地铁盾构渣土改良研究报告

1、盾构渣土改良研究报告北京地铁8号线天桥站永定门外站第I页共ii页目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 渣土改良研究现状 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1 渣土改良的原因 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 渣土改良的作用及目的 41.2.1 渣土改良的作用 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.2.2 渣土改良要达到的状态 4 HYPERLINK l

2、bookmark16 o Current Document 1.3 常用的土体改良剂 51.3.1 界面活性材料类 6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.3.2 矿物类 9 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.3.3 高分子类聚合物 11 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.3.4 分散剂 13 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1.3.5 水 13 HYPERLINK l bookmar

3、k26 o Current Document 1.3.6 不同渣土改良剂比较 13 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 1.4 渣土改良剂添加部位 14 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 渣土改良应用实例 15 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.1 无水砂卵石地层 15 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 北京地铁 4 号线 20 标 15 HYPERLINK l bookmark36 o Cur

4、rent Document 北京地铁 10 号线 2 期 15 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2.1.3 北京地铁 10 号线（莲花桥六里桥） 15 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.1.4 北京地铁 4 号线（动物园站双榆树站） 16 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2.1.5 北京地铁 5 号线试验段 17 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 2.1.6 北京地铁 4 号线角门北路站北

5、京南站 17 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 2.1.7 北京地铁 9 号线丰台东大街站丰台北路站 18 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 2.1.8 北京地铁 7 号线达官营站广安门内站区间 18 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 2.1.9 无水砂卵石地层渣土改良应用小结 18 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 2.2 富水砂卵石地层 19 HYPERLINK l bookmark54 o

6、Current Document 2.2.1 北京地铁九号线六标 19 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 成都地铁一号线 19 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 2.2.3 长沙地铁 2 号线（体育公园长沙大道） 20 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 2.2.4 富水砂卵石地层渣土改良应用小结 21 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 2.3 粉质黏土、粉土层 21 HYPERLINK l boo

7、kmark64 o Current Document 2.4 全断面砂层 21 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 2.4.1 西安地铁一号线二标 21 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 哈尔滨地铁一号线（程哈东站南直路站） 22 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 2.4.3 广州地铁 3 号线（珠江新城站客村站） 22 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 不同地层渣土改良剂选用 24 HYPERLI

8、NK l bookmark74 o Current Document 软土地层 24 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 砂卵石地层 24 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 砂性土地层 25 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 硬岩地层 26 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 富水地层 26 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 3.6 总结 26 HYP

9、ERLINK l bookmark86 o Current Document 北京地铁八号线三期 05 标渣土改良 28第I页共II页第 II 页 共 II 页 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 工程概况 28 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 4.2 工程地质和水文地质概况 28 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 4.2.1 工程地质 284.2.2 水文地质 31 HYPERLINK l bookmark96 o

10、Current Document 4.2.3 纵断面工程地质和水文地质情况 32 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 4.3 改良对象和添加剂的确定 32 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 4.4 渣土改良试验内容 32 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 4.4.1 室内试验 32 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 4.4.2 现场试验 33 HYPERLINK l bookmark106 o

11、 Current Document 4.4.3 试验方案 33 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 4.5 本标段渣土改良总结 35第 页 共 35 页渣土改良研究现状1.1 渣土改良的原因渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向刀盘面， 土舱内或螺旋输送机内注 入水、泡沫、膨润土、高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土舱搅拌 装置或者螺旋输送机选择搅拌使添加剂与土渣混合， 使盾构切削下来的渣土具有 好的流塑性、合适的稠度、 较低的透水性和较小的摩阻力。 进行渣土改良的原因：1）土压平衡式盾构的基本原理通过电机驱动主轴带动刀盘旋转， 在刀盘旋

12、转的同时， 安装在刀盘面上的切 削刀具切入土中并将土体切割撕裂； 刀盘切削的渣土通过刀盘上的开口部分挤压 进入并填满土舱，土舱内的渣土在土舱壁的加压作用下与刀盘前方的水土压力保 持平衡，使得开挖面保持稳定状态； 同时，利用螺旋输送机将土舱内的部分渣土 排出，并使得排出土量与盾构掘削土量维持平衡。2）土压平衡盾构渣土的作用及性状 土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为渣土。 土压平衡式盾构施工中开挖出 来的土体充满刀盘和隔板之间的压力仓， 一方面开挖土作为支撑开挖面稳定的介 质，其土性对开挖面的稳定起着决定性的作用。 另一方面， 它有源源不断地由螺 旋输送机向外排出， 它的土性好坏直接影响着出土的顺

13、利与否。 为维持土舱内土 压力的稳定和方便渣土的排出， 土舱内的渣土应该具有可塑性强、 流动性好、 密 度低、内摩擦小、渗水性弱的特征。如果地层是相似于淤泥质黏土层的话，只要在压力舱内通过旋转翼板搅拌， 就可满足这种状态顺利进行施工。一般来说，开挖出来的泥土不具有以上特性： 在有的情况下，有的渣土流动困难，易压实固结，产生泥饼或泥团，因此要求刀 盘具有较大的扭矩， 以确保渣土畅流无阻； 另外在透水性土层中， 在水的作用下， 渣土在螺旋输送机内排出无法形成有效的压力递减，土舱内的土压力难以稳 定所以土压平衡盾构自身对地层的适应范围相对较窄。3）渣土不良带来的施工困难 北京地铁盾构隧道的工程实践和

14、国内外诸多施工实例表明， 土压平衡式盾构 施工成功的关键就是要将从开挖面上切削下来的土体在压力仓内调整成一种比 较理想的状态， 使土体的性质满足一定的基本条件后， 盾构开挖和排土才能顺利 地进行。 当开挖土的状态不能满足这一要求时， 就会给施工带来困难， 这种施工 困难主要表现为以下几种：刀具磨耗严重 随着盾构法在国内地铁施工中的广泛使用，刀具磨损已经成为一个影响盾构 隧道施工质量和进度的关键问题。刀盘作为盾构机的一个关键部件，在地下掘进 过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等，刀盘在一定 转速和压力条件下进行地下挖掘，刀具要承受非常高的工作压力和温度，恶劣的 工作条件会降

15、低刀具的使用寿命。特别是在砂卵石地层，盾构刀具往往磨损严重，容易破损、脱落，经常导致 工程事故的发生，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。 这种情况在北京地铁盾构掘进中普遍存在， 在北京地铁 9号线 06标段军事博物馆 站东钓鱼台站区间，盾构从世纪坛始发并向北掘进不到 200m 的检查井中发现： 整个刀盘上的刀具磨损非常严重，必须重新购买，全部更换。在北京地铁 9 号线 02 标段丰科区间、地铁 10 号线二期 11 标西六区间和 17 标段火终区间盾 构掘进几百米后发现整个刀盘上的刀具磨损非常严重，必须更换。因此，研究如何减小盾构刀盘的磨损对延长盾构机掘进距离，提高盾构机

16、的 工作效率具有重要意义。而选用合适的土体改良剂可以对刀具起到一定的润滑和 冷却作用，并且改善土体的流塑性，使之切削成流动型，减少对刀盘面板和刀具 的磨损，延长刀具的使用寿命。刀盘及压力仓的结饼和闭塞 压力仓结饼是由于开挖土缺乏流动性，在盾构机推进压力的作用和较高的温 度环境下，在压力仓内发生压密、固结排水，形成坚硬“泥饼”的现象。通常在 可塑、硬塑状的粘土类地层、粘土质砂土地层、泥岩、泥质粉砂岩、母岩为花岗 岩的残积土层、全风化岩层和强风化岩层等黏土矿物含量超过 25%的地层中极易 形成泥饼，并且随着矿物含量的增加，相同施工设备和工艺的条件下，泥饼形成 的可能性将增加。压力舱内发生结饼后如果

17、没有其它补救措施，则这种泥饼将不 断扩散进而使整个压力舱发生堵塞，导致刀盘转矩过大，开挖困难或无法进行，引发刀盘主轴承温度过高，甚至出现主轴承损坏的严重后果。压力舱闭塞是由于开挖土体在压力舱成拱，使盾构机不能正常出土，进而土 体压实充满压力仓， 而缺乏流塑性的土体又使搅拌翼的阻力上升， 加大刀盘扭矩， 引起施工困难。压力舱内土体成拱后，若盾构施工继续推进，土体会进一步压缩， 导致拱作用更加剧烈。北京地铁 9 号线 04 标丰六盾构区间和 10 号线二期 11标西六盾构区间采 用土压平衡式盾构掘进时，由于压力舱内的结饼和闭塞等导致舱内的压力失控， 造成地面隆起和扭矩上升，甚至无法掘进，必须停机开

18、仓，采用人工丰镐破除， 严重影响了施工进度。丰六盾构区间由于结饼不得不停机开舱处理。然而由此 引发了地面塌陷等问题，对周围环境产生了重大影响。土压平衡很难建立 由于有些地层的塑流性较差，设定的工作压力不能顺利地传递到开挖面，不 易实现连续的动态平衡，使开挖面稳定难以保持，导致地表隆沉幅度增大。螺旋排土器出口处的喷涌土压平衡式盾构机在砂砾层等强透水层地基施工时， 开挖面过高的水压力会 导致盾构机螺旋输送机出口发生地下水大量流失， 严重时会发生涌水、 涌砂和掌 子面失稳问题，影响掘进效率。电流消耗过大和发生卡机事件 由于刀具、刀盘与土体间的摩擦因数大，因此，扭矩及推力也相应的增大， 造成电流消耗过

19、大，油压增大，甚至发现机械故障的现象。若开挖面不能保持平 衡，开挖面前上方发生坍塌，或遇到卵石块较多的情况，就会发生卡机事件，使 盾构机刀盘不能转动。因此，为扩大土压平衡盾构机对地层的适应范围， 必须采用土体改良技术来 对开挖后的渣土进行改良， 使其具有上述特性。 根据地层情况， 向开挖土舱内注 入泡沫、粘土或添加剂，进行强制搅拌，使渣土具有可塑性和不透水性，螺旋机 排土顺畅， 土舱内的压力容易控制和稳定， 并减少刀盘功率消耗。 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， 对盾构法隧道的发展有着深远影 响，纵观目前国内各盾构的使用工况，不难发现，土体改良技术的应用情况，对 降低工

20、程造价和提高工程施工进度都有着决定性作用。渣土改良的作用及目的 1.2.1 渣土改良的作用 在盾构施工中尤其是在复杂地层及特殊地层盾构施工中进行，渣土改良是保 证盾构施工安全顺利快速的一项不可缺少的重要技术手段，其主要作用如下：1）提高土舱内渣土的抗渗透能力，避免开挖面因排水固结而造成较大的地 表沉降或坍塌事故，也可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；2）降低土舱内渣土以及开挖面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨 损，降低刀盘扭矩，提高盾构机掘进效率；3）降低土舱内渣土以及开挖面土体的黏聚力，提高土舱内渣土的可塑性， 防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼；4）提高土舱内渣土的和易性，使切削下来的

21、渣土顺利快速进入土舱并利于 螺旋输送机顺利排土；5）使渣土具有较好的土压平衡效果， 使盾构机前方土压计反映的土压数值更 加准确，利于稳定开挖面控制地表沉降；6）冷却，适当降低刀盘刀具的工作温度。1.2.2 渣土改良要达到的状态为保证土舱内渣土能顺利排出，渣土需具有塑性流动状态，也即流塑性。1）从土力学角度分析，土舱内渣土的流塑性，包括以下三个方面： 土体不易固结排水。当推力通过隔板传递到土舱内时， 如果土舱内土体迅速排水固结， 就会在土 舱内形成固结土饼， 土水分离会影响土舱内土体的循环和排土， 因此土体要保持 不易固结排水的状态。土体处于塑性流动状态。 土舱内的土体应具有高含水率、 强度较低

22、而易于翼板搅拌的特性。 这一特性 可保证土体受到挤压时向螺旋输送机内发生塑性流动而顺利完成排土， 形成所谓 的“挤牙膏”效应。土体具有不透水性。 只有压力仓的土体具有足够的不透水性，才能保证维持开挖面上的水压力，同时也能防止排土口发生“喷涌”现象2）压力仓内土体的塑性流动状态由以下指标进行衡量：坍落度T、抗剪强度t、渗透系数k和压缩系数av。坍落度 T土舱内土体的流动性直接决定了螺旋输送机的排土状态。 如果土体的流动性 较好，螺旋输送机的排土量就容易控制， 从而可以较好的控制开挖面的稳定。 一 般对于土舱内土体的流动性可以用坍落度来衡量， 现场施工经验表明： 土体的坍 落度在1620cm范围时

23、，可认为其满足塑性流动状态的要求。渗透系数 k 在渗透性方面，开挖土体的渗透系数越小，则对盾构施工中“喷涌”防治效果越好，一般认为要想避免盾构中“喷涌”问题的发生，开挖土体的渗透系数要 小于1.0 l0-5cm/s,工程上渗透系数达到1.0 0-5cm/s是一个上限。抗剪强度 t土体的抗剪强度对盾构开挖及磨耗有着直接的影响。 黏聚力、内摩擦角是土 体的强度参数， 在避免盾构施工过程中出现结泥饼问题时， 开挖土体的黏聚力是 主要影响参数， 土体黏聚力越大， 越容易结泥饼； 在避免盾构施工过程中出现的 闭塞问题、 刀盘刀具的磨损问题时， 开挖土体的内摩擦角是主要影响参数， 土体 内摩擦角越小， 则

24、对闭塞的防治效果越好。 根据国内外的施工经验， 开挖土体的 抗剪强度小于25kPa时，强度性质已经达到了塑性流动状态的要求。压缩系数 av土舱内土体压缩系数也是预防盾构机结泥饼的关键参数， 土舱内渣土的压缩 系数越大，则盾构施工时越不易结泥饼的发生。所以一般，土体坍落度T在1220cm之间、渗透系数k小于1.0 Q5cm/s、 抗剪强度t小于25kPa开挖土体的压缩系数 av大于0.1MPa-1 （压力范围取值 100kPa200kPa时，即可满足盾构施工的需要。常用的土体改良剂第 页共35页良好的渣土能有效降低刀盘磨损、增加开挖面稳定并使排土顺畅、降低扭矩 及推力。在盾构施工中，常用的渣土改

25、良材料有：界面活性材料类、矿物类、高 分子聚合物类和水。1.3.1界面活性材料类界面活性类材料主要是注入用特殊发泡剂和压缩空气制作的气泡。由于经泡沫调节后的土壤具有良好的流动性和塑性以及防水渗透性，所以泡沫剂的使用扩大了土压平衡盾构机适宜开挖的土壤范围。目前，土压平衡盾构机大都配备了泡沫系统，泡沫也成为渣土改良必不可少的添加剂。1）泡沫的作用原理泡沫是发泡液（表面活性剂）和压缩空气经过发泡装置产生的，作为主要成 分的发泡剂是由聚合而成的长链分子构成的， 含有憎水基和亲水基，当表面活性 剂加入液体中，其吸附在固体一液体、液体一气体及液体一液体分界面上，如图 所示1-1。25水奁面活性剂图i-i发

26、泡剂长链分子/ / / / / 7 /电才性團悻6da5d6d66d当水的表面覆盖一层表面活性剂时， 其憎水基与空气接触，从而减小了水的 表面张力，表面张力的减小增加了润滑作用；由于结合水的流动使得原先被结合 水束缚的土颗粒可以自由流动；表面活性剂吸附在土体内的微小裂缝的表面， 增 加裂缝的深度，减弱微小裂缝愈合的能力，增强扩散能力，并使得土颗粒带有相 同的电荷而相互排斥而分开，防止土粒粘附，粘土进入泡沫后快速絮结成小片状， 并失去自粘能力，并在絮结物表面电荷的斥力下无法进一步抱结成团块。图1-2加入泡沫的土体示意图o 土胃拉o气泡2）泡沫的作用化学泡沫的重要作用包括：黏性土地基中，泡沫起着界

27、面活性剂分散的作用，可有效防止开挖土附着 于刀盘上和土压室内壁，防止出现泥饼现象，使掘进工作顺利地进行；砂性土和砂砾土地基中，泡沫的支承作用使开挖土的流动性提高， 土压室 内泥土不会产生拥堵，刀盘及螺旋输送机的驱动扭矩减小， 刀具磨损减小，从而 有利于盾构机掘进；在硬岩隧道施工中降低粉尘的发生量， 发挥良好的润滑作用，使开挖土塑 形流动，并提供其止水性；泡沫混合土具有一定的弹性，其可压缩性使开挖面的土压力波动减小， 在 不影响开挖面稳定的同时保证顺利掘进；加入泡沫的混合土体的密实度有较大的变化， 泡沫置换了渣土中的一部分 土颗粒和水分，使得混合土体密度减小，提高了土的止水性，能较容易地开挖地

28、下水位较高的砂砾土地基，而且可以有效地防止螺旋输送机泥水喷涌， 同时一定 程度上减小了颗粒之间的接触，起到一定的润滑作用，降低了接触面的粗糙度，使摩擦系数降低，减少土壤在刀盘、螺旋输送机、运输带的磨损，使土体易于分 离、运输，同时降低磨损成本。3）泡沫工法的优点泡沫新工法的诸多优点自然而然地代替了以往向掘削面和土舱内加注泥材 的工法。泡沫已成为土压平衡盾构机渣土改良必不可少的添加剂。泡沫工法迅速取代以往的加泥材方法，自然有它的很多优点，具体如下：泡沫剂是一种无色无毒无味的工业制剂， 避免了隧洞内外的污染， 有助于 保持良好的工作环境；泡沫注入设备和制作设备比加泥设备规模小，设备布置、安装更便利

29、；排出土中的泡沫在短时间内会逐渐消除， 另外由于泡沫中的特殊发泡材料 是少量的， 因此排出的渣土很快就可以恢复到注入泡沫前的状态， 渣土处理问题 容易解决；当盾构施工通过透水性较强的砂土、 含有少量粘土、 粉砂细屑的砾石层或 透水性较强的风化花岗岩地层时， 使用泡沫剂进行渣土改良的效果明显优于应用 膨润土泥浆。4）泡沫工法的缺点泡沫并非每一种土质都是适用的， 它适用于细颗粒土层中， 一般而言， 在 渗透系数超过 10-5m/s 的较粗颗粒土层中不适用，粗颗粒土层孔隙较大，气泡不 易充分填充， 无法达到减小其渗透系数的作用， 泡沫剂在富水的地层中并不能很 好地抑制水分，难以有效填充颗粒间的孔隙，

30、渣土改良效果一般；泡沫的发泡效果非常重要，需要经常检查，保证泡沫剂充分发泡；但是泡沫剂发泡需要很大的气体压力， 如果向土舱内注入， 则会引起土压 力突然增大、螺旋机喷涌等现象，对盾构推进操作造成一定的影响。5）泡沫的参数 泡沫剂是一种无色无毒无味的粘稠状工业制剂，泡沫的组成比例一般如下： 泡沫溶液的组成： 5%7%泡沫剂，水 93%95%；泡沫组成： 90%95%压缩空气和 510%泡沫溶液混合而成。发泡率 发泡率，又称“泡沫倍数”，指一定质量发泡剂溶液所产生的泡沫体积与原液体体积之比， 是衡量泡沫剂质量的一项重要指标， 在同样情况下， 发泡率越高， 等量泡沫剂产生的泡沫越多，说明其具有高效性

31、。稳定性泡沫材料作用的土体处于运动状态， 泡沫改良土体的作用仅要求从开挖面到 螺旋输送机出口这段运动过程中， 所以泡沫的稳定性如何将直接关系到改良效果 的持续时间。 发泡率与生成泡沫的稳定性二者是相互影响的， 较高的发泡率是牺第 8 页 共 35 页第 页共35页牲泡沫稳定性为代价的。注入率泡沫剂量的注入率Y=注入泡沫总量/开挖渣土的容积，根据地质的不同有所 不同，根据实验结果和至今的实绩综合考虑，注入率丫的估算公式为：Y(%)=a260-4 D0.880 -3.3 E0.890-2.7 F0.8其中，丫一一泡沫注入率，当计算值小于 20%时，取为20%；D 0.075mm粒径的通过百分率，当

32、4 D0.860时，取4 D0.8=60 ；E 0.42mm粒径的通过百分率，当3.3 E0.8 80时，取3.3 E.8=80 ；F 2mm粒径的通过百分率，当2.7 F0.890时，取2.7 F0.8 =90 ；a由均粒系数决定的系数，当 乂：4时，a=1.6；当4 215时，a=1.2 ；当Vc 15时，a=1.0。在一般情况下泡沫的注入率的最小值为 20%当渣土较黏时，为防止产生泥 饼或堵仓，泡沫的注入率最小不小于 30%在实际施工过程中，泡沫的注入率要 根据掘进期间对渣土的观察来做相应的调整。发泡剂浓度发泡剂浓度X=S沫系统中所需发泡剂的流量/泡沫系统中水泵的流量根据泡沫剂生产商的不

33、同，泡沫剂成分有所不同，一般泡沫剂浓度根据开挖 土体的颗粒级配、不均匀系数、掘进速度、掘进的推力和扭矩的具体情况进行调 整。一般渣土流动性不好适当增加泡沫剂浓度，渣土如果稀要适当提高发泡率，发泡率越高渣土会越干一些。泡沫的浓度和发泡率要视渣土和刀盘扭矩的实际情 况而定：当渣土中的卵石含量较多或者刀盘扭矩一直很大时，泡沫浓度可以适当调大，当渣土的含砂量较多或者刀盘扭矩不高时，浓度可以适当的调小，发泡率不变。1.3.2矿物类矿物类添加剂(也称泥材)，主要包括膨润土、黏土、陶土等天然矿物。盾 构施工中的经验值是开挖土中的微细颗粒必须达到35流右。若开挖土体中的微细颗粒不足时，使用黏土、蒙脱土等作为添

34、加材料制成泥浆进行补给，使土体的 内摩擦角变小，提高土体的流动性和止水性。矿物类添加剂主要是泥浆的形式， 其浓度和注入量根据开挖土的级配、不均匀系数等确定。可是，这种改良剂需要 使用制泥设备和贮泥槽等大规模的设备； 另外，渣土由于呈泥状而必须将其作为 工业废弃物进行处理，使用时要考虑环境保护问题。对其代表材料膨润土介绍如下：1）膨润土改良机理膨润土主要是由蒙脱石类矿物组成的非金属黏土类矿物，蒙脱石含量占到 30%80%，蒙脱石是含水的层状铝硅酸盐，其晶体结构由2个硅氧四面体晶片中夹一个铝（镁）氧八面体晶片组成，属 2： 1型层状硅酸盐矿物，晶层中存在 极弱的钠离子键，钠离子本身半径小，离子价低

35、，水很容易进入单位晶层间，引 起晶格膨胀，吸水后形成一道不透水的防渗层； 钠离子连接各层薄片，同时挤占 与之接触的土颗粒之间的孔隙，在“阻塞”和“架桥 效应的作用下，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，膨润土单位结 构层间能吸附大量的水，层间距离大，膨胀率高。如图1-3所示。图1-3膨润土形成泥膜示意图土压平衡盾构施工对加入的膨润土泥浆的一个基本要求就是它能够形成“滤饼”，“滤饼”可以形成于土粒内部或土粒之间，由胶结或固结的膨润土组成。 这个“滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜， 从而可以将过量的地下水压力转 化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力，这对稳定地层防止推

36、进中的地面塌陷至关 重要。2）膨润土的作用第 页 共 35 页膨润土具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。膨润土可在工作面上形成低渗透性的泥膜， 有利于给工作面传递密封土舱 压力，以平衡水土压力；膨润土可改变密封土压仓内渣土和易性， 提高砂性土塑性， 以便出土减少 喷涌；使泡沫、聚合物等在开挖面不扩散，改善刀盘、刀具、螺旋输送机的工作 环境，减少磨损等作用。3）膨润土的优点在泡沫不适用的土质中， 例如中粗砂中， 中粗砂土的孔隙较大， 气泡不易充 分填充，无法达到减小其渗透系数的作用。 膨润土在遇水膨胀后其体积可以达到 原来体积的数 10 倍，可以充填于土的空隙中改变土的渗透性，且

37、价格低廉。4）膨润土的缺点膨润土需要经过12h以上的拌浆、运输及预膨胀的阶段，因此，在施工平 面布置时， 要布置制泥设备和贮泥槽等大规模的设备， 这种方法的施工过程比较 麻烦，在用量大时会影响施工速度；渣土由于呈泥状而必须将其作为工业废弃物进行处理， 使用时要考虑环境 保护问题；膨润土易堵塞输送管路。5）适用地层 膨润土通常用在破碎且渗透性大的地层。1.3.3 高分子类聚合物高分子聚合物是长链分子有机化合物， 可单独使用也可与膨润土及泡沫混合 使用。高分子聚合物对渣土改良可以起到立竿见影的效果， 但是价格很昂贵， 一 般仅作为辅助措施配合其它材料进行渣土改良。1 ）高吸水性树脂类由于高吸水性树

38、脂吸水而不溶于水， 可以吸收自身质量几百倍的地下水成为 胶凝状态，如图 1-4所示。所以对防止高水压地基的喷涌有很好的效果。树脂填 充砂土的颗粒空隙，提高土体的流动性。 在盐分浓度高的海水区域或含有大量铁、 铜等金属离子的地基， 强酸、强碱性地基和化学加固区间等地基， 由于会发生一第 页共35页定的化学反应，其吸水能力会大大降低图1-4高吸水性树脂类工作原理2）水溶性高分子类它与树脂一样是高分子化合物构成的材料， 此类添加剂可以连接混合土中的 微小颗粒，在土粒之间形成絮状凝聚物，使其发生粘结，可以减小内摩擦角，提 高流动性，具有可以使开挖土体的黏性增大的效果， 泵送性好。在过去的盾构施 工中很

39、多情况下都使用 CMC，但其渣土有时会成为泥糊状而需要作为工业废弃 物来处理。图1-5水溶性高分子类作用机理示意图例如，TAC高分子聚合物可对砂层进行改良。该材料具有出色的亲水性，能迅速吸收砂层中的水分，使砂层流动性降低，转变为流塑状，可以达到减小土 壤粘性的目的，土的和易性增强，流动性加大。高分子材料附着于黏粒表面，增 粘效果显著，在掌子面形成一层非常粘稠的泥膜，维持掌子面上土压平衡。另外, 高分子聚合物能增加水的稠度、吸收渣土中的水并改善渣土的结构， 对于防止喷 涌有一定效果。聚丙烯酸钠（PAAS）,在广州富水高粘性泥层中，为防止刀盘泥饼形成和改 善土舱内渣土的和易性，使出渣更顺畅，采用了

40、聚丙烯酸钠添加剂，该添加剂还 可在岩层掘进中使用。聚氧化乙烯（PEO）改良剂是水溶性和热塑性的非离子型 线性高分子聚合物，具有絮凝、增稠、缓释、润滑、分散、助留、保水等性能， 溶于水后形成高黏度液体，在广州全断面砂层中使用过，效果显著。3）新型聚合物新发展的聚合物释放土粒之间的水， 使泡沫较容易进入土粒之间，增强土体 的流动性和添加剂的功效。1.3.4分散剂用来改良高粘性土体，降低其粘附性，增加土体流动性，被改良好的高粘性 土在含有砂性土体的复合地层中可同时起到对砂性土的改良作用； 若在盾构掘进 过程中出现结泥饼现象，可用来处理泥饼。水水水最普通的添加剂，起到冷却和润滑的作用，能在一定程度上降

41、低开挖的 岩渣和滚刀温度，减小刀具的磨损；适量注水可以稀释泡沫、降低泡沫和聚合物 的用量。遇到较硬围岩的情况下，渣土较干，流动性不好，单纯通过注人泡沫剂或膨 润土泥浆，难以达到理想的渣土改良效果， 这种情况下可以注人适量的水， 来进 行渣土改良比较有效。向高粘性渣土中注水，可以在增加其流动性的同时，降低 其粘着力，防止掘削土附着于刀头或土舱内壁上形成泥饼。但在采用此方法进行渣土改良时，因渣土物理状态不好，含水量大，出渣困 难，容易污染。这种方法比较经济，但是效果一般，在渣土改良要求不是很高的 地层可以使用。1.3.6不同渣土改良剂比较表1-1渣土改良剂比较种类代表材料原理作用优点缺点适用土质界

42、面 活性 材料泡沫剂发泡剂与压缩 空气混合，形 成泡沫，泡沫 具有润滑、扩 散、弹性特性便于渣土的流 动和运输；泡 沫和土舱内的 泥土混合加压 稳定掌子面、 防止坍塌；提 高止水性无污染，渣 土容易解 决；设备简 单，施工便利发泡需要 很大的气 体压力，可能引起土舱压力突 增适用于细 颗粒土层中矿物类膨润土、蒙脱土蒙脱石晶格吸 水膨胀，晶层 间钠离子相互 连接形成滤饼”可以演变 为一个低渗透 性的薄膜低渗透性的泥 膜，有利于给 工作面传递密 封土舱压力； 提高密封渣土 和易性，减少 喷涌膨胀率 高，在粗砂 等渗透性 很大而泡 沫改良效 果不好的 地层中可 以起到很 好的效果需要制泥 设备；泥浆

43、存在环境 污染问题；易堵塞管 路渗透性稍 大的地层高分 子类 聚合 物水溶性高 分子（CMC聚合物链连接 细小颗粒，增 大土体粘性增大粘性渣土改良 效果立竿 见影废物处理； 价格昂贵无黏性土高吸水性 树脂（环 氧树脂）遇水发生反应达到止水效果提高渣土的止 水性，防止喷 涌渣土改良 效果立竿 见影酸碱地基、 化学加固 区不适宜； 价格昂贵高水位、 含水量高水一水可降温，润 滑提高渣土的流 动性、降低刀 盘温度廉价，方便改良效果 一般，作为辅助材料土质较 干，硬岩1.4渣土改良剂添加部位图1-6刀盘上渣土改良剂注入口渣土改良剂注入位置分为土舱内、刀 盘中心正面、刀盘边缘、刀盘辐条侧面及 螺旋输送机

44、。由于注膨润土时注浆管的堵 塞问题，刀盘前以泡沫和水为主。泡沫的 发泡效果非常重要，在开仓维修刀具或换 刀时也要检查泡沫管路是否通畅。针对不 同地层，在不同位置注入不同的材料，可 实现针对性的渣土改良功能。第 页 共 35 页渣土改良应用实例2.1 无水砂卵石地层北京地铁 4号线 20标1）工程概况此标段包括颐和园至北宫门盾构区间、 北宫门车站、 北宫门至龙背村盾构区 间。盾构隧道位于永定河冲洪积扇， 岩石不均匀出露， 在掘进过程中遭遇砂卵石 地层、风化石灰岩等软硬不均地层。2）渣土改良方案针对砂卵石地层， 选用泡沫剂、 膨润土和冷却水来改良土体， 在刀盘面板上 设计有 8 处泡沫及膨润土注射

45、装置；土舱的仓板上设计有搅拌翼，同时还有 4 个膨润土和泡沫注射口； 在螺旋输送机的筒壁上有 8 个膨润土和泡沫注射口。 在 盾构机掘进期间， 不断向工作面喷注泡沫、 膨润土和冷却水， 对减少刀具磨损和 保证顺利掘进起到了很好的效果。北京地铁 10号线 2期1）工程概况 北京地铁十号线石榴庄路大红门区间隧道穿过地层主要为： 卵石、圆砾 层、粉质粘土、重粉质粘土1层、细中砂2层、卵石层和粘质粉土、粉质粘 土1 层、细中砂 2 层。盾构隧道截面下半部以卵石、圆砾为主，粒径大约为 526.7mm。2）渣土改良方案选用泡沫作为土体改良剂。 实践证明， 土体经过泡沫的改良后， 盾构的总推 力以及刀盘扭矩

46、明显减小，也大大降低了刀盘在砂卵石地层中的磨损。北京地铁 10号线（莲花桥六里桥）1）工程概况地层自上而下依次为人工填土层；第四季新近沉积层：粉土层、粉质黏 土1层、粉细砂3层；第四纪晚更新世冲洪积层：卵石层、中粗砂 1层、 卵石层、中粗砂1层、粉质黏土层、细中砂3层、卵石层、粉质黏土 层。盾构主要穿越卵石层，一般粒径为 20300mm,大于20mm颗粒物含量 约占80%，充填物为中粗砂，潜水水位位于隧道结构底板以下 01.5m处。2）渣土改良措施在盾构 始发掘进阶段，单纯使用泡沫剂及膨润土改良土体，均无法将土体 调制成理想的流塑状态， 无法建立真正的土压平衡， 从而出现刀盘扭矩过大， 掘 进

47、速度缓慢、 土压不稳定及易结泥饼的情况， 在后续的施工中采取了以下措施进 行了土体改良：优化膨润土注入参数：经过多种尝试，改用钠基优质膨润土， 并调整了膨润土的发酵时间及粘稠度， 一般在每环掘进过程中，向土舱内注入 57m3发酵至少24h以上粘稠度为50s 的膨润土。加入高分子、分散剂和聚合物在地面上经过多次的试验， HHZ-A 分散剂溶液对泥饼的形成有着良好的防 治效果。在盾构掘进时向土舱内分别增加注入 TAP 聚合物、 HHZ-Z 高分子、 HHZ-A分散剂溶液及Rheosoil143发泡聚合物，通过刀盘搅拌，使所注入的溶液 充分混合， 这样能有效控制土舱内泥饼的形成， 而且有效控制刀盘进

48、土口处泥饼 的形成，将泥饼对正常掘进的影响降至最低。优化泡沫剂类型及注入参数经过大量的试验， 得到优化泡沫剂类型及注入参数如下： 在渣土内按体积比 掺入 30%的泡沫， 充分搅拌后， 发现渣土的性状发生明显的改变， 加入的水与渣 土和泡沫充分的融合在一起呈流塑状，渣土的黏性明显降低。采取了多种改良材料共同对掌子面土体进行塑流化改良的措施， 在这几种措 施的综合作用下，掌子面土体的流塑性得到了有效改善， 土压平衡得以真正建立， 刀盘的扭矩也由以前的250bar降至140bar，并且排土顺畅，效果明显。北京地铁 4号线（动物园站双榆树站）1 ）地层条件北京地铁四号线动物园白石桥区间、 白石桥学院南

49、路及学院南路双榆 树区间盾构全断面穿越砂卵石地层， 该 3 段区间的地层条件分述如下： 动白区 间隧道内大部分为卵石圆砾层， 部分地段夹少量的砂层； 白学区间隧道断面内 基本上为全断面卵石、圆砾层；学双区间该段隧道上半断面在粉土层中通过， 下半断面进入圆砾石层。2）渣土改良措施盾构穿越地层主要为砂卵石， 根据以往施工经验， 在密封土舱内加入泥浆等 润滑材料，一方面可以润滑密封土舱内切削土体， 使顺利出土； 另一方面可以形 成压力水膜，起到稳定挖掘面的作用。此外还加入泡沫改良土体， 在密封土舱内加入泡沫主要是为了增加土舱内土 体间的疏松性， 并可以在卵石表面形成黏土膜， 润滑密封土舱内切削土体，

50、 使顺 利出土，另外可以形成压力膜起到稳定挖掘面的作用。 根据以往经验， 盾构掘进 时，泡沫注入量以掘进每环切削土体体积的 45%55%计算。2.1.5 北京地铁 5号线试验段1）工程概况北京地铁 5 号线工程左线北新桥站雍和宫站区间作为北京地铁5号线盾构试验段工程， 试验段工程穿越的地层总体上可分为三段： 粘质粉土、粉质黏土层 段；粉细砂及砂砾层和卵石层段； 粉土层及砂质地层段。 区间隧道全部处于潜水 位以下。北京地区，粉质黏土、粘质粉土段地层稳定性较好，其余两地层段在受 扰动时均易坍塌 .2）渣土改良方案在里程 K11+700K11+950 段为粉细砂及砂砾层和卵石层段，此段渣土改良 方案

51、如下：由于在砂砾和卵石层施工，地层对切削刀头的磨损较大，而且掘进过程中， 为了使土体具有良好的流动性和止水性， 必须有 30%左右的微细颗粒， 单靠泡沫 的改良作用已不能完全满足施工的要求。 在推进过程中除了使用泡沫外， 还辅以 膨润土浆液以加强刀具的润滑、 冷却，改善工作状态， 同时起到补充地层土体微 细颗粒的不足，提高土体流动性和止水性的作用。北京地铁 4号线角门北路站北京南站1）工程概况盾构隧道结构范围内为全断面卵石层，卵石粒径一般为2060m m,最大 粒径180m m,中粗砂充填。隧道下方处于层间潜水层。2）渣土改良方案 采用泡沫和改性膨润土浆液进行渣土改良,泡沫的浓度为5%,使用量

52、为0.40.6m3/m3,制泥材料的浓度为 5%,使用量为0.40.6m3/m3北京地铁 9号线丰台东大街站丰台北路站1 ）工程概况本区间隧道覆土 912m,隧道通过地层为砂卵石地层，卵石最大粒径不小于 420mm，一般粒径为 2070mm，粒径大于 20mm 颗粒含量约为总质量的 50%80%,亚圆形,中粗砂填充,全断面无地下水。采用加泥式土压平衡盾构 机。2）渣土改良方案在掘进初期, 为使土体具有良好的流动性, 于是向开挖面注入大量泥浆, 结 果在施工中发现泥浆量过大使螺旋排出的土过稀, 甚至出现喷涌, 土压力波动较 大。同时,土压仓内大粒径砂卵石会在重力作用下沉至底部, 使土体搅拌不均匀

53、, 增大了刀盘扭矩和刀具的磨损, 经过分析后, 减少泥浆注入量, 增大泡沫注入量, 同时提高稀释液的粘度和泡沫的发泡率, 结果刀盘扭矩大大降低, 能够建立稳定 的土压力。 由此可得, 在砂卵石地层中, 泡沫能够大大改善土压平衡盾构机的掘 进性能, 泡沫注入量加大以后刀盘扭矩明显减小, 推进速度大幅提高, 刀盘刀具 的磨损程度降低,提高了设备的使用寿命。北京地铁 7号线达官营站广安门内站区间1 ）工程概况盾构机全部在卵石地层中穿行，此地层密实，最大粒径大于 20cm，一般 粒径2060mm，亚圆形，粒径大于20 mm颗粒约占总质量的70%。结构覆土 厚度为14.15 25.18m,水位埋深25.

54、20 27.00m,区间隧道约有1/ 2位于水位以 下。2）渣土改良方案向泥土舱加注膨润土、 泡沫等塑性剂改善渣土的流动性， 降低刀具及刀盘磨 耗。无水砂卵石地层渣土改良应用小结由于北京市地铁规划所穿越地层有大量的砂土及砂卵石地层， 而且不少地区 地下水位较低， 甚至隧道穿越无水砂卵石地层。 根据以上列举的几个工程实例发 现，盾构机在这种地质环境中掘进时，普遍选用泡沫 +膨润土或者泡沫 +加泥式 土压平衡盾构机加泥对渣土进行改良。 根据地质的变化， 也可单独使用泡沫， 或 者加入泡沫与膨润土渣土改良效果仍不理想时，可针对性的选用高分子聚合物。2.2 富水砂卵石地层2.2.1 北京地铁九号线六标

55、1）工程概况军事博物馆一东钓鱼台站区间某一段掘进地层为卵石层，地下含水量大， 石头含量多，通过筛分得出石块含量比例：直径分别为 30厘米、10厘米、8 厘 米、6厘米、 4厘米、2 厘米、1厘米的石块占的比例分别是 1.3%、2.6%、4.2%、 7.7%、8.3%、17.3%、10.7%。2）渣土改良方案理论上，盾构机把大粒径石头磨成碎块， 通过螺旋机把渣土传送到传送带上， 传送带把渣土传送到机尾的运输车里。 但由于石头含量巨大， 不利于盾构螺旋机 传输，石头容易沉到螺旋机下部， 常常发生盾构刀盘被卡。 因此研制出卵石层 渣土改良添加剂， 即在卵石层使用大稠度纳基膨润土溶液加一级康达特泡沫及

56、 高分子聚合物溶液， 较好地解决了渣土排出问题。 经过渣土改良， 输送出来的渣 土像混凝土，石头和颗粒全部裹挟在泥浆中。2.2.2 成都地铁一号线1）工程概况成都地铁 1 号线全部位于密实砂卵石地层中。 其特点为粗粒粒径大、 密实度 大、含量高、强度大、磨蚀性高等。卵石以中风化为主， 充填物主要为中、 细砂， 夹少量黏性土。卵石粒径大部分为312cm，卵石含量占55%85%，地下水为孔 隙潜水和基岩裂隙水， 孔隙潜水主要埋藏于砂卵石地层中， 水量丰富，埋深较浅。 成都地层是世界罕见的富水砂卵石地层， 以地下水位高、 卵石含量多及硬度大著 称。根据成都砂卵石层的地质情况，地铁 1 、2号线采用加

57、泥式土压平衡盾构施2）渣土改良方案人民北路站文武路站骡马市站在成都典型富水砂卵石地层中， 渣土改良初步实施， 尚处于摸索过程中， 单 独使用泡沫进行渣土改良， 效果尚不理想，使得盾构在掘进中遇到一些施工困难， 进度较缓慢， 其中现场现象主要为砂卵石地层使其刀盘、 刀具、出渣系统等部位 磨损严重；掌子面不稳定、换刀停机易坍塌；降水换刀地点难以选择；卵石地层 局部有粉细砂土处已结泥饼。天府广场骡马市刀盘上有 8 个泡沫注入点，经泡沫调节后的渣土有以下特点：流动性好，渗 水性能低，弹性良好，并降低了对盾构的附着性，减少对盾构的磨损，减少驱动 功率。同时还使用膨润土， 高密度膨润土的使用能够使开挖的高

58、渗水性渣土拥有 良好的粘结性，并能渗入砾质渣土的空隙中， 从而实现止水和固结掌子面的作用， 在区段强透水性的砂卵石土中使用膨润土， 作用更加明显。 在掘进中凭经验发现 有泥饼产生，则在土舱内注入大量的分散剂，让分散剂侵入泥饼的表面和内部， 将泥饼打散， 根据实际使用带分散剂的泡沫情况看， 分散剂可以有效控制泥饼的 发生，效果明显。天府广场站省体育馆站刀盘上设置有 8 个泡沫注入口， 其中包括中心搅拌棒部分的四个泡沫注入孔， 泡沫注入口也可以用来加注膨润土和泥浆， 能够充分保证渣土的改良效果， 可以 有效地防止刀盘中心产生泥饼，提高掘进效率。桐梓林站倪家桥站省体育馆站盾构机配有 3 套渣土改良系

59、统：泡沫系统、膨润土（泥浆）系统、聚合物注 入系统。通过泡沫、膨润土系统同时对渣土进行改良，系统性能良好，完全能够 满足该地层条件下渣土改良的需要。施工中不断摸索总结， 总结出成都富水砂卵石层中采用泡沫剂、 泥浆、 水相 结合的渣土改良工艺， 当渣土较干或渣土中夹有泥岩时可通过膨润土罐或盾构前 体上安装的水管向土舱内加入适量的水； 当在掘进中凭经验发现有泥饼产生， 则 在土舱内注入大量的分散剂。长沙地铁 2号线（体育公园长沙大道）1）工程概况隧道穿越地层主要为卵石隧道穿越地层主要为 2 - 4 卵石、 5 - 1 强风化 泥质粉砂岩地层。卵石地层厚度 28 m,该地层多为中密状，卵石含量约 5

60、5 % 60%,石英质，亚圆形，磨圆度较好，最大粒径达10 c m, 般粒径2040 mm, 砂质充填。卵石地层侵入隧道最大约 4m,隧道断面下部为泥质粉砂岩，岩石强 度约49MPa。砂卵石地层空隙率高，连通性好，和地表水联系密切，富水性强。2）渣土改良方案 起初采用加泡沫对渣土改良，其效果不理想，盾构施工时有糊刀现象，刀盘 扭矩大，推力大，速度慢。后渣土改良以泡沫为主，同时针对砂卵石地层加入高 分子聚合物防止糊刀及喷涌现象发生， 对泡沫加入量不进行限制， 以渣土改良均 匀为目的，高分子聚合物每环加入量在 2kg 左右。富水砂卵石地层渣土改良应用小结在富水砂卵石地层， 单独使用泡沫很难取得良好