盾构在富水含砂层中掘进施工的渣土改良技术措施

盾构在富水含砂层中掘进施工的渣土改
良技术措施
摘要：土压平衡盾构法施工因其良好的适应性和安全性等优点，在地铁隧道、大型地下通道等基础设施建设中得到了广泛的应用。

然而，在富水砂层中，土压平衡盾构机掘进施工普遍存在螺旋机喷涌、摩阻力大、推力波动大等难点，影响施工质量并带来较大安全风险。

为解决这个问题，本文过项目实例中上海地区砂性土地质特点，通过合理使用适当比例的高分子聚合物对渣土进行改良，改善盾构施工参数、有效控制喷涌，使盾构法在富水砂性土层中掘进顺利实施。

关键词：盾构法、富水砂层、渣土改良
0、引言
土压平衡盾构机在富水含砂地层中施工有较大的风险，如处理不当，不仅会出现螺旋机喷涌造成涌水、涌砂工程事故，破坏既有隧道结构，同时，将大大缩减盾构机的使用寿命。

在该地层中掘进须对渣土性能进行改良，控制渣土流塑性满足出土要求。

随着盾构法施工配套技术的逐渐完善，渣土的管理和改良对改善盾构机在不良地层（特别是富水砂层）中推进性能的作用，越来越引起工程建设者们的重视。

1工程概况
1.1、项目概况
硬X射线自由电子激光装置项目主要由长约3.2km地下隧道、5个竖井及竖井附近的地面设施组成。

其中，一号井至二号井区间隧道里程范围SK0+000.000~SK1+430.000，长度1430m，隧道内径φ6300mm、外径φ7000mm。

采用一台直径φ7200土压平衡盾构机掘进施工，隧道最大纵坡为0.02％，顶覆土厚度26.0~32.4m。

图1项目平面布置图
1.2、工程地质情况
区间隧道主要位于⑦1草黄色砂质粉土，该土层主要力学性能参数为：含水量27.5%、重度19.0KN/m3、孔隙比0.778、地基承载力特征值418kPa、渗透系数Kv=4.21E-04cm/s。

⑦1草黄色砂质粉土为上海第一承压含水层，透水性强，在一定动水压力作用下易产生流砂现象。

图2盾构穿越富水含砂层地层图
1.3、难点分析
⑦1草黄色砂质粉土为承压水层，在水动力作用下，易产生流砂、管涌、坍塌等现象。

土压平衡盾构在该土层中施工，易发生螺旋机喷涌，导致掘进面不稳定；突发性的涌水和流砂还将引起地面较大沉降，严重时会造成地面突然塌陷。

因此，亟需对盾构掘进渣土进行改良，以改善出土状态及推进稳定性。

2、渣土改良的作用
在盾构的施工过程中，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：
2.1、提高土仓内渣土的抗渗透能力，避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故，也可有效防止螺旋机喷涌现象；
2.2、降低土仓内渣土及开挖面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损，有效降低刀盘扭矩，提高盾构掘进效率；
2.3、降低土仓内渣土及开挖面土体的黏聚力，提高土仓内渣土的可塑性，防止渣土粘结在刀盘上结成泥饼；
2.4、提高土仓内渣土的和易性，使切削下来的渣土顺利快速进入土仓并利于螺旋机顺利排土；
2.5、使渣土具有良好的土压平衡效果，有利于稳定开挖面并控制地表沉降；
2.6、渣土改良剂起到一定的冷却作用，可适当降低刀盘刀具的工作温度。

3、渣土改良剂的选择
在土压平衡盾构施工中，渣土改良使用的改良剂主要有泡沫剂、膨润土浆、高分子聚合物、水4类。

根据改良剂物理化学性质及工程应用，各类型改良剂的原理、效果分析情况如下：
3.1、泡沫剂
主要成分为料烷基蔗糖苷、液料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、粉料黄蜀葵胶以及水；泡沫剂主要作用为改善土仓和螺旋机内的渣土的流动性能，便于渣土的运输和流动，盾构施工在富水地层中由于其不能很好的抑制水份，无法有效填充颗粒间的空隙，因此难以抑制富水砂层螺旋机喷涌风险，砂性土改良效果一般。

3.2、膨润土浆
主要成分为蒙脱石；膨润土浆具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。

可在开挖面上形成低渗透性的泥膜，有利于平衡水土压力；可改变土仓内渣土的和易性，提高砂土的塑性，有效减少喷涌；改善刀盘、刀具及螺旋机的工作环境，减少扭矩及刀具磨损等。

膨润土浆需经过12h以上的预膨胀阶段，
且需布置制泥设备及储泥槽等占地面积较大的设备，大规模应用时会影响到盾构施工效率。

3.3、高分子聚合物
主要成分为聚氯乙烯分子；高分子聚合物是一种均质的液体泡沫剂，可单独使用也可与膨润土及泡沫剂混合使用，对渣土改良可以起到立竿见影的效果。

使盾构前方土体均匀、加大土的坍落度、降低土的渗透系数，起到隔水作用；降低刀盘扭矩，减少机具磨损；减少土的粘性，防止“泥饼”现象，其中高吸水性树脂吸水而不溶于水，可吸收自身质量几百倍的地下水成为胶凝状态，对防止高压水地基的喷涌有很好的效果；同时，树脂还可以有效填充砂土的颗粒间隙，提高土体的流动性。

而水溶性高分子类可以链接混合渣土中的微小颗粒，在土粒间形成絮状凝聚物，使其发生粘结，可以减少内摩擦角，提高流动性，增大渣土的黏性，使其具有良好的泵送性。

3.4、水
是最普通的添加剂，起到冷却和润滑作用，能在一定程度上降低开挖面温度，减少刀具磨损，但如果渣土的物理状态不好，含水量高，则改良效果一般，甚至产生不良的反作用，只能在渣土改良效果要求不高的土层中应用。

表1改良剂对比表
经综合比选，本项目选择水溶性高分子聚合物（主要成分为聚氯乙烯分子）作为盾构穿越⑦1草黄色砂质粉土的渣土改良剂，通过掺入一定比例的高分子聚合物改善砂性土的流塑性，使盾构机土仓内渣土经螺旋机平稳顺滑排出。

4、渣土改良剂的试验
通过试配试验，确定最佳掺入比例，以土样的塌落度作为其改良效果的主要判定依据。

项目实施前取8‰浓度的高分子聚合物溶液，按照3%、6%、9%、12%的掺量（指质量）加入到试样中，充分搅拌后测取其坍落度，具体如下：
表2掺入量试验表
图3掺入量试验
经试验，针对⑦1草黄色砂质粉土地层，当采用8‰浓度的高分子聚合物溶液，按照9%~12%的掺量，试样坍落度≤12cm，此时试样已具备良好的粘聚性、流动性及低渗透性。

土体的流塑性得到了极大的改善，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，可以满足渣土外运时的环保要求。

5、渣土改良实施
5.1、改良剂加入设备选择
现场施工人员将高分子类聚合物颗粒加入现场 1.2m3自制的聚合物拌制箱进行拌制，再通过水泵将聚合物拌制箱的液体抽到盾构机自带水箱内，再由盾构机自带水箱输送盾构机头部。

图4改良剂加入设备选择
5.2、改良剂加入量的控制
通过单环盾构掘进土方量及掺入比计算单环掺入总量，均分至每10cm掘进行程，制定掺入量控制表，指导现场施工，确保掺入均匀、改良效果达到最佳状态。

表3掺入量控制表
6、渣土改良前后对比
本项目硬X射线自由电子激光装置一号工作井~二号工作井区间隧道于2021年1月15日始盾构发，至2021年8月10日盾构顺利接收。

经改良后（21~952环）渣土的流塑性得到了极大改善，可满足螺旋机连续排土的要求，推进速度、刀盘扭矩及土压力等参数均处于相对稳定的状态，有效避免了螺旋机喷涌风险，使盾构在富水砂土中可以保持高效、安全的掘进施工。

6.1、渣土改良前，由于渣土较稀，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聚合物溶液后，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，土压控制稳定，施工出土正常，再无喷涌情况，盾构可正常连续掘进施工。

6.2、渣土改良后，盾构推进速度下降的同时，刀盘扭矩及总推力均在增大，其中，刀盘扭矩的上升幅度明显。

通过在刀盘前方注入聚合物溶液进行渣土改良，在后续的推进过程中，推进速度均值提升至40~50mm/min，刀盘扭矩则基本保持在4000KN.m左右，总推力的也相对稳定，盾构机保持较为稳定的施工参数进行推进施工。

图5渣土改良前后对比
图6渣土改良前后施工参数波动对比
7、结语
在富水含砂层中采用土压平衡盾构施工有较大的难度和风险，关键控制点在于渣土改良控制，使渣土具备良好的流塑性，确保工程安全实施和隧道成品质量。

需重点在以下环节进行控制：
7.1、根据项目实际地质水文条件、盾构掘进土层特性，选择合理的渣土改良剂，对富水含砂土层采用聚合物改善其流塑性。

7.2、做好试验分析结果，选择适当的掺入比例，使渣土流塑性满足盾构掘进施工要求。

7.3、结合盾构设备情况选用合理经济的实施设备。

7.4、制定操作控制标准，保证改良效果。

本项目作为典型的富水含砂土层土压盾构施工，通过选用适当比例聚合物对渣土进行改良，渣土性质得到有效改善。

渣土改良后流塑性良好，避免螺旋机喷涌发生，保障盾构施工安全；盾构掘进参数稳定，施工顺利进行；同时，为以后类似工程的实施提供参考。

参考文献：
[1]富水含砂层掘进中的渣土改良及喷涌控制技术.刘华
[2]复杂地层中盾构施工渣土改良技术研究.宋立平
[3]复杂地层中盾构法隧道渣土改良技术.王明盛。