飽和粉土粉砂層土壓平衡盾構渣土改良技術應用

陸 正（上海市基礎工程集團有限公司， 上海 200002）

土壓平衡盾構以其施工安全、快速、造價低、施工場地需求小等優勢，在我國城市軌道交通建設中得到了廣泛的應用。但是，其在富水砂性土層中施工時，容易發生螺旋機噴涌、土壓難以穩定、地表沉降難以控制等一系列問題。此時多采用向原狀土中加入肥皂水、泡沫劑、膨潤土、羧甲基纖維素鈉（CMC）等改良材料，以滿足盾構掘進施工的需求[1-3]。可在高滲透性、高流動性、易發生振動液化的粉土粉砂層中采用常規的肥皂水、膨潤土進行渣土改良的效果極為有限，采用泡沫劑甚至會加劇螺旋機噴涌，而采用聚丙烯酰胺（PAM）水溶液作為渣土改良劑效果顯著，可極大改善飽和粉土粉砂層的土質特性，有效避免螺旋機噴涌的風險，保證土壓平衡式盾構正常施工的需求。

1 工程概況

1.1 工程概述

天津市地鐵 10 號線某區間隧道工程同樣采用土壓平衡式盾構進行施工，單線長約 1 430 m。在施工過程中，盾構需穿越 ⑥3粉土、⑥4粉砂層，上、下行線穿越段總長約 578 m。根據地勘資料，⑥3粉土、⑥4粉砂層具有含水量大、成流塑狀、易振動液化的特性，其滲透系數可達 10-3cm/s。地層滲透系數如表 1 所示。

表1 地層滲透系數

在上述粉砂層中進行土壓平衡盾構掘進時，均存在易發生螺旋機噴涌，以及由此引發的土壓難以穩定、地表沉降失控等一系列問題。

1.2 螺旋機發生噴涌的原理及危害

土壓平衡盾構工作的原理是，在盾構機刀盤的旋轉作用下，刀具切削開挖面的渣土，渣土通過刀盤開口進入土倉，進而充滿土倉及螺旋輸送機。同時，盾構千斤頂的推力通過土倉胸板給土倉內的渣土加壓，使土壓作用于開挖面以平衡開挖面的水土壓力。在掘進過程中，通過螺旋輸送機來調整出土的速度和出土量，使進土與出土保持動態平衡，從而保證盾構掘進過程中開挖面的穩定。

但是，如果開挖面所處土層滲透系數過大，則在刀盤開挖過程中，渣土由于流動性過好，不能在螺旋機內形成土塞，無法有效平衡掌子面水土壓力，導致螺旋機噴涌，大量的泥水從螺旋機出泥口噴出。如此，不但影響到盾構頭部的作業環境，更嚴重的是無法通過控制推進速度和螺旋機轉速來控制土倉壓力，導致刀盤正面土壓力的劇烈波動，進而對刀盤前方土體造成劇烈擾動，影響正面土體的穩定，給盾構施工帶來很大的困難，特別是穿越江河段時，還存在江河水涌入隧道，甚至淹沒整條隧道的風險。

2 液化土層渣土改良試驗

2.1 渣土改良的作用

在土壓平衡盾構的施工過程中，特別是在復雜地層或特殊地層中進行盾構施工時，進行必要的渣土改良是保證盾構施工安全、順利、快速的一項不可缺少的重要技術手段，其主要作用如下。

（1）降低盾構機土倉內渣土的流動性，避免發生螺旋機噴涌、掌子面土體失穩，以及進而導致的地表大范圍沉降或坍塌事故等災難性后果。

（2）提高土倉內渣土的黏聚力，提高土倉內渣土的可塑性，在螺旋機內可形成土塞，保證土倉內壓力穩定。

2.2 渣土改良試驗

試驗時，采用盾構掘出的 ⑥3粉土、⑥4粉砂作為試驗素材。由于取出的粉砂土已經飽和，其坍落度經測試達到29 cm，因此不需再加水拌合，試樣直接加入 PAM 水溶液。采分別用了 1%、2% 濃度的 PAM 水溶液，按照不同摻量加入試樣中，經充分攪拌后測取其坍落度[4]。

（1）試驗一： 試驗材料為飽和粉砂土、PAM 水溶液（1% 濃度）。

取 10 L 飽和粉砂土作為試樣素材，再取 1% 濃度的PAM 水溶液，按照 4%、5%、6% 的摻量加入試樣中，充分攪拌后測取其坍落度，結果如圖 1 所示。

（2）試驗二： 試驗材料為飽和粉砂土、PAM 水溶液（2% 濃度）。

取 10 L 飽和粉砂土作為試樣素材，再取 2% 濃度的PAM 水溶液，按照 1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4% 的摻量加入試樣中，充分攪拌后測取其坍落度，結果如圖 2所示。

圖2 試樣改良效果曲線圖

2.3 地面改良試驗結論

通過對以上地面試驗結果進行觀察分析，針對 ⑥3粉土、⑥4砂土地層采用 1% 濃度的 PAM 水溶液進行改良試驗，當摻量達到 6% 時，其試樣坍落度測試可達 20 cm 以下。或者采用 2% 濃度的 PAM 水溶液進行改良試驗，當摻量達到 3%～4% 時，試樣的坍落度測試也可達 20 cm 以下。

經觀察，當試樣坍落度 ≤20 cm，已具備良好的塑性、流動性及低滲透性，土體的性質得到了極大的改善，可以滿足螺旋機連續排土的要求，避免螺旋機噴涌風險，同時也可以滿足渣土外運時的環保要求。

3 工程實際應用

在地面試驗的基礎上，盾構機實際施工時，通過其自帶的加泥加水系統將 PAM 水溶液注入刀盤前方進行渣土改良，并根據螺旋機出土的性狀、刀盤扭矩等對 PAM 水溶液的濃度及注入量進行適當調整，以滿足盾構連續、安全、高效掘進施工的需求。考慮到盾構自帶的水箱容積較大且受限于攪拌能力，直接在其中加入 PAM 顆粒會出現攪拌不均勻的現象，影響到渣土改良的效果。因此，在盾構臺車上另行配置了一個約 1.5 m3的小水箱，PAM 顆粒加入小水箱中經充分攪拌溶解后，再抽取到盾構自帶水箱中，然后再通過加泥加水系統注入刀盤前方。在施工過程中，采用 1% 濃度的PAM 水溶液，按照 4%～6% 的摻量，螺旋機排出渣土的流塑性有了極大改善。土壓波動范圍正常，滿足盾構正常連續施工需求，有效控制了螺旋機噴涌風險，提高了盾構在液化土中施工的安全與效率。

區間左線盾構約推進至約 20 環刀盤開始出加固土進入液化土層。由圖 3 中 21 環至 26 環實際最高、最低土壓力的變化可以看出，添加 PAM 水溶液改良前，土壓力極其不穩定，波動范圍為 0.11～0.33 MPa。同時，掘進過程中推進泵需靠時啟時停的方式來保持土壓穩定，刀盤扭矩也隨土壓變化而變化。渣土改良后，土壓波動范圍為 0.27～0.31 MPa，掘進速度、刀盤扭矩均等參數均恢復正常。改良前后設定土壓與實際土壓對比如圖 3 所示。

圖3 改良前后設定土壓與實際土壓對比曲線圖

由圖 3 可知，盾構推進 20～25 環時，由于螺旋機排出的砂土含水量、流動性較大，僅通過開關螺旋機后閘門進行出土控制，土壓控制較為困難。通過在刀盤前方注入 PAM水溶液后，在后續的推進過程中，渣土和易性得到了顯著改善，螺旋機后閘門可 100% 打開進行正常且連續排土，土壓控制穩定，有效避免了螺旋機噴涌風險，盾構可正常連續掘進施工。

4 結 語

渣土改良技術是保證土壓平衡式盾構在復雜或特殊地層中順利、安全、高效施工的重要技術手段。天津市地鐵10 號線某區間在穿越飽和粉土粉砂層期間，通過采用 PAM（聚丙烯酰胺）水溶液作為渣土改良劑，極大地改善了渣土的流塑性，降低刀盤扭矩，有效避免了螺旋機噴涌風險，使盾構在飽和粉土層中能保持穩定的土壓平衡，為控制地表沉降及渣土的環保外運提供強有力的保障，從而保證了盾構在飽和粉土粉砂層中保持安全、順利、高效的掘進施工。本研究結果可為類似地質條件的盾構法施工提供一些借鑒及參考，推動我國盾構法施工技術的前進與發展。