土压平衡盾构在砂层中掘进的渣土改良技术

蔡 辉

(中铁隧道集团公司专用设备中心，河南 洛阳 471009)

0 引言

近年来，土压平衡盾构技术得到快速发展，该技术通过改进设备、辅助工法等措施已适用于大部分地层;但砂性地层是一种典型的力学不稳定地层，土压平衡盾构在砂性地层条件下掘进时，由于土体流塑性差，刀盘、刀具、螺旋输送机等易磨损，刀盘扭矩和推力增大、开挖面易失稳崩塌、土仓结饼、渣温升高、螺机喷涌等问题不断出现，影响了盾构施工的顺利进行。国内外众多施工企业和研究机构通过现场实践和室内试验，对刀盘刀具选型、设备改良、掘进参数分析、添加剂配比、渣土改良的机制和效果等进行了大量的研究和试验工作。文献［1］从土压平衡盾构的原理出发，论述了利用土塞效应、注入添加材料和机械辅助方法来提高土压平衡盾构适应含水地层能力的理论和方法;文献［2］介绍了土压平衡盾构在无水砂卵石地层中掘进时，通过渣土改良后对主要参数如土压力、刀盘扭矩、注浆量等进行分析，严格管理，从而保证盾构掘进的顺利进行;文献［3］分析了大粒径无水砂卵石地层土压平衡盾构选型对土体改良设备及注浆系统等方面的影响;文献［4］提出了土压平衡盾构施工“理想状态土体”的概念(即较低的渗透性，相对适中的压缩性，较小的抗剪强度，一定的流动性)，并认为只要有效、有针对性地使用外加剂，就可将施工难题控制在最小的发生概率之内;文献［5］基于砂卵石土物理力学指标分析，进行渣土改良剂比选，确定使用泡沫剂作为渣土改良剂，试验得出泡沫剂的最佳配比为＜3%，改良后的渣土内摩擦角由42.56°减小为38.24°，渗透系数由2.315×102cm/s提高到5.328×102cm/s;文献［6］针对砂卵石地层渣土不均匀、卵石含量高、流动性差、摩擦系数大、单块卵石强度高、黏聚力小、结构松散等特点，进行塌落度、渗水、滑动、电机搅拌等渣土改良试验，总结出不同类型的改良方法及其成本;文献［7］根据砂卵石地层特点进行了砂卵石塑流化改良技术探讨，初步总结得出注入泥浆和泡沫剂的混合液对砂卵石地层塑流化改善效果良好;文献［8］根据工程地质条件合理选择塑流化改良技术和塑流性管理方法，确定适宜的塑流性管理值，以确保开挖面稳定，实现正常掘进;文献［9］对气泡的基本性能进行了研究，得出了气泡改良开挖土体的主要影响因素;文献［10］提出了国内常用的2种外加剂(泡沫剂、膨润土泥浆)与土体相互作用的内在机制，并基于微观试验得出对于盾构掘进中不同土质和土性应该使用何种类型的外加剂。

土压平衡盾构对砂层等不良地质条件的适应性是一个比较复杂的综合技术问题，需要从设备的性能配置、施工工艺参数、辅助工法、渣土改良等诸方面综合考虑。渣土改良是保证土压平衡盾构在砂性地层中掘进的关键技术手段，能有效降低盾构的扭矩和推力，减轻设备部件的磨损，提高效率。目前主要采用添加膨润土泥浆、泡沫剂、聚合物等材料和方法对渣土进行改良，但在应用中缺乏相应的依据和实践经验来统一指导施工。本文主要介绍在南昌、郑州和西安地铁区间隧道施工期间，盾构在砂层中掘进时所出现的问题和采用的渣土改良技术，如添加剂种类的选择、浆液配比、性能参数和指标的确定、注入参数的选定及合理控制等，总结探讨盾构在不同砂性地层中掘进的渣土改良技术应用，并提出建议。

1 砂层的分类与特点

1.1 砂层的分类

常见的砂层主要分为细砂、粉砂、中砂、粗砂、砾砂、砂砾等。

1.2 砂层的特点

1)稳定性。砂层属于软弱地层，工作面无法自稳，受到扰动后不采取有效支护易造成塌方。

2)摩擦性。砂层中的细颗粒以石英、长石为主，摩擦阻力大，在高温高压作用下会对钢结构件进行研磨，造成设备过量的非正常磨损。

3)透水性。砂层颗粒之间没有黏聚力(黏性)，渗透系数大，止水效果差，在高水头压力下，一旦有泄压缝隙或通道，涌水和涌砂就会同步发生。

4)气密性。砂层无黏性，地层颗粒之间间隙大，一定气压的压缩空气很容易泄漏、逃逸。

5)流动性。砂层颗粒之间的内摩擦角大，再加上颗粒之间的摩擦阻力较大，盾构掘进切削下来的渣土流动性较差。

2 渣土改良的目的，添加剂的分类和特性

2.1 渣土改良的目的

1)使开挖下来的渣土具有良好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降。

2)提高渣土的不透水性，使渣土具有较好的止水性，从而控制地下水流失。

3)提高渣土的流动性，利于螺旋输送机排土。

4)防止开挖下来的渣土粘结刀盘而产生泥饼或堵舱。

5)防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象。

6)降低刀盘和螺旋输送机的扭矩，同时减少对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损，提高盾构的掘进效率。

2.2 添加剂的分类和特性

常用添加剂材料大致分为4类，可单独或组合使用，其特性归纳见表1。

目前在国内的土压平衡盾构施工中，膨润土泥浆和泡沫剂是使用最广泛的2种添加剂。

1)膨润土泥浆适用于细颗粒含量少的砂层、砂砾层、卵石、漂石等地层。膨润土是以蒙脱石为主要成分的非金属黏土类化合物，其配比浆液能够补充砂砾地层中相对缺乏的细黏性颗粒含量，并渗透进入砂砾地层形成低渗透性泥漠(见图1)，润滑并包裹砂砾，从而提高砂层的和易性，以便于携渣排土(见图2)，减小喷涌。

表1 盾构施工常用添加剂比较表Table 1 Comparison and contrast among different additives used in shield tunneling

图1 膨润土泥浆与土体作用形成混合土体结构Fig.1 Mixture formed due to interaction between bentonite slurry and soil

图2 膨润土泥浆携带出的砂土Fig.2 Sand carried out by bentonite slurry

2)泡沫剂多用于细颗粒土层中(如黏土地层等)，一般情况下，在渗透性较大的粗颗粒地层中不适用，因为泡沫中的气体很容易泄漏逃逸，无法有效地与砂土混合成弹性体，从而导致渣土沉淀、板结，如图3所示。

3 渣土改良技术在工程实例中的应用

近年来在南昌、郑州、西安等地的砂层中使用的多数是土压平衡盾构，在这种地层中掘进时，渣土改良技术十分关键。

3.1 南昌地铁一号线土建八标艾西站—艾东站区间隧道

穿越地层主要是③3中砂层、③5砾砂层、③6圆砾层。出现的问题为中铁38号盾构螺旋输送机筒体磨穿，突发涌砂现象，几min涌砂达10多m3，造成中铁38号盾构刀盘、刀具异常磨损。

图3 泡沫混合比例与土体作用形成混合渣土结构Fig.3 Mixing proportion of foam and soil-foam mixture

渣土改良技术的应用:

1)渣土改良材料为膨润土泥浆和泡沫剂。

2)现场同条件下渣土改良配合比与原状土的混合试验，如表2所示。

3)渣土改良效果。根据试验确定配合比，严格按配合比拌制浆液。掘进中按技术交底要求注入膨润土泥浆量，并辅以泡沫剂进行渣土改良，改良效果较好，如图4所示。其中，刀盘扭矩控制在4 100 kN·m以内(额定扭矩为5 500 kN·m)，总推力为13 000 kN左右(最大推力为37 000 kN)，掘进速度为50 ～60 mm/min。

4)渣土改良总结。①以钠基膨润土∶工业碱∶水 =1∶0.001∶10(质量比)配制浆液，浸泡至膨化反应，保持足够的膨化时间使其充分溶解(保持在15 h以上，最佳为22 h)。②浆液的黏度保持在40 Pa·s左右，掺入量为6% ～7%，即每环注入量为8～10 m3。③当圆砾层占比例较高时，必须辅以泡沫剂进行改良，原液比为2% ～3%，流量为2 500 L/min，其他地层泡沫剂流量可适当进行调整。④膨润土泥浆、泡沫剂必须加注到刀盘面板前方，才可以充分搅拌改良渣土，减磨刀盘、刀具，注入通道堵塞时必须及时疏通。

表2 膨润土改良配合试验Table 2 Tests on ground conditioning by means of bentonite slurry

图4 膨润土改良渣土效果Fig.4 Effect of ground conditioning by means of bentonite slurry

3.2 郑州地铁二号线一期02标东风路站—北环路站区间隧道

穿越地层主要是稍密－密实的粉土、中密－密实的细砂和软塑－硬塑状粉质黏土，局部穿越中密粉砂层及密实中砂层。出现的问题为中铁2号盾构掘进过程中出现堵舱、堵螺机等，造成掘进、出渣困难。

渣土改良技术的应用:

1)渣土改良材料为膨润土泥浆和泡沫剂。

2)施工初期渣土改良效果较差，之后对渣土改良方式进行了改进。①在砂层掘进中由单一泡沫剂渣土改良改为以膨润土泥浆为主、泡沫剂为辅的渣土改良方式;②在刀盘上增加2路膨润土泥浆注入管路，保证向刀盘前方和土舱内膨润土泥浆及具有分散作用的泡沫剂的注入量;③膨润土泥浆输送方式由传统的罐车运输改为洞外泵送方式;④膨润土泥浆的配比、制作搅拌、泵送运输如图5和图6所示。

3)渣土改良效果。①在区间右线200～292环(全断面富水细砂层)掘进过程中，卡刀盘、堵舱、堵螺机现象得到有效缓解，地表沉降控制在规定范围以内，掘进较为顺利;②在区间砂层掘进时，刀盘扭矩控制在3 500 kN·m左右(额定扭矩为4 377 kN·m)，总推力为14 000 kN左右(最大推力为31 650 kN)，掘进速度为35 mm/min左右，改良后的渣土成可塑状，降低了刀盘、刀具的磨损，如图7所示。

图5 膨润土泥浆的配比、制作、运输示意图(其中每个水泥罐约有60 m3)Fig.5 Mixing proportion， production and transportation of bentonite slurry

图6 洞外膨润土泥浆制作及运输实物图Fig.6 Pictures of production and transportation of bentonite slurry outside tunnel

4)渣土改良总结。①在全断面富水砂层掘进中，膨润土泥浆注入量为7～11 m3/环，即注入体积为富水砂层总体积的15% ～24%;泡沫混合液注入量为38～60 L/环，即注入体积为富水砂层总体积的0.08% ～0.13%。②采用洞外膨润土泥浆管路泵送工法，缩短了在掘进过程中输送膨润土泥浆工序所占用的时间，建立了良好的通信机制，保证了盾构连续快速掘进。③膨润土泥浆要有足够的膨化时间使其充分溶解(保持在15 h以上，最佳为22 h)，在膨化过程中要不停地搅拌，以维持其流塑性。④膨润土泥浆的配比、制作搅拌及浓度严格按要求控制，否则将泵送不到预定的长度或造成管路堵塞。

3.3 西安地铁三号线TJSG—4标科技路站—太白南路站区间隧道

穿越地层主要是2－5层中砂及2－6层粗砂层，砂层为密实状态，标贯在45～90击。砂层的矿物成分以石英为主(44%)，斜长石为38%。出现的问题为中铁17和18号盾构掘进过程中刀盘、刀具磨损较大，土舱保压困难，渣温高，喷渣现象严重，掘进困难。

图7 膨润土泥浆改良后的渣土Fig.7 Mucks conditioned by bentonite slurry

渣土改良技术的应用:

1)渣土改良材料为膨润土泥浆和泡沫剂。

2)在现场同条件下进行了多次膨润土泥浆配比试验，如表3所示。

表3 膨润土泥浆配比试验Table 3 Tests on mixing proportion of bentonite slurry

3)渣土改良效果。①根据砂层比例及渣土改良效果确保膨润土泥浆的加入量，其中，当地层中黏土含量为20%～50%时，渣土改良采用泡沫剂和膨润土泥浆;地层中黏土含量在40%以上时，采用泡沫剂改良为主。②渣土改良效果良好，能连续成型，盾构掘进基本顺利。刀盘扭矩控制在3 000 kN·m左右，推力为16 000 kN 左右，刀盘转速为 1.6 ～1.8 r/min，掘进速度为40～50 mm/min。

图8 膨润土泥浆洞外泵送至盾构Fig.8 Pumping bentonite slurry to the shield machine

4)渣土改良总结。①渣土改良以膨润土泥浆为主，泥浆黏度为35～40 Pa·s，泥浆注入到刀盘前方，注入量为10 m3左右，约是砂量的20%，使渣土改良好后塌落度为12～16 cm，以手握紧松开不散状为准。②采用优质纳基膨润土拌制泥浆，膨润土与水的质量比为1∶8左右，粉细砂配比可适当调小，掺加制浆剂(CMC)可提高泥浆的黏度，1∶8的泥浆膨化12 h黏度为30 Pa·s左右，掺入膨润土量为2%的制浆剂膨化12 h黏度为35～40 Pa·s。③膨化浆液池容量为100 m3左右，采用管道输送泥浆，避免渣车运送泥浆影响掘进时间，如图8所示。④使用质量达标的钠基膨润土，对膨润土泥浆的配比、膨化时间、黏度要严格把关，首先应对工人进行技术交底，保证膨润土泥浆配比的准确度，值班工程师应对每环所用膨润土泥浆的膨化时间、黏度进行监测并记录，以便分析、判断注入膨润土泥浆的效果，如图9所示。

图9 地面、隧道内测量膨润土泥浆黏度Fig.9 Measuring bentonite slurry viscosity on the ground surface and in tunnel

4 渣土改良技术探讨

4.1 有水砂砾土、砂卵石地层

该地层适用膨润土泥浆进行渣土改良。主要原因是膨润土泥浆能够补充砂砾土中微细颗粒的含量并填充孔隙，提高渣土的和易性、级配性，从而提高其止水性。

4.2 无水砂砾土、砂卵石地层

混合使用膨润土泥浆+泡沫剂进行渣土改良。主要原因是砂砾土、砂卵石颗粒间流塑性差、摩擦阻力大，单独加入大量膨润土泥浆可以改良渣土的流动性，减少摩擦阻力;但施工中易出现砂卵砾石在重力作用下沉到土舱底部，渣土不能均匀混合，进而造成刀盘“抱死”现象。改为泥浆和泡沫剂混合使用后，充分利用泡沫剂的润滑性和扩散性，降低了刀盘、螺旋输送机扭矩及千斤顶推力，大大减轻刀盘、刀具磨损，刀盘“抱死”现象极少发生。

4.3 全断面粉细砂层(或含少量黏土)

颗粒级配相对良好的地层适用泡沫剂进行渣土改良。主要原因是泡沫剂(泡沫剂+水+气)与渣土颗粒搅拌的更加均匀、致密，使渣土的渗透系数降低、止水性增强、流动好。气泡发泡倍率为10～15倍，气泡注入率为20% ～40%(与渣土的体积比)，建议每环用量为30～40 L。

4.4 全段面(或极密实)中粗砂层

混合使用膨润土泥浆+泡沫剂进行渣土改良。主要原因是混合使用2种材料进行充分搅拌，改良了渣土的流动性和止水性，稳定开挖面，防止了喷涌、冒顶等。膨润土泥浆注入量为10 m3/环(膨润土与水的质量比为1∶10)，黏度为35～40 Pa·s，膨润土使用量为100～200 kg/m，气泡发泡倍率为15～20倍，气泡注入率为20% ～40%(与渣土的体积比)，建议每环用量为30～40 L。使渣土改良好后塌落度为12～16 cm，以手握紧松开不散状为准。

4.5 富水砂层(粉细砂、中砂)

混合使用膨润土泥浆+高分子聚合物进行渣土改良。主要原因是采用膨润土泥浆进行渣土改良，有效地降低了刀盘扭矩，改善了渣土的和易性;但却增大了盾构掘进时的喷涌风险，不利于掘进参数的控制和掌子面的稳定。辅助使用高分子聚合物可以中和掉渣土中的多余水分，有效增加了渣土的止水性和黏稠度，可以防止或减轻螺旋输送机喷涌的问题。膨润土泥浆注入量为10 m3/环(膨润土与水的质量比是1∶8)，黏度为30～35 Pa·s，膨润土使用量为200～300 kg/m，高分子聚合物混合液注入量为富水砂层每环总体积的6%～10%。

5 结论与建议

渣土改良技术是土压平衡盾构在砂层中掘进的关键，渣土改良技术的应用有效地降低了盾构的扭矩和推力，减轻了设备部件磨损，对提高效率、降低工程造价有着决定性作用。在南昌、郑州、西安等地铁区间盾构隧道掘进中，根据不同的砂层地质条件，反复研究掘进参数，采用相应的渣土改良技术，优化施工方案，保证了盾构安全、连续、快速地掘进，所采用的渣土改良技术是合理可行的，可为今后类似工程提供参考和借鉴。

目前，盾构法隧道施工主要采用添加膨润土泥浆、泡沫剂、泥浆和泡沫混合液、泥浆和聚合物混合液等材料和方法对渣土进行改良，但总体上在应用中缺乏相应的规范标准、添加改良剂种类的选择、浆液配比和性能参数及指标的确定，注入参数的选定及合理控制等均依靠现场试验或施工经验来提供参考。因此，从工程质量和进度、工程事故的影响及善后建设资金的浪费等方面综合考虑，土压平衡盾构在砂层中掘进的渣土改良技术值得进一步研究和规范。

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