土壓平衡盾構穿越富水砂土層的渣土改良泥漿配合比研究與應用

羅云峰

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433

土壓平衡盾構在流塑性差、摩擦因數大、含水量高、滲透系數大的砂土等地層中施工時，會遇到盾構機推力增加、出土不易、排土及推進困難，甚至無法推進等問題。

針對這些問題，國內外的常規解決方法是摻入改良劑，改善砂性土的特性。在改良劑方面，應用較多的是泡沫劑和泥漿。采用泡沫劑作為改良劑雖然效果較為理想，但易造成污染，高效無污染的泡沫劑造價又相對較高。膨潤土泥漿作為另外一種常用的改良劑，能夠較好地節約成本，但施工現場一般直接使用純膨潤土泥漿來改良渣土，為增加黏性顆粒在砂性渣土中的含量和增大泥漿黏度，采取往泥漿中增加膨潤土量的方式居多，這會直接引起泥漿相對密度變得過大，流動性變差，導致在停止泵送后再次開泵困難，還會使泥漿造價升高，且又沒有合理的摻入比規定等[1-4]。本文針對土壓平衡盾構穿越富水砂土層時遇到的技術難題，采用膨潤土泥漿作為改良劑，進行渣土改良泥漿研究，以期使工程順利實施，并為以后類似工程提供經驗參考。

1 工程概況

福州軌交1號線盾構下穿閩江段長度約400 m，全斷面穿越的地層主要有⑤2細砂、⑧2中砂等飽和富水砂層，滲透系數較大，最大已達到1×10-2cm/s，且上方無隔水層，與閩江水系直通。

以往這種在江底穿越類似地層的施工基本采用泥水平衡盾構機，由于背景工程除下穿閩江段外，還需穿越殘積土、中風化花崗巖、強風化花崗巖、全風化花崗巖等復雜地層，因此綜合考量后決定采用復合式土壓平衡盾構機進行施工，則其穿越江底富水砂層時的關鍵在于做好渣土改良工作。

砂性土層內聚力小，屬于典型的軟弱不穩定地層，且對環境擾動的影響反應靈敏。砂土被削切或擾動時，極易破壞原有相對平衡的穩定狀態而產生坍塌，掘削面將失去穩定，進而出現地表塌陷等情況。盾構機掘進時，因砂土流塑性差，會導致刀盤對土體的切削及螺旋出土機對土體的運送效果差[5-7]。在土壓平衡盾構閩江穿越施工前，基于閩江底強透水砂層的土層特性，對盾構施工過程中可能出現的問題和技術難點進行探討和研究，得出土壓平衡盾構施工穿越富水砂層所受到的不利影響主要有以下幾方面：

1）在砂性土層中，砂粒土內摩擦角大、流動性差，當土壓平衡盾構土艙內充滿砂性渣土時，盾構機刀盤的扭矩、螺旋輸送機的轉矩及盾尾千斤頂的推力會大大增加，甚至會導致開挖困難。

2）在盾構機刀盤切削砂性土體時，摩擦力大會導致刀盤溫度升高，進而加劇刀盤刀具的損耗，對盾構機的整體性能產生嚴重影響。

3）砂性地層因其砂土流塑性差，還會導致顆粒較大的礫石滯留在盾構機土艙底部，進而引起盾構機姿態控制困難，嚴重時無法掘進。

基于以上種種困難，為了實現土壓平衡盾構在富水砂層中的順利推進，通過渣土改良，使普通土壓平衡盾構機在砂性地層中呈現較好的適應性是十分必要的。

2 渣土改良泥漿性能研究

2.1 相對密度

從保證掘削面穩定的方面來講，泥漿相對密度大，細粒成分多，成膜性就會變好，此外泥漿相對密度大，對切削下來的渣土的懸浮力也變大，渣土輸送的效果也越好。但相對密度大的泥漿流動性差，易使泥漿泵送超負荷運轉。泥漿相對密度小，流動性好，但成膜效率慢，對掘削面的穩定不利。經過查詢文獻和調研，拌制泥漿相對密度以1.02～1.07為宜。

2.2 黏度

泥漿黏度是泥漿流動時固體顆粒之間、固體顆粒與液體之間，以及液體分子之間內摩擦的總反映。泥漿組成較復雜，它是具有凝膠結構的膠態體系和觸變性的塑性液體，內摩擦現象亦相當復雜。為保證泥漿成膜性及懸浮性，要求泥漿應具有一定的黏度。為此，需做到以下幾點：防止泥漿中的黏土、砂土顆粒在盾構機土艙內發生沉積，保持盾構掘削面穩定； 防止逸泥現象的發生；能以流塑性的形式把切削下來的渣土運出。

3 渣土改良泥漿試驗研究

3.1 室內小樣試驗

3.1.1 純膨潤土配制泥漿

先根據現場現有材料進行室內小樣試驗，希望在現場現有條件下完成渣土改良泥漿配比的確定。現場現有泥漿材料僅有采購自山東的一種膨潤土，因此直接采用膨潤土配制泥漿進行性能指標測試，結果如表1所示。

表1 純膨潤土泥漿配比試驗

從表1可知，純膨潤土配制的泥漿存在黏度小、相對密度大、失水量大（易離析）等問題，相對密度隨著材料摻量的增加而增加，但其黏度增加和失水量減小的幅度都較緩慢，這些都與渣土改良泥漿的性能指標要求存在一定的差異，因此要依靠純膨潤土配制出適宜的砂性渣土改良泥漿存在一定的困難。

3.1.2 膨潤土+化學添加劑配制泥漿

在純膨潤土配制性能指標良好的泥漿存在一定困難的基礎上，擬尋求一種好的化學添加劑來達到這個要求，要求這種材料具有增黏性和水溶性，并可以減少膨潤土的用量，同時保證黏度的升高和失水量的降低。基于我們所具有的泥漿研究方面的經驗和對泥漿材料的了解，最終選用羧甲基纖維素鈉（CMC）作為化學添加劑。CMC具有增黏、增稠、保水等作用，且無毒、無腐蝕性、對人體無害、不污染環境。采用膨潤土+CMC配制泥漿進行性能指標測試，結果如表2所示。

表2 膨潤土+CMC泥漿室內配比試驗

對比表1與表2可知，在添加CMC后，泥漿各項性能指標出現顯著改善。在保持膨潤土摻量不變的情況下，添加質量分數為0.3%的CMC后，泥漿黏度增加80%左右，泥漿失水量減小80%左右，且泥漿的相對密度也處于合理的區間內。

3.2 現場拌制試驗

上述試驗測定的性能指標是在室內小樣攪拌狀態下測得，現場實際拌制泥漿時其條件存在一定的局限性，攪拌速度、攪拌均勻程度、靜置條件等均達不到室內小樣攪拌的條件，且室內小樣攪拌可以根據需求任意配比。本著現場施工操作簡單明了的原則，現場攪拌桶的每桶水體積是1.3 m3，每袋膨潤土質量為25 kg，每包CMC質量為0.25 kg，這些客觀條件也限制了現場配比的任意性。

室內小樣試驗主要是實現對所選取泥漿材料性能指標的充分掌握，以便現場試驗時能有針對性。現場應用泥漿的配比還是需要現場攪拌試驗確定。現場攪拌試驗測試結果如表3所示。

表3 現場泥漿試驗

根據現場攪拌試驗測試結果和室內、現場試驗測試結果對比（圖1）可得出：在相同配比情況下，現場攪拌泥漿黏度只有室內小樣試驗時的60%左右。靜置1 d后，室內小樣試驗泥漿黏度增長在1.5倍以上，現場攪拌桶泥漿黏度增長在1倍左右。

圖1 室內、現場相同配比泥漿黏度對比

因此，現場應用時需要適當增加材料用量。如要保持新漿黏度40～50 s，室內小樣試驗膨潤土質量分數應控制在7%～9%之間，CMC質量分數應控制在0.3%～0.4%；現場攪拌試驗膨潤土質量分數應控制在9%～10%之間，CMC質量分數應控制在0.4%～0.5%。

3.3 泥漿砂土融合試驗研究

為測試膨潤土泥漿的渣土改良效果，砂土加水使其飽和后，進行泥漿融合試驗。以膨潤土泥漿與砂土不同體積比例改良各類砂土，測定坍落度，選出最優膨潤土泥漿與砂土的體積比。

經文獻查閱和實際施工經驗，在確保砂土中黏粒含量達20%時砂土容易排出，取砂∶泥漿∶水＝5∶1∶1進行砂土與泥漿融合試驗，測試泥漿改良砂土的效果。發現當泥漿黏度≥100 s時，砂和泥漿融合較好，混合物呈塊狀，手抓有明顯聚合物的黏稠效果，基本無明顯的離析現象，此時渣土坍落度為11 cm，滲透系數為9.29×10-6cm/s。

基于以上試驗研究分析，為保證砂土與泥漿能較好融合，現場施工用泥漿黏度應需要≥100 s，但現場攪拌的新漿黏度達到100 s會比較困難，因此實際使用的泥漿應靜置24 h，待其充分水化后再使用，通過試驗確定現場新漿配比為：每桶水（1.3 m3）的膨潤土摻量為5包（125 kg），CMC摻量為20包（5 kg）。

4 應用實施效果

針對下穿閩江全斷面強透水砂層中土壓平衡盾構機的掘進施工，在有效控制渣土改良和施工參數的基礎上，通過對渣土狀態和盾構掘進參數等進行觀測，發現輸出渣土的黏聚性、流塑性等得到了較大的改善，盾構推力、刀盤扭矩和掘進速度等都處于合理范圍，未出現超挖出土及螺旋機噴涌現象。總體看來，盾構機掘進參數控制效果明顯，達到了預期的效果。

1）總推力。施工過程中的盾構機總推力基本控制在15 000～25 000 kN，處于盾構機額定總推力的35%～59%范圍以內。

2）刀盤扭矩控制。施工過程中盾構機的刀盤扭矩總體控制在3.0 MN·m以內，且刀盤的平均扭矩控制在2.2 MN·m左右。

3）掘進速度控制。因渣土改良效果明顯及施工參數有效控制，盾構機在全斷面砂層中的掘進速度得到了很大提升，平均可達55 mm/min。

5 結語

本文針對土壓平衡盾構穿越富水砂土層時遇到的技術難題，結合福州軌交1號線盾構下穿閩江段開展了室內和現場的渣土改良泥漿試驗，通過大量的渣土改良試驗對比分析研究，確定了現場渣土改良泥漿制備的材料及配比，并應用于背景工程。在渣土改良和施工參數有效控制的基礎上，通過對渣土狀態和盾構掘進參數等進行觀測，發現渣土的黏聚性、流塑性等得到了較大的改善，盾構推力、刀盤扭矩和掘進速度等都處于合理范圍，實現了富水砂土層中土壓平衡盾構機的順利掘進。