富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验与应用

商 跃 锋

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 210000)

1 概述

目前城市地铁隧道的开挖方式主要以盾构法[1]为主，根据作用原理主要分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构，其中土压平衡盾构法以其独特的特点在地铁隧道施工中得到了广泛的应用，也是相对最成功、最常采用的机械化隧道技术，代表着隧道施工的方向。土压平衡盾构是通过土仓及螺旋输送机内渣土的土压来平衡开挖面上的水土压力，而螺旋输送机需要及时的把开挖渣土运移走，从而保证掌子面的土压动态平衡。输送过程中渣土的理想状态应为“塑性流动状态”[2]。根据已有研究表明，此状态的土需要满足各种力学指标，使其具有较低的渗透性、较低的内摩擦角等特征。然而天然的切削渣土不足以满足此要求，因此需要通过有效的利用添加剂来对土体进行改良，进而让其达到土压盾构施工的要求，保证隧道施工的有效进行。而在富水砂层中进行盾构施工，由于地层中含水量很大，土压平衡盾构机在掘进过程中易出现一系列的问题，排渣不畅、喷涌[3]现象、地表沉降[4]等等。

随着盾构技术的不断发展，学者对渣土改良的研究也日益成熟。Lars Langmaack[5]对改良剂的改良机理[6]展开研究；朱俊易[7]旨在研发一种新型泡沫剂，通过开展了大量的室内试验，得到了一种盾构适用的稳定泡沫剂；刘大鹏[8]研发了一种新型泡沫剂，并通过室内试验对其改良效果作出相应评价；邱龑、杨新安[9]针对深圳的富水砂层展开渣土改良试验研究，采用常用的三种改良剂泡沫剂、膨润土以及高分子聚合物，通过对改良后渣土的现场坍落度试验，得到最优渣土改良方案；乔国刚[10]自主研发盾构用泡沫剂，将其改良后的渣土进行各种力学性能试验，与已有泡沫剂进行对比，并针对改良机理进行了研究。根据已有研究发现，盾构穿越各种地层的研究内容很多，包括富水砂性地层、黏土地层等，但是目前仍没有形成统一的渣土改良标准，针对具体工程须进行相应试验确定最优改良方案。

因此，本文在已有研究基础上，依托现场工程，拟进行富水砂层的渣土改良技术研究，通过开展室内试验，对现有渣土改良剂类型进行参数对比和优选，并得到改良剂最优配比，最终改善渣土的塑性流动状态，保证盾构机在不同富水砂砾地层条件下的顺利掘进，进而提高盾构机的施工效率、施工质量，研究成果旨在为今后此类地层盾构施工提供指导意义和借鉴价值。

2 工程概况

本文所依托的是南昌市轨道交通4号线一期工程，该工程标段主要位于南昌市高新区，如图1地质纵断面勘察所示，分布特征为：上部为灰色～灰白色粉土，含黏性土成分，在地铁沿线呈透镜体状不连续产出，局部呈条带状分布。中部的砂土层，为黄～黄灰色，沉积韵律从上部细颗粒的粉细砂，渐变为以中粗砂为主，层次分明。在此之下则为砾砂、砾石、卵石层直至圆砾。该类土层以粗颗粒为主，具有很强的透水性，对地铁工程施工具有危害性。该隧道科技城—鱼尾洲区间穿越砂性地层主要包括中粗砂、砾砂和圆砾。且该地区水位随气候变化大，含水量丰富。

根据沿线岩土层的成因类型、性质、工程特征、风化状态等，结合沿线工程地质纵断面，可划分为3个岩土层：人工填土层、上更新世冲积层、基岩。土体的物理力学参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数表

由于隧道区间主要穿越富水砂性地层，由表1可知砂性地层粘聚力较低，内摩擦角较大，而且其渗透系数很高，很难形成塑性流动状态，在盾构开挖过程中容易造成出渣不畅，再加上该地区含水量丰富，极有可能引发地表沉降和喷涌问题。

1)“喷涌”问题：由于开挖面土体存在充水裂隙，随着盾构机的开挖水不断流入土仓，当螺旋输送机工作时，排渣口便会发生喷水、喷渣的现象，从而形成“喷涌”。

2)地表沉降问题：一般由于富水砂砾地层中富含地下水，以及在施工过程中的技术问题(未及时封堵洞门、同步注浆参数不合理、二次注浆不及时等)，经常会导致地表沉降问题的发生。

3 渣土改良剂

渣土改良是通过化学添加剂改良开挖渣土的一种施工技术手段，主要是在盾构机开挖面、土仓、螺旋输送机中注入各种化学改良剂，来改良盾构施工开挖土体，使其满足盾构机正常施工的土体要求。具体作用大体上分为以下几点：

1)理想塑性流动状态；

2)减少土体与盾构机本身的摩擦力，进而减少刀具磨损、减小刀盘扭矩；

3)可以减小粘性土对刀盘的粘附作用[11]；

4)降低土体的渗透性[12]。

目前盾构穿越砂性地层施工中常用的渣土改良剂主要有泡沫剂、聚合物、膨润土(各自的对比情况见表2)，其作用机理和力学特征可概括如下：

泡沫剂本质上是由表面活性剂[13]、稳泡剂与其他成分组成。聚合物是由大量重复的小分子组成的大分子高聚物，性质因其化学成分和结构而异。而膨润土是土压平衡盾构机最早使用的渣土改良剂之一，主要用于改变土体中的细粒含量。而且这三种改良剂也可以采用两两复合的改良形式。

针对于本工程中的富水砂性地层，由于其较大的内摩擦角、较小的粘聚力以及较高的渗透系数，土体很难达到理想流塑性状态。因此，通过渣土改良技术改变土体的性质，使其达到盾构开挖渣土的要求。其中泡沫剂可以降低土体的内摩擦角以及土体的渗透性，而聚合物可以增加砂性土的粘聚性。因此，针对该富水砂性地层选取“泡沫剂+聚合物”的复合改良方式。

表2 常用改良剂

4 室内试验

4.1 坍落度试验

土体的流动性可以通过坍落度试验进行衡量。试验中研究了不同含水量、不同掺量及所采用的复合改良剂中泡沫剂与聚合物的不同比例条件下改良后土体的坍落度。根据已有研究可知[14]，室内试验建议指标为：坍落度值在180 mm～210 mm时，渣土流塑性较好，满足渣土运移的工程需求。

本次坍落度试验选取富水砂层渣土试样进行试验，通过比较不同含水量、不同掺量以及所采用的复合改良剂中泡沫剂与聚合物的不同比例的条件下，改良后渣土的坍落度值的变化规律。此次试验均采用2%浓度的泡沫剂，着重研究以上三种因素对改良后渣土坍落度的影响规律。分别进行渣土含水量w=15%，w=20%，改良剂中泡沫剂与聚合物比例为10∶1，5∶1，4∶1时进行不同掺量的坍落度室内试验。图2是渣土含水量w=15%，改良剂中泡沫剂与聚合物比例为10∶1时进行不同掺量的坍落度室内试验，而所有试验的坍落度数据记录统计的结果如图3所示。

由以上试验可以得到，通过改变复合改良剂中聚合物和泡沫剂的比例及掺量，可显著改变渣土的流塑性状态，而且含水量对于坍落度的影响比较大，由图3可知：

1)相同含水量条件下，同一种比例的复合改良剂随着掺入量的增大，其坍落度值呈逐渐增大趋势；

2)相同含水量、同一掺量的条件下，随着复合改良剂中聚合物所占比例的增大，其坍落度值基本上呈下降趋势；

3)该工程中含水量对改良后土体的坍落度有很大的影响；

4)由上所述，该工程中所采用的是聚合物+泡沫剂这种复合渣土改良剂，在相对较低含水量地段，应采用聚合物与泡沫剂的比例为1∶10，混合掺量为20%～25%；在相对较高含水量地段，应采用聚合物与泡沫剂的比例为1∶5，混合掺量为18%～22%。这样的改良方案可以使待改良渣土的流动性得到显著提高，进而满足盾构机开挖土体的要求。

4.2 渗透性试验

对于土体的渗透性通常用渗透试验测定。本文渗透试验仪器采用标准的常水头渗透仪。每次渗透试验记录3个时间段的渗流水量，分别求出它们的渗透系数，最后取其平均值作为该次试验的渗透系数测试值。

本次试验主要研究改良剂在不同浓度、不同掺量的条件下，改良后渣土渗透系数的变化规律。试验中采用聚合物+泡沫剂的复合改良方式，其中泡沫剂与聚合物的比例为10∶1，分别制备浓度为2%，2.5%，3%的改良剂，在不同掺量0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%的情况下进行渣土改良，将改良后土体分别进行渗透性试验并记录相应的渗透系数值(具体的渗透系数值由上述的平均值法得到)，最后分析试验结果并总结渣土渗透性的变化规律。图4为渗透性系数变化曲线。

由以上试验可以得到，通过复合改良剂浓度及掺量对改良后土体的渗透性有一定的影响，可改变渣土的渗透性，具体结论如下：

1)随着改良剂掺量的增大，改良后渣土的渗透系数逐渐降低；

2)随着改良剂浓度的增大，改良后渣土的渗透系数也呈减小趋势；

3)由图4可知，改良剂的浓度由2%变为2.5%时，渗透系数的变化程度相对较大，范围比较广；而当改良剂浓度由2.5%变为3%时，渗透系数的变化程度相对较小，范围比较窄；所以当符合改良剂中泡沫剂与聚合物的比例为10∶1时，应取改良剂的浓度为2.5%，具体掺量应在11%～30%。

5 现场数据分析

盾构隧道所穿越的地层条件主要为中粗砂、砾砂和圆砾，始发段和接收段局部穿越中细砂地层，砂层及砾砂地层粘聚性小、渗透系数较大，开挖渣土不易排出，且当盾构在具有承压水的砂层中掘进时，极易发生螺管机喷涌灾害，严重影响掘进效率和盾构施工安全。

根据实际工程与试验结果，主要采用浓度为2%，3%的泡沫对富水砂层进行改良，同时，常备一定质量比的高分子聚合物防喷涌的发生。根据具体整个区间的地层情况，盾构施工1段(1环～180环)，采用“泡沫剂+高分子聚合物”的方式进行渣土改良，并按照10∶1～5∶1的比例在泡沫剂中混入高分子聚合物，将泡沫剂和聚合物的混合物加水稀释到2%的浓度，通过刀盘前方发泡系统发泡后注入；盾构施工2段(181环～720环)，采用“泡沫剂+高分子聚合物”的方式进行渣土改良，并按照5∶1～4∶1的比例在泡沫剂中混入高分子聚合物，将泡沫剂和聚合物的混合物加水稀释到2%的浓度，通过刀盘前方发泡系统发泡后注入；盾构施工3段(721环～1 185环)，采用“泡沫剂+高分子聚合物”的方式进行渣土改良，并按照4∶1～3∶1的比例在泡沫剂中混入高分子聚合物，将泡沫剂和聚合物的混合物加水稀释到2%的浓度，通过刀盘前方发泡系统发泡后注入；盾构施工4段(1 186环～1440环)，采用“泡沫剂+高分子聚合物”的方式进行渣土改良，并按照5∶1～4∶1的比例在泡沫剂中混入高分子聚合物，将泡沫剂和聚合物的混合物加水稀释到2%的浓度，通过刀盘前方发泡系统发泡后注入。

盾构采用此改良方案在富水砂层中掘进时，推进速度在25 mm/min～35 mm/min之间，扭矩在3 500 kN·m～4 500 kN·m之间，每环出土量在45 m3～52 m3间。通过渣土改良使得土体的内摩擦角降低、粘聚力提高、渗透性降低，达到理想流塑性状态，以致盾构机推进参数符合盾构机正常掘进要求。如图5，图6分别为现场区间1 000环～1 050环的 盾构机掘进过程中的实时数据。

通过对结果进行对比分析，采用上述渣土改良方案时，盾构机在掘进过程的推力、刀盘扭矩、刀盘转速、推进速度均较为稳定，且在理论计算值范围内。结合此处地质条件，隧道穿越地层为富水砂层，添加剂很好地稳定了刀盘扭矩及推进速度，且提高了刀盘转速，说明同时用泡沫剂、高分子聚合物对富水砂性地层进行渣土改良，刀盘的工作参数稳定，渣土改良的效果显著。为以后盾构隧道穿越富水砂性地层提供借鉴意义。

6 结语

通过对渣土改良剂种类、地层适应性等多方面的认识，以及坍落度渗透试验及现场掘进渣土改良效果分析，可得到以下结论：

1)渣土改良剂种类繁多，不同的地层选择不同的渣土改良剂，每种改良剂都有各自的优缺点，针对特殊的地层情况可选择组合的形式形成复合改良剂。

2)结合改良后渣土的坍落度试验，相同含水量条件下，同一种比例的复合改良剂随着掺入量的增大，其坍落度值呈逐渐增大趋势；相同含水量、同一掺量的条件下，随着复合改良剂中聚合物所占比例的增大，其坍落度值基本上呈增大趋势；而且含水量对改良后土体的坍落度有很大的影响，也是影响开挖渣土流动性的一大重要因素。

3)结合改良后渣土的渗透试验，随着改良剂掺量的增大，改良后渣土的渗透系数逐渐降低；随着改良剂浓度的增大，改良后渣土的渗透系数也呈减小趋势，而且当改良剂浓度增加到一定程度上，渗透系数的变化程度会开始减小。

4)通过现场掘进数据可知，采用泡沫剂+高分子聚合物的改良方案的改良效果很好，可以保证盾构机在富水砂性地层中的正常掘进。