低濃度聚合物水溶液在土壓平衡盾構渣土改良中的實踐應用

王國義 張雄偉

摘?要：筆者分析了土壓平衡盾構施工所需達到的低內摩擦角、低滲透率流塑狀態的理想渣土，提出理想渣土應具有高抗水分散性和高保水率的特性。經室內試驗定性分析采用低濃度陰離子1600萬分子量的聚丙烯酰胺和5000分子量的聚丙烯酰納混合水溶液對渣土進行綜合改良，可以達到塑性狀態的理想渣土。提出刀盤前方注入泡沫，刀盤前方中心、土艙中心和土艙上方加入聚合物水溶液的綜合渣土改良方法，降低盾構結泥餅和噴涌的概率。此渣土改良方法成功應用于成都軌道交通19號線二期工程，低濃度聚合物水溶液渣土改良方法可在全國范圍內推廣。

關鍵詞：理想渣土;高抗水分散性;高保水率;聚丙烯酰胺;聚丙烯酸鈉;成功應用

中圖分類號：U455.43??文獻標識碼：A

Practical?application?of?low?concentration?polymer?aqueous?solution?in?slag?improvement?of?earth?pressure?balance?shield

Wang?Guoyi1?Zhang?Xiongwei2

1.China?Power?Construction?Chengdu?Construction?Investment?Co.，Ltd.?SichuanChengdu?610212;

2.China?Water?Conservancy?and?hydropower?Fifth?Engineering?Bureau?Co.，Ltd.?SichuanChengdu?610066

Abstract：In?this?paper，the?ideal?slag?with?low?internal?friction?angle?and?low?permeability?is?analyzed，and?it?is?proposed?that?the?ideal?slag?should?have?the?characteristics?of?high?water?resistance?dispersion?and?high?water?retention?rate.According?to?the?qualitative?analysis?of?laboratory?test，the?ideal?residue?in?plastic?state?can?be?achieved?by?using?the?mixed?water?solution?of?low?concentration?anions?16?million?molecular?weight?polyacrylamide?and?5000?molecular?weight?polyacrylamide?sodium.A?comprehensive?muck?improvement?method?with?polymer?water?solution?is?added?to?the?front?of?the?cutter?head，the?center?of?the?cutter?head，the?center?of?the?cutterhead?and?the?soil?tank?to?reduce?the?probability?of?mud?cake?and?gushing.This?method?has?been?successfully?applied?to?the?second?phase?project?of?Chengdu?rail?transit?line?19，and?can?be?popularized?in?the?whole?country.

Keywords：ideal?residue;high?resistance?to?water?dispersion;high?water?retention?rate;polyacrylamide;sodium?polyacrylate;successful?application

近年來，盾構法憑借其安全、可靠、快速、經濟、環保等優勢廣泛應用于各大城市地鐵。土壓平衡盾構由于占地面積小、設備相對便宜、施工進度快、施工成本低等多個優點在盾構選型上占有絕對優勢，大部分地層都選用土壓平衡盾構，只有盾構穿越江河時才會選用泥水平衡盾構。土壓平衡盾構施工最難處理的問題是盾構土艙內結泥餅。只要盾構結泥餅，會導致盾構推力大、掘進速度慢、掘進超方等問題，嚴重時會造成較大安全事故。為防止盾構結泥餅，眾多盾構專家、學者進行了研究。傅鑫暉等[1]從區間隧道的地質條件、盾構機刀盤的開口率、刀具的啟動扭矩與復合地層不同土層強度變化較大的矛盾、土艙長時間充填黏性土、渣土改良及掘進模式等五個方面分析了泥餅形成的原因和機理，并提出了防止泥餅形成的施工措施。賀雄飛等[2]針對黏性土層研制專用分散型泡沫劑DCA，并成功應用于高液限、強塑性黏性土地層盾構區間。宋上明等[3]采用現場測試與室內試驗相結合，得出昆明地區礫砂復合地層渣土較佳坍落度為13～18cm，每環泡沫原液用量20L，注水量8m3。連小濤[4]認為泡沫渣土改良技術是保證施工安全、順利進行的關鍵技術之一。在試驗所有土樣條件下，建議施工時使用的泡沫注入率為20%～30%。鐘小春等[5]以廣州地鐵21號線復合地層為依托，認為粉質黏土層的含量在30%～70%之間時，渣土能夠達到良好的塑性流動狀態。粉質黏土層的含量超過70%時，存在結泥餅的風險。眾多專家、學者認為土壓平衡盾構結泥餅是多因素造成的，黏土層含量多容易結泥餅，聚合物水溶液可防噴涌，但容易造成結泥餅。

筆者對砂和黏土兩種土樣進行室內試驗，通過分別加入水或低濃度聚合物水溶液的渣土定性分析渣土的保水率、抗水分散性等特性，指出加入低濃度聚合物水溶液的渣土比加入水的渣土更具有良好的抗水分散性、高保水率的特性。此渣土既不容易被水稀釋（造成噴涌），渣土內水也不容易流失（造成結泥餅），并對加入渣土改良劑的位置進行了分析并提出明確意見。經現場實際應用，取得良好效果。

1?土壓平衡盾構理想渣土

土壓平衡盾構噴涌和結泥餅是由多種因素造成的，但主要原因還是渣土改良不好導致的。如果渣土改良不好，無論刀盤、地層如果變化，還是會導致盾構掘進噴涌或結泥餅?，F對理想渣土進行定性分析，從而找到既不容易噴涌也不容易結泥餅的渣土改良方法。

1.1?現今理想渣土的評判標準

現今普遍認知是土壓平衡盾構理想渣土要達到低內摩擦角、低滲透率的流塑狀態，坍落度達到15～22cm（如圖1、圖2）。黏性土很容易達到此種狀態，但由于含黏性顆粒過多，容易結泥餅。砂和卵石無法達到流塑狀態，需要注入膨潤水泥漿（細顆粒），使之盡量達到流塑狀態。滲透系數大的砂和砂卵石地層需要加入一定量的聚合物，防止噴涌，但容易造成結泥餅。

1.2?理想渣土的水壓力

渣土的流塑狀態實際上是流動狀態，此狀態下渣土含有強結合水、弱結合水和一定數量的自由水。當渣土的內摩擦角很小時，渣土的壓力傳遞遞減率很低，很容易造成噴涌。筆者[610]對開挖面微小單元體幾何尺寸分析，計算出周邊圓弧形刀盤開挖面每一個點的無變形的平衡壓力值，并且提出土艙內經改良的渣土壓力達到此值，才是達到真正的土壓平衡，同時提出了水土壓力的統一計算方法。但土艙內理想渣土壓力土壓力（有效應力）和水壓力（中和應力）占比未進行分析。

為對理想渣土的水土壓力占比和改良渣土的滲透率進行研究，特設計一鋼結構試驗裝置（如圖3）。將改良后的黏性土理想渣土加入試驗裝置內，上面加蓋板密封，在蓋板上通過千斤頂加力對渣土進行擠壓，模擬土艙壓力。在加壓狀態下，理想渣土中的水經試驗裝置一側的濾水布進入水壓表中，通過水壓表測量固定壓力下的理想渣土水壓力值。千斤頂的壓力減去水壓力就是土壓力值。經試驗匯總如表1。

通過表1可以看出，在加壓狀態條件下，理想渣土的壓力幾乎全部是水壓力，無土壓力。其原因在于，流塑狀態的理想渣土本身含有一定量的自由水，同時理想渣土在壓力作用下，弱結合水也會轉化為自由水，壓力的傳遞是通過自由水進行傳遞的，因此流塑狀態下的渣土壓力幾乎全是水壓力，幾乎無土壓力。

1.3?理想渣土內水的流失

通過上述試驗可知，土艙內理想渣土壓力幾乎全部是水壓力，盾構開挖面原狀土有土壓力和水壓力，當渣土水壓力值大于開挖面原狀土水壓力值時（盾構掘進中一般都是這種狀態），土艙內渣土的自由水將向原狀土中滲透，渣土中水將流失。筆者模擬理想渣土加壓，自由水流失（如圖4）。當壓力足夠大時，渣土中的弱結合水全部轉化為自由水流失，渣土直接擠壓為固體，渣土固結。

1.4?理想渣土標準

土壓平衡盾構掘進過程中同時加入渣土改良劑對其進行改良，以達到理想渣土狀態。但由于土艙內渣土水壓力大于前方開挖面原狀土的水壓力，渣土內水將流失。但由于盾構掘進過程中一直在加入改良劑（其中主要成分為水），土艙內的渣土含水率是有保障的。但當盾構掘進停止時，土艙內渣土中水將繼續向開挖面原狀土內流失，渣土中水減少，當再次掘進時可能會造成泥餅的產生，這也是盾構停機過久再次掘進渣土較干的原因。當土艙內渣土較少，壓力較低，開挖面原狀土水壓較大時，原狀土水將向土艙內匯集，如果渣土滲透率大，外部水侵入渣土中，也會造成盾構掘進噴涌。因此，理想渣土應該具有低內摩擦角、低滲透率、高抗水分散性和高保水率的特性。

2?土壓平衡盾構渣土改良試驗分析

2.1?渣土改良劑的選取

土壓平衡盾構渣土改良材料一般有泡沫、膨潤土（細顆粒）泥漿、聚合物水溶液等。盾構掘進中加入的渣土改良材料一般是泡沫和膨潤土泥漿、泡沫和水或泡沫和聚合物水溶液兩種材料。通過上述試驗可知，理想渣土的低滲透率特性通過泡沫或增加細顆粒是無法滿足的，需要加入一種黏稠性材料才能達到高抗水分散性和高保水率的特性。在壓力狀態下改良的渣土外部水不容易侵入、內部水不容易流失，才能達到既不容易噴涌、也不容易結泥餅的理想渣土狀態。

筆者通過大量的定性試驗并查找相關資料，尋求在加入泡沫的同時，加入化學材料水溶液（如聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、植物膠、黃原膠、減水劑、瓜爾豆膠等的水溶液），能夠達到所需理想渣土的狀態，最終選定了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉相混合的水溶液。

利用低濃度聚丙烯酰胺水溶液呈網狀結構特點，在渣土顆粒間通過機械的、物理的、化學的作用將渣土顆粒聚合在一起，渣土內大部分水以弱結合水形態存在于渣土中。由于低濃度聚丙烯酰胺水溶液呈網狀結構特點，渣土外部的水不容易侵入渣土內（渣土不會被稀釋，不會造成噴涌），渣土內部的水不容易流失（壓力狀態下失水量少，不會造成結泥餅）。低濃度聚丙烯酸鈉水溶液在渣土顆粒表面形成吸附層，使顆粒表面的電荷增加，提高形成立體阻礙的顆粒間的排斥力，同時渣土顆粒表面形成雙電層結構，使雙電層厚度增加，顆粒間因靜電斥力而遠離，對渣土顆粒間具有良好的分散性能，顆粒間不容易黏結，可降低渣土結泥餅的概率。低濃度的聚丙烯酰胺水溶液和低分子量低濃度的聚丙烯酸鈉水溶液都能使渣土體系均勻，懸浮性能增加，渣土不分層，土艙內渣土均勻。

2.2?渣土改良劑的定性試驗

通過對砂和黏性土樣品分別加入水或聚合物（1600萬分子量陰離子聚丙烯酰胺，5000分子量聚丙烯酸鈉）混合水溶液進行定性分析。

2.2.1?砂的定性試驗

砂加水后容易分層（如圖5）為砂沉淀，砂加入聚合物水溶液中自由水轉化為弱結合水，不容易分層（如圖6），渣土體系均勻。

加水的砂上方加水，水很容易侵入原渣土中（如圖7），加聚合物水溶液的砂上方加水，上方水無法侵入原渣土中（如圖8）。加聚合物水溶液的砂抗水分散性明顯優于加水的砂。

加水砂和加聚合物水溶液的砂在同種加壓條件下，加聚合物水溶液的砂（如圖9）的失水率稍低于加水的砂（如圖10）。

2.2.2?黏性土的定性試驗

黏性土加水和加聚合物水溶液如果坍落度相同，加聚合物水溶液的量明顯多于加水的量，聚合物將自由水轉化為渣土中的弱結合水（如圖11）。

黏性土加水和加聚合物水溶液在同種坍落度條件下抗水分散性基本相同（如圖12）。

加水的黏性土和加聚合物水溶液的黏性土在同種加壓條件下（如圖13），加聚合物水溶液的黏性土（如圖14）的失水率明顯好于加水的黏性土（如圖15）。

2.2.3?渣土改良劑的作用分析

從試驗觀察、加壓失水試驗、加水稀釋試驗可以得出如下定性結果：在理想坍落度值相等條件下無論是砂還是黏性土加入聚合物水溶液渣土的含水量要高于只加水的渣土含水量，隨著聚合物濃度的增加，加入的水溶液量增加。加壓時間與重力相同條件下，加入聚合物水溶液的渣土失水量要低于只加水的渣土失水量。加入聚合物水溶液的渣土抗水分散性明顯好于只加水的渣土抗水分散性。加入聚合物水溶液的渣土均勻性明顯優于只加水渣土，尤其是砂渣土樣品更突出。通過定性試驗可以得出最終結論：加入聚合物水溶液的渣土抗水分散性和保水率明顯優于只加水的渣土，加入聚合物水溶液的渣土達到塑性狀態也不會結泥餅。塑性狀態渣土一定程度上也降低了盾構噴涌的概率。

渣土坍落度相等條件下，由于不同地質、不同聚合物加入的量會有所不同。因此，此試驗只進行定性分析，不再進行定量分析。筆者只是根據經驗選取了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉的混合水溶液，使改良后的渣土達到高抗水分散性和高保水率的塑性狀態。理論上聚合物的濃度越高，加入聚合物水溶液的量越多，渣土的弱結合水含量越多，越不容易結泥餅。聚合物水溶液的濃度要根據現場實際情況進行適當調整。

3?土壓平衡盾構渣土改良位置優化與實踐應用

土壓平衡盾構結泥餅位置一般發生在土艙中心（土艙中心一般無攪拌裝置）。為保證渣土改良均勻，防止結泥餅，優化方案如下：刀盤前方按常規注入泡沫，刀盤前方中心、土艙中心和土艙最上方三個位置注入聚合物水溶液，注入量采用變頻泵控制，注入速度與量可調并可顯示，方便盾構機操作手根據渣土狀態實時調整。成都軌道交通19號線二期工程約14臺盾構采用泡沫和聚合物水溶液的綜合渣土改良方法，渣土達到理想的塑性狀態（如圖16、圖17），盾構掘進過程中基本未發生噴涌和結泥餅現象，使用效果良好。使用聚合物水溶液配比如表2。

結語

（1）理想渣土標準是低內摩擦角、低滲透率、高抗水分散性和高保水率的塑性狀態。

（2）泡沫與低濃度聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉混合水溶液的綜合渣土改良方法能夠降低盾構掘進噴涌、結泥餅的概率。

（3）優化渣土改良位置，注入速度與量可調才能保證達到理想渣土狀態。

參考文獻：

[1]傅鑫暉，莫濤，張晨，等.復合地層盾構機刀盤結泥餅成因及預防措施[J].地下空間與工程學報，2020，16（增刊2）：864.

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作者簡介：王國義（1974—?），男，遼寧葫蘆島人，本科，正高級工程師，現從事盾構技術與管理工作。