高水压高渗透砂性地层土压平衡盾构施工渣土改良技术研究

叶晨立

(福州市城市地铁有限责任公司， 福建 福州 350001)

0 引言

土压平衡盾构具有围岩适应性广、掘进速度快、对环境影响小的特点，且与泥水平衡盾构相比造价较为低廉，因而成为地铁建设的首选[1]。然而，受限于土压平衡盾构自身工作原理，在掘进中遇到高水压、高渗透性的地层时，极易发生喷涌事故[2]，并且一旦发生大规模喷涌，易造成管片衬砌垮塌、隧道结构失稳，不仅威胁施工人员的安全，而且区间隧道以及施工设备也将直接报废，损失难以估量。为防止土压平衡盾构在施工时发生大规模喷涌，常常采取一些必要的预防措施，如在施工过程中进行渣土改良等。

国内外学者对盾构施工渣土改良技术进行了研究。A.Bezuijen等[3]采用模型试验的方法，通过制作压力舱模型模拟盾构推进，对推进过程中的土压力分布、剪切力以及注入气泡后的气泡砂渗透性、压缩性、黏滞性等方面进行了研究； S.Quebaud等[4]通过搅拌、坍落度和渗透试验对土压平衡盾构施工过程中泡沫剂对土体性质的影响进行深入研究，并明确了泡沫混合土的渗透性和泡沫添加量有直接关系； 肖超等[5]采用室内试验的方法，利用泡沫剂与钙基膨润土对泥质粉砂岩与砾岩渣土进行三轴快剪试验，研究了该地层条件下2种不同改良剂的改良特性； 刘彤等[6]通过对渣土改良中泡沫剂半衰期与发泡倍率以及膨润土泥浆黏度与相对密度随改良剂质量分数变化的规律进行分析，并借助现场掘进试验，研究出该种工程条件下适宜的渣土改良方案； 郭付军等[7]采用室内试验方法对不同质量分数CMC、PAAS以及PAM典型聚合物溶液进行研究，并采用PAM作为改良介质对研究的粗砂试样进行坍落度、渗透以及直剪试验，获取了针对粗砂地层的适宜的PAM聚合液质量分数及注入率； 刘辉等[8]采用现场试验的方法，分别以膨润土浆液、泡沫剂、膨润土+泡沫剂、分散剂进行渣土改良，研究出适合高黏性上软下硬地层盾构掘进的渣土改良剂； 李培楠等[9]以室内试验为基础，通过对3种渣土改良添加剂与组合材料改良效果进行对比研究，确定了上述材料配比及施工参数，并利用现场试验证明所选配比材料对该工程进行渣土改良的有效性。

综上，以往对砂性土改良研究主要采用室内试验的方法，基于现场试验的研究相对较少。由于室内试验与现场试验相比，在土体特性、机械设备等方面存在差异，有一定的局限性，而现场试验则更符合实际，其研究结果更具有现实意义。为研究高水压、高渗透砂性地层土压平衡盾构施工渣土改良配方，本文基于福州地铁闽江越江段高水压高渗透砂性地层对土压平衡盾构进行防喷涌渣土改良，选取多种试验材料，综合考虑渣土渗透性及和易性，结合室内土工试验、现场试验和工程应用效果，最终确定渣土改良级配，为类似工程提供一定的参考。

1 改良材料基本特性

1.1 改良材料的选取

福州地铁闽江越江段盾构区间广泛分布中砂层，其颗粒级配如表1所示，按照SL237—1999《土工试验规程》对自行采购的河沙进行烘干、阴干、筛分后根据地勘资料所提供的中砂级配配置足量重塑中砂。

表1 中砂颗粒级配

目前使用的添加剂改良材料大致可分为矿物、界面活性剂、高吸水性树脂、水溶性高分子4大类。国内地铁工程大多采用膨润土、泡沫剂以及各类高分子材料，其种类及特性如表2所示[10-12]。其中，泡沫剂和膨润土的配合使用较多，由于成本原因，高分子材料大多在发生喷涌时应急使用。因此，选取几种代表性的改良材料进行土工试验，以充分了解各材料的改良性能及特点，为研究渣土改良配方提供理论基础。

表2改良材料种类及特性

Table 2 Types and characteristics of ground conditioning materials

种类改良材料适用土层主要效果矿物类钠基膨润土 砂粒、细砾、砾粒土层 提高流动性,减小内摩擦角 水溶性高分子类CMC粉粒、砂粒 增稠,成膜,黏结,保水 界面活性材料泡沫剂 砾粒、卵粒、黏土地层 改善不透水性、流动性,防止粘附 水溶性高分子聚合物聚丙烯酰胺粉粒、砂粒 降低液体间的摩擦阻力

1.2 钠基膨润土浆液

结合调研资料以及福州地铁自身情况，选择土、水质量比分别为1∶14、1∶12、1∶10、1∶8、1∶6的膨润土浆液作为试验质量分数[13]进行试验。

不同质量分数膨润土浆液黏度变化曲线如图1所示。可知： 对于上述质量分数膨润土浆液，当膨润土质量分数小于1∶10时，黏度变化相对平缓； 而当质量分数大于1∶10后，浆液的黏度开始急剧上升。由于盾构泵送能力的限制，只能选择质量分数小于1∶6的浆液； 根据拟合曲线判断，最大可行质量分数或略大于1∶8。

Fig. 1 Viscosity curve of bentonite slurry with different mass fractions

对上述质量分数膨润土浆液按照10∶2的掺加比与重塑砂拌合并加水至饱和，然后测定渣土坍落度，结果如图2(a)所示。由图2(a)可知： 加入膨润土浆液后，在改善砂土保水性的同时也增加了砂土的坍落度，但膨润土质量分数变化对坍落度的影响并不显著。因此，选用中间质量分数1∶10膨润土浆液按掺加比10∶1、10∶1.5、10∶2、10∶2.5、10∶3加入重塑砂并加水至饱和，然后测定渣土的坍落度，结果如图2(b)所示。由图2(b)可知： 膨润土浆液掺加比是影响渣土坍落度的主要因素，为满足渣土和易性要求，主要通过改变浆液的掺量进行控制。

(a) 不同质量分数

(b) 不同掺加比

选择10∶2作为此步试验的选用掺加比，使用不同质量分数膨润土浆液按照此掺加比对重塑砂进行改良并测试渣土的渗透系数，探究膨润土浆液质量分数对渣土渗透性的影响，结果如图3所示。由图3可知： 随着膨润土质量分数的增加，渣土的渗透系数逐渐减小且变化曲线逐渐减缓，但是在可用质量分数范围内渣土的渗透系数无法满足小于1×10-5cm/s的要求，因此单独使用膨润土对渣土进行改良不可行。

图3 不同质量分数膨润土浆液渗透系数变化曲线

Fig. 3 Permeability coefficient curve of bentonite slurry with different mass fractions

1.3 CMC溶液

分别配置质量分数为2%、6%、8%、10%的CMC溶液，并进行黏度漏斗试验。2%质量分数CMC溶液的黏度已达到337 s，其余质量分数的CMC溶液更是无法从漏斗流出，其黏度远远大于盾构的泵送能力范围。因此，没有对单独使用CMC溶液对渣土渗透性与坍落度的影响进行研究的必要性，CMC溶液只有作为渣土改良辅助材料使用的可能性。

1.4 聚丙烯酰胺溶液

根据聚丙烯酰胺厂家提供的资料，选择质量分数为1%、2%、3%、4%的聚丙烯酰胺溶液作为试验质量分数[14]。基本步骤如下。

1)选用黏度最小的质量分数为1%聚丙烯酰胺溶液作为试验质量分数，按照100∶3、100∶6、100∶9、100∶12的掺加比加入干燥状态下的重塑砂并加水至饱和，拌合均匀后测试渣土的坍落度，结果如图4(a)所示。由图4(a)可知： 聚丙烯酰胺具有增大砂土坍落度的性能，且随着掺加比的增大，砂土的坍落度也随之增大。分别将质量分数为1%、2%、3%、4%的聚丙烯酰胺溶液按照100∶9的掺加比加入天然状态的原状中砂并加水至饱和，拌合均匀后测试其坍落度，结果如图4(b)所示。由图4(b)可知： 聚丙烯酰胺的质量分数变化对砂土的坍落度产生一定的影响，砂土的坍落度会随着聚丙烯酰胺质量分数增大而增大。

(a) 不同掺加比

(b) 不同质量分数

2)采用质量分数为1%的聚丙烯酰胺溶液分别按照掺加比100∶3、100∶6、100∶9、100∶12加入天然状态下的原状中砂并加水使其饱和，经充分拌合后测试其渗透系数，结果如图5(a)所示。由图5(a)可知： 砂土渗透性会随着聚丙烯酰胺质量分数的增大而减小，且当掺加比小于100∶9时，减小幅度基本呈线性； 大于100∶9后，其渗透系数减小幅度变缓。继续选用100∶9的掺加比，分别将质量分数为1%、2%、3%、4%聚丙烯酰胺按此掺加比加入天然状态下的原状中砂，加水饱和并充分拌合后，进行渗透试验，结果如图5(b)所示。由图5(b)可知： 砂土渗透系数会随着聚丙烯酰胺质量分数的增大而减小。但在单独使用聚丙烯酰胺溶液时，无法令渗透性与和易性2个指标同时满足要求。

2 渣土改良试验研究

通过黏度试验、坍落度试验、渗透试验对渣土改良效果进行评估，根据SL237—1999《土工试验规程》、TB 10102—2004《铁路土工试验规程》等中有关内容执行试验。

2.1 膨润土-CMC混合浆液改良效果分析

2.1.1 膨润土-CMC混合浆液质量分数初步确定

首先配置出1∶10质量分数的CMC浆液按照砂土与浆液体积比10∶2的掺加比对重塑砂土进行改良，然后进行渣土渗透性测试，测试结果如表3所示。由试验结果可知： CMC溶液对改良渣土渗透性有一定的效果，与膨润土配合使用具有进一步减小渣土渗透系数的作用。

(a) 不同掺加比

(b) 不同质量分数

Fig. 5 Permeability coefficient curves of soil improved by polyacrylamide solution

表3 CMC溶液改良渣土渗透系数

由于CMC材料自身具有增稠性能，因此可选择低质量分数的CMC作为辅助材料配合膨润土制作混合浆液。根据土工试验结果，选用黏度较为接近使用上限的1∶8、1∶10质量分数膨润土浆液配制CMC质量分数分别为1%、2.5%、5%、7.5%、10%的混合浆液，将混合浆液按照10∶2的掺加比进行拌合后测定砂土渗透系数。

1∶10、1∶8质量分数膨润土混合浆液改良中砂渗透系数结果如表4所示。由表4可知： 当CMC质量分数≥1%时，2种质量分数的膨润土-CMC混合浆液均可满足渗透系数要求，并且与土工试验中纯膨润土浆液对渣土的改良效果相比，混合浆液对砂土渗透性的改良效果有显著提升，由此证实采用膨润土-CMC混合浆液改良渣土具有一定的可行性。

表4 1∶10、1∶8质量分数膨润土混合浆液改良中砂渗透系数

Table 4 Permeability coefficient of medium sand improved by bentonite mixed grout with mass fraction of 1∶10 and 1∶8

CMC质量分数/%1∶10膨润土混合浆液渗透系数/(cm/s)1∶8膨润土混合浆液渗透系数/(cm/s)17.31×10-66.47×10-62.54.72×10-62.96×10-651.75×10-69.61×10-77.57.69×10-74.15×10-7102.65×10-71.38×10-7

1∶10、1∶8质量分数膨润土混合浆液改良中砂渗透系数变化曲线如图6所示，由图6可知： 随CMC质量分数的增大，渗透系数曲线逐步放缓，改良效果逐渐减弱。根据上一步试验可知当膨润土质量分数为1∶10或1∶8、CMC质量分数为10‰时，已经可以满足渗透系数的要求，可进一步扩大和细分质量分数范围。

图6 1∶10、1∶8质量分数膨润土-CMC混合浆液渗透系数变化曲线

Fig. 6 Permeability coefficient curves of medium sand improved by bentonite mixed grout with mass fraction of 1∶10 and 1∶8

2.1.2 膨润土-CMC混合浆液质量分数细分

为进一步扩大和细分质量分数范围，选用膨润土质量分数为8%、9%、10%、11%、12%，CMC质量分数为2.5‰、5‰、7.5‰、10‰的膨润土-CMC混合浆液进行黏度试验，试验结果如表5所示。

该工程越江段所使用的土压平衡盾构注射泵的泵送能力约为100 s，因此选用接近泵送能力上限的质量分数11%膨润土与质量分数2.5‰CMC混合浆液、质量分数10%膨润土与质量分数5‰CMC混合浆液、质量分数9%膨润土与质量分数7.5‰CMC混合浆液、质量分数8%膨润土与质量分数10‰CMC混合浆液作为下一步试验的试验质量分数，并按照顺序分别标号为质量分数A、质量分数B、质量分数C、质量分数D。

表5不同质量分数CMC混合浆液黏度试验值

Table 5 Test values of viscosity of CMC mixed grout with different concentrations

膨润土质量分数/%不同质量分数CMC混合浆液黏度试验数据平均值/s2.5‰5‰7.5‰10‰825.836.450.679.4935.454.486.0109.71044.297.8170.0279.11185.3173.9359.8过稠12171.2327.6过稠过稠

分别将4种质量分数的膨润土-CMC混合浆液按照10∶1、10∶1.5、10∶2、10∶2.5、10∶3的掺加比加入过饱和状态原状砂中，拌合均匀后，对其进行渗透试验，试验结果如表6所示。

表6不同质量分数CMC混合浆液渗透系数试验值

Table 6 Test values of permeability coefficient of CMC mixed grout with different mass fractions

掺加比不同质量分数CMC混合浆液渗透系数试验数据平均值/(cm/s)质量分数A质量分数B质量分数C质量分数D10∶1 4.59×10-45.29×10-44.16×10-47.16×10-410∶1.56.46×10-54.45×10-57.11×10-57.17×10-510∶2 4.00×10-68.55×10-61.66×10-53.21×10-510∶2.58.31×10-66.41×10-69.04×10-69.59×10-610∶3 7.16×10-64.86×10-67.66×10-68.85×10-6

由表6试验数据可知： 当掺加比大于一定值后，4种质量分数的膨润土-CMC混合浆液均能使原状中砂满足渗透系数小于1×10-5cm/s的要求。其中，质量分数B即10%质量分数膨润土与5‰质量分数CMC的混合浆液效果相对显著，但其改良效果不及改良饱和砂土时的效果，究其原因，除浆液质量分数的改变外，可能在混合浆液与砂土混合的过程中，浆液被过饱和状态砂土中原有水稀释，且只有部分改良材料能够进入砂土骨架结构之中起到实际的改良作用，其余部分则随着多余的水游离于土颗粒之外，难以使改良材料与土颗粒充分混合，因此，相较饱和砂的改良结果有所减弱。

根据上一步的试验结果，各质量分数的膨润土-CMC混合浆液均可在掺加比大于一定数值后使原状中砂的渗透系数满足要求。因此，继续采用上述4种质量分数的膨润土-CMC混合浆液对过饱和中砂进行改良并进行坍落度试验，试验结果如表7所示。由表7试验结果可知： 4种质量分数膨润土-CMC混合浆液对过饱和中砂坍落度的改良效果并不理想，在这5种掺加比下均无法使过饱和状态原状砂土的坍落度落在10～15 cm。

表7不同质量分数CMC混合浆液改良坍落度试验值

Table 7 Test values of slump of CMC mixed grout with different mass fractions

掺加比不同质量分数CMC混合浆液改良坍落度试验数据平均值/cm质量分数A质量分数B质量分数C质量分数D10∶1 1.11.21.40.510∶1.51.92.01.60.910∶2 3.53.93.32.810∶2.55.46.65.24.510∶3 6.87.97.36.2

虽然从试验结果可以看出随着掺加比的增大，改良后砂土的坍落度也在慢慢增大，但是在实际施工过程中，所能采用的浆液掺加比是不可能无限制增大的，10∶3的掺加比已经是一个很大的值。因此，单独采用膨润土-CMC混合浆液进行土体改良难以满足过饱和状态中砂坍落度要求。

2.2 聚丙烯酰胺溶液与膨润土-CMC混合浆液改良效果分析

2.2.1 聚丙烯酰胺溶液与膨润土-CMC混合浆液质量分数初步确定

由于单独采用膨润土-CMC混合浆液无法满足过饱和状态中砂的坍落度要求，并且通过试验验证了聚丙烯酰胺溶液对砂土的渗透性减小作用和坍落度的增大作用； 因此，在膨润土-CMC混合浆液的基础上引入聚丙烯酰胺溶液，采用多种材料对过饱和状态下的原状砂进行渣土改良试验。

通过黏度试验可知，质量分数大于4%的聚丙烯酰胺溶液黏度将会大于盾构泵送上限，因此仍然采用土工试验中所确定的1%、2%、3%、4%质量分数作为试验质量分数。同时，由于聚丙烯酰胺对中砂坍落度增大效果明显，为防止改良后渣土的坍落度过大，首先选用相对较小的100∶3、100∶4、100∶5、100∶6掺加比进行试验。

膨润土-CMC混合浆液的质量分数选择在上一步试验中效果相对较好的质量分数B作为试验质量分数。同时，由于膨润土-CMC混合浆液掺加比也不可过大，因此选用10∶2.5这个较大的掺加比进行试验。

2.2.2 聚丙烯酰胺溶液与膨润土-CMC混合浆液质量分数细分

采取以上确定的各材料质量分数与掺加比对过饱和中砂进行改良后，测定其坍落度，试验结果如表8所示。可知： 质量分数B膨润土-CMC混合浆液按照10∶2.5的掺加比与质量分数为3%或4%的聚丙烯酰胺溶液按照掺加比为100∶5配合使用时可满足过饱和状态中砂的坍落度要求。

选用与上一步试验相同质量分数的膨润土-CMC混合浆液和聚丙烯酰胺溶液按照相同的掺加比对过饱和中砂进行改良，并测定其渗透系数，试验结果如表9所示。可知： 膨润土-CMC混合浆液与聚丙烯酰胺溶液一起使用时，可有效改良过饱和原状砂，使渣土的渗透性与和易性满足工程要求。

表8不同质量分数聚丙烯酰胺改良坍落度试验值

Table 8 Test values of slump of polyacrylamide with different mass fractions

掺加比不同质量分数聚丙烯酰胺改良坍落度试验数据平均值/cm1%2%3%4%100∶31.73.03.24.4100∶43.24.66.49.2100∶56.17.011.715.0100∶67.99.316.721.6

表9不同质量分数聚丙烯酰胺渗透系数试验值

Table 9 Test values of permeability coefficient of polyacrylamide with different mass fractions

掺加比不同质量分数聚丙烯酰胺渗透系数试验数据平均值/(×10-6cm/s)1%2%3%4%100∶36.436.106.155.88100∶45.555.164.794.38100∶54.703.403.503.11100∶63.552.802.622.09

在试验过程中发现： 在拌合砂土的过程中，先将膨润土-CMC混合浆液倒入过饱和砂土中并搅拌，可观察到原本没过砂土表面的液体呈膨润土般的褐色； 当加入聚丙烯酰胺溶液搅拌后，褐色液体逐渐减少，搅拌渣土手感也渐渐类似于搅拌黏性土的手感，静止几十秒后，渣土表面逐渐渗出少许透明液体，如图7所示。

根据聚丙烯酰胺的材料特性推测，可能原因是在聚丙烯酰胺溶液与膨润土-CMC混合浆液配合使用时，聚丙烯酰胺溶液形成的絮化物将土颗粒、膨润土微粒、CMC絮化物以及大量的水包裹起来，在减小砂土内摩擦角形成类似黏土状的渣土的同时，还改善了因过量水稀释而造成的改良材料性能发挥不理想的情况。

2.3 现场试验及工程应用效果分析

在土压平衡盾构施工过程中，位于螺旋出土器中的渣土起到一个瓶塞作用，其中，渗透系数小于1×10-5cm/s是防止渣土喷涌最基本的要求，当水压增大时，由于高水压的作用喷涌发生的可能性会增加，为此必须调整材料的配比及掺比，将渣土的渗透系数降到更低，从而保证施工安全。此外，为满足正常土压平衡盾构施工的需要，渣土的坍落度应落在10～15 cm。

出于经济性方面的考虑，先选择1∶10质量分数膨润土、5‰质量分数CMC混合浆液按照10∶2.5掺加比配合3%质量分数聚丙烯酰胺溶液按100∶5掺加比对渣土进行改良，浆液配比如表10所示。采用此配比进行施工后，多次在螺旋出土器闸门出渣取样并进行渗透试验与坍落度试验，试验结果如表11所示。

(a) 加入聚丙烯酰胺拌合

(b) 静止1 min后

Fig. 7 Photo of grout mixed with polyacrylamide and that after 1 minute

表10 浆液配比

表11 实际施工渣土取样试验结果

由表11试验结果可知： 渣土的渗透系数相对试验结果普遍偏小，而坍落度都普遍偏大，主要是因为土舱内含水量并没有达到施工前的预测量，相对试验而言，实际施工中改良材料的外部环境相对更好； 此外，由于掘进是在砂层中进行的，刀具的损伤较大，为给刀具润滑降温，于刀盘前方位置注入泡沫，所以实际渗透系数偏小、坍落度偏大。施工中渣土情况如图8所示。

(a) 渣土改良效果

(b) 渣土坍落度测试

在此情况下本可考虑适当减小聚丙烯酰胺溶液的质量分数或用量，但由于不确定前方是否会出现富水地段，且此时螺旋出土器出土工作顺畅，渣土保持了较好的塑性和流动性，出于安全考虑，仍然使用此配比对土舱内的中砂进行渣土改良作业。最终，在采取适当的渣土改良后，福州市轨道交通1号线土建工程07标合同段上藤站—达道站区间上下行线路于2016年2月依次成功下穿闽江，全程未发生喷涌及其他事故，并于2016年5月顺利完工。

3 结论与讨论

1)钠基膨润土、CMC、泡沫剂、聚丙烯酰胺对渣土的渗透性均有较好的改良效果，然而在高水压高渗透砂性地层中进行掘进时，单独使用某一种改良材料对渣土进行改良均无法满足工程的要求。

2)钠基膨润土-CMC混合浆液对过饱和状态中砂的和易性与渗透性均有一定改良作用，在一定范围内，其改良效果与浆液质量分数以及掺加比呈正相关；但在可用掺加比范围内，该种混合浆液无法使过饱和状态渣土的坍落度满足工程要求。

3)聚丙烯酰胺溶液与钠基膨润土-CMC混合浆液配合使用，对过饱和中砂的和易性以及渗透性具有良好的改良效果，可满足土压平衡盾构施工要求。

4)针对福州地铁闽江越江段高水压高渗透砂性地层，采用1∶10质量分数膨润土、5‰质量分数CMC混合浆液按照10∶2.5掺加比配合3%质量分数聚丙烯酰胺溶液按100∶5掺加比改良渣土，能够有效防止喷涌发生。

在实际施工中，应当从盾构防喷涌与控制施工造价2方面考虑，针对不同地层情况可采取不同的渣土改良方案。从本文研究结果可知，当地层水头较小、渗透性较小和发生喷涌风险相对较小时，采用适当质量分数钠基膨润土浆液即可满足工程要求； 当地层水头与渗透系数较大时，采用适宜质量分数钠基膨润土-CMC混合浆液能够有效控制喷涌的发生； 在水头超过30 m、渗透系数达到10-2cm/s量级的极端情况下，采用一定质量分数配比的聚丙烯酰胺溶液与钠基膨润土-CMC混合浆液配合使用，能够有效保证施工安全。本文依托工程遇到的最高水头为40 m，当水头高于该值时，本文提出的方案需根据工程实际需求，通过进一步的试验予以完善。

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