一种基于卵漂石地层盾构工程特性分类的渣土改良方法
阅读说明：本技术 一种基于卵漂石地层盾构工程特性分类的渣土改良方法 (Muck improvement method based on cobble rock stratum shield engineering characteristic classification ) 是由 张晋勋 张小燕 江华 周刘刚 武福美 江玉生 黄陆川 于 2021-11-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于卵漂石地层盾构工程特性分类的渣土改良方法,包括如下步骤：根据地勘资料确定地层中最大颗粒粒径及其含量；计算所选螺旋输送机的可输排特征粒径；根据可疏排特征粒径将漂石分为巨漂石和小漂石；根据盾构掘进施工过程中遇到的问题,将卵漂石地层盾构工程特性分为卵漂石土、含细粒卵漂石土、含卵漂石砂砾土、含卵漂石黏土四类；根据划分得到的卵漂石地层盾构工程特性分类,对土层采取对应的渣土改良措施。本发明进行特征粒径的粒组划分方式,同时根据盾构施工中遇到的问题,对卵漂石地层进行盾构特性划分,针对性提出渣土改良的控制技术,从而提高盾构施工效率,降低工程事故发生的概率。(The invention discloses a muck improvement method based on cobble rock stratum shield engineering characteristic classification, which comprises the following steps: determining the maximum particle size and the content of the maximum particles in the stratum according to the geological survey data; calculating the characteristic particle size of the selected screw conveyor capable of conveying and discharging; according to the characteristic particle size of the dredge, the boulders are divided into giant boulders and small boulders; according to the problems encountered in the shield tunneling construction process, the cobble stratum shield engineering characteristics are divided into cobble soil, cobble soil containing fine grains, cobble gravel soil containing cobble stones and clay containing cobble stones; and classifying according to the shield engineering characteristics of the cobble boulder stratum obtained by dividing, and taking corresponding muck improvement measures for the soil layer. The method carries out the grain group division mode of the characteristic grain diameter, simultaneously carries out the shield characteristic division on the pebble layer according to the problems encountered in the shield construction, and provides a control technology for improving the muck in a targeted way, thereby improving the shield construction efficiency and reducing the probability of engineering accidents.)
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，尤其是盾构施工中的渣土改良技术，具体是一种基于卵漂石地层盾构工程特性分类的渣土改良方法。
背景技术
盾构法施工具有机械化程度高，对地面建筑物影响较小，施工安全等优点，在国内城市的地下轨道交通、地下综合管廊建设等工程中广泛应用。一般认为土压平衡盾构适合岩土条件在黏土到砂、中砾石的范围之间的地层，当压力超过2bar之后，水的渗透系数不应超过10-5m/s。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定和强磨蚀性地层，具有卵石含量高，粒径大，强度高，流塑性差，摩擦系数大，石英含量高等特点，土压平衡盾构在该类地层中掘进时面临大粒径卵石排出困难，刀盘，刀具磨损严重，刀盘扭矩，土舱压力控制困难及盾构掘进效率低等问题。
为了保证土压平衡盾构在砂卵石地层内顺利的掘进施工，对设备适应性要求较高，对不同的地层要对设备进行改进，使设备更加适应本地层的掘进施工，提高掘进速度;另外一方面，也要进一步优化膨润土配比及泡沫等渣土改良设施，减小施工噪音震动影响，盾构机扭矩，砂卵石地层对盾壳的摩擦力，加快掘进速度；此外，还应控制出渣量，避免导致地表塌方，减少人为失误因素，进行精确的过程控制，制定良好的控制体系和完善的监测手段。渣土改良可以采用泡沫剂渣土改良技术，膨润土泥浆，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，阻止地下水流失，使切削下来的碴土顺利进仓。
但不同地层条件，其渣土改良的需求差别极大，使用的渣土改良材料也不同。现有的渣土改良技术基本是基于土体类别进行，而实践中以及规范中土体的分类一般都是基于粒径和含量来定义土的各种分类，这种分类原则在盾构施工中不具有太大的指导意义，因为在不同的工程中，不同种类土层在盾构施工过程中可能遇到的问题不同，不同土层在面临不同的施工问题时，其渣土改良方法也是不同的，现有技术均未从盾构选型、施工技术和施工需求的角度去考虑地层分类及基于地层分类针对性采取改良措施，尤其是卵漂地层分类方法及控制技术，因此有必要对此进行研究，以使得渣土改良措施更有针对性，更能够指导盾构施工，有效解决盾构施工中遇到的各种问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种基于卵漂石地层盾构工程特性分类的渣土改良方法，期望借助土层特性的划分使得盾构渣土改良技术更有针对性，提高盾构施工效率，降低工程事故发生的概率。
本发明是这样实现的：
一种基于卵漂石地层盾构工程特性分类的渣土改良方法，包括如下步骤：
步骤1：根据地勘资料确定地层中最大颗粒粒径d及其含量，并按照最大颗粒粒径及其含量将粒组划分为巨粒、粗粒和细粒，其中巨粒包含卵石和漂石；
步骤2：计算所选螺旋输送机的可输排特征粒径d0；
步骤3：根据可疏排特征粒径将漂石分为两类，即：
巨漂石，d>200mm且d>d0；
小漂石，d>200mm且200mm<d≤d0；
步骤4：根据盾构掘进施工过程中遇到的问题，对卵漂石地层进行盾构工程特性划分；
步骤5：根据划分得到的卵漂石地层盾构工程特性分类，判断待施工卵漂石地层所属盾构工程特性分类；
步骤6：根据待施工卵漂石地层所属盾构工程特性分类，对土层采取对应的渣土改良措施。
作为本发明一个
具体实施方式
，步骤2中，可输排特征粒径d 0 计算方法如下：
取螺旋输送机的一个微元体，得
式中：dLf、dLs分别为靠近螺旋轴外侧和内侧微元体的弧长，wf、ws分别为螺旋轴方向上截取的外侧与内侧的微元体弦长，h为所取微元体的高度，近似于螺旋轴上叶片的高度；h为控制螺旋输送可输排特征粒径的参量，即：
式中：D为螺旋输送口的直径，Ds为螺旋输送杆的直径。
作为本发明一个具体实施方式，步骤3中，对于土层中存在最大颗粒粒径d超过可疏排特征粒径d0的巨漂石时，在刀盘刀具设计时，配置能够破碎巨漂石的破岩刀具，盾构开挖时通过破岩刀具破碎为小于可疏排特征粒径的颗粒，使得颗粒的粒径满足可疏排特征粒径的要求。
作为本发明一个具体实施方式，步骤4中，盾构掘进施工过程中遇到的问题包括：盾构掘进困难、刀具磨损严重、螺旋输送机筒壁磨损严重、螺旋输送机发生喷涌以及地表塌陷。
作为本发明一个具体实施方式，步骤4中，将卵漂石地层盾构工程特性分为四类，即：
第一类，卵漂石土；
第二类，含细粒卵漂石土；
第三类，含卵漂石砂砾土；
第四类，含卵漂石黏土。
作为本发明一个具体实施方式，步骤4中，四类土具体为：
所述第一类卵漂石土巨粒含量＞15%且0<细粒含量≤15%；
所述第二类含细粒卵漂石土巨粒含量＞15%且15%<细粒含量≤50%；
所述第三类含卵漂石砂砾土巨粒含量≤15%且粗粒含量>50％；
所述第四类含卵漂石黏土巨粒含量≤15%且细粒含量>50%。
作为本发明一个具体实施方式，对于第一类卵漂石土，步骤6对应的渣土改良措施为：
在地下水位以上，采用膨润土+泡沫+水作为主要改良材料，若大量的膨润土仍然不能包裹卵漂石，适量加入高分子聚合物增加渣土的黏性、稠度，增加和易性与流动性，减小扭矩；
在地下水位以下，采用高分子聚合物+泡沫+膨润土作为改良材料，高分子聚合物吸水而不溶于水，可防止高水压地层的地下水喷出，使土体变为凝胶状态，降低渗透性，防止喷涌，泡沫对渣土起顺滑作用，减小磨损，适量的膨润土用来包裹携带卵漂石利于排出。
作为本发明一个具体实施方式，对于第二类含细粒卵漂石土，步骤6对应的渣土改良措施为：
在地下水位以上，采用泡沫+水作为主要改良材料，增加和易性与流动性，减小扭矩，防止粘附；
在地下水位以下，采用高分子聚合物+泡沫作为主要改良材料，高分子聚合物主要用于降低渗透性，防止喷涌，适量的泡沫对渣土起顺滑作用，减小磨损，利于排出。
作为本发明一个具体实施方式，第三类含卵漂石砂砾土，按照砂砾类处理，步骤6对应的渣土改良措施为：
在地下水位以上，采用泡沫+水作为改良材料，增大流动性，减少磨损；
在地下水位以下，采用高吸水性树脂+泡沫+膨润土作为改良材料，高吸水性树脂为粘稠性的高分子类水溶性聚合物，可以把砂颗粒间隙中的自由水挤走，增大土体粘性，降低渗透性，防止喷涌，增强和易性和止水性，减小刀具磨损。
作为本发明一个具体实施方式，第四类含卵漂石黏土，步骤6对应的渣土改良措施为：
在地下水位以上，采用水作为改良材料，粉土可适当注入泡沫，增大流动性，降低黏性；
在地下水位以下，采用泡沫作为改良材料，降低黏性。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提出的一种基于基于卵漂石地层盾构工程特性分类的渣土改良方法，具有如下显著的有益效果：
1、根据土压平衡盾构可输排性提出了特征粒径的粒组划分方式，在掘进模式和刀具选型时，可以更有针对性，并且能够根据特征粒径的粒组划分方式，提前预判和选择所需要的刀具，例如破碎刀具以将超大粒径漂石破碎满足可输排特征粒径；
2、本发明优化了传统完全依赖地勘报告单纯以粒径和含量进行地层划分的原则，采用一种土层划分新思路，根据盾构施工中遇到的问题并基于这样的问题进行卵漂石土层划分，将卵漂石地层土层主要分成四类，划分结果更有工程施工意义；
3、根据土层划分的结果，针对每一种地层分类提出了相应行之有效的渣土改良的控制技术，直接指导本工程以及其它工程施工，从而提高盾构施工效率，降低工程事故发生的概率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
图1为施工中超大粒径的漂石示意图；
图2为螺旋叶片的微元体示意图；
图3为渣土在刀盘开口处挤压密实示意图；
图4为改良较差的渣土示意图；
图5为螺旋输送机筒壁磨损情况示意图；
图6为施工措施不当导致的现场塌陷情况示意图；
图7为未加入高分子聚合物改良的卵漂石渣土情况示意图；
图8为加入高分子聚合物改良的卵漂石渣土情况示意图；
图9为某地铁线盾构区间地质剖面图；
图10为盾构区间地层典型级配曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
一种基于卵漂石地层盾构工程特性分类的渣土改良方法，包括如下步骤：
根据地勘资料确定地层中最大颗粒粒径d及其含量；
盾构刀盘切削的土体通过排土系统排出，排土系统包括螺旋输送机和皮带输送机，其中，螺旋输送输送机分为有轴和无轴两种，外壳和螺杆也可根据安装分成几段。在确定螺旋输送机时一般会考虑目标地层的土质，卵石层最大颗粒尺寸，地下水条件等。同时，由于盾构机内部结构决定了其空间的限制，螺旋输送口的大小也不宜太大。因此，有时会出现超大粒径的漂石，如图1所示，远远超过螺旋输送机的疏排特征粒径。因此为了保障盾构施工能够顺利进行，需要事先掌握地层情况，尤其是其中是否存在螺旋输送机无法疏排的超大粒径的漂石。
本发明进一步按照最大颗粒粒径及其含量将粒组划分为巨粒、粗粒和细粒，其中巨粒包含卵石和漂石，以为后面的分类做准备。
本发明提供一种计算可疏排特征粒径d 0 的方法。螺旋输送机一般分两种，一种为轴式，另外一种为带式，两种螺旋输送机的疏排特征粒径的计算方法差别较大。对于轴式螺旋输送机可输排特征粒径的控制方法如下：
取出螺旋输送机叶片的一个微元体，如图2所示。其中，dLf，dLs分别为靠近螺旋轴外侧和内侧微元体的弧长；wf，ws分别为螺旋轴方向上截取的外侧与内侧的微元体弦长；h为所取微元体的高度，近似于螺旋轴上叶片的高度。从图上可以得到：
因此，h为控制螺旋输送可输排粒径的参量，h即为特征粒径d 0 。
式中：D为螺旋输送口的直径，Ds为螺旋输送杆的直径。
对于土层中最大颗粒的粒径d大于控制螺旋输送可疏排特征粒径时，由于螺旋输送机尺寸的限制必然堵塞不能满足盾构施工需求，导致掘进困难，工程进度缓慢，因此应该采取措施破碎之后再疏排。
因此，本发明根据可疏排特征粒径将漂石分为两类，即超过可疏排特征粒径而无法直接疏排的巨漂石（巨块石），小于可疏排特征粒径可直接疏排的小漂石（小块石），更具体的划分如表1所示。
表1 盾构掘进施工的粒组划分
由粒组划分可见，巨漂石（巨块石）粒径超过可疏排特征粒径，无法满足螺旋输送机直接疏排的要求，除此之外，巨粒组中的小漂石（小块石）、卵石（碎石）以及粗粒组、细粒组均可满足螺旋输送机直接疏排的要求。
因此，本发明据此提出地层中存在巨漂石（巨块石）时，须在刀盘刀具设计时，配置能够破碎巨漂石（巨块石）的破岩刀具，盾构开挖时通过破岩刀具破碎为小于可疏排特征粒径的颗粒，使得颗粒的粒径满足可疏排特征粒径的要求。
当颗粒的粒径达到可输排粒径之后，盾构掘进施工过程中，仍然会遇到盾构掘进困难、刀具磨损严重、螺旋输送机筒壁磨损严重、富水地层中螺旋输送机发生喷涌以及土压力、出土量难以控制、地表塌陷等问题。
问题一：盾构掘进困难。10号线（二期）11标西~六（前8环），砂卵石地层渣土改良效果差，刀盘扭矩大，掘进速度慢6~10mm/Min，刀盘频繁卡死，开舱后发现渣土在刀盘开口处及土舱内挤压的非常密实，如图3所示，用风镐才能破除。
问题二：刀具磨损严重。10号线（二期）前~西区间左线盾构始发掘进63环后，由于缺乏砂卵石地层施工土体改良经验，渣土改良差，如图4所示，改良后渣土流塑性差，导致刀具磨损严重，从地面开挖竖井进行换刀。
问题三：螺旋输送机筒壁磨损严重。14号线06标菜~西区间右线，砂卵石地层渣土改良不理想，掘进至561环时发现螺旋输送机筒壁磨穿，如图5所示。
问题四：地表塌陷。10号线（二期）11标六~莲区间，砂卵石地层渣土改良差，无法建立稳定的土压力，致使出土量超限，导致下穿京西机务段铁路时发生塌陷，如图6所示。
可见，未根据土层情况进行盾构工程特性分类而采取针对性的渣土改良措施，砂卵石地层渣土改良效果差，频繁出现各种问题，严重影响盾构正常掘进，甚至发生工程事故。
鉴于此，本发明在漂石划分后，进一步根据盾构掘进施工过程中遇到的问题及其渣土改良效果，由所遇到的问题和渣土改良效果为导向，针对性将卵漂石地层盾构工程特性分为四类，如表2所示。
表2 卵漂石地层盾构工程特性分类
步骤5：根据划分得到的卵漂石地层盾构工程特性分类，判断待施工卵漂石地层所属盾构工程特性分类。
得到盾构工程特性分类后，依照划分结果即可直接判断得到待施工卵漂石地层所属的盾构工程特性属于哪一类土层。
步骤6：根据待施工卵漂石地层所属盾构工程特性分类，对土层采取对应的渣土改良措施。
本发明进行如上盾构工程特性划分后，可用于指导盾构施工，即获知待施工卵漂石地层所属的盾构工程特性属于哪一类土层，然后根据本发明的地层划分结果，采用相应的渣土改良措施，相对传统的依照地勘报告中的意见进行渣土改良而言，改良措施更有针对性，改良效果好，能够有效避免前述盾构施工中所遇到的各类问题，从而提高盾构施工效率，降低工程事故发生的概率。
具体而言，对于第一类卵漂石土，主要是巨粒含量大于15%且细粒含量在0至15%之间，含有磨蚀性很强的卵漂石，同时又没有或只有很少的细小颗粒，该类地层和易性较差，摩阻力大，刀盘及螺旋机扭矩较大，刀具及螺旋机磨损严重；同时，该类土层渗透系数较大，若处于地下水位以下又存在喷涌的风险。卵漂石土容易在刀盘及土舱内挤压密实，如图3所示，导致无法正常掘进。另外，采取常规的只加膨润土、泡沫或者水，并不能很好的改良土体，使膨润土很好的包裹卵漂石，渣土改良效果差。
因此，针对在地下水位以上的且只含少量细粒的卵漂石土地层，面临高磨蚀、易喷涌的问题，采用膨润土+泡沫+水作为主要改良材料，若大量的膨润土仍然不能包裹卵漂石，适量加入高分子聚合物增加渣土的黏性、稠度，增加和易性与流动性，减小扭矩，让细颗粒能够携带大颗粒输排。
在地下水位以下，一方面需要加入大量的细颗粒，同时，又需要加入一些高分子聚合物，这种材料吸水而不溶于水，可防止高水压地层的地下水喷出，使土体变为凝胶状态，降低渗透性，防止喷涌；若不加入高分子聚合物，即使加入大量的膨润土或者泡沫，都会被地下水稀释而发生喷涌，如图7、图8所示。泡沫对渣土起顺滑作用，减小磨损，适量的膨润土用来包裹携带卵漂石利于排出。加强渣土改良后，10号线（二期）11标西~六（前8环）工程进度在12~15环/天，约200m开舱更换一次刀具，盾构掘进较为顺利。
该类土层渣土改良方法具体如表3的方式进行。
表3 卵漂石土改良方法
对于第二类含细粒卵漂石土，15%<细粒含量≤50%，含有很多细颗粒的卵漂石，还是会有磨损刀具或者螺旋输送机筒壁的问题，但是因为有细颗粒，由于细粒含量多会影响卵漂石混合土的渗透性，在无水条件下，采用泡沫+水作为主要改良材料，增加和易性与流动性，减小扭矩，防止粘附；在有水条件下，喷涌的问题也不会特别严重，采用高分子聚合物+泡沫作为主要改良材料，高分子聚合物主要用于降低渗透性，防止喷涌，适量的泡沫对渣土起顺滑作用，减小磨损，利于排出，如此即可获得不错的改良效果。
该类土层渣土改良方法具体如表4的方式进行。
表4 含细粒卵漂石土改良方式
对于第三类含卵漂石砂砾土，在土的规范中，砂类和砾类根据含量还有细分为很多不同土类，但是在盾构施工中，无论从其掘进效率，或是渣土改良的方法上，砂类和砾类土层差别并不大，因此本发明中将砂类和砾类合并为砂砾层；对于含巨粒土的主要问题是破岩问题，且由于其巨粒含量较少，粗粒即砂砾含量较多，可按照砂砾类处理。在地下水位以上，采用泡沫+水作为改良材料，增大流动性，减少磨损；在地下水位以下，采用高吸水性树脂+泡沫+膨润土作为改良材料，高吸水性树脂为粘稠性的高分子类水溶性聚合物，可以把砂颗粒间隙中的自由水挤走，增大土体粘性，降低渗透性，防止喷涌，增强和易性和止水性，减小刀具磨损。
该类土层渣土改良方法具体如表5的方式进行。
表5 含卵漂石砂砾土改良方式
对于第四类含卵漂石黏土，主要存在三类工程问题：
①细颗粒含量多、粘附性强，容易粘附刀盘，造成进土不畅；
②颗粒之间内聚力大，流塑性差；
③开挖小块容易重新聚结成大块，造成螺旋输送机堵塞，出土不畅，皮带打滑等；
因此，针对该类地层提出表6中的渣土改良方法。
表6 含卵漂石黏土改良方式
工程案例：
北京某地铁线某标段盾构区间穿越富含超大粒径漂石三种地层地质剖面图如图9所示，分别为富含超大粒径漂石的砾岩地层、富含超大粒径漂石的卵石⑦层及富含超大粒径漂石的复合地层，其典型地层的级配曲线如图10所示，力学性质极其不稳定，超大粒径漂石含量高，颗粒之间空隙大，无粘聚力，盾构在此条件下掘进，土体塑流性差，推力、刀盘扭矩大，刀盘、刀具及螺旋输送机磨损严重，推进速度极其缓慢，且地层在盾构施工扰动下稳定较差，给工程施工造成了极大的困难。
该工程开挖时出土卵石⑦层，原定于施做两口换刀井，由于刀盘刀具磨损严重（尤其是在进入卵石⑦层）紧急停机，紧急停机时推进参数异常：上土压0.3bar，推力1000~1700t，掘进速度10mm/min，刀盘扭矩为250~700tm，螺旋机出渣很稀并伴有喷涌的现象，刀盘转动时前方有大面积的响声。依照本发明的土层划分法，如图10所示，该工程包括本发明四种土体分类中的其中三种，据此对应采取渣土改良工艺，更改原有渣土改良材料及用法、用量，增加高分子聚合物溶液的使用，将原膨润土浆液稠度提高到60~100s。继续掘进，细颗粒的含量逐渐增加，渗透系数显著降低，喷涌的概率降低，针对该地层，掘进时采用钙基膨润土+泡沫为渣土改良材料，膨润土浆液稠度为30~40s，ph值为7.2，施工状况良好。在地下水位线以上，仅仅加入水和适当注入泡沫，即满足了施工要求。
本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。