富水砂层盾构掘进碴土改良技术
富水砂层盾构施工技术及掘进问题分析 刘申
富水砂层盾构施工技术及掘进问题分析刘申摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，在盾构施工过程中土层的状态各不相同，而部分土层结构会极大地增加盾构施工难度，如在富水砂层盾构施工时就极易出现地层的沉降与塌陷，针对这一问题施工人员优化了富水砂层盾构施工技术并取得了良好的收效。
关键词：富水砂层;盾构施工;掘进参数;渣土改良引言盾构在富水砂层中施工，除存在较大的施工风险外，还会遇到众多的施工难点。
文章以沈阳地铁为例，从盾构的选型与性能设计、掘进参数的合理选择、渣土改良方案比选与实施等方面介绍富水砂层中土压平衡盾构施工的一些关键技术，为类似施工提供参考。
1工程概况沈阳地铁九号线一期工程土建施工第二十三合同段曹仲车辆段出入段线于2016年8月19日正式开工，本标段位于沈阳市和平区蓝海经济开发区曹仲屯村，沿民致街进入车辆段，出入段线全长1.985km。
施工方法为明挖法+盾构法。
本工程正线区间设两处盾构井，一号盾构始发井结合轨排井修建，盾构井总长58m；二号盾构接收井位于民致街西侧曹仲屯村农用地内，盾构井长16.2m；出入段线盾构段区间左线起点里程为左CRK0+573.60,终点里程为左CRK2+137.67，左线长1566.611m；右线起点里程为右CRK0+573.60,终点里程为右CRK2+137.00，右线长1563.4m，在右CRK1+530处设置联络通道兼泵房；出入段线明挖段全长346.8m；出入段线出地面后采用U型槽区间，U型槽段全长260m。
本盾构区间（CRK0+573.600～CRK2+137.000）从1#盾构井始发向南掘进，在CRK0+638.000处下穿新建直径2m砼排水管；在CRK0+600~CRK1+945段下穿多栋建构筑物。
盾构区段下穿沈阳鑫汇特种纸业有限公司厂区、沈阳永兴化工厂、中国船舶重工集团公司沈阳辽海机械厂、北方实业工业园、沈阳国际（韩国）学校、宝仁食品厂等厂区，然后经过R800米右转曲线，沿着民治街方向掘进，最后到2#盾构井。
长距离富水砂层盾构掘进渣土改良技术
长距离富水砂层盾构掘进渣土改良技术发表时间：2015-01-06T14:12:22.090Z 来源：《防护工程》2014年第10期供稿作者：邹晓艳[导读] 土压平衡盾构在长距离富水砂层中掘进时，由于砂层内摩擦角大，摩阻力大，流动性小。
邹晓艳中铁隧道集团三处有限公司 518052[摘要]盾构法施工如今在城市地铁隧道修建中应用已十分广泛，但由于砂层等特殊地层对刀具磨损大而引起的刀盘结“泥饼”，盾构掘进困难、工期延长以及费用增加等问题已越来越明显，特殊地质条件下盾构掘进时的渣土改良已显得尤为重要。
本文就南昌地铁某区间全断面砂层的特殊地质条件下盾构掘进时的渣土改良进行了同条件实验并总结，现场后期运用过程中效果明显，达到了预期的效果。
[关键词]盾构法富水砂层渣土改良掘进施工引言土压平衡盾构在长距离富水砂层中掘进时，由于砂层内摩擦角大，摩阻力大，流动性小，容易造成刀盘及螺旋机扭矩大，易结“泥饼”，掘进困难等一系列掘进难题，因此在富水砂层中掘进对渣土改良效果要求极高，只有渣土改良效果理想，才能有效解决刀盘扭矩高，“泥饼”等施工难题。
渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向刀盘面，土仓内或螺旋输送机内注入水、泡沫、膨润土或高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅拌，土仓内搅拌装置或螺旋输送机搅拌使添加剂与渣土混合，使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，可以有效减少刀盘扭矩，减少刀具的磨损情况，提高掘进效率。
1、地质情况某区间场地范围内土体自上而下依次为①1 杂填土、③1 粉质粘土、③3 中砂、③4-j 粉质粘土、⑧5-j 圆砾、③5 砾砂、⑤3-1 强风化粉砂质泥岩、⑤3-2 中风化粉砂质泥岩、⑤3-3 微风化粉砂质泥岩，拟建工程场地地下水按地下水类型可分为孔隙性潜水、孔隙微承压水、红色碎屑岩类裂隙孔隙水三种类型。
区间隧道主要穿越的地层是砾砂、圆砾层，局部含有中砂及粗砂。
隧道范围内各岩层物理特性如下表所示：2、盾构机适应性分析长距离富水砂层盾构掘进的关键是碴土改良。
土压平衡盾构穿越富水砂层的掘进技术
1引言盾构机的性能及其与地质条件、工程条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键，所以采用盾构法施工就必须选择最佳的盾构施工方法和选择最适宜的盾构机。
对于富含地下水的砂层，考虑到地下水的含量及水压，以及土的塑性流动性及透水性等问题，一般宜选用泥水盾构。
但由于广州地区工程地质的复杂性，对于同一个盾构标段，可能出现某些部分适合选用土压平衡盾构，而其他部分又适合采用泥水盾构，但作为同一个施工标段，不可能中途更换盾构机，因此，只好选择一种类型的盾构机，这就需要综合考虑并分析不同选择的风险，最终择优选取。
另外，城市地铁施工，由于施工场地的限制，导致泥水盾构的应用越来越少。
土压平衡盾构穿越砂层，风险较大，但若施工措施得当，土压平衡盾构穿越砂层亦会取得成功，如广州市轨道交通三号线珠江新城站～客村站区间穿越约300m的砂层地段。
2盾构穿越富水砂层的风险2.1易形成喷涌，导致地面塌方、建（构）筑物开裂损坏由于富水砂层含水量丰富，渗透性好，且受扰动后易液化，因此土压平衡盾构在富水砂层中掘进很容易出现喷涌现象，一方面，需用大量时间进行盾尾清理，严重影响盾构施工进度，另外，大量泥砂喷出或砂遇水液化，均易引起地层沉降，从而最终导致地面建（构）筑物沉降变形，甚至损坏。
2.2地面沉降难以控制，易造成地面塌方、建（构）筑物开裂损坏一旦发生喷涌现象，地面沉降肯定会很大，即使没有发生喷涌，控制地面沉降还是非常困难，主要原因是：1）砂层自身自稳性差，而刀盘开挖直径比盾体外径一般至少大200mm，从刀盘开挖到注浆填充这需要一段较长时间，这期间不可避免产生砂层沉降；2）掘进过程中，不可避免要造成砂层失水，且一定会对砂层产生扰动，这都会导致砂层产生沉降。
若沉降控制不好，极易造成地面塌方、建（构）筑物损坏。
3喷涌形成条件及防治方法3.1喷涌形成条件造成喷涌的原因多种多样，但无论何种原因，喷涌的发生都必须同时具备以下条件：1）具有足够高水头压力的充足水源。
富水砂层渣土改良技术的应用
富水砂层渣土改良技术的应用史海波【摘要】福州地铁1号线采用土压平衡式盾构掘进施工,该方法要求开挖的土体应具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小等特性,而某区间隧道需穿越的富水砂层,却具有黏聚力小、外摩擦角大、渗透系数高等地质特性,很难满足土压平衡式盾构的掘进要求.因此对此段渣土层进行了改良,通过添加高分子聚合物,与高浓度膨润土浆液等改良材料共同作用,极大地改善了富水砂层渣土的土质特性,使盾构在掘进砂层时保持高效、稳定.【期刊名称】《建筑施工》【年(卷),期】2017(039)003【总页数】4页(P304-307)【关键词】富水砂层;土压平衡盾构;渣土改良;高分子聚合物;膨润土浆液【作者】史海波【作者单位】上海市基础工程集团有限公司上海 200002【正文语种】中文【中图分类】TU753.8在目前我国的地铁建设工程中，土压平衡式盾构的应用较为普遍，其特点是用开挖出的土体作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求开挖土体应具有内摩擦角小、渗透率小、良好的塑性变形与软稠度等特性。
但由于地质条件的复杂性，一般土体均不能完全满足这些特性，需进行渣土改良。
其中富水砂层具有黏聚力小、外摩擦角大、渗透系数高等特性，单纯地采用泡沫剂、膨润土泥浆改良效果有限，因此增加高分子聚合物参与渣土改良，可极大地改善富水砂层的流动性及透水性[1-3]。
1 渣土改良剂的分类1）泡沫剂。
盾构所采用的泡沫剂主要是由水、活性剂、聚合物等组成，其中活性剂有助于形成大量泡沫，与聚合物共同作用，起到改良土质、润滑冷却和减摩的作用。
泡沫加注系统由控制系统、泡沫剂浓缩液、水、储存罐、空气压缩机和各种管道、泵等组成，盾构施工时可在控制系统的控制下，将一定比例的泡沫剂浓缩液和水混合，输送到储存罐，然后打入压缩空气，形成泡沫并加注到刀盘前方工作区域，可有效降低刀盘扭矩，减少刀具的磨损，稳定土压及提高出土效率等，最终提高盾构掘进的效率。
2）膨润土浆液。
富水粉细砂地层中盾构掘进的研究
富水粉细砂地层中盾构掘进的研究在富水粉细砂地层中采用盾构掘进的施工方式还存在着许多难点。
本文针对这些难点进行了深入分析，并提出了改良方案，可以有效防治在富水粉细砂地层中盾构掘进所产生的砂土液化的问题。
同时，还可以减小地面下沉的速度，從而保证盾构掘进施工顺利完成。
标签：富水粉细砂地层；盾构掘进；砂土液化现如今，我国的盾构掘进技术已经得到了很大的提升和完善，可以很好的应对我国不同地区复杂的地质结构，并且长期以来积累下来了很多的经验和参考案例。
但是，从施工成本、安全性和工期方面来考虑，盾构掘进施工技术还需要面对许多的现实性问题。
我国在前几年已经有了对液化地质层盾构掘进施工技术的分析和研究，但是依旧需要结合实际的施工情况对其进行梳理和总结，为此后相同情况提供参考依据。
1 盾构掘进施工中的问题（1）砂土液化问。
所谓砂土液化就是指饱和的砂土受到外力的作用，在强烈的振动下会丧失抗剪强度，从而土地里的沙粒会呈现一种悬浮的状态，导致地基失效。
因此，富水粉细砂地层由原先稳定的结构状态变成液态的因素有如下几个。
1）土的性质。
其主要包括土的结构状态、土的颗粒大小和组成，土的颗粒越小，土质越细，其半径也就越小。
因此这种土的稳定性也就越低，容易出现砂土液化的问题。
而富水粉细砂地层受水文条件的影响，这种粉细砂地层就极其容易出现砂土液化问题。
2）埋藏深浅。
在富水粉细砂地层中盾构掘进过程中，如果超孔隙水压力过大，就会产生孔隙水，从而造成砂土液化。
如果液化砂层的埋藏深度较浅的话，在其之上的土地覆盖重力和侧压比较小，这种液化砂层就能够很容易的向上渗入到上面的土质层，扩大液化面积。
所以，埋藏越浅的富水粉细砂地层越容易发生液化。
3）荷载。
当振动在砂土的荷载能力范围内，就不会造成砂土结构破坏和体变，就自然不会出现砂土液化。
但是，当振动超过砂土的荷载能力范围，就会使砂土出现液化。
而盾构掘进施工技术所产生的振动远远超过砂土的荷载能力，所以会使砂土发生液化。
富水砂层中盾构掘进施工技术
2072019·7摘要：哈尔滨地铁2号线土建施工六标人中区间盾构隧道工程，穿过地层为典型的富水砂层。
实际监测数据与施工参数表明，在富水砂层中采用土压平衡式盾构掘进做到了安全平稳地通过管线与建筑物，地表沉降控制良好。
关键词：富水砂层；土压平衡式盾构掘进；同步注浆；渣土改良；喷涌控制引言富水砂层中盾构掘进，地层稳定性差，容易被盾构刀盘切削扰动发生坍落。
在砂层中容易出现涌水和流砂现象，从而引起开挖面失稳和地表沉降。
在盾构掘进过程中，当水量很大时，还易直接造成螺旋输送机出土口喷涌。
一、工程概况人民广场站～中央大街站区间为单洞单线双线隧道，区间线路起自人民广场站大里程端，然后沿经纬街敷设，终至中央大街站小里程端。
本区间隧道右线全长701.587m；左线全长759.45m。
本段区间全线敷设于地下，采用盾构法施工，左、右线均为6m外径圆断面隧道。
（一）掘进参数（1）土仓压力土仓压力控制在2.0bar左右，使土仓压力略高于地层理论压力0.2～0.3bar，保证满仓掘进，并根据掘进过程中的施工情况及地面监测情况进行及时调整。
（2）千斤顶推力试掘进段确定推力应考虑管片承受力，最大推力不应大于8000KN。
正式掘进中，推力控制在20000KN～24000KN之间。
（3）刀盘转速进洞阶段的转速为1.0～1.3r/min，穿过加固区后转速调整为1.3～1.7r/min，正常掘进阶段转速为1.5～1.9r/min。
（4）刀盘扭矩始发时刀盘扭矩宜为700～1200kNm。
正常掘进时，考虑到砂层中极大的摩擦力，刀盘扭矩宜为3500～4000kNm。
（5）掘进速度根据土质、扭矩、推力和土仓压力等综合确定，始发段一般V=15～25mm/min。
正常掘进时控制在V=25～60mm/min。
二、渣土改良（一）渣土改良设备（1）膨润土系统整个膨润土系统分为两部分，一部分为拌合系统，一部分为注入系统。
拌合系统在地面，主要进行膨润土浆液的拌合与发酵存储，拌合发酵完成后，通过管道泵送到盾构机的膨润土存储罐里。
富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究
在本工程施工前期, 针对界面活性材料 (即泡沫 ) 在成都富水砂卵石土层盾构施工渣土改 良的效果进行了室内试验和现场试验, 通过室内试验结果选择界面活性材料并确定在盾构施工中 的最佳配比, 并进行现场试掘进来验证其渣土改良效果。 4. 1 直剪试验
直接剪切试验目的是测定盾构掘进地层中的重塑土以及加入泡沫剂改良土体的抗剪强度参数 粘聚力 C和内摩擦角 值。采用应变控制式直剪仪, 取 6个试样, 分别施加 50 ~ 300kP a的不同 垂直压力, 再分别对它们施加水平剪切力进行剪切, 求得破坏时的剪应力 亦即抗剪强度 S。以 抗剪强度 S为纵坐标, 垂直压力 P为横坐标, 绘制 S- P 关系曲线, 然后根据库仑定律得出土的
界面活性材料
泡沫剂
不透水性; 流动性; 防止粘附
无
各种土质
根据砂卵石土层的颗粒组成及物理力学指标分析可知, 在该土层盾构施工中渣土改良需要解 决如下问题:
( 1) 提高土舱内渣土的抗渗透能力, 避免掌子面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事 故的发生;
( 2) 增加土舱内渣土的流动性能, 避免排土不畅而导致的闭塞事故的发生; ( 3) 降低土舱内渣土以及掌子面土体的内摩擦角, 减少对盾构刀盘、刀具的磨损, 降低盾构 刀盘扭矩; ( 4) 提高土舱内渣土的可塑性, 防止渣土粘附在盾构刀盘形成泥饼事故的发生; 经以上分析可知, 界面活性材料比其它改良剂更加适合成都富水砂卵石土层盾构施工渣土改 良, 因此在成都富水砂卵石土层盾构施工中选用界面活性材料 ( 即泡沫 ) 对其渣土进行改良。
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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。
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富水砂层盾构掘进碴土改良技术摘要：土压平衡盾构在富水砂层掘进时，刀盘刀具磨耗过快，土舱压力难以建立，螺旋输送机出土口容易发生喷涌。
为有效解决这些问题，文章以深圳某地铁土压平衡盾构掘进施工为例，针对富水砂层采用泡沫、膨润土以及高分子聚合物等进行碴土改良试验，得出了适合于该地层碴土改良剂的合理配比，提出了富水砂层盾构掘进碴土改良的方案，可为类似地层盾构施工碴土改良提供借鉴或参考。
1 引言土压平衡盾构施工时，需要在压力舱内充满开挖泥土以平衡开挖面上的土压力和水压力，土舱内泥土的理想状态应为塑性流动状态。
为确保土压平衡盾构顺利施工，一些学者就使用泡沫、膨润土以及高分子聚合物等材料对砂层、砂卵石地层的碴土改良技术进行了研究。
张立泉针对无水砂层，从盾构选型、刀盘开口率大小等几个方面进行了分析研究，确定了碴土改良的配比和合理掺量，并结合工程实际进行了验证和完善。
杨国龙等针对富水砂层分别采用聚氧化乙烯和聚丙烯酸钠两种新型材料作为土质改良剂，进行碴土改良，取得了较好的改性效果，为土压平衡盾构在富水砂层中安全掘进提供了新方法。
周用攀针对北京卵石地层，采用泡沫、泥浆两种添加剂进行改良，通过塌落度试验、搅拌试验得出了盾构施工的合理泡沫和泥浆掺入比。
马连丛针对成都地铁富水砂卵石地层盾构掘进的碴土改良进行了室内试验研究，得出适合于砂卵石地层的碴土改良剂及配比。
本文针对深圳某地铁富水砂层土压平衡盾构掘进工程，采用泡沫、膨润土及高分子聚合物等添加剂进行碴土改良，提出了两种较为合理的改良方案，可为日后类似地层盾构施工提供参考。
2 工程概况深圳某地铁某区间隧道总长约3km，线间距约12~14m，位于城市主干道下方，施工控制要求高。
据勘察报告可知，左线400~600环、右线380~680环隧道埋深约14~16m，主要穿越⑤11砾砂层，其典型地质纵断面如图1所示。
区间地表水主要是第四系孔隙水，水位埋深约，受海水和河流的侧向补给，地表水与地下水之间的水力联系密切。
砾砂结构松散，含水量高达20%，透水性强，属于典型的富水砂层，为不稳定土体，对盾构掘进时开挖面的稳定性极为不利，施工中易发生涌水、涌砂、坍塌等现象，盾构施工风险大。
3 碴土改良添加剂的选定富水砂层开挖面的不稳定性及土舱内碴土的离析沉淀性，易造成盾构前方地表沉降过大或坍塌。
因此，富水砂层盾构掘进碴土改良需达到以下目的：图1 典型地质纵断面图（1）提高碴土的和易性，使螺旋输送机出碴顺畅。
；（2）提高碴土的抗渗透能力，以防发生喷涌而导致地表沉降。
（3）降低碴土的内摩擦角，从而减少碴土对刀盘刀具的磨损。
目前，常用的碴土改良添加剂主要有泡沫剂、膨润土以及高分子聚合物，其各自优点及适用土层条件见表1。
表1 常用碴土改良添加剂泡沫对碴土改良的关键在于泡沫与土体之间的相互作用，加入泡沫的土体密实度会有较大的变化。
泡沫置换了碴土中的一部分土颗粒和水分，使得混合土体密度减小，一定程度上减小了颗粒之间的接触，起到一定的润滑作用，降低了接触面的粗糙度，使摩擦系数降低。
膨润土对碴土改良的机理是，膨润土单位结构层间能吸附大量的水，层间距离大，膨胀率高，阳离子连接各层薄片，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，积聚于土壤与泥水的接触表面，形成不透水的可塑性胶体，从而形成泥膜，将过量的地下水压力转化为土颗粒与土颗粒之间的有效应力，这对稳定地层，防止盾构推进时地面塌陷至关重要。
高分子聚合物在碴土改良中除了增强泡沫的稳定性以外，还可以吸收土体中的自由水，使得土颗粒之间的距离更近，降低土体的渗透性，减小土体与金属表面之间的粘着力，润滑碴土，使碴土易于从螺旋输送机中顺利排出。
由此可见，泡沫、膨润土以及高分子聚合物皆可用于富水砂层的碴土改良，而具体选用何种配比进行改良，才能使盾构掘进时碴土的流塑性更好，需通过试验确定。
4 碴土改良效果的评价标准富水砂层结构松散、流塑性差，盾构掘进时螺旋输送机排土不畅、易喷涌，土舱压力难以建立，开挖面易失稳。
为确保盾构的顺利掘进，需维持土舱内碴土的进出平衡，其中出土量的控制是关键。
而要保证土舱内碴土的顺利排出，碴土需具有一定的流塑性，即和易性要好，抗渗性要好，且不易固结排水。
塌落度试验操作简单、快捷，可直观地反映拌合物的和易性及保水性，广泛用于盾构施工碴土流塑性的评价。
RaffaeleV.等[通过试验研究得出：塌落度在120~225mm的改良土体适合盾构施工。
而Janc⁃seczS.等通过试验研究却得出：塌落度在200~250mm 的改良土体适合盾构施工。
基于以上学者的研究，结合现场盾构施工实践，综合评价认为，碴土的坍落度控制在180~220mm范围内时，可满足流塑性要求，适合盾构施工。
/5 碴土改良塌落度试验分析碴土改良塌落度试验所用砂土取自445环处⑤11砾砂层，含水率约20%，对所取砂土烘干后进行筛分试验，其级配曲线如图2所示。
图2 砂土的级配曲线当砂土的不均匀系数Cu不小于5，曲率系数Cs处于1~3之间时，表示土样级配良好。
由图2可知，砂土的不均匀系数Cu约为，曲率系数Cs 约为。
其说明试验所用砂土级配不良，盾构掘进时砂土中的小颗粒容易被水流从大颗粒间隙之间带走，形成涌水通道，从而导致喷涌。
采用泡沫进行碴土改良据现场所用H型泡沫评价报告可知，泡沫中泡沫剂的含量在3%以上时，发泡率才基本稳定。
考虑盾构施工实际，试验用泡沫按泡沫剂与水的体积比为3%进行配置，充分发泡后掺入砂土，进行碴土改良塌落度试验，如图3所示，试验结果见表2。
图3 外掺泡沫的砂土塌落度试验表2 外掺泡沫的砂土塌落度试验结果：由图3及表2可以看出，采用体积比为3%、外掺量为3%~5%的泡沫对砂土进行改良，其塌落度在200~210mm范围，其和易性较好，但保水性略差，需辅以高分子聚合物。
采用膨润土进行碴土改良如果膨润土泥浆比重太大，则泵送性差；反之，则对砂土的改良效果不佳。
参考以往施工经验，采用钠基膨润土并按质量比为1∶6，1∶7及1∶8，分别配置膨润土泥浆进行碴土改良塌落度试验，如图4、图5及图6所示，试验结果见表3、表4及表5。
图4 外掺膨润土的砂土塌落度试验（质量比为1∶6）图5 外掺膨润土的砂土塌落度试验（质量比为1∶7）对比图4~图6及表3~表5可知，采用膨润土进行碴土改良时，影响碴土改良塌落度的两个主要因素分别为自由水、内摩擦角。
当膨润土泥浆比重较小时，膨润土泥浆对砂土的内摩擦角影响不大。
随着膨润土泥浆外掺量的增加，碴土中的自由水逐渐增大，从而导致碴土的塌落度加大；当膨润土泥浆比重较大时，膨润土对砂土内摩擦角的影响随着膨润土泥浆外掺量的增加而增大。
当膨润土泥浆外掺量较小时，碴土中的自由水是影响塌落度的主要因素，此时，碴土的塌落度较大。
随着膨润土泥浆外掺量的增加，碴土中的自由水减小，塌落度降低。
当膨润土泥浆外掺量继续增加时，碴土的内摩擦角是影响塌落度的主要因素，随着碴土内摩擦角的减小，碴土的塌落度加大。
图6 外掺膨润土的砂土塌落度试验（质量比为1∶8）表3 外掺膨润土的砂土塌落度试验结果（质量比为1∶6）￥表4 外掺膨润土的砂土塌落度试验结果（质量比为1∶7）表5 外掺膨润土的砂土塌落度试验结果（质量比为1∶8）由此可见，采用膨润土进行碴土改良，膨润土泥浆比重及其外掺量都有一个较优的范围。
考虑膨润土泥浆比重太大时不好泵送，建议现场选用质量比为1∶7、外掺量为8%~10%的膨润土泥浆对砂土进行改良，其塌落度在195~205mm范围，和易性及保水性均较好，满足流塑性要求。
采用高分子聚合物配合膨润土进行碴土改良采用质量比为%的高分子聚合物配合质量比为1∶7、外掺量为8%的膨润土泥浆对砂土进行塌落度试验，如图7所示，试验结果见表6。
图7 外掺膨润土及高分子聚合物的砂土塌落度试验表6 外掺膨润土及高分子聚合物的砂土塌落度试验结果'由图7及表6可知，随着高分子聚合物外掺量的增加，碴土中的自由水不断减少，塌落度不断降低。
当高分子聚合物的外掺量在2%~3%时，碴土的和易性及保水性均已很好，塌落度在195~210mm范围内，满足流塑性要求。
6 盾构掘进碴土改良效果分析为便于施工，现场采用以泡沫为主、高分子聚合物为辅的碴土改良方案，即主要采用体积比为3%~4%、外掺量为2%~6%的泡沫对砂土进行改良，同时，常备质量比为%的高分子聚合物防止喷涌。
盾构掘进左线隧道富水砂层时，掘进速度在35~45mm/min，扭矩在1200~1500kN•m，每环出土量在56~60m3，碴土改良效果整体较好。
图8为盾构掘进时螺旋输送机扭矩随泡沫外掺量的变化曲线。
由图8可以看出，盾构掘进过程中，泡沫外掺量较大时，螺旋输送机扭矩小；反之，则螺旋输送机扭矩大。
当泡沫外掺量在2%~4%时，螺旋输送机扭矩较大，碴土改良效果不太理想；而当泡沫外掺量控制在4%~6%时，螺旋输送机扭矩较小，碴土改良的效果较好。
7 结论在富水砂层中进行盾构掘进施工，易因开挖面失稳、螺旋输送机喷涌等引发地表沉降，而施工控制的关键在于碴土改良。
通过对碴土改良的塌落度试验及现场盾构掘进碴土改良效果分析，可得出以下结论：（1）富水砂层中，碴土改良的塌落度控制在195~210mm范围内时，可满足流塑性要求，较适合盾构施工。
图8 螺旋输送机扭矩随泡沫外掺量的变化曲线（2）富水砂层中，采用体积比为3%~4%、外掺量为4%~5%的泡沫进行碴土改良，其和易性较好，但保水性略差，容易发生喷涌，需辅以使用质量比为%的高分子聚合物。
（3）富水砂层中，采用质量比为1∶7、外掺量为8%~10%的膨润土进行碴土改良，碴土的流塑性较好。
若辅以质量比为%、外掺量为2%~3%的高分子聚合物共同改良，则碴土的流塑性更好。
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