[分享]富水砂层土压平衡盾构渣土改良应用研究

近年来，我国经济的蓬勃快速发展，人民生活水平显著提高，交通拥堵的问题迫在眉睫。为缓解交通压力，加速城市建设，我国各大城市相继开始建设地铁。土压平衡盾构法以其地层适应性广、作业方式安全、掘进速度快及对环境影响小等特点在地铁区间隧道施工中得到了广泛的应用。截至 2018 年，土压平衡盾构法在北京、广州、武汉、宁波、福州等地铁施工中已得到广泛应用。

富水砂层是一种非常典型的软弱地层，具有稳定性和高灵敏度等特性，在盾构掘进过程中，原有平衡状态易遭受破坏，致使开挖面失去稳定，导致地表沉降或塌陷，危害施工及地面建筑物的安全。砂土的流塑性较差，传送效果差，排土困难。福州市规划的地铁一、二、四、五和六号地铁线路都将经过砂层。在福州地铁一、二号线施工过程中，发现针对普通土层设计的土压平衡盾构机在富水砂层掘进中效果不是很好。因此，对于富水砂层中渣土改良方法的研究，对指导土压平衡式盾构机在富水砂层中掘进施工是十分有意义的。

国内外学者在针对盾构施工渣土改良方面已做了大量的理论研究和试验研究。Sotiris 通过试验研究发现，在砂土中混入泡沫后，砂土混合物具有较高的压缩性，且抗剪强度相比原砂土减少十分明显。Jancsecz 等。

研究得出：泡沫能够有效地改善黏性土的流塑性。王明胜通过注入膨润土浆液、发泡剂、水和高分子聚合物对盾构渣土进行改良，取得了良好效果。黄德中等依据上海外滩通道工程，通过现场试验、室内试验以及模拟实验，分析了超大直径土压平衡盾构的渣土改良适应性问题。魏康林通过长期室内土体改良试验研究，提出了膨润土和泡沫与土体相互作用的内在机理。魏康林发现，改良后土体有利于保持掌子面的土压平衡，还大大降低了盾构掘进阻力与机械负荷。这一发现对于保证盾构机顺利快速推进具有非常重要的意义。本文在前人的基础上，开展不同添加剂对福州富水砂层渣土改良研究，对富水砂层盾构施工具有指导意义。

土压平衡盾构机在砂土施工中的主要问题在土压平衡式盾构施工中，要求掌子面范围内的土体具有一定的流塑性和低渗透性，在盾构施工中，渣土需充满土仓确保掌子面地层稳定。同时，用螺旋输送机排土，保持排土量和刀盘切削量平衡，确保掌子面的土压平衡。盾构机在穿越含富水砂层地质中施工的不利影响主要表现为3个方

（1）砂土黏聚力小，标贯击数高、摩擦阻力大，在盾构掘进时，当刀盘切削下来的渣土进入土盾构机内部时，会增加螺旋输送机的转矩和盾构机的施工阻力，直接导致施工进度缓慢，增加施工成本。

（2）在富水砂层进行盾构掘进施工时，掌子面的地层对盾构机内部的土仓压力变化反应非常灵敏。且盾构施工易破坏原地层的结构平衡，造成大面积的坍塌，从而导致开挖面土压力无法控制，易出现冒顶、喷涌等施工问题，引起地面沉降，危害施工人员及周边建筑物的安全。

（3）砂层地层掘进的渣土流塑性差，砂粒与砂粒之间的摩擦阻力大，且砂层密实大。盾构机施工时需克服地层的推力相比普通地层大大增加，且螺旋输送机排土难度高，容易在土仓内部堆积，进一步增大刀盘部位扭矩，致使盾构姿态控制难度大大提高，影响盾构施工进度。

2 土压平衡盾构施工中渣土改良的主要措施

大量工程实践研究表明，在盾构掘进过程中，进行土体改良是保证盾构施工顺利、安全和快速的重要技术手段之一。进行渣土改良具有如下作用：使开挖面土层具有一定的流塑性和较低的渗透性，进而形成较好的土压平衡效果，减少原地层平衡的扰动从而保持开挖面的稳定，可有效地控制地表沉降；可以改善渣土的流塑状态，使刀盘切削下来的渣土能够顺利快速进入盾构机土仓内，并利于螺旋输送机排土；改良的渣土具有较低的渗透系数，有较好的止水性，可以有效避免因盾构出土而引起的喷涌现象。改良后的砂土摩擦阻力小，可减小盾构的施工阻力和盾构机体的磨损，可有效地控制盾构掘进姿态，提高掘进效率。在渣土改良中一般使用的材料大致可以分为 4 类，这些材料有时各自单独使用，也可以组合使用。

2.1 矿物类

渣土改良的主要目的是使原土层成为具有一定的流动性和不透水性的土，可以在渣土中加入一些细颗粒，改善渣土的物理力学特性。

2.2 高吸水性树脂类

高吸水性树脂可以吸收自重几百倍的水，从而形成一种胶凝状态。所以，高吸水性树脂材料在对防止高水压地基的喷涌方面有很好的效果。

2.3 水溶性高分子类

水溶性高分子类材料可有效地改变渣土的力学性能。

2.4 界面活性材料类

界面活性材料类是一种比较先进的渣土改良的方法，主要是通过注入用特殊发泡剂和压缩空气制作的泡沫对渣土进行改良。在土压平衡式盾构掘进过程中，可以通过注入气泡到盾构机内与开挖土混合，对开挖土体进行改良。

3 试验研究

3.1 工程概况

本文试验土样取自于福州地铁 2 号线桔园洲站~洪湾站区间隧道，属于砂土。桔园洲站~洪湾站区间区间采用土压平衡盾构法施工，其土样物理力学指标如表2所示。

3.2 渣土改良试验

试验前称取一定数量的土样并加水，使其达到目标含水率；充分调匀后加入改良材料，并进行搅拌，观察改良后渣土的物理力学特性。

（1）1#，2#、3#分别为加入不同泡沫前后砂土改良效果对比试验。加入170 g水（17%）模拟实际地质富含饱和水。可以发现：未加泡沫改良的砂性土没有流动性和坍落度，加入泡沫搅拌均匀后，砂性土流塑性好，坍落度随泡沫剂含量的增加而变大，改良效果如图1所示。

（2）图2—4（4#~7#泡沫）为不同改良手段（膨润土泥浆、高分子聚合物、膨润土泥浆+高分子聚合物、泡沫剂）的渣土改良试验，加入17%的水模拟富含饱和水。

 

 

由图 2—4 可以得出：单一的膨润土对砂土的改良效果不是很明显，在加入少许的聚合物后，砂粒间产生一定的粘连，改良效果显著；聚合物和泡沫对砂土的改良效果明显，改良后沙土具有一定的流动性。

（3）8#是模拟极端富水条件下的砂土改良试验。试验结果表明聚合物可以有效改良渣土性能，改良后渣土不泌水。

4 结语

本文通过对桔洪区间砂土进行改良，主要得到如下结论。

（1）鉴于高分子聚合物具有优异的吸水特性和砂地层富含水和高渗透析水的特点，根据试验结果可以将高分子聚合物改良砂土列为应急方案。安全起见，将聚合物与其他改良手段配合使用，降低透水喷涌施工风险。

（2）泡沫剂可以有效改善渣土的流塑性润滑刀盘，稳定开挖面，易于出土。

（3）膨润土泥浆改良，渣土离析泌水严重，不建议采用。考虑使用膨润土的经济性，膨润土可和其他改良剂混合使用，亦可以达到预期效果。

文章来源：（中国知网）