膨潤土及黏土用于地鐵盾構渣土性能改良的分析與研究

王大永，劉思國，謝麗霞

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

地鐵工程是國家級重大工程，對于地鐵車站區間的建設包括暗挖法、明挖法以及盾構法等，目前國內外普遍采用盾構法施工。盾構法施工機械化、自動化程度高，施工期可完全不影響航道通行和地面建筑正常使用，且噪聲和振動對周圍環境基本無干擾[1-3]。適宜在不同顆粒條件下的土層中施工，多車道的隧道可做到分期施工，分期運營，可減少一次性投資。哈爾濱地鐵3號線區間段采用土壓平衡盾構掘進，該線路緊鄰松花江，掘進土層為富水砂層，一方面盾構渣土內摩擦角大，流動性差，壓縮效應不能完全止水；另一方面工程要求作為支撐介質的渣土應具有良好的塑性變形和軟稠度，及較小的內摩擦角和滲透率[4-7]。為保證工程質量和進度，需對哈爾濱地鐵3號線盾構渣土進行改良。

研究者對土壓平衡盾構黏性渣土改良的研究較多，對砂性渣土改良方法的研究也取得了一定成果。馬連叢[8]對界面活性材料（即泡沫）在富水砂卵石土層盾構施工渣土改良的效果進行了室內和現場試驗，依據室內試驗結果選擇施工中的最佳配合比，并采用現場試驗進行了驗證。然而，目前對富水砂層，特別是北方沿江區域的富水砂層，地鐵施工中渣土改良的研究及利用廢黏土改良盾構渣土的研究較少。

本文針對哈爾濱地鐵3號線的實際施工問題，一方面進行了采用不同配比的膨潤土漿液改良渣土性能的試驗研究，另一方面進行了利用工程暗挖區間開挖的廢黏土摻加膨潤土配制漿液改良渣土性能的試驗研究。本項研究為現場施工提供了技術參考，取得一定的經濟效益。

1 工程概況

哈爾濱地鐵建設中，廣泛采用盾構法施工，其中地質情況復雜，包括砂石層，細砂層，粗砂層，施工難度大，需要各項技術研究支撐。根據現場施工實際及本次試驗主要研究目的，本次試驗主要土體改良材料為：1） 鈉基膨潤土；2）暗挖區間開挖黏土。試驗方案設計如下：考慮到工程實際開挖過程，沿江區域盾構渣土以細砂為主，本次土體改良劑以膨潤土為主，利用純膨潤土改良粉細砂渣土；利用暗挖區間開挖出黏土（內含一定泡沫劑、膨潤土）改良細砂渣土；暗挖區間開挖黏土摻加一定比例膨潤土改良其他種類渣土（粉細砂、細砂、粗砂）。

2 試驗過程及結果分析

2.1 利用純膨潤土改良細砂渣土

利用純鈉基膨潤土，通過調整不同的膨潤土與水等的比例，測試配制后黏度和比重指標，根據現場施工需要，膨潤土漿液（水土比 =4∶1）、（水土比 =6∶1）黏度分別為105 s、80 s均符合試驗要求，詳見表1。在現場主管技術人員的指導和確認下，采用膨潤土漿液（水土比 =4∶1）進行渣土改良。圖1為現場試配過程的效果圖，經試驗最終確認配合比，膨潤土漿液水土比（質量比）=4∶1，渣土改良配合比（體積比）漿土比=1∶8，此時經試拌的渣土黏度較好，出機狀態色澤光亮，易帶出機器，渣土改良效果最好。

表1 膨潤土漿液配合比Table 1 Ratio of bentonite

圖1 純膨潤土改良渣土配合比：1∶8Fig.1 The mix ratio of improving clay with pure bentonite:1∶8

2.2 利用暗挖區間開挖黏土（內含一定量的泡沫劑、膨潤土）改良渣土

通過經濟分析和成本控制，結合哈爾濱當地地下暗挖區間土質情況，采用從暗挖區間開挖出的黏土進行渣土改良，此類渣土量較大且含有一定量的泡沫劑和膨潤土，摻配比例如表2，渣土改良配合比如表3所示。經試驗單純用暗挖區間的黏土進行渣土改良、效果不佳，泥漿多加攪拌后渣土稀不成型，泥漿稍加攪拌后渣土黏性欠佳，不易帶出渣土。

表2 黏土漿液配合比Table 2 Ratio of clay slurry

表3 黏土改良配合比Table 3 Ratio of improving muck

2.3 利用暗挖區間開挖黏土（內含一定量的泡沫劑、膨潤土）摻膨潤土改良渣土

考慮到直接使用黏土改良效果不佳，研究組采取摻加膨潤土來增加改良土的黏性，摻配比例為（黏土∶膨潤土 =4∶1）。由于膨潤土的性質和黏土的含水率稍有不同，配合比只做參考，渣土主要為細砂，以黏土漿液黏度控制在150 s為控制目標。黏土漿液配合比見表4，渣土改良體積比見表5，經過試驗得知渣土改良比例（體積比）為黏土漿液∶渣土=1∶8。不同比例渣土改良配合比攪拌渣土效果圖見圖2，此時經試拌的渣土黏度較好，出機狀態色澤光亮，易帶出機器，渣土改良效果最好。

表4 開挖黏土摻膨潤土漿液配合比Table 4 Ratio of excavated clay with bentonite slurry

表5 渣土改良配合比（細砂）Table 5 Ratio of improving muck(fine sand)

圖2 黏土加膨潤土改良渣土：1∶8Fig.2 The improving muck of clay with bentonite：1∶8

2.4 利用暗挖區間開挖黏土（內含一定量的泡沫劑、膨潤土）摻膨潤土改良不同盾構渣土

考慮到工程項目為地下富水砂層的盾構法施工，研究對象主要為不同砂層，為開展今后盾構法施工通過不同類砂層的渣土改良配合比，開展了進一步研究。首先選取不同哈爾濱沿江富水區域的典型砂層：1） 粉細砂；2） 細砂；3） 粗砂，對于粉細砂，摻加暗挖區間開挖黏土的膨潤土漿液配合比，經過適配為表4第3種。渣土改良配合比如表6，經過試驗得知渣土改良比例（體積比）泥漿∶渣土 =1∶10。此時經試拌的渣土黏度較好，出機狀態色澤光亮，易帶出機器，渣土改良效果最好，見圖3。

表6 渣土改良配合比（粉細砂）Table 6 Ratio of improving muck（fine powder sand）

圖3 粉細砂渣土改良Fig.3 Improving muck with fine powder sand

對于細砂，摻加開挖黏土的膨潤土漿液配合比，經過適配為表4第3種。渣土改良配合比如表5，經過試驗得知渣土改良比例（體積比）泥漿∶渣土=1∶8。對于粗砂，摻加開挖黏土的膨潤土漿液配合比，經過適配為表4第3種。渣土改良配合比如表7，經過試驗得知渣土改良比例（體積比）泥漿∶渣土=1∶4。

表7 粗砂渣土改良配合比Table 7 Ratio of improving muck（coarse sand)

通過對比以上不同盾構渣土的土質情況，并比較在純用膨潤土情況下的不同渣土的改良配合比以及摻加黏土后達到相似改良狀態下的改良配合比，得到盾構施工中的渣土改良配合比如表8。利用膨潤土摻加暗挖區間開挖的黏土改良盾構渣土時，改良用黏土漿液配合比（質量比）=4∶1，粉細砂為配合比（體積比）漿土比=1∶10，細砂渣土改良配合比（體積比）漿土比=1∶8，粗砂為配合比（體積比）漿土比=1∶4，此時能夠滿足現場實際使用需要，具有較好的黏性，易帶出渣土，且出機狀態與利用純膨潤土進行改良效果相似。

表8 摻黏土前后不同渣土改良配合比Table 8 Improved mixing ratio of different slag before and after clay mixing

3 結語

根據現場施工實際及室內模擬進行試驗研究，并進行成本分析得到如下結論：

利用膨潤土摻加暗挖區間開挖的黏土改良盾構渣土時，可以滿足現場實際使用需要，具有較好的黏性，易帶出渣土，且出機狀態與利用純膨潤土進行改良效果相似。摻加廢黏土后的膨潤土漿液黏性較好，能夠滿足實際現場需要，既節約了膨潤土的使用量，又能夠利用其他施工現場開挖的廢黏土，得到資源的合理有效利用。

本次研究采用區間開挖廢黏土摻配一定比例膨潤土，用于改良地鐵盾構施工掘進過程中的渣土，是北方地區為數不多的嘗試，并在施工現場實際施工中得到了很好的應用。通過摻加黏土改良渣土可以大大節約項目成本，為今后的盾構渣土改良提供一定的參考。