论文部分内容阅读
摘要：膨胀岩土具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形性能，工程力学性质极不稳定，如果处理不当容易出现地面开裂、沉陷、隆起等工程病害。盾构机在膨胀系数较大的岩土层中掘进，一来很容易被遇水膨胀的土层“裹死”，导致姿态难以控制，轻则影响隧道成型质量，重则可能造成线路偏差超限；二来刀盘容易被粘性高的土体吸水膨胀后结泥饼“糊死”，造成刀盘温度高、推力大扭矩小、速度小等现象，严重影响施工进度。本文通过工程实例介绍盾构机在膨胀岩土中掘进时遇到的难题和攻关过程，总结出盾构在膨胀岩土中掘进时的应对措施，以资同仁参考和指导。
关键词：盾构，膨胀岩土 ，应对措施
Abstract: inflation has significant expansion of geotechnical absorption and desiccation shrinkage deformation property, engineering mechanics properties very unstable, if not handled properly prone to ground cracking, subsidence, uplift and other projects diseases. Shield construction machine in the expansion coefficient of the rock layer in larger heading, way is easy to meet the expansion of the water soil "wrapped death", leading to pose difficult to control, light will influence the tunnel molding quality, heavy then may cause line deviation overrun; Secondly the knife dish to high viscosity of water and soil expansion mud cake "paste die", create the knife dish to the high temperature, thrust large torque, speed small wait for a phenomenon, the serious influence construction progress. This paper introduced through a practical project example of shield tunneling machine in the expansion of geotechnical when problem and research process, summed up in the expansion of shield tunneling in geotechnical when measures, reference and guidance to help colleagues.
Keywords: shield, inflation geotechnical, measures
中图分类号：U455.43文献标识码：A 文章编号：
1 前言
膨胀岩土是一种特殊土，它是在地质作用下形成的一种主要由亲水性强的粘土矿物组成的多裂隙并具有显著膨胀性的地质体，具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形性能，即使在荷重作用下仍能浸水膨胀，产生膨胀压力，同时该土还具有胀缩变形的可逆性，在吸水膨胀和失水收缩后，有再吸水再膨胀、再失水再收缩的特性，在反复膨胀收缩的过程中，能产生较高的膨胀力。由于其在土体中杂乱分布的裂隙及反复胀缩变形造成强度衰减的特性，所以常常给人类的工程建筑带来严重破坏，造成许多地质灾害。美国工程界称膨胀土是“隐藏的灾害”。日本工程界称膨胀土是“难对付的土”、“问题多的土”。
2 工程及地质概况
广州地铁广佛线某标段为两盾构区间，第一区间最小曲线半径为1000米，最大纵坡为23.1‰。区间右线长度1504.140m，左线长度1331.173m(短鏈3.767m)。本标段采用德国海瑞克S337型土压平衡式盾构机掘进施工。刀盘的最大切削直径为6280mm，刀盘配置19把双刃滚刀，64把齿刀和32把边缘刮刀。
根据地质详勘报告可知，此区间主要穿越的地层有<3-1>、<3-2>、<4-1>、<4-2>、<5-2>、<5-3>、<6>、<7>、<8>九个岩土层，膨胀岩土主要分布在粘土<4-1>层和粉质粘土<4-2>中，部分风化泥岩（<5-2>强风化泥岩、<5-3>中风化泥岩）也具有膨胀性。根据室内试验，强风化泥岩<5-2>自由膨胀率平均为28%，膨胀力平均为45kpa，饱和吸水率20%；中等风化泥岩<5-3>自由膨胀率24%，膨胀力60kpa，饱和吸水率17%。膨胀岩除具有遇水膨胀和失水收缩的特点外，还有亲水性强、膨胀率高、膨胀压力大、强度低、崩解性强等特点。
3 膨胀岩土中掘进出现的情况及应对措施
3.1 刀盘结泥饼
3.1.2 现象及原因分析
盾构机掘进至<4-1>、<4-2>一段时间后，出现了“刀盘温度高，推力大扭矩小，掘进速度慢”的现象，根据以往的施工经验我们判断可能是刀具磨损导致刀具的开挖面和贯入度减小，也可能是刀盘结泥饼所致。于是我们决定开仓检查刀具情况。
开仓后发现所有刀具均完好无损，但是刀盘面板上靠近掌子面一侧的滚刀以及刀盘回转体处均有结泥饼现象，如图所示：
图1 滚刀结泥饼图示
图2 刀盘回转体处结泥饼图示
原因分析:
1）地层地质因素
盾构机所处地层为粘土和粉质粘土，此处土体为膨胀土。膨胀土为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形的特性，当刀盘搅动土体时，破坏了其原有的平衡状态，通过后方或上方来水，使土体内的水分增加。吸水后的膨胀土粘附在刀盘上，刀盘由于长时间切削土体温度比较高，粘附在刀盘上的膨胀土高温失水收缩，膨胀土的特性是在反复的胀缩过程中能产生较高的膨胀力，所以失水后的膨胀土再度遇水后就产生了更高的膨胀力，紧紧的粘附于刀盘上。这个过程不断反复，使粘附于刀盘上的土体越来越多，直接减小刀盘对掌子面土体的切削，所以即便加大推力，掘进速度和刀盘扭矩也在下降，同时刀盘温度升高，这更助长了膨胀土的胀缩特性，对泥饼有“烧结促成”的作用，如果不及时开仓处理，轻则刀具结泥饼，重则刀盘开口以及刀盘辐条和回转体处被“糊死”。
2）盾构机的刀盘、刀具系统缺陷
盾构刀盘和刀具设计指导缺陷会导致掘进中“泥饼”的产生，其成因如表1所示。从表中可以看出，刀盘中心区开口率是结泥饼的重要因素，地铁采用的三菱、小松、海瑞克等盾构机开口率多在33%~38%之间，可以认为33%是保证少结泥饼的开口率下限值。刀盘内的搅拌棒及辐条形式、数量也是另一泥饼产生的因素。刀具布置不合理会导致切削下的砂土块度不均、滚刀磨损，进而降低掘进和排土效率，使其产生泥饼。
表1 盾构机刀盘、刀具缺陷导致泥饼生成原因一览
盾构机部位泥饼生成原因
①刀盘——中心区域开口率太小
②刀盘——搅拌棒（包括主动、被动）数量少于6根
③刀盘——刀盘辐条横截面呈方形，不够圆滑
④土仓——土仓容积小于20m³，渣土临时存放能力不足
⑤刀具——刀盘刀具平面布置不合理，有切削不到的盲区
⑥刀具——各型滚刀、刮刀布置高差小于20mm，层次不分明
3.1.2应对措施
通过以上的原因分析和对膨胀岩土特性的进一步研究，我们总结出盾构在膨胀岩土中掘进时防止结泥饼的措施：
1、添加阳离子型添加剂
国内外现在常用的改良膨胀岩土方法是用石灰或石灰和粉煤灰掺拌改良，效果比较显著，但是主要应用于路基施工，不适合于盾构施工。综合膨胀土的特性和盾构施工的特点，我们通过添加阳离子型添加剂来改良膨胀土，增加渣土的塑流性，以防发生刀盘糊死现象。
1）膨胀土颗粒表面带电性
粘土颗粒表面带有负电荷，带电的原因可以解释如下：
①边缘破键电荷不平衡。在一个理想晶体的内部，正负电荷是平衡的。但在外部边缘处，结晶格架的连续性受到破坏，从而造成了电荷的不平衡。这些破键是粘土颗粒带有净负电荷，但在局部地方也会出现净正电荷。
②同晶置换作用。硅氧四面体中的硅为铝或其他低价离子置换，三水铝石八面体中的铝为铁、镁等所置换。置换后，粘土表面产生了过剩的未饱和的负电荷，使表面带负电荷。
③水花解离作用。如次生二氧化硅表面与水作用，形成一层偏硅酸，偏硅酸在水中解离为H+及SiO2-3。H+向水溶液扩散，而硅酸根离子与二氧化硅晶格不分离，因而表面带负电。实际上，粘土矿物是由三氧化二物（如三氧化二铝或三氧化二铁）和二氧化硅所组成，他的带电性则较为复杂。三氧化二物具有两性性质，即他的带电符号随水溶液的pH值而变化。
2）阳离子型添加剂的改良机理
据双电层理论，结合水膜厚度的变化是膨胀土胀缩的主要诱因。膨胀土是以蒙脱石或蒙脱石-伊利石为主要矿物成分的高塑性粘土，土壤矿物表面带有大量负电荷，当有机阳离子型土壤添加剂和它相遇后就会紧密结合，降低了土壤颗粒表面的吸附水膜厚度，电势下降，使土壤颗粒进一步靠近，封闭各土团之间的孔隙，土的塑性降低，减少了吸水性和膨胀性，土对水的敏感性减弱，促进土粒的相互聚集，土粒经干燥不再受潮，使稳定土性能获得提高。另外，因为该添加剂为有机阳离子化合物，它和土微粒结合后，膨胀土的阳离子交換量会大大减小，成为一个疏水微粒。
3）孔隙液体中盐浓度的影响
随着孔隙水中氯化钠含量的增加，同样的初始含水量、初始干容重和粘粒含量条件下的图样其膨胀压力都减小了。盐浓度对膨胀性的影响趋于把其减小到一个定值。莫瓦菲等人曾指出，膨胀量的减小可能由于在低浓度电解质的情况下，粘土颗粒表面的变化引起。氯化钠的掺加产生了大量的电解质，这些电解质沉淀可把他们迅速絮凝在一起的胶体中。颗粒尺寸的增大导致了总表面积的减小，从而吸水量减小了，最终膨胀性也就减小了。此外，对于钙蒙脱土，如果用氯化钠处理，当氯化钠粒子被吸入蒙脱石的层间形成氯化钙的时候，钠和钙离子之间的阳离子交换作用就发生了，从而阻止了水进入蒙脱石层间，因而也就减小了膨胀。
2、盾构机设计、选型方面的措施
设计盾构机时，应选择适当的开口率（特别是中心位置），尽可能实现土体进仓顺利；在土仓内设置土压力传感器，及时反映土仓内泥土粘附情况，预防“泥饼”的形成。刀盘内侧设有搅拌棒，随刀盘一起转动，可加速土体流动，减少泥饼的形成。
3、盾构掘进参数的设定
在膨胀岩土地层中的土压平衡盾构施工区段，土压力的设定以理论的土压力为基础，并作适当降低，具体可根据实际操作做调整。但在施工过程中必须观测分析盾构穿越地层的特性，在推进过程中应充分了解施工速度、盾构掘进性能、泥土温度之间的能量转换关系及其对“泥饼”形成的影响。控制好推进速度，较少“泥饼”产生的几率。
3.2 盾体“裹死”
3.2.1现象及原因分析
盾构机在膨胀岩土中掘进时还遇到了这样的情况，盾构姿态不受控制的向一个方向偏移，通过推进千斤顶来调整姿态无效，并且出现了推力大扭矩小速度慢的类似于结泥饼现象，于是我们开仓检查。
开仓后发现掌子面稳定无渗水，刀具完好无泥饼，刀盘边缘耐磨块与围岩间约有1.5cm间隙，而盾体与围岩间基本无间隙。
原因分析：
由于边缘滚刀和刮刀均完好无损，但盾体与围岩基本无间隙，考虑到膨胀岩土的胀缩特性，由此推断围岩遇水后膨胀，填充了扩挖的空间（刀盘切削直径为6280mm，盾体直径为6250mm），原设计的刀盘开挖直径不能满足盾构机在膨胀后的土体内顺利通过，导致围岩“裹”住盾体，从而出现盾构无法改变姿态的现象。
3.2.2应对措施
扩大开挖直径。将边缘滚刀像外延2cm，并且将3#辐条上的两把边缘刮刀外扩2cm，处理后的刀盘开挖半径可增加1.4cm。采取此措施后，盾构机的姿态得以慢慢回纠，按原设计的线路顺利掘进。
图3 改造后的边缘刮刀
图4 改造刀具位置
4 结语
膨胀岩土的分布范围相对较小，盾构在膨胀岩土中掘进的实例就更少，也缺乏相应的理论研究和施工经验，我司在面临这种情况的时候，由于缺乏相应的施工经验，对此类岩土的认知不足，在掘进过程中遇到了刀盘“糊死”和盾体“裹死”的现象，经过对以上现象的仔细分析和实地观察，大家集思广益，采取了有效的针对性的措施，使盾构机在膨胀岩土中顺利掘进，为以后同类施工积累了宝贵的经验。
参考文献：
1、《盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施》
2、《膨胀土改良方法探讨》
3、李奕，钟志全，《膨胀岩土中盾构脱困技术》，2010
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：盾构，膨胀岩土 ，应对措施
Abstract: inflation has significant expansion of geotechnical absorption and desiccation shrinkage deformation property, engineering mechanics properties very unstable, if not handled properly prone to ground cracking, subsidence, uplift and other projects diseases. Shield construction machine in the expansion coefficient of the rock layer in larger heading, way is easy to meet the expansion of the water soil "wrapped death", leading to pose difficult to control, light will influence the tunnel molding quality, heavy then may cause line deviation overrun; Secondly the knife dish to high viscosity of water and soil expansion mud cake "paste die", create the knife dish to the high temperature, thrust large torque, speed small wait for a phenomenon, the serious influence construction progress. This paper introduced through a practical project example of shield tunneling machine in the expansion of geotechnical when problem and research process, summed up in the expansion of shield tunneling in geotechnical when measures, reference and guidance to help colleagues.
Keywords: shield, inflation geotechnical, measures
中图分类号：U455.43文献标识码：A 文章编号：
1 前言
膨胀岩土是一种特殊土，它是在地质作用下形成的一种主要由亲水性强的粘土矿物组成的多裂隙并具有显著膨胀性的地质体，具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形性能，即使在荷重作用下仍能浸水膨胀，产生膨胀压力，同时该土还具有胀缩变形的可逆性，在吸水膨胀和失水收缩后，有再吸水再膨胀、再失水再收缩的特性，在反复膨胀收缩的过程中，能产生较高的膨胀力。由于其在土体中杂乱分布的裂隙及反复胀缩变形造成强度衰减的特性，所以常常给人类的工程建筑带来严重破坏，造成许多地质灾害。美国工程界称膨胀土是“隐藏的灾害”。日本工程界称膨胀土是“难对付的土”、“问题多的土”。
2 工程及地质概况
广州地铁广佛线某标段为两盾构区间，第一区间最小曲线半径为1000米，最大纵坡为23.1‰。区间右线长度1504.140m，左线长度1331.173m(短鏈3.767m)。本标段采用德国海瑞克S337型土压平衡式盾构机掘进施工。刀盘的最大切削直径为6280mm，刀盘配置19把双刃滚刀，64把齿刀和32把边缘刮刀。
根据地质详勘报告可知，此区间主要穿越的地层有<3-1>、<3-2>、<4-1>、<4-2>、<5-2>、<5-3>、<6>、<7>、<8>九个岩土层，膨胀岩土主要分布在粘土<4-1>层和粉质粘土<4-2>中，部分风化泥岩（<5-2>强风化泥岩、<5-3>中风化泥岩）也具有膨胀性。根据室内试验，强风化泥岩<5-2>自由膨胀率平均为28%，膨胀力平均为45kpa，饱和吸水率20%；中等风化泥岩<5-3>自由膨胀率24%，膨胀力60kpa，饱和吸水率17%。膨胀岩除具有遇水膨胀和失水收缩的特点外，还有亲水性强、膨胀率高、膨胀压力大、强度低、崩解性强等特点。
3 膨胀岩土中掘进出现的情况及应对措施
3.1 刀盘结泥饼
3.1.2 现象及原因分析
盾构机掘进至<4-1>、<4-2>一段时间后，出现了“刀盘温度高，推力大扭矩小，掘进速度慢”的现象，根据以往的施工经验我们判断可能是刀具磨损导致刀具的开挖面和贯入度减小，也可能是刀盘结泥饼所致。于是我们决定开仓检查刀具情况。
开仓后发现所有刀具均完好无损，但是刀盘面板上靠近掌子面一侧的滚刀以及刀盘回转体处均有结泥饼现象，如图所示：
图1 滚刀结泥饼图示
图2 刀盘回转体处结泥饼图示
原因分析:
1）地层地质因素
盾构机所处地层为粘土和粉质粘土，此处土体为膨胀土。膨胀土为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形的特性，当刀盘搅动土体时，破坏了其原有的平衡状态，通过后方或上方来水，使土体内的水分增加。吸水后的膨胀土粘附在刀盘上，刀盘由于长时间切削土体温度比较高，粘附在刀盘上的膨胀土高温失水收缩，膨胀土的特性是在反复的胀缩过程中能产生较高的膨胀力，所以失水后的膨胀土再度遇水后就产生了更高的膨胀力，紧紧的粘附于刀盘上。这个过程不断反复，使粘附于刀盘上的土体越来越多，直接减小刀盘对掌子面土体的切削，所以即便加大推力，掘进速度和刀盘扭矩也在下降，同时刀盘温度升高，这更助长了膨胀土的胀缩特性，对泥饼有“烧结促成”的作用，如果不及时开仓处理，轻则刀具结泥饼，重则刀盘开口以及刀盘辐条和回转体处被“糊死”。
2）盾构机的刀盘、刀具系统缺陷
盾构刀盘和刀具设计指导缺陷会导致掘进中“泥饼”的产生，其成因如表1所示。从表中可以看出，刀盘中心区开口率是结泥饼的重要因素，地铁采用的三菱、小松、海瑞克等盾构机开口率多在33%~38%之间，可以认为33%是保证少结泥饼的开口率下限值。刀盘内的搅拌棒及辐条形式、数量也是另一泥饼产生的因素。刀具布置不合理会导致切削下的砂土块度不均、滚刀磨损，进而降低掘进和排土效率，使其产生泥饼。
表1 盾构机刀盘、刀具缺陷导致泥饼生成原因一览
盾构机部位泥饼生成原因
①刀盘——中心区域开口率太小
②刀盘——搅拌棒（包括主动、被动）数量少于6根
③刀盘——刀盘辐条横截面呈方形，不够圆滑
④土仓——土仓容积小于20m³，渣土临时存放能力不足
⑤刀具——刀盘刀具平面布置不合理，有切削不到的盲区
⑥刀具——各型滚刀、刮刀布置高差小于20mm，层次不分明
3.1.2应对措施
通过以上的原因分析和对膨胀岩土特性的进一步研究，我们总结出盾构在膨胀岩土中掘进时防止结泥饼的措施：
1、添加阳离子型添加剂
国内外现在常用的改良膨胀岩土方法是用石灰或石灰和粉煤灰掺拌改良，效果比较显著，但是主要应用于路基施工，不适合于盾构施工。综合膨胀土的特性和盾构施工的特点，我们通过添加阳离子型添加剂来改良膨胀土，增加渣土的塑流性，以防发生刀盘糊死现象。
1）膨胀土颗粒表面带电性
粘土颗粒表面带有负电荷，带电的原因可以解释如下：
①边缘破键电荷不平衡。在一个理想晶体的内部，正负电荷是平衡的。但在外部边缘处，结晶格架的连续性受到破坏，从而造成了电荷的不平衡。这些破键是粘土颗粒带有净负电荷，但在局部地方也会出现净正电荷。
②同晶置换作用。硅氧四面体中的硅为铝或其他低价离子置换，三水铝石八面体中的铝为铁、镁等所置换。置换后，粘土表面产生了过剩的未饱和的负电荷，使表面带负电荷。
③水花解离作用。如次生二氧化硅表面与水作用，形成一层偏硅酸，偏硅酸在水中解离为H+及SiO2-3。H+向水溶液扩散，而硅酸根离子与二氧化硅晶格不分离，因而表面带负电。实际上，粘土矿物是由三氧化二物（如三氧化二铝或三氧化二铁）和二氧化硅所组成，他的带电性则较为复杂。三氧化二物具有两性性质，即他的带电符号随水溶液的pH值而变化。
2）阳离子型添加剂的改良机理
据双电层理论，结合水膜厚度的变化是膨胀土胀缩的主要诱因。膨胀土是以蒙脱石或蒙脱石-伊利石为主要矿物成分的高塑性粘土，土壤矿物表面带有大量负电荷，当有机阳离子型土壤添加剂和它相遇后就会紧密结合，降低了土壤颗粒表面的吸附水膜厚度，电势下降，使土壤颗粒进一步靠近，封闭各土团之间的孔隙，土的塑性降低，减少了吸水性和膨胀性，土对水的敏感性减弱，促进土粒的相互聚集，土粒经干燥不再受潮，使稳定土性能获得提高。另外，因为该添加剂为有机阳离子化合物，它和土微粒结合后，膨胀土的阳离子交換量会大大减小，成为一个疏水微粒。
3）孔隙液体中盐浓度的影响
随着孔隙水中氯化钠含量的增加，同样的初始含水量、初始干容重和粘粒含量条件下的图样其膨胀压力都减小了。盐浓度对膨胀性的影响趋于把其减小到一个定值。莫瓦菲等人曾指出，膨胀量的减小可能由于在低浓度电解质的情况下，粘土颗粒表面的变化引起。氯化钠的掺加产生了大量的电解质，这些电解质沉淀可把他们迅速絮凝在一起的胶体中。颗粒尺寸的增大导致了总表面积的减小，从而吸水量减小了，最终膨胀性也就减小了。此外，对于钙蒙脱土，如果用氯化钠处理，当氯化钠粒子被吸入蒙脱石的层间形成氯化钙的时候，钠和钙离子之间的阳离子交换作用就发生了，从而阻止了水进入蒙脱石层间，因而也就减小了膨胀。
2、盾构机设计、选型方面的措施
设计盾构机时，应选择适当的开口率（特别是中心位置），尽可能实现土体进仓顺利；在土仓内设置土压力传感器，及时反映土仓内泥土粘附情况，预防“泥饼”的形成。刀盘内侧设有搅拌棒，随刀盘一起转动，可加速土体流动，减少泥饼的形成。
3、盾构掘进参数的设定
在膨胀岩土地层中的土压平衡盾构施工区段，土压力的设定以理论的土压力为基础，并作适当降低，具体可根据实际操作做调整。但在施工过程中必须观测分析盾构穿越地层的特性，在推进过程中应充分了解施工速度、盾构掘进性能、泥土温度之间的能量转换关系及其对“泥饼”形成的影响。控制好推进速度，较少“泥饼”产生的几率。
3.2 盾体“裹死”
3.2.1现象及原因分析
盾构机在膨胀岩土中掘进时还遇到了这样的情况，盾构姿态不受控制的向一个方向偏移，通过推进千斤顶来调整姿态无效，并且出现了推力大扭矩小速度慢的类似于结泥饼现象，于是我们开仓检查。
开仓后发现掌子面稳定无渗水，刀具完好无泥饼，刀盘边缘耐磨块与围岩间约有1.5cm间隙，而盾体与围岩间基本无间隙。
原因分析：
由于边缘滚刀和刮刀均完好无损，但盾体与围岩基本无间隙，考虑到膨胀岩土的胀缩特性，由此推断围岩遇水后膨胀，填充了扩挖的空间（刀盘切削直径为6280mm，盾体直径为6250mm），原设计的刀盘开挖直径不能满足盾构机在膨胀后的土体内顺利通过，导致围岩“裹”住盾体，从而出现盾构无法改变姿态的现象。
3.2.2应对措施
扩大开挖直径。将边缘滚刀像外延2cm，并且将3#辐条上的两把边缘刮刀外扩2cm，处理后的刀盘开挖半径可增加1.4cm。采取此措施后，盾构机的姿态得以慢慢回纠，按原设计的线路顺利掘进。
图3 改造后的边缘刮刀
图4 改造刀具位置
4 结语
膨胀岩土的分布范围相对较小，盾构在膨胀岩土中掘进的实例就更少，也缺乏相应的理论研究和施工经验，我司在面临这种情况的时候，由于缺乏相应的施工经验，对此类岩土的认知不足，在掘进过程中遇到了刀盘“糊死”和盾体“裹死”的现象，经过对以上现象的仔细分析和实地观察，大家集思广益，采取了有效的针对性的措施，使盾构机在膨胀岩土中顺利掘进，为以后同类施工积累了宝贵的经验。
参考文献：
1、《盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施》
2、《膨胀土改良方法探讨》
3、李奕，钟志全，《膨胀岩土中盾构脱困技术》，2010
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。