土压平衡盾构通用型渣土改良技术研究

摘 要：为解决城市地铁土压平衡盾构施工中经常出现的结泥饼、喷涌等重大安全隐患问题。本文对不同地质环境下的渣土渗透系数、内摩擦角、渣土保水率和渣土抗水分散等进行试验研究，并系统分析改良后渣土内摩擦角变化、抗剪强度变化、不同压强下渣土含水量变化、改良后渣土渗透系数变化以及抗水分散性变化。本文提出低浓度阴离子1600万分子量的聚丙烯酰胺溶液和5000分子量聚丙烯酸钠溶液具有良好的渣土改良效果，能适应所有盾构施工地层，其中聚丙烯酰胺是最好的改良剂，针对不同地质环境提出了土压平衡盾构通用型最优改良方案及改良剂最佳配比。

关键词：城市地铁；渣土改良；通用型；土压平衡；盾构施工

中图分类号：U 45" " 文献标志码：A

土压平衡盾构广泛应用于城市地铁施工中，我国各地城市地铁所处的水文地质及穿越的地下环境极其复杂多变，因此盾构在掘进中会出现掘进姿态难以控制、刀盘磨损严重、盾构扭矩过大、刀盘泥饼、隧道超挖、地表沉降过大等一系列复杂问题。因此，很多学者对此进行相应研究，例如：刘霆宇等[1]进行土压平衡盾构改良渣土坍落度试验，吉力此且等[2]针对大粒径卵石地层土压平衡盾构施工提出了渣土改良最优方案，崔灿[3]针对富水砂层土压平衡盾构渣土改良进行试验研究，并提出了相应改良方案，王树英等[4]针对富水砾砂地层提出了渣土改良措施，黄逢源等[5]针对富水复合地层土压平衡盾构渣土改良进行试验研究，齐飞等[6]对土压平衡盾构砂卵石渣土改良效果进行研究等。目前渣土改良的研究成果主要针对某一特定的地质环境，不具有通用性，因此为了找到可适用于不同地质环境的土压平衡盾构渣土改良最佳方案，本文对不同地质环境下的渣土进行改良试验研究，并提出了不同地质环境下的土压平衡盾构改良试验理论及最优改良方案的相关参数，为类似工程研究、设计以及施工提供借鉴。

1 试验材料

为了解决土压平衡盾构施工中渣土可能结泥饼或者喷涌的问题，本试验在渣土合适塌落度区间内对不同改良剂配比进行改良，并选出最佳的渣土改良剂及其配比，以此使改良后的渣土既能防结泥饼又能防喷涌，从而更好地满足施工现场要求。

纯砂：主要矿物组成为石英、云母、长石等，经实测内摩擦角为35.9°。

砂卵石：卵石体积占比30%的砂卵石，砂卵石主要矿物组成为石英、云母、长石等，经实测内摩擦角为38.6°。

粉碎的泥岩：试验所用的泥岩是经过粉碎后细化的泥岩，泥岩内摩擦角为45.8°，松散体黏聚力为18.7kPa。

砂卵石＋泥岩（复合地层）：盾构施工开挖面一半砂卵石一半泥岩，它是两种土样的结合，所选用泥岩内摩擦角为45.8°，松散体黏聚力为18.7kPa，砂土内擦角为38.6°。

聚丙烯酰胺：聚丙烯酰胺为阴离子型絮凝剂，少量掺入后即可对渣土起到增稠、保水等作用，按分子量可分为低分子量型、高分子量型。

聚丙烯酸钠：将聚丙烯酸钠作为阴离子增稠剂和保水剂。采用5000分子量的聚丙烯酸钠。

CMC：羧甲基纤维素（CMC）。

膨润土：膨润土为蒙脱石矿物。选用钠基膨润土。

水：选用的水为四川省成都市的自来水。

2 试验方法及试验过程

2.1 试验方法

根据有关文献及工程经验，渗透系数、内摩擦角、渣土保水率和渣土抗水分散对渣土结泥饼指标和喷涌指标影响最大，因此对其进行相应试验。

2.1.1 渣土渗透系数测定方法

渣土的渗透率：通过渗透系数反应，渗透系数越大则透水性越强，由于渣土改良后渗透率都会降低，因此采用变水头法（砂卵石、泥岩，泥岩和砂卵石混合）测定渣土的渗透系数，从而判断其渗透率。

2.1.2 渣土内摩擦角测定方法

可以通过抗剪强度线的斜率求得渣土的内摩擦角，因此可采用直接剪切试验求得内摩擦角。

2.1.3 渣土保水率测定方法

测定渣土的保水率包括2个参数指标：同种坍落度条件下不同改良方法渣土的含水率；同种坍落度、对渣土施加压力相等（渣土水要流失）、一定时间条件下，渣土中剩余的含水率与渣土水的流失率。用烘干法测定土的含水率。

2.1.4 渣土抗水分散性测定方法

通过自制的抗冲刷性能测试装置（图1），测量渣土经过不同流速的水冲刷后的残余质量。该水槽设置了一个进水口和一个出水口，并在进水口设置微型水泵以控制水流速度。在水流稳定后，将500g渣土直接倒入离出水口约30cm的槽底。在出水口的水流不再浑浊后，测定留在槽底的渣土质量，其与初始渣土质量的比值则为浆液的冲刷质量残留率。将流速分别控制为0.1m/s、0.2m/s和0.3m/s。

2.2 试验过程

试验过程主要包括确定合理塌落度区间，配制渣土改良剂，配制泡沫剂，混合搅拌均匀后进行直剪试验，保水率试验，变水头试验。

2.2.1 确定合理塌落度区间

土压平衡盾构安全快速施工的关键是土仓内的土体能够形成“流塑性状态”，即开挖后的土体具有较好的和易性、较低的剪切性以及较大的抗渗性，使掌子面能够保持稳定且渣土能够顺利排出。

根据现场试验并查阅相关文献，确定合理塌落度区间为10～15cm。改良后，泥岩的塌落度为12cm。

2.2.2 配置渣土改良剂

试验采用的渣土改良剂有1600万分子量聚丙烯酰胺溶液、5000分子量聚丙烯酸钠溶液、CMC溶液，膨润土。将前3种聚合物采用相同自身浓度和相同掺入质量比进行对比试验。配置步骤如下。①在高精度天平上放一张白纸并去皮，在上面称量0.1g、0.2g、0.3g改良剂溶质。并准备2L清水。②混合上述改良剂溶剂和清水，并且搅拌均匀，对应质量比分别为50g∶1t、100g∶1t、150g∶1t。③配置改良剂溶液。配制低浓度阴离子1600万分子量聚丙烯酰胺溶液，质量分别比为50g∶1t、100g∶1t、150g∶1t；配制5000分子量聚丙烯酰钠溶液，质量比分别为50g∶1t、100g∶1t、150g∶1t；配制CMC溶液，质量比分别为50g∶1t、100g∶1t、150g∶1t。

取渣土试样8.9kg～9.6kg，按照相应按照5%、7.5%、10%的质量浓度依次加入改良剂溶液。考虑及时使用泡沫剂能保证功效，因此在配制好其余材料后立即使用泡沫发生设备产生体积浓度3%、发泡倍率为15的泡沫剂溶液。试验采用膨润土与水的比例为1∶4（质量比例），掺入改良剂溶液浓度为7.5%的改良渣土与聚合物改良渣土形成对照。

2.2.3 直剪试验

采用ZJ型应变式控制直剪仪测定改良后的渣土内摩擦角。

2.2.4 保水率试验

保水率试验测试装置利用直剪仪加载系统、盛样盒进行试验，JC101电热鼓风干燥箱对土样进行烘干试验。

2.2.5 渗透试验

将盛有改良后渣土的环刀套入护筒，装好各部位止水圈。将试样上下透水石和滤纸按先后顺序装好，盖上顶盖，拧紧顶部螺丝，不得漏水漏气。同时将装好试样的渗透仪进水口与水头装置（测压管）相连。注意及时向测压管中补充水源，补水时，关闭进水口。

在向试样渗透前，由底部排气嘴出水，排除底部空气，排至排气嘴无气泡时，关闭排气嘴，水自下向上渗流，由顶部出水管排水。

在不大于200cm水头作用下，静置一段时间，待出水管有水溢出后即可开始测定。

3 试验结果分析

3.1 改良后渣土内摩擦角变化分析

试验分别对纯砂、砂卵石、泥岩、复合土层4种盾构土层先后加入泡沫剂和改良剂，包括1600万分子量聚丙烯酰胺溶液、5000分子量聚丙烯酸钠溶液、CMC溶液，膨润土，如图2～图6所示。分析试验数据可知，当加入的聚合物是1600万分子量聚丙烯酰胺时，若改良剂掺入质量比不变，则随着改良剂质量比由50g∶1t增至100g∶1t，再到150g∶1t，改良后渣土的内摩擦角会逐渐变小。若改良剂质量比不变，则改良剂掺入率增加，由5%到7.5%，再到10%，改良后渣土的内摩擦角也会逐渐变小。试验表明，加入改良剂能够使渣土内摩擦角变小。

当加入的聚合物是5000分子量聚丙烯酸钠时，若改良剂掺入质量比不变，则随着改良剂质量比由50g∶1t增至100g∶1t，再到150g∶1t，改良后渣土的内摩擦角会逐渐变小。若改良剂浓度不变，则改良剂掺入率增加，由5%到7.5%，再到10%，改良后渣土的内摩擦角也会逐渐变小。试验表明，加入5000分子量聚丙烯酸钠改良剂后，也能够使渣土内摩擦角变小。

当加入的聚合物是CMC时，若改良剂掺入质量比不变，则随着改良剂质量比由50g∶1t增至100g∶1t，再到150g∶1t，改良后渣土的内摩擦角会有变小的趋势，但是幅度很小。若改良剂质量比不变，则改良剂掺入率增加，由5%到7.5%，再到10%，改良后渣土的内摩擦角也会有变小的趋势但是幅度很小。说明CMC溶液的改良效果并不明显。

由图2可知，在纯砂土层中改良渣土，随着改良剂浓度增加，CMC溶液改良的渣土内摩擦角变化极小，聚丙烯酰胺溶液改良的渣土内摩擦角，先急剧变小后缓慢变小，且变小较为显著；聚丙烯酸钠溶液改良的渣土内摩擦角逐渐变小，且变小较为显著。

由图3可知，在砂卵石土层中改良渣土，随着改良剂浓度增加，CMC溶液改良的渣土内摩擦角变化极小，聚丙烯酰胺溶液改良的渣土内摩擦角，逐渐变小且变化幅度明显；聚丙烯酸钠溶液改良的渣土内摩擦角逐渐变小且变化幅度明显。

由图4可知，在泥岩土层中改良渣土，随着改良剂浓度增加，CMC溶液改良的渣土内摩擦角变化极小，聚丙烯酰胺溶液改良的渣土内摩擦角，先急剧变小后缓慢变小；聚丙烯酸钠溶液改良的渣土内摩擦角先急剧变小后缓慢变小。

由图5可知，在复合土层中改良渣土，随着改良剂浓度增加，CMC溶液改良的渣土内摩擦角变化极小，聚丙烯酰胺溶液改良的渣土内摩擦角，先急剧变小后缓慢变小，且变小较为显著；聚丙烯酸钠溶液改良的渣土内摩擦角先急剧变小后缓慢变小，且变小较为显著。

由图6可知，当对比相同土层，相同浓度，相同改良剂掺入质量比时，各聚合物改良下渣土的内摩擦角变化（以质量比50g∶1t，改良剂掺入率5%为例），此时聚丙烯酰胺改良后渣土内摩擦角为28.9°，聚丙烯酸钠改良后渣土内摩擦角为33.41°，CMC改良后渣土内摩擦角为35.7°。施工现场常用的膨水比为1∶6、掺入率7.5%的膨润土，改良后渣土内摩擦角为33.5°，试验表明聚丙烯酰胺改良效果＞聚丙烯酸钠改良效果＞膨润土改良效果＞CMC溶液改良效果，随着聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠的浓度或改良剂掺入质量比变大，改良的效果愈发明显。

3.2 改良后渣土抗剪强度变化分析

改良剂掺入率为5%，掺入质量比为50g∶1t，膨润土则选取掺入率为7.5%，膨润土与水的比例为1∶4（质量比例）来绘制不同改良剂下纯砂、砂卵石、泥岩土层、复合土层在加压过程中抗剪强度变化曲线。结果如图7～图10所示。

分析抗剪强度变化曲线可以得出，随着正应力增加，改良后渣土的抗剪强度增加，改良后渣土的抗剪强度-正应力变化曲线近似为一条直线，符合土的抗剪强度变化基本规律。

抗剪强度变化曲线的斜率k值为改良后渣土的内摩擦角的正切值，而纵截距则表示该改良后渣土的黏聚力，以纯砂土层抗剪强度变化曲线为例，由图7～图 10可知聚丙烯酰胺改良后渣土内摩擦角＜聚丙烯酸钠改良后渣土内摩擦角＜膨润土改良后渣土内摩擦角＜CMC改良后渣土内摩擦角，即在同一浓度，同一掺入质量比，同一土层情况下，聚丙烯酰胺溶液改良效果＞聚丙烯酸钠溶液＞膨润土＞CMC溶液，而砂卵石，泥岩，复合土层变坏规律与纯砂石土层一致，所得结论也一致。

由图7可知，在纯砂土层中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线在其他方案的上方，即CMC溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线斜率最大，聚丙烯酰胺溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线斜率最小。

由图8可知，在砂卵石土层中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线位于其他方案的上方，即CMC溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线斜率最大，聚丙烯酰胺溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线斜率最小。

由图9可知，在泥岩土层中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线位于其他方案的上方，即CMC溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线斜率最大，聚丙烯酰胺溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线斜率最小。

由图10可知，在复合土层中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线位于其他方案的上方，即CMC溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线斜率最大，聚丙烯酰胺溶液改良后渣土抗剪强度变化曲线斜率最小。

在不同土层中的渣土改良方案中，CMC溶液改良后渣土抗剪强度均表现最佳，聚丙烯酰胺溶液改良方案较差，同时CMC溶液渣土改良在不同土层中的表现情况说明其最适应泥岩土层。抗剪强度越低，表明改良后渣土在达到一定正应力后，容易剪破，从而不容易结泥饼。试验表明聚丙烯酰胺溶液改良后最不容易结泥饼，其次是聚丙烯酸钠和膨润土，最次是CMC溶液。

3.3 不同压强下渣土含水量变化分析

试验分别对纯砂、砂卵石、泥岩、复合地层4种盾构渣土先后加入泡沫和改良剂，改良剂包括膨润土、1600万分子量聚丙烯酰胺溶液、5000分子量聚丙烯酸钠溶液、CMC溶液。分别测定其在0kPa、200kPa、300kPa、400kPa压强下的含水量。

试验结果分析可知，低浓度阴离子1600万分子量的聚丙烯酰胺和低浓度阴离子5000分子量的聚丙烯酸钠具有良好的渣土改良效果，能够显著提高4种渣土的保水率。1600万分子量的聚丙烯酰胺和低阴离子浓度5000分子量的聚丙烯酸钠能适应砂土、砂卵石、泥岩、复合土层4种试验地层；而CMC改良剂的改良效果则不如上述两种聚合物。在改良剂浓度和改良剂掺入质量比不变的前提下，不同渣土含水量在加压过程中的变化规律几乎一致。表现为压强越大，渣土含水量越低，且随着压强越来越大，含水量降低幅度也越来越小。4种渣土在1600万分子量聚丙烯酰胺水溶液改良后，在竖向加压荷载下都拥有最高的含水量。并且在1600万分子量聚丙烯酰胺水溶液改良后，随着压强增加，含水量降低幅度都最小。说明1600万分子量聚丙烯酰胺水溶液改良剂改良渣土后，渣土在竖向加压下具有更好的保水率。同样可以分析其他3种改良剂对于渣土保水率改良的效果从好到坏依次是聚丙烯酸钠水溶液、膨润土、CMC水溶液。

3.4 改良后渣土渗透系数变化分析

渗透系数是评价土体渗透性的直接指标，降低土体的渗透性可以阻止地下水的大量进入，从而降低喷涌的可能性，有利于维持土仓与开挖面的压力平衡。

试验结果显示当加入的聚合物是1600万分子量聚丙烯酰胺时。若改良剂掺入质量比不变，则随着改良剂质量比由50g∶1t增至100g：1t，再到150g∶1t，改良后渣土的渗透系数会逐渐变小。若改良剂质量比不变，则改良剂掺入率加大，由5%增至7.5%，再到10%，改良后渣土的渗透系数也会逐渐变小。试验表明加入改良剂后，能够减少渣土渗透系数。

3.5 改良后渣土抗水分散性变化分析

在同等流速条件下，改良后的渣土在一定时间内的流失质量越大，越容易喷涌。为使渣土不易喷涌，试验分别对纯砂、砂卵石、泥岩以及复合地层4种盾构渣土先后加入泡沫＋改良剂，改良剂包括膨润土、1600万分子量聚丙烯酰胺溶液、5000分子量聚丙烯酸钠溶液、CMC溶液，分别测定其在0.1m/s、0.2m/s和0.3m/s的不同流速条件下的渣土质量残留率，以选择适合不同渣土的改良剂及其配比。

在相同土层，相同改良剂，相同流速的情况下，以聚丙烯酰胺溶液为例。改良后泥岩的质量残留率＞改良后复合土的质量残留率＞改良后砂石土的质量残留率＞改良后砂卵石土的质量残留率，表明聚丙烯酰胺溶液浓度和掺入质量比一定的情况下，聚丙烯酰胺溶液对泥岩的改良效果＞复合土层＞砂石＞砂卵石。聚丙烯酸钠溶液变化规律同聚丙烯酰胺溶液一致，两者都是优良的改良剂，能够适应所有的施工地层。

4 结论

低浓度阴离子1600万分子量的聚丙烯酰胺溶液和5000分子量聚丙烯酸钠溶液具有良好的渣土改良效果，能够使渣土的内摩擦角变小，并减少渗透系数，随着浓度增加或者掺入质量比变大，改良效果越明显，能适应所有盾构施工地层，其中，聚丙烯酰胺是最好的改良剂。

在同种塌落度、同一浓度、同一掺入质量比的条件下，聚合物改良剂对泥岩的改良效果＞半砂卵石+半泥岩＞纯砂＞砂卵石，理想渣土状态：适当内摩擦角、低渗透率、高抗水分散性和高保水率的塑性状态。

本文针对土压平衡盾构提出了通用型渣土改良方案及改良剂最佳配比。纯砂地层取体积浓度3%、发泡倍率为15泡沫剂+质量比50g∶1t、改良剂掺入率为7.5%低浓度阴离子1600万分子量的聚丙烯酰胺溶液作为最佳配比；砂卵石地层取体积浓度3%、发泡倍率为15泡沫剂+质量比50g∶1t、改良剂掺入率为5%低浓度阴离子1600万分子量的聚丙烯酰胺溶液作为最佳配比；泥岩地层取体积浓度3%、发泡倍率为15泡沫剂+质量比50g∶1t、改良剂掺入率为10%低浓度阴离子1600万分子量的聚丙烯酰胺溶液作为最佳配比；复合地层取体积浓度3%、发泡倍率为15泡沫剂+质量比50g∶1t、改良剂掺入率为7.5%低浓度阴离子1600万分子量的聚丙烯酰胺溶液作为最佳配比。

参考文献

[1]刘霆宇，王树英，钟嘉政.土压平衡盾构改良渣土坍落度试验与理论研究综述[J].现代隧道技术，2023，60（2）：1-13.

[2]吉力此且，路军富，王国义.大粒径卵石地层土压平衡盾构施工的渣土改良[J].城市轨道交通研究，2022，25（8）：126-131.

[3]崔灿.富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验研究[J].路基工程，2023（5）：136-141.

[4]王树英，汪来，杨鹏，等.渣土改良下盾构掘进富水砾砂地层响应研究[J].隧道建设（中英文），2023，43（增刊1）：87-97.

[5]黄逢源，张康健，陈登开，等.富水复合地层土压平衡盾构渣土改良试验研究[J].现代隧道技术，2023，60（1）：262-269，280.

[6]齐飞，刘江涛，钟小春，等.泡沫稳定性对土压平衡盾构砂卵石渣土改良效果[J].河海大学学报（自然科学版），2023，51（1）：105-109，137.