饱和粉土粉砂层土压平衡盾构渣土改良技术应用

陆 正（上海市基础工程集团有限公司， 上海 200002）

土压平衡盾构以其施工安全、快速、造价低、施工场地需求小等优势，在我国城市轨道交通建设中得到了广泛的应用。但是，其在富水砂性土层中施工时，容易发生螺旋机喷涌、土压难以稳定、地表沉降难以控制等一系列问题。此时多采用向原状土中加入肥皂水、泡沫剂、膨润土、羧甲基纤维素钠（CMC）等改良材料，以满足盾构掘进施工的需求[1-3]。可在高渗透性、高流动性、易发生振动液化的粉土粉砂层中采用常规的肥皂水、膨润土进行渣土改良的效果极为有限，采用泡沫剂甚至会加剧螺旋机喷涌，而采用聚丙烯酰胺（PAM）水溶液作为渣土改良剂效果显著，可极大改善饱和粉土粉砂层的土质特性，有效避免螺旋机喷涌的风险，保证土压平衡式盾构正常施工的需求。

1 工程概况

1.1 工程概述

天津市地铁 10 号线某区间隧道工程同样采用土压平衡式盾构进行施工，单线长约 1 430 m。在施工过程中，盾构需穿越 ⑥3粉土、⑥4粉砂层，上、下行线穿越段总长约 578 m。根据地勘资料，⑥3粉土、⑥4粉砂层具有含水量大、成流塑状、易振动液化的特性，其渗透系数可达 10-3cm/s。地层渗透系数如表 1 所示。

表1 地层渗透系数

在上述粉砂层中进行土压平衡盾构掘进时，均存在易发生螺旋机喷涌，以及由此引发的土压难以稳定、地表沉降失控等一系列问题。

1.2 螺旋机发生喷涌的原理及危害

土压平衡盾构工作的原理是，在盾构机刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的渣土，渣土通过刀盘开口进入土仓，进而充满土仓及螺旋输送机。同时，盾构千斤顶的推力通过土仓胸板给土仓内的渣土加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。在掘进过程中，通过螺旋输送机来调整出土的速度和出土量，使进土与出土保持动态平衡，从而保证盾构掘进过程中开挖面的稳定。

但是，如果开挖面所处土层渗透系数过大，则在刀盘开挖过程中，渣土由于流动性过好，不能在螺旋机内形成土塞，无法有效平衡掌子面水土压力，导致螺旋机喷涌，大量的泥水从螺旋机出泥口喷出。如此，不但影响到盾构头部的作业环境，更严重的是无法通过控制推进速度和螺旋机转速来控制土仓压力，导致刀盘正面土压力的剧烈波动，进而对刀盘前方土体造成剧烈扰动，影响正面土体的稳定，给盾构施工带来很大的困难，特别是穿越江河段时，还存在江河水涌入隧道，甚至淹没整条隧道的风险。

2 液化土层渣土改良试验

2.1 渣土改良的作用

在土压平衡盾构的施工过程中，特别是在复杂地层或特殊地层中进行盾构施工时，进行必要的渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的重要技术手段，其主要作用如下。

（1）降低盾构机土仓内渣土的流动性，避免发生螺旋机喷涌、掌子面土体失稳，以及进而导致的地表大范围沉降或坍塌事故等灾难性后果。

（2）提高土仓内渣土的黏聚力，提高土仓内渣土的可塑性，在螺旋机内可形成土塞，保证土仓内压力稳定。

2.2 渣土改良试验

试验时，采用盾构掘出的 ⑥3粉土、⑥4粉砂作为试验素材。由于取出的粉砂土已经饱和，其坍落度经测试达到29 cm，因此不需再加水拌合，试样直接加入 PAM 水溶液。采分别用了 1%、2% 浓度的 PAM 水溶液，按照不同掺量加入试样中，经充分搅拌后测取其坍落度[4]。

（1）试验一： 试验材料为饱和粉砂土、PAM 水溶液（1% 浓度）。

取 10 L 饱和粉砂土作为试样素材，再取 1% 浓度的PAM 水溶液，按照 4%、5%、6% 的掺量加入试样中，充分搅拌后测取其坍落度，结果如图 1 所示。

（2）试验二： 试验材料为饱和粉砂土、PAM 水溶液（2% 浓度）。

取 10 L 饱和粉砂土作为试样素材，再取 2% 浓度的PAM 水溶液，按照 1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4% 的掺量加入试样中，充分搅拌后测取其坍落度，结果如图 2所示。

图2 试样改良效果曲线图

2.3 地面改良试验结论

通过对以上地面试验结果进行观察分析，针对 ⑥3粉土、⑥4砂土地层采用 1% 浓度的 PAM 水溶液进行改良试验，当掺量达到 6% 时，其试样坍落度测试可达 20 cm 以下。或者采用 2% 浓度的 PAM 水溶液进行改良试验，当掺量达到 3%～4% 时，试样的坍落度测试也可达 20 cm 以下。

经观察，当试样坍落度 ≤20 cm，已具备良好的塑性、流动性及低渗透性，土体的性质得到了极大的改善，可以满足螺旋机连续排土的要求，避免螺旋机喷涌风险，同时也可以满足渣土外运时的环保要求。

3 工程实际应用

在地面试验的基础上，盾构机实际施工时，通过其自带的加泥加水系统将 PAM 水溶液注入刀盘前方进行渣土改良，并根据螺旋机出土的性状、刀盘扭矩等对 PAM 水溶液的浓度及注入量进行适当调整，以满足盾构连续、安全、高效掘进施工的需求。考虑到盾构自带的水箱容积较大且受限于搅拌能力，直接在其中加入 PAM 颗粒会出现搅拌不均匀的现象，影响到渣土改良的效果。因此，在盾构台车上另行配置了一个约 1.5 m3的小水箱，PAM 颗粒加入小水箱中经充分搅拌溶解后，再抽取到盾构自带水箱中，然后再通过加泥加水系统注入刀盘前方。在施工过程中，采用 1% 浓度的PAM 水溶液，按照 4%～6% 的掺量，螺旋机排出渣土的流塑性有了极大改善。土压波动范围正常，满足盾构正常连续施工需求，有效控制了螺旋机喷涌风险，提高了盾构在液化土中施工的安全与效率。

区间左线盾构约推进至约 20 环刀盘开始出加固土进入液化土层。由图 3 中 21 环至 26 环实际最高、最低土压力的变化可以看出，添加 PAM 水溶液改良前，土压力极其不稳定，波动范围为 0.11～0.33 MPa。同时，掘进过程中推进泵需靠时启时停的方式来保持土压稳定，刀盘扭矩也随土压变化而变化。渣土改良后，土压波动范围为 0.27～0.31 MPa，掘进速度、刀盘扭矩均等参数均恢复正常。改良前后设定土压与实际土压对比如图 3 所示。

图3 改良前后设定土压与实际土压对比曲线图

由图 3 可知，盾构推进 20～25 环时，由于螺旋机排出的砂土含水量、流动性较大，仅通过开关螺旋机后闸门进行出土控制，土压控制较为困难。通过在刀盘前方注入 PAM水溶液后，在后续的推进过程中，渣土和易性得到了显著改善，螺旋机后闸门可 100% 打开进行正常且连续排土，土压控制稳定，有效避免了螺旋机喷涌风险，盾构可正常连续掘进施工。

4 结 语

渣土改良技术是保证土压平衡式盾构在复杂或特殊地层中顺利、安全、高效施工的重要技术手段。天津市地铁10 号线某区间在穿越饱和粉土粉砂层期间，通过采用 PAM（聚丙烯酰胺）水溶液作为渣土改良剂，极大地改善了渣土的流塑性，降低刀盘扭矩，有效避免了螺旋机喷涌风险，使盾构在饱和粉土层中能保持稳定的土压平衡，为控制地表沉降及渣土的环保外运提供强有力的保障，从而保证了盾构在饱和粉土粉砂层中保持安全、顺利、高效的掘进施工。本研究结果可为类似地质条件的盾构法施工提供一些借鉴及参考，推动我国盾构法施工技术的前进与发展。