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3.5m，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2.8，曲率系数Cs约为7.2。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。
5.1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。
5.2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。
5.3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0.3%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0.3%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0.3%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0.3%、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。
转自：《现代隧道技术》