土压平衡盾构掘进渣土改良方案任已修改1007.docx
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土压平衡盾构掘进渣土改良方案任已修改1007
土压平衡盾构掘进渣土改良方案--任（已修改20161007）
1编制依据
《埌西站（原桂春路站）～青竹立交站（原竹溪大道站）区间设计图纸》；
《南宁市轨道交通3号线工程（科园大道-平乐大道）埌西站（原桂春路站）～青竹立交站（原竹溪大道站）区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告》；
《青竹立交站（原竹溪大道站）～青秀山站区间设计图纸》；
《南宁市轨道交通3号线工程（科园大道-平乐大道）青竹立交站（原竹溪大道站）～青秀山站区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告》；
《南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区盾构区间建（构）筑物及管线调查报告》；
《南宁市轨道交通3号线一期工程（科园大道-平乐大道）施工总承包02标土建8工区合同文件》；
《土工试验方法标准》GB/T50123-1999；
本企业在北京、广州、深圳、杭州、南京、成都、南宁等地铁施工中累积的经验及地铁施工的研究成果和技术储备。
2工程概况
2.1工程范围
南宁市轨道交通3号线一期工程施工总承包02标土建8工区盾构区间包含：
金湖广场站～埌西站（原桂春路站）区间（以下简称：
金～埌区间）、埌西站（原桂春路站）～青竹立交站（原竹溪大道站）区间（以下简称：
埌～青区间）、青竹立交站（原竹溪大道站）～青秀山站区间（以下简称：
青～青区间），区间设计为盾构隧道。
本方案主要是针对埌～青～青区间土压平衡盾构掘进时圆砾地层与泥岩地层的渣土改良。
图2-1线路平面示意图
（1）埌～青区间
埌～青区间线路自埌西站大里程端驶入后沿金湖路向西南方向行至锦春路口，开始以300m半径转弯，穿过广西水产畜牧学校运动场、竹排冲，然后驶入青竹立交站的小里程。
区间左线设计里程为ZDK18+361.701～ZDK19+153.994，长度为766.240m；区间右线设计里程为YDK18+361.701～YDK19+153.991，长度为792.290m；区间总长度为1558.53m。
区间线路由一段直线和两段曲线构成，曲线半径分别为R700m、R300m，线路最大坡度为23.38‰，线间距14.0～17.0m，隧道埋深13.2m～20.7m。
ZDK18+617.154（YDK18+589.571）处设联络通道一处，不设区间泵房，联络通道长6.1m。
区间采用盾构法施工，盾构机由青竹立交站始发至埌西站吊出。
图2-2埌～青区间线路平面走向图
（2）青～青区间
青～青区间线路由青竹立交站大里程端驶出后依次下穿竹溪大道、南宁第四中等职业学校，然后从青秀湖西南侧驶入青秀山站小里程端。
区间左线设计里程ZDK19+317.206～ZDK20+035.230，长度为739.841m（长链18.384m）；区间右线设计里程YDK19+311.734～YDK20+035.230，长度为723.496m；区间总长度为1463.337m。
区间线路由两段直线和两段曲线构成，曲线半径分别为R360m、R400m，线路最大坡度为10.817‰，线间距7.3m～11.0m，隧道埋深17.6m～23.5m。
区间右线里程YDK19+860.00处设置联络通道一处，不设废水泵房，联络通道长26m。
区间采用盾构法施工，盾构机由青竹立交站始发至青秀山站主体平移吊出。
图2-3青～青区间线路平面走向图
2.2工程地质
2.2.1地形、地貌
埌～青区间为邕江低阶地亚区，为邕江Ⅰ、Ⅱ级阶地，地形相对平坦，局部呈小土丘起伏，为内叠阶地。
青～青区间大部分（ZDK19+418.418～YDK19+605）为邕江低阶地亚区，为邕江Ⅰ、Ⅱ级阶地，地形相对平坦，局部呈小土丘起伏，为内叠阶地。
青秀山区域（YDK19+605～YDK20+035.230）为于邕江高阶地亚区，为邕江Ⅲ、Ⅳ级阶地。
2.2.2地层描述
（1）埌～青区间穿越的地层
本区间地层情况比较复杂，盾构在施工中穿越多处不同土层：
粉质粘土②4-2（Q3al）
灰色、灰褐色，软可塑，韧性较高，干强度较高，切面较光滑、稍有光泽。
本次勘察有19个钻孔揭露该层，分布较广，间断分布于全区间。
层厚1.00～6.00m，平均层厚3.54m。
进行标贯试验23次，实测击数3～9击，平均7.2击，修正击数平均5.74击。
压缩系数平均值0.37Mpa-1，属中等压缩性土。
粉土③1（Q3al）
深灰色，湿，稍密，摇震反应中等，干强度差，切面粗糙，无光泽；平均黏粒含量18.4%。
本次勘察有42个钻孔揭露该层，普遍分布于全区间。
层厚1.4～7.3m，平均层厚3.85m。
进行标贯试验52次，实测击数4～14击，平均9.06击，修正击数平均7.16击。
压缩系数平均值0.19Mpa-1，属中等压缩性土。
粉土③2（Q3al）
黄色、灰白色，湿，中密，摇震反应中等，干强度差，切面粗糙，无光泽。
本次勘察有6个钻孔揭露该层。
厚0.9～2.8m，平均层厚1.78m。
进行标贯试验3次，实测击数16～30击，平均22.33击，修正击数平均17.51击。
粉细砂④1-1（Q3al）
深灰色，湿～饱和，松散～稍密，用手拍有显著翻浆现象；颗粒级配良好，平均黏粒含量17.05%。
本次勘察有28个钻孔揭露该层，间断分布于全区间，层厚0.50～8.10m，平均层厚3.08m。
进行标贯试验32次，实测击数3～16击，平均8.04击，修正击数平均6.2击。
粉细砂④1-2（Q3al）
深灰色，湿～饱和，稍密～中密，颗粒级配不良，平均细粒含量26.5%。
本次勘察有7个钻孔揭露该层，间断分布于全区间，层厚0.50～4.70m，平均层厚1.74m。
进行标贯试验3次，实测击数14～24击，平均18.67击，修正击数平均13.04击。
圆砾⑤1-1（Q3al）
灰色、灰白色，灰黄色等杂色，饱和，松散～中密状，以稍密为主，主要成分为圆砾及砂，砾石成分以石英岩、硅质岩为主，颗粒级配不良，粒径一般2～20mm，少量20～50mm，粒径小于20mm的占86.9%，粉、黏粒含量14.6%；石英含量16.8～57.6%，平均28.1％。
磨圆度较好，以次圆状、圆状为主。
本次勘察所有钻孔均有揭露该层。
层厚1.90～30.60m，平均层厚12.11m。
统计795个重型动探击数数据，实测击数3～50击，平均16.25击，修正击数平均8.62击。
（2）埌～青区间覆土地层情况
本区间广泛分布第四系填土，位于场地浅部。
分杂填土①1圆砾填土和①2素填土。
杂填土：
杂色，干燥，松散，主要由沥青路面、混凝土、碎石块组成，含少量粘性土，欠压实～稍压实，均匀性差。
素填土：
黄褐色，杂色，主要成分为粘性土夹碎石，可塑～硬塑，稍湿～湿，欠压实～稍压实。
本阶段勘察钻孔揭露填土层厚度分布不均，区间隧道拟采用盾构法施工，填土对工程影响较小。
（3）青～青区间穿越的地层
根据岩土勘察报告，本区间除了具有埌～青区间的地层外，还具有少量的7层土及以下地层：
圆砾⑤1-1（Q3al）
灰色、灰白色，灰黄色等杂色，饱和，稍密～中密状，主要成分为圆砾及砂，砾石成分以石英岩、硅质岩为主，粒径一般2～20mm，少量30～50mm，粒径小于20mm的占80.53%，粉、黏粒含量20.03%；石英含量4.1～32.7%，平均含量18.4％。
颗粒级配不良，磨圆度较好，以次圆状、圆状为主。
本次勘察有12个钻孔揭露该层。
分布在邕江低阶地亚区，由区间起点往大里程方向逐渐歼灭于K19+550与K19+570之间。
层厚1.70～13.00m，平均层厚5.93m；层顶埋深14.8～19m，层顶标高55.3～59.79m。
统计37个动探击数数据，实测击数7～23击，平均13.35击，修正击数平均7.98击。
泥岩、粉砂质泥岩⑦1-3（E）
青灰色、泥质结构，局部粉砂质结构，厚层状结构，成岩程度较深，呈半岩半土状，风干开裂，遇水易软化，局部含有深灰色、灰黑色薄层泥煤层或碳质泥岩。
该层普遍分布于全区间，本次勘察只有1个钻孔（MCZ3-ZQ-02）没有揭露该层。
层厚0.70～30.30m，平均层厚10.37m。
进行标贯试验39次，实测击数50～188击，平均91.22击，修正击数平均71.43击。
天然状态下单轴抗压强度为0.47～7.35Mpa，标准值为2.62Mpa。
自由膨胀率21.55%～57.52%，平均值42.7%，属A2类膨胀土。
相对膨胀率0.62%～1.47%，平均1.06%，膨缩总率1.75%～8.04%，平均5.34%，属强等膨缩土。
泥质粉砂岩、粉砂岩⑦2-3（E）
青灰色，粉砂质结构，成岩程度较深，呈半岩半土状，局部含泥质，厚层状构造。
该层普遍分布于全区间，本次勘察只有1个钻孔（MCZ3-ZQ-07）没有揭露该层。
层厚0.90～20.70m，平均层厚7.16m。
层厚0.90～20.70m，平均层厚7.16m。
进行标贯试验18次，实测击数50～150击，平均84.33击，修正击数平均61.31击。
天然状态下单轴抗压强度为0.70～5.82Mpa，标准值为1.74Mpa。
粉（细）砂岩⑦3-3（E）
青灰色，粉砂质结构，已固结成岩石状的半成岩，岩质较硬，厚层状构造。
本次勘察有12个钻孔揭露该层，主要在青秀山区域钻孔揭露，该层埋深较大，揭露深度平均在56m左右，与泥质粉砂岩⑦2-3相似，多以透镜体状分布于⑦2-3中。
层厚1.30～17.30m，平均层厚6.40m。
天然状态下单轴抗压强度为5.40～17.1Mpa，平均值为11.2Mpa。
钙质泥岩⑦3-5（E）
砖红色，泥质结构，钙质胶结，厚层状构造，已固结成岩石状的半成岩，岩芯呈柱状，局部含泥灰岩砾石块。
本次勘察有10个钻孔揭露该层，层厚2.20～8.70m，平均层厚4.72m。
多以透镜体状分布于⑦1-3中。
天然状态下单轴抗压强度为2.35～10.28Mpa，平均值为5.87Mpa。
（4）青～青区间覆土地层情况
本区间广泛分布第四系填土，分杂填土①1圆砾填土和①2素填土。
杂填土：
杂色，干燥，松散，主要由建筑垃圾、沥青路面、碎石块组成，含少量粘性土，欠压实～稍压实，均匀性差。
有27个钻孔揭示该层，分布不均匀，位于场地表层。
素填土①2：
黄褐色，杂色，主要成分为粘性土夹碎石，可塑～硬塑，稍湿～湿，欠压实～稍压实。
层厚0.60m～8.0m，平均层厚3.21m，有39个钻孔揭露该层，分布范围较广，位于场地浅部。
（3）区间岩土主要物理力学参数表
表2-1岩土主要物理力学参数表
岩
土
分
层
岩
土
名
称
时
代
与
成
因
天
然
密
度
天
然
含
水
量
孔
隙
比
剪切试验
直接快剪
压
缩
系
数
压
缩
模
量
渗
透
系
数
单轴抗压强度标准值（天然）
地基承载力特征值
基床
系数
水平
基床
系数
垂直
静止侧压力系数
粘
聚
力
摩
擦
角
ρ
w
е
c
φ
a1-2
Es1-2
K
fc
fak
Kh
KV
K0
g/cm3
%
kPa
°
MPa-1
MPa
m/d
kPa
kPa
MPa/m
①1
杂填土
Q4ml
1.95
27.80
0.900
10.00
6.00
/
/
0.5
/
80
3
4
0.82
①2
素填土
1.93
26.30
0.784
11.00
8.00
0.19
5.73
0.3
/
90
5
5
0.67
②2-2
粉质黏土
Q3al
1.96
25.50
0.752
33.00
12.0
0.17
10.57
0.01
/
200
30
30
0.37
②3-2
粉质黏土
1.97
26.30
0.773
22.40
8.10
0.28
7.19
0.04
/
170
20
20
0.43
②4-2
粉质黏土
1.87
32.10
0.928
11.77
7.35
0.37
5.13
0.01
/
120
20
15
0.61
②5-2
粉质黏土
1.80
42.00
1.182
10.80
7.30
0.58
3.92
0.01
/
90
10
8
0.64
③1
粉土
Q3al
2.03
21.10
0.601
10.00
12.1
0.18
9.40
0.5
/
110
18
15
0.54
④1-1
粉细砂
Q3al
2.03
20.39
0.610
/
25.0
0.15
11.20
2
/
120
10
12
0.43
④1-2
2.00
21.10
0.700
/
26.0
0.13
11.20
2
/
150
20
20
0.39
④2-2
中砂
2.00
/
0.700
/
29.0
0.13
11.20
20.00
/
170
25
25
0.50
⑤1-1
砾石
Q3al
2.03
20.08
0.622
/
30.0
/
/
70
/
300
40
35
0.37
⑤1-2
卵石
2.00
/
0.56
/
35.0
/
/
300.0
/
350
25
25
0.33
⑦1-1
泥岩、粉砂质泥岩
E
2.05
19.89
0.601
45.00
13.0
0.19
9.00
0.02
0.50
250
35
35
0.47
⑦1-2
2.18
16.80
0.457
60.00
11.0
0.15
10.90
0.02
1.00
300
60
55
0.45
⑦1-3
2.14
16.00
0.476
77.80
15.46
0.12
14.67
0.02
2.55
400
100
80
0.44
⑦2-1
粉砂岩、泥质粉砂岩
2.03
18.60
0.571
40.00
20.63
0.19
9.00
0.4
0.50
250
20
20
0.43
⑦2-2
2.05
18.40
0.560
50.00
25.0
0.15
12.00
0.5
1.00
300
25
25
0.41
⑦2-3
2.10
18.20
0.550
60.00
30.0
0.12
15.55
0.8
2.55
400
100
80
0.39
2.2.3隧道洞身穿越地层
埌～青区间穿越的地层主要为：
粉土层
1、粉砂层
1-2、圆砾层⑤1-1。
水位埋深5.1～11.60m。
详见附件一。
图2-4埌～青区间穿越主要地层图
青～青区间穿越的地层主要为：
泥岩、粉砂泥质岩
1-3、粉砂岩、泥质粉砂岩
2-3、泥质粉砂岩
3-2。
水位埋深5.20～9.60m，平均埋深6.77m。
详见附件一。
图2-5青～青区间穿越主要地层图
2.3水文地质
（1）地表水、地下水的赋存及类型：
地貌形态主要为侵蚀堆积河谷阶地区，无地表水流；地下水主要有地下水主要分为三种类型：
一类为上层滞水，第二类为松散岩类孔隙水，第三类为基岩裂隙水。
①上层滞水，主要赋存于场地素填土层中，主要是受大气降水和居民生活用水的补给，水量不大，无稳定水位。
②松散岩类孔隙水，主要赋存于松散岩类的砂、砾含水层中，为孔隙承压水，在砂、砾粒间隙呈分散状缓慢径流状。
其上为填土层、粘性土层及粉土层覆盖，圆砾层富水性强，渗透性强，属强透水层。
孔隙水与邕江水系联系密切，主要是受大气降水和邕江水系侧向补给，水量丰富。
③基岩裂隙水，主要赋存于下伏泥岩、粉砂岩的层间裂隙和构造裂隙中，受上覆圆砾层中地下水的垂直向入渗补给，富水性差，水量小。
本工程稳定地下水位为67.67～68.05m，抗浮水位为75.28m，地下水位高，渗透性强，基坑涌水量大。
（2）地下水的补给、径流、排泄及动态特征：
地下水主要受大气降水补给，其次受地表水补给，沿含水层渗流排泄。
地下水的渗流方向由相对较高水头处向相对较低水头处渗流，流速低，流量小。
从地下水位反映的形态看，地势高则地下水水位高，反之则地下水位低。
（3）地下水的腐蚀性：
该场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构具微腐蚀性。
2.4周边环境
埌～青区间线路自埌西站大里程端驶入后沿金湖路向西南方向行至锦春路口，开始以300m半径转弯，穿过广西水产畜牧学校运动场、竹排冲，然后驶入青竹立交站的小里程。
区间主要穿越建（构）筑物有：
双线正下穿广西水产畜牧学校运动场旁大英雄与猪肚鸡楼（垂直近距14.1m）、双线正下穿竹排冲河（垂直近距5.96m）。
图2-6大英雄与猪肚鸡楼图2-7竹排冲河
青～青区间线路由青竹立交站大里程端驶出后依次下穿竹溪大道、南宁第四中等职业学校，然后从青秀湖西南侧驶入青秀山站小里程端。
区间主要穿越建（构）筑物有：
右线正下穿云星钱隆天下商住小区9#楼（垂直近距2.2m）、双线正下穿南宁市第四职业技术学校学生公寓3栋（垂直近距5.89m）、左线正下穿南宁市第四职业技术学校学生公寓4栋（垂直近距6.0m）。
图2-8云星钱隆天下商住小区9#楼图2-9第四职业技术学校学生公寓3栋、4栋
表2-2区间主要建筑物概况
序号
名称
建筑年代
结构类型及地面层数
地下室层数
基础
隧道与建筑物关系
类型
标高（m）
平面近距
竖向近距
1
广西水产畜牧学校运动场旁大英雄与猪肚鸡楼
1989
框架2层
0
条形基础
基础底73.24m
双线正下穿
14.1m
2
埌西村八组综合楼
2002
框架6层
1
筏板基础
桩底8.4m
右线5.37m
7.66m
3
竹排冲综合治理工程C20砼挡墙
2011
砼挡土墙
0
——
底63.65m
左线4.0m
1.3m
4
云星钱隆天下商住小区9#楼
2009
框剪18层
1
桩基础
桩底54.20～59.75
右线0.21m
2.2m
5
南宁市第四职业技术学校学生公寓3栋
1986
框架6层
0
桩基础
桩底66.0m
双线正下穿
5.89m
6
南宁市第四职业技术学校学生公寓4栋
2009
框架7层
0
桩基础
桩底66.0m
左线正下穿
6.0m
7
南宁市第四职业技术学校食堂培训中心
2009
框架6层
0
CFG桩地基处理
基础底74.0m
双线正下穿，切CFG地基处理桩
13.92m
3渣土改良
3.1渣土改良的原因
本工程选用的土压平衡盾构机，其刀盘直径为6280mm，同时装配了1套泡沫注入系统和膨润土注入系统。
土压平衡盾构机，其特点是用开挖出的土砂作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的土砂必须具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小的特点，而且必须防止刀盘产生泥饼、螺旋输送机排土时出现喷涌现象。
由于埌～青～青区间圆砾地层和泥岩地层不能完全满足压平衡盾构机这些特性，所以要进行渣土改良。
3.2渣土改良的方法
渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向掌子面，土仓内或螺旋输送机内注入膨润土泥浆或泡沫剂等，利用刀盘和盾体的相对运动搅拌或者螺旋输送机旋转搅拌使膨润土泥浆或泡沫剂与渣土混合，使盾构切削下来的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力。
3.3渣土改良在盾构施工中的重要性
目前我国所应用的盾构机类型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，因此要求作为支撑介质的土体具有良好的塑性和流动性、良好的粘稠度、低的内摩擦力、低的透水性。
由于一般土体不能完全满足这些特性，所以要进行改良，其技术要点是在泥土仓中注入水、膨润土泥浆或泡沫剂等材料，经强力搅拌，改善开挖土体的不稳定性和密度不均匀性，降低土体对刀盘、刀具、螺旋机磨损程度和功率要求高的情况。
渣土改良系统已成为盾构法施工的一个重要组成部分，对盾构法隧道施工的发展有着深远的影响。
纵观目前国内各台盾构机的使用工况，不难发现土质改良技术应用的好坏，对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。
4渣土改良试验
4.1试验目的
土压平衡盾构穿越圆砾地层及泥岩地层时，必须采取土体改良措施，目前采用膨润土改良圆砾地层和泡沫剂改良泥岩地层已被广泛应用于盾构施工中。
本试验的主要目的是通过制定合理的方案，给出合理的膨润土改良圆砾地层及泡沫剂改良泥岩地层的配比参数，已达到最佳的改良效果。
4.2改良剂的确定
南宁1号线15标南～金～会区间地层属于全断面的圆砾层，盾构在这种全断面的圆砾层中掘进，这在国内属于首例，因为南宁的圆砾层不同于成都和北京的卵石地层，它的自稳性非常松散，没有自稳时间，在盾构掘进中很容易出现喷涌事件。
南宁1号线15标项目部在盾构圆砾层掘进时，试验室对圆砾地层反复通过添加膨润土泥浆来进行渣土改良试验，最终成功配置出适合南宁地层的配比参数，并将其膨润土泥浆注入刀盘前方，有效的减小了刀盘的扭矩、保持了土压的稳定，改善了出渣的效果，最终顺利完成全断面圆砾层的掘进。
盾构法施工的主要机械就是盾构机，土压平衡式盾构机因其能较好地控制地表沉降，保护环境、适应在市区和建筑密集施处施工等优点，以及在经济上的优势，正在我国的隧道施工中被广泛应用。
经过20年的发展，土压平衡式盾构适用的地质条件由软弱粘性土和砂砾土，范围不断扩展，得到广泛应用。
纵观国内外，随着土体改良技术等方面的发展，土压平衡式盾构的土体适应范围将进一步扩大，越来越多的盾构机应用于地下隧道工程中，将创造巨大的社会价值和经济价值。
实践证明，在运用土压平衡式盾构机掘进时，采用膨润土泥浆改良圆砾地层、泡沫剂改良泥岩地层作为盾构施工的最佳改良剂。
（1）膨润土
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带性、触变性和润滑性，它和水、泥、砂等细琐屑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。
在富水圆砾层的盾构机掘进中使用，可提高圆砾的含泥量，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：
①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；
②可有效提高土体的保水性，防止渣土离析、沉淀板结；
③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；
④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；
⑤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。
（2）发泡剂
发泡剂是专门针对土压平衡盾构机在隧道中的一种辅助材料，是由发泡剂、稳泡剂、净洗剂、乳化剂、渗透剂等多种表面活性剂调制而成。
对不同土壤的适应性用，能使砂岩类土层得到良好的止水性，具有一定的支撑作用，并辅以水溶性润滑防腐剂等润滑材料，能起到良好的润滑作用，对粘性土发挥良好的润滑作用，减少土体与刀盘上粘土的附着力，有效降低扭矩，改善盾构作业参数，广泛适用于土压平衡式盾构机隧道掘进施工中。
主要性能如下：
①发泡剂中含有水基润滑防锈成份，能保护刀盘，有效的降低磨损与锈蚀现象对盾构机的损坏
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