有膨润土浆料或泡沫注入口。

改良剂从所述刀盘11的前方的面板上注射。

渣土改良剂由膨润土浆液与泡沫剂按比例配制而成；所述膨润土浆液可由高分子聚合物代替。

如图1所示的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，包括以下步骤：

(一)制作膨润土浆液，膨润土进行发酵膨化，泵送运输膨化的膨润土；

(二)运输泡沫剂；

(三)将步骤(一)、步骤(二)膨润土和泡沫剂分别注入盾构机1，于所述土仓内进行土体搅拌，进行土体改良。

膨润土为钠基膨润土，制成膨润土浆液；膨润土用高分子聚合物代替。

于砂～砂(卵)砾石地层时，所述膨润土PH值7.5～10.0，粘度为2～10Pa·s；或，于粘土～砂(卵)砾石地层时，所述泡沫剂PH值7.3～8.0，粘度:0.003～0.2Pa·s。

于固结粘土～砂砾地层，所述高分子聚合物为PH值7.5～10.0，粘度：0.7～2.0Pa·s；高分子聚合物的改良剂配合比，为高分子聚合物1～3kg、水1000L、渣土7m³的比例。

膨润土浆液的水土比(重量比)为14：1的膨润土；所述膨润土浆液与渣土样体积比为1：3。泡沫剂与水混合的比例为3:100，或6:100。当平均土压的保持0.9bar,采用水土比14:1的膨润土浆液，浓度为3％的泡沫剂。

富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法的详细施工流程如下：

1)盾构始发阶段：

(1)1-45环:由于始发降水影响，该段处于无水全砂地层，掘进速度20～30mm/min，膨润土浆液注入速度140～180L/min，注入量7～9m3/环,泡沫剂入量20～30L/环,推力18000～28000KN，刀盘扭矩2700KN·m～3600KN·m；

(2)46-83环:该段处于富水全砂地层，掘进速度30～40mm/min，膨润土浆液注入速度180～240L/min，注入量9～12m3/环,泡沫剂注入量20～30L/环,推力20000～22000KN，刀盘扭矩3200KN·m～3700KN·m；

2)正常掘进阶段

(1)84-195环：该段处于富水全砂地层，掘进速度40～70mm/min，膨润土浆液注入速度130～200L/min，注入量4～6m3/环,泡沫剂注入量40～50L/环,推力19000～25000KN，刀盘扭矩2900KN·m～3800KN·m；

(2)196-548环：该段处于富水全砂地层，含粉质粘士薄夹层，掘进速度70～80mm/min，膨润土浆液注入速度75～200L/min，注入量1.5～4m3/环,泡沫剂注入量25～30L/环,推力14000～21000KN，刀盘扭矩1600KN·m～3400KN·m；

(3)549-690环：该段处于富水全砂地层，掘进速度70～80mm/min，膨润土浆液注入速度80～350L/min，注入量4～7m3/环,泡沫剂注入量40～60L/环,推力15000～21000KN，刀盘扭矩3000KN·m～4100KN·m。

渣土改良步骤如下：

1.渣土改良剂的类型

渣土改良剂的类型如表1所示。

表1渣土改良剂的类型

2.渣土改良剂的选择

根据富水砂层掘进中渣土改良所面临的问题，在本工程盾构施工中，采用了钠基膨润土浆液和泡沫剂作为渣土改良剂，局部有遇水囊、喷涌等情况时采用高分子聚合物替代膨润土作为渣土改良剂,，渣土改良效果较好。

1)膨润土浆液

膨润土在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘滞性、触变性和润滑性，它和水、泥、砂等物质的掺合物有可塑性和粘结性。膨润土在水化时，钠离子连接各层薄片，同时挤占与之接触的土颗粒之间的间隙，积聚于土壤与泥水的接触表面，形成不透水的可塑性胶体，从而形成泥膜。在富水砂层的盾构机掘进中使用，可提高砂土的含泥量，补充土体的微细颗粒组分，使土体的内摩擦角变小，增加开挖土体的流动性和不透水性，主要作用如下：

a.降低土体的渗透系数，使其具有较好的止水性，以控制地下水流失。

b.可有效提高土体的保水性，防止渣土离析、沉淀板结。

c.使渣土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降。

d.使土体具有较低的内摩擦角，降低刀盘扭矩，减少对刀具和螺旋输送机的磨损。

e.使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土，提高掘进速度。

膨润土浆液的水土比直接影响到渣土改良的效果，同时还要综合考虑盾构施工中渣土改良的成本和膨润土浆液的泵送性能。经过大量试验和施工生产中的实际应用，采用宣化冀强工贸公司产金灿辉牌膨润土，采用水土比为14：1的膨润土，与渣土样以体积比1：3的比率拌合，改良效果较好，所述膨润土浆液配比和用量如表2所示。

表2膨润土浆液配比与用量表

2)泡沫剂的应用

本工程盾构机配备有泡沫注入系统，泡沫发生器自动运行,4根独立管路分别把泡沫注入不同位置,一般以注入刀盘前部和土仓内为主，管路上有一段是透明的,可供观察。

在泡沫发生器工作的过程中,可以设定泡沫剂与水混合的比例,在正常掘进状态下,一般不需要对该值做过多的调整,在许可的范围内,通常取值为3:100；只有在扭矩长时间过大，而单靠调整流量又难以降低扭矩或遇喷涌、流砂的情况下，才调整为6:100。

泡沫注入系统有三种控制方式:分别为自动、半自动及手动。在正常掘进状态下,若使用自动状态,泡沫的用量比较大。由于盾构掘进沿线土质情况时有变化,而采用手动控制就可以节省泡沫的用量,因此,在掘进过程中,一般要求盾构驾驶员采取手动控制方式,主要根据刀盘的扭矩、千斤顶的顶力以及出土的情况三项参数来调整泡沫注入系统的流量。当观察到出土的含水量过高时,应马上适当调整泡沫的注入量,本工程在砂土地层中的泡沫用量为合众双国产泡沫40～50kg/环(1.2m),在含有粉质粘土薄夹层地段泡沫用量15～25kg/环(1.2m)。

3)高分子聚合物的应用

在遇水囊、喷涌、流砂地层时，通过手动控制调整泡沫浓度至6:100，同时通过膨润土注入系统往土仓内注入聚合物对高含水量的渣土进行改良。加大泡沫混合液浓度是为了提高发泡倍率，发泡倍率越高半衰期越长，稳定性越好，样能更好地填充砂土间的孔隙，起到止水的作用。

由于高分子聚合物溶液具有较强的粘连性，能够非常好的吸纳住土体水分，通过刀盘削切及螺旋的搅拌，完全改变砂土渗透系数，将土体与水合一性得到充分改良，杜绝了由于土仓压力过高而出现的喷涌现象，打开闸门后可以看到排渣塑流性的良好状态。

本工程聚合物是北京合东双产的高分子聚合物，经试验，得出的配合比如表3所示。

表3聚合物改良剂配合比

聚合物先与水拌合，拌合均匀后通过膨润土注入系统注入土仓，拌合过程中先在膨润土储存罐中加好水，再按比例通过人工均匀的撒入聚合物，充分搅拌，使其快速溶解，防止聚合物结成团或粘结在储存罐壁上。通过聚合物混合液的的注入使流态的渣土到达理想状态，渣土坍落度可达160～200mm,不离析，不泌水，解决了螺旋机喷涌的问题。

3.膨润土浆液同泡沫剂配合使用

在富水砂层掘进中，若只使用膨润土做渣土改良剂，刀盘扭矩会很大，推进困难；只使用泡沫剂渣土，会使土仓内水土比变大，加大喷涌风险，改良效果也并不理想；在富水砂层中掘进，为达到理想的渣土改良效果，需配合使用膨润土浆液同泡沫剂。

4.渣土改良效果

本工程盾构左线采用以上渣土改良技术，取得非常好的经济效益和社会效益，盾构推进顺利，盾构机姿态控制良好，刀盘、刀具磨损较小，如，左线出洞后仅更换了5把周边先行刀和2把注浆保护刀，日最高掘进速度达到21环，取得良好的经济效益和社会效益。

5.材料与设备：

无缝钢管用于膨润土浆液输送管；钠基膨润土用于膨润土浆液制作；泡沫剂用于泡沫制作；高分子聚合物用于防止喷涌，备用；设备包括膨润土搅拌站，用于膨润土浆液制作；储浆罐用于膨润土浆液存储；制浆泵用于浆液强制循环膨化，泵送运输；盾构机用于盾构隧道施工。

6.本发明的技术效果和质量控制表现为如下几个方面：

1)渣土改良以膨润土浆液为主，泡沫剂为辅。以掘进速度和出渣稠度为主要依据，适时调节膨润土掺入量和膨润土浆液注入量；以刀盘扭矩和螺旋机出渣情况为依据，适时调整泡沫剂掺量和注入量。

2)膨润土泥浆要达到良好的改良效果，要求：一是保证膨润土材料的质量稳定；二是严格按照配合比拌制，并保证膨润土膨化时间，如，采用55KW大功率泥浆泵对膨润土进行强制循环膨化，取得较好效果；三是对全断面砂层每环注入量8～10m3，即注入体积为富水砂层总体积的20％～28％，使砂层含泥量达到15％以上。

3)泡沫剂的配合比和注入量应根据刀盘扭矩大小和螺旋机出渣的具体情况确定，若刀盘扭矩偏大，则适当加大泡沫混合液浓度或注入量；反之则需减小泡沫剂混合液浓度或注入量。每环泡沫混合液的注入体积约为富水砂层总体积的4％～6％。

4)当发生轻微喷涌时，可通过控制螺旋输送机闸门的大小和严格控制排土量等措施，进行解决；当发生严重喷涌时，采用高分子聚合物替代膨润土，可有效防止喷涌的发生。

5)控制好盾构机姿态、膨润土注入量、泡沫注入量，建立好土压平衡，针对不同地层以及地表沉降反馈信息，及时调整土仓压力。

7.效益分析

1)经济效益

直接经济效益：本工法与其他单独添加膨润土或泡沫的工法相比，土体改良效果好，掘进速度明显加快，正常掘进时平均掘进速度50～70mm/min,日掘进环数平均在14环以上，相应的盾构掘进施工耗材。包括膨润土、泡沫、润滑油脂、盾尾油脂、电费节约676元/环，共计1405环，节约工程成本约94.98万元。

间接经济效益：本发明实例工程与其他相邻类似工程相比，工期提前2个月，节约管理费约50万元。

2)社会效益

本工法与其他类似盾构工程相比，依靠良好的土体改良效果，盾构姿态控制良好，地面沉降控制在规范允许范围内，盾构隧道线性控制良好，盾构隧道渗漏水点较少，受到了业主和监理单位的一致好评。该施工方法的成功应用，为今后类似地层条件下地铁盾构区间隧道的施工提供了借鉴经验，对推动我单位盾构施工技术的发展，具有重要的现实意义。

应用实例：

北京地铁6号线二期十六标工程东部新城站～东小营站区间全长为842.95m，隧道为内径为Ф5.4m盾构隧道，管片厚0.30m。盾构通过地段主要为富水中粗砂、粉细砂层，局部穿越粉质粘土薄夹层。本段线路赋存一层地下水，地下水类型为潜水(二)，地下水位埋深5.85～6.9m。区间隧道底埋深15.74～18.87m。

富水砂层掘进中渣土改良是整个施工过程中的难点和重点，渣土改良到位，才能保证盾构施工安全、顺利、快速。由于砂层密水性差，掘进停机后，土仓内砂土易离析、沉淀、密实，使刀盘再次启动时扭矩大，启动困难，对盾构机设备损害大。采用土压平衡模式掘进时会因渣土密水性差易产生喷涌现象。渣土和易性差，螺旋机出渣不畅，导致掘进速度慢，掘进参数不易控制。根据富水砂层掘进中渣土改良所面临的问题，在北京地铁6号线十六标东部新城站～东小营站盾构区间采用以膨润土浆液为主，泡沫剂为辅，以高分子聚合物做为补充的方案进行渣土改良，大大提高的盾构机掘进效率，很好地控制了地面沉降，施工效果较好。

北京地铁6号线16标段东部新城站～东小营站区间采用盾构法施工，该地段地质为富水砂层，采用土压平衡模式掘进时会因渣土密水性差而产生喷涌现象；渣土和易性差，掘进速度慢，掘进参数不易控制。根据富水砂层掘进中渣土改良所面临的上述问题，在北京地铁6号线16标段盾构施工中，对全断面触变可液化砂层土体改良技术进行了深入研究，采用膨润土浆液和泡沫剂配合使用作为渣土改良剂，从而完善了此类土体的触变性能，达到最优的土体塑流化改造效果，确保了盾构安全顺畅掘进施工。

本技术方案要点是在刀盘前部和土仓中注入水、膨润土泥浆、聚合物或泡沫等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖的土体塑性、流动性，降低渣土的透水性。通过在北京地铁6号线16标段的研究与应用，形成了一套完整的富水砂层盾构渣土改良施工法。

本发明整体技术达到国内领先水平。该技术在北京地铁6号线16标段盾构施工中成功应用，取得了良好的经济、社会和环保效益，具有广泛推广应用价值。

该技术在地铁六号线十六标盾构区间施工中成功运用，取得了较好的经济、社会和环保效益，按期、优质的完成了该工程的建设。对类似地层的盾构施工提供了很好的借鉴，对推动盾构施工技术的发展，具有重要的现实意义。

Claims (15)

1.一种富水砂层盾构渣土改良施工系统，其特征是，包括膨润土系统，泡沫注入系统、盾构机渣土改良系统；所述膨润土系统包括盾构机膨润土拌合系统、盾构机膨润土注入系统；

所述盾构机膨润土拌合系统通过管道泵(2)连接盾构机的膨润土存储罐(3)；

所述盾构机膨润土注入系统包括电机(4)带动的膨润土搅拌罐(5)、并通过由泥浆泵(6)控制的出浆管(7)与膨润土发酵罐(8)连接，所述膨润土存储罐(3)与彭润土发酵罐(8)之间连接有由渣浆泵(9)控制的送浆管(10)；

所述泡沫注入系统包括泡沫发生器(13)、空压机、储料罐(14)和管道泵，设于盾构机(1)的刀盘(11)和土仓内的泡沫注入口(12)，泡沫剂注入所述刀盘(11)前方的掌子面和土仓内。

2.根据权利要求1的富水砂层盾构渣土改良施工系统，其特征是，所述盾构机渣土改良系统内的渣土改良剂为注射管道分布；所述刀盘(11)辐条上均匀分布注射孔，所述注射孔包括膨润土注射管道的注射孔、泡沫剂注射管道注射孔；所述土仓内还设有膨润土浆料或泡沫注入口。

3.根据权利要求1或2所述的富水砂层盾构渣土改良施工系统，其特征是，所述改良剂从所述刀盘(11)的前方的面板上注射。

4.根据权利要求1或2所述的富水砂层盾构渣土改良施工系统，其特征是，所述渣土改良剂由膨润土浆液与泡沫剂按比例配制而成。

5.根据权利要求4所述的富水砂层盾构渣土改良施工系统，其特征是，所述膨润土浆液可由高分子聚合物代替。

6.权利要求1-5之一的一种富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，包括以下步骤：

(一)制作膨润土浆液，膨润土进行发酵膨化，泵送运输膨化的膨润土；

(二)运输泡沫剂；

(三)将步骤(一)、步骤(二)膨润土和泡沫剂分别注入盾构机(1)，于所述土仓内进行土体搅拌，进行土体改良。

7.根据权利要求6的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，所述膨润土为钠基膨润土，制成膨润土浆液。

8.根据权利要求6的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，所述膨润土用高分子聚合物代替。

9.根据权利要求6的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，于砂～砂(卵)砾石地层时，所述膨润土PH值7.5～10.0，粘度为2～10Pa·s；

或，于粘土～砂砾石或粘土～卵地层时，所述泡沫剂PH值7.3～8.0，粘度:0.003～0.2Pa·s。

10.根据权利要求8的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，于固结粘土～砂砾地层，所述高分子聚合物为PH值7.5～10.0，粘度：0.7～2.0Pa·s。

11.根据权利要求6的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，所述膨润土浆液的水土比(重量比)为14：1的膨润土；所述膨润土浆液与渣土样体积比为1：3。

12.根据权利要求6的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，所述泡沫剂与水混合的比例为3:100，或6:100。

13.根据权利要求8的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，所述高分子聚合物的改良剂配合比，为高分子聚合物1～3kg、水1000L、渣土7m³的比例。

14.根据权利要求8的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，所述当平均土压的保持0.9bar,采用水土比14:1的膨润土浆液，浓度为3％的泡沫剂。

15.根据权利要求14的富水砂层盾构渣土改良施工系统的施工工法，

1)盾构始发阶段：

(1)1-45环:由于始发降水影响，该段处于无水全砂地层，掘进速度20～30mm/min，膨润土浆液注入速度140～180L/min，注入量7～9m3/环,泡沫剂入量20～30L/环,推力18000～28000KN，刀盘扭矩2700KN·m～3600KN·m；

(2)46-83环:该段处于富水全砂地层，掘进速度30～40mm/min，膨润土浆液注入速度180～240L/min，注入量9～12m3/环,泡沫剂注入量20～30L/环,推力20000～22000KN，刀盘扭矩3200KN·m～3700KN·m；

2)正常掘进阶段

(1)84-195环：该段处于富水全砂地层，掘进速度40～70mm/min，膨润土浆液注入速度130～200L/min，注入量4～6m3/环,泡沫剂注入量40～50L/环,推力19000～25000KN，刀盘扭矩2900KN·m～3800KN·m；

(2)196-548环：该段处于富水全砂地层，含粉质粘士薄夹层，掘进速度70～80mm/min，膨润土浆液注入速度75～200L/min，注入量1.5～4m3/环,泡沫剂注入量25～30L/环,推力14000～21000KN，刀盘扭矩1600KN·m～3400KN·m；

(3)549-690环：该段处于富水全砂地层，掘进速度70～80mm/min，膨润土浆液注入速度80～350L/min，注入量4～7m3/环,泡沫剂注入量40～60L/环,推力15000～21000KN，刀盘扭矩3000KN·m～4100KN·m。