關(guān)鍵詞：盾構(gòu) 膨脹巖土 應(yīng)對(duì)措施 
1.前言
膨脹巖土是一種特殊土，它是在地質(zhì)作用下形成的一種主要由親水性強(qiáng)的粘土礦物組成的多裂隙并具有顯著膨脹性的地質(zhì)體，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能，即使在荷重作用下仍能浸水膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力，同時(shí)該土還具有脹縮變形的可逆性，在吸水膨脹和失水收縮后，有再吸水再膨脹、再失水再收縮的特性，在反復(fù)膨脹收縮的過(guò)程中，能產(chǎn)生較高的膨脹力。由于其在土體中雜亂分布的裂隙及反復(fù)脹縮變形造成強(qiáng)度衰減的特性，所以常常給人類(lèi)的工程建筑帶來(lái)嚴(yán)重破壞，造成許多地質(zhì)災(zāi)害。美國(guó)工程界稱(chēng)膨脹土是“隱藏的災(zāi)害”。日本工程界稱(chēng)膨脹土是“難對(duì)付的土”、“問(wèn)題多的土”。
2.工程及地質(zhì)概況
廣州地鐵廣佛線(xiàn)某標(biāo)段為兩盾構(gòu)區(qū)間，第一區(qū)間最小曲線(xiàn)半徑為1000米，最大縱坡為23.1‰。區(qū)間右線(xiàn)長(zhǎng)度1504.140m，左線(xiàn)長(zhǎng)度1331.173m(短鏈3.767m)。本標(biāo)段采用德國(guó)海瑞克S337型土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。刀盤(pán)的最大切削直徑為6280mm，刀盤(pán)配置19把雙刃滾刀，64把齒刀和32把邊緣刮刀。
根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告可知，此區(qū)間主要穿越的地層有<3-1>、<3-2>、<4-1>、<4-2>、<5-2>、<5-3>、<6>、<7>、<8>九個(gè)巖土層，膨脹巖土主要分布在粘土<4-1>層和粉質(zhì)粘土<4-2>中，部分風(fēng)化泥巖（<5-2>強(qiáng)風(fēng)化泥巖、<5-3>中風(fēng)化泥巖）也具有膨脹性。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，強(qiáng)風(fēng)化泥巖<5-2>自由膨脹率平均為28%，膨脹力平均為45kpa，飽和吸水率20%；中等風(fēng)化泥巖<5-3>自由膨脹率24%，膨脹力60kpa，飽和吸水率17%。膨脹巖除具有遇水膨脹和失水收縮的特點(diǎn)外，還有親水性強(qiáng)、膨脹率高、膨脹壓力大、強(qiáng)度低、崩解性強(qiáng)等特點(diǎn)。
3.膨脹巖土中掘進(jìn)出現(xiàn)的情況及應(yīng)對(duì)措施
3.1 刀盤(pán)結(jié)泥餅
3.1.2 現(xiàn)象及原因分析
盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至<4-1>、<4-2>一段時(shí)間后，出現(xiàn)了“刀盤(pán)溫度高，推力大扭矩小，掘進(jìn)速度慢”的現(xiàn)象，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)我們判斷可能是刀具磨損導(dǎo)致刀具的開(kāi)挖面和貫入度減小，也可能是刀盤(pán)結(jié)泥餅所致。于是我們決定開(kāi)倉(cāng)檢查刀具情況。
  開(kāi)倉(cāng)后發(fā)現(xiàn)所有刀具均完好無(wú)損，但是刀盤(pán)面板上靠近掌子面一側(cè)的滾刀以及刀盤(pán)回轉(zhuǎn)體處均有結(jié)泥餅現(xiàn)象，如圖所示：
  
  圖1 滾刀結(jié)泥餅圖示
  
  圖2 刀盤(pán)回轉(zhuǎn)體處結(jié)泥餅圖示
  原因分析:
    1）地層地質(zhì)因素
  盾構(gòu)機(jī)所處地層為粘土和粉質(zhì)粘土，此處土體為膨脹土。膨脹土為一種高塑性粘土，一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形的特性，當(dāng)?shù)侗P(pán)攪動(dòng)土體時(shí)，破壞了其原有的平衡狀態(tài)，通過(guò)后方或上方來(lái)水，使土體內(nèi)的水分增加。吸水后的膨脹土粘附在刀盤(pán)上，刀盤(pán)由于長(zhǎng)時(shí)間切削土體溫度比較高，粘附在刀盤(pán)上的膨脹土高溫失水收縮，膨脹土的特性是在反復(fù)的脹縮過(guò)程中能產(chǎn)生較高的膨脹力，所以失水后的膨脹土再度遇水后就產(chǎn)生了更高的膨脹力，緊緊的粘附于刀盤(pán)上。這個(gè)過(guò)程不斷反復(fù)，使粘附于刀盤(pán)上的土體越來(lái)越多，直接減小刀盤(pán)對(duì)掌子面土體的切削，所以即便加大推力，掘進(jìn)速度和刀盤(pán)扭矩也在下降，同時(shí)刀盤(pán)溫度升高，這更助長(zhǎng)了膨脹土的脹縮特性，對(duì)泥餅有“燒結(jié)促成”的作用，如果不及時(shí)開(kāi)倉(cāng)處理，輕則刀具結(jié)泥餅，重則刀盤(pán)開(kāi)口以及刀盤(pán)輻條和回轉(zhuǎn)體處被“糊死”。
  2）盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)、刀具系統(tǒng)缺陷
  盾構(gòu)刀盤(pán)和刀具設(shè)計(jì)指導(dǎo)缺陷會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)中“泥餅”的產(chǎn)生，其成因如表1所示。從表中可以看出，刀盤(pán)中心區(qū)開(kāi)口率是結(jié)泥餅的重要因素，地鐵采用的三菱、小松、海瑞克等盾構(gòu)機(jī)開(kāi)口率多在33%~38%之間，可以認(rèn)為33%是保證少結(jié)泥餅的開(kāi)口率下限值。刀盤(pán)內(nèi)的攪拌棒及輻條形式、數(shù)量也是另一泥餅產(chǎn)生的因素。刀具布置不合理會(huì)導(dǎo)致切削下的砂土塊度不均、滾刀磨損，進(jìn)而降低掘進(jìn)和排土效率，使其產(chǎn)生泥餅。
  表1 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)、刀具缺陷導(dǎo)致泥餅生成原因一覽
  盾構(gòu)機(jī)部位泥餅生成原因
  ①刀盤(pán)——中心區(qū)域開(kāi)口率太小
  ②刀盤(pán)——攪拌棒（包括主動(dòng)、被動(dòng)）數(shù)量少于6根
  ③刀盤(pán)——刀盤(pán)輻條橫截面呈方形，不夠圓滑
  ④土倉(cāng)——土倉(cāng)容積小于20m?，渣土臨時(shí)存放能力不足
  ⑤刀具——刀盤(pán)刀具平面布置不合理，有切削不到的盲區(qū)
  ⑥刀具——各型滾刀、刮刀布置高差小于20mm，層次不分明
3.1.2應(yīng)對(duì)措施
  通過(guò)以上的原因分析和對(duì)膨脹巖土特性的進(jìn)一步研究，我們總結(jié)出盾構(gòu)在膨脹巖土中掘進(jìn)時(shí)防止結(jié)泥餅的措施：
1.添加陽(yáng)離子型添加劑
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在常用的改良膨脹巖土方法是用石灰或石灰和粉煤灰摻拌改良，效果比較顯著，但是主要應(yīng)用于路基施工，不適合于盾構(gòu)施工。綜合膨脹土的特性和盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，我們通過(guò)添加陽(yáng)離子型添加劑來(lái)改良膨脹土，增加渣土的塑流性，以防發(fā)生刀盤(pán)糊死現(xiàn)象。
1）膨脹土顆粒表面帶電性
粘土顆粒表面帶有負(fù)電荷，帶電的原因可以解釋如下：
①邊緣破鍵電荷不平衡。在一個(gè)理想晶體的內(nèi)部，正負(fù)電荷是平衡的。但在外部邊緣處，結(jié)晶格架的連續(xù)性受到破壞，從而造成了電荷的不平衡。這些破鍵是粘土顆粒帶有凈負(fù)電荷，但在局部地方也會(huì)出現(xiàn)凈正電荷。
②同晶置換作用。硅氧四面體中的硅為鋁或其他低價(jià)離子置換，三水鋁石八面體中的鋁為鐵、鎂等所置換。置換后，粘土表面產(chǎn)生了過(guò)剩的未飽和的負(fù)電荷，使表面帶負(fù)電荷。
③水花解離作用。如次生二氧化硅表面與水作用，形成一層偏硅酸，偏硅酸在水中解離為H+及SiO2-3。H+向水溶液擴(kuò)散，而硅酸根離子與二氧化硅晶格不分離，因而表面帶負(fù)電。實(shí)際上，粘土礦物是由三氧化二物（如三氧化二鋁或三氧化二鐵）和二氧化硅所組成，他的帶電性則較為復(fù)雜。三氧化二物具有兩性性質(zhì)，即他的帶電符號(hào)隨水溶液的pH值而變化。
2）陽(yáng)離子型添加劑的改良機(jī)理
據(jù)雙電層理論，結(jié)合水膜厚度的變化是膨脹土脹縮的主要誘因。膨脹土是以蒙脫石或蒙脫石-伊利石為主要礦物成分的高塑性粘土，土壤礦物表面帶有大量負(fù)電荷，當(dāng)有機(jī)陽(yáng)離子型土壤添加劑和它相遇后就會(huì)緊密結(jié)合，降低了土壤顆粒表面的吸附水膜厚度，電勢(shì)下降，使土壤顆粒進(jìn)一步靠近，封閉各土團(tuán)之間的孔隙，土的塑性降低，減少了吸水性和膨脹性，土對(duì)水的敏感性減弱，促進(jìn)土粒的相互聚集，土粒經(jīng)干燥不再受潮，使穩(wěn)定土性能獲得提高。另外，因?yàn)樵撎砑觿橛袡C(jī)陽(yáng)離子化合物，它和土微粒結(jié)合后，膨脹土的陽(yáng)離子交換量會(huì)大大減小，成為一個(gè)疏水微粒。
3）孔隙液體中鹽濃度的影響
  隨著孔隙水中氯化鈉含量的增加，同樣的初始含水量、初始干容重和粘粒含量條件下的圖樣其膨脹壓力都減小了。鹽濃度對(duì)膨脹性的影響趨于把其減小到一個(gè)定值。莫瓦菲等人曾指出，膨脹量的減小可能由于在低濃度電解質(zhì)的情況下，粘土顆粒表面的變化引起。氯化鈉的摻加產(chǎn)生了大量的電解質(zhì)，這些電解質(zhì)沉淀可把他們迅速絮凝在一起的膠體中。顆粒尺寸的增大導(dǎo)致了總表面積的減小，從而吸水量減小了，最終膨脹性也就減小了。此外，對(duì)于鈣蒙脫土，如果用氯化鈉處理，當(dāng)氯化鈉粒子被吸入蒙脫石的層間形成氯化鈣的時(shí)候，鈉和鈣離子之間的陽(yáng)離子交換作用就發(fā)生了，從而阻止了水進(jìn)入蒙脫石層間，因而也就減小了膨脹。
2、盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)、選型方面的措施
設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)拈_(kāi)口率（特別是中心位置），盡可能實(shí)現(xiàn)土體進(jìn)倉(cāng)順利；在土倉(cāng)內(nèi)設(shè)置土壓力傳感器，及時(shí)反映土倉(cāng)內(nèi)泥土粘附情況，預(yù)防“泥餅”的形成。刀盤(pán)內(nèi)側(cè)設(shè)有攪拌棒，隨刀盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可加速土體流動(dòng)，減少泥餅的形成。
3、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定
在膨脹巖土地層中的土壓平衡盾構(gòu)施工區(qū)段，土壓力的設(shè)定以理論的土壓力為基礎(chǔ)，并作適當(dāng)降低，具體可根據(jù)實(shí)際操作做調(diào)整。但在施工過(guò)程中必須觀測(cè)分析盾構(gòu)穿越地層的特性，在推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)充分了解施工速度、盾構(gòu)掘進(jìn)性能、泥土溫度之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系及其對(duì)“泥餅”形成的影響?？刂坪猛七M(jìn)速度，較少“泥餅”產(chǎn)生的幾率。
3.2 盾體“裹死”
3.2.1現(xiàn)象及原因分析
盾構(gòu)機(jī)在膨脹巖土中掘進(jìn)時(shí)還遇到了這樣的情況，盾構(gòu)姿態(tài)不受控制的向一個(gè)方向偏移，通過(guò)推進(jìn)千斤頂來(lái)調(diào)整姿態(tài)無(wú)效，并且出現(xiàn)了推力大扭矩小速度慢的類(lèi)似于結(jié)泥餅現(xiàn)象，于是我們開(kāi)倉(cāng)檢查。
開(kāi)倉(cāng)后發(fā)現(xiàn)掌子面穩(wěn)定無(wú)滲水，刀具完好無(wú)泥餅，刀盤(pán)邊緣耐磨塊與圍巖間約有1.5cm間隙，而盾體與圍巖間基本無(wú)間隙。
原因分析：
由于邊緣滾刀和刮刀均完好無(wú)損，但盾體與圍巖基本無(wú)間隙，考慮到膨脹巖土的脹縮特性，由此推斷圍巖遇水后膨脹，填充了擴(kuò)挖的空間（刀盤(pán)切削直徑為6280mm，盾體直徑為6250mm），原設(shè)計(jì)的刀盤(pán)開(kāi)挖直徑不能滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)在膨脹后的土體內(nèi)順利通過(guò)，導(dǎo)致圍巖“裹”住盾體，從而出現(xiàn)盾構(gòu)無(wú)法改變姿態(tài)的現(xiàn)象。
3.2.2應(yīng)對(duì)措施
  擴(kuò)大開(kāi)挖直徑。將邊緣滾刀像外延2cm，并且將3#輻條上的兩把邊緣刮刀外擴(kuò)2cm，處理后的刀盤(pán)開(kāi)挖半徑可增加1.4cm。采取此措施后，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)得以慢慢回糾，按原設(shè)計(jì)的線(xiàn)路順利掘進(jìn)。
  
  圖3 改造后的邊緣刮刀
  
  圖4 改造刀具位置
4.結(jié)語(yǔ)
膨脹巖土的分布范圍相對(duì)較小，盾構(gòu)在膨脹巖土中掘進(jìn)的實(shí)例就更少，也缺乏相應(yīng)的理論研究和施工經(jīng)驗(yàn)，我司在面臨這種情況的時(shí)候，由于缺乏相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)此類(lèi)巖土的認(rèn)知不足，在掘進(jìn)過(guò)程中遇到了刀盤(pán)“糊死”和盾體“裹死”的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)對(duì)以上現(xiàn)象的仔細(xì)分析和實(shí)地觀察，大家集思廣益，采取了有效的針對(duì)性的措施，使盾構(gòu)機(jī)在膨脹巖土中順利掘進(jìn)，為以后同類(lèi)施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
1.《盾構(gòu)隧道施工中刀盤(pán)泥餅的形成機(jī)理和防治措施》
2.《膨脹土改良方法探討》
3.李奕，鐘志全，《膨脹巖土中盾構(gòu)脫困技術(shù)》，2010