泡沫与膨润土混合液土体改良技术在石家庄地区盾构施工中的应用

王军

[摘 要]在现场实际施工中发现，土压平衡盾构机在黏性土层中采用泡沫剂进行土体改良，能起到很好的效果。但是在砂卵石地层中采用纯泡沫剂改良土体，会出现推力大、刀盘扭矩异常大、推进速度缓慢、刀具、螺旋机异常磨损的情况。由于无水砂卵石地层卵石含量高、颗粒间空隙大、互相间无黏聚力，盾构机在该地层中施工时，采用泡沫剂无法将土体改良成流塑状。为此，通过增加膨润土改良设备，同时将膨润土和泡沫剂用于土体改良，能较大程度上降低盾构的刀盘扭矩和推力，也降低了刀具磨损程度，提高了盾构推进速度，成功解决了盾构启动时瞬时扭矩过大的问题，起到了很好的效果。基于此，本文对泡沫与膨润土混合液土体改良技术在石家庄地区盾构施工中的应用展开了分析。

[关键词]盾构；膨润土；泡沫剂

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.06.068

[中图分类号]U455.43 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2017）06-00-02

0 引 言

盾构法作为地铁隧道施工应用最广泛的工法，在全国大江南北均有不同程度的应用。但由于地质情况分布不均，盾构在穿越不同地质情况时，需要采取的措施也不尽相同。特别是在无地下水的硬质地层中，需要对土体进行改良后，方能保证盾构的正常施工。但基于不同的地质条件，土体改良方式的差别也很大。如何选取适合自身工程地质的土体改良方式已逐步成为盾构施工的一项重要工作。

1 土体改良的技术要求

（1）在土层较硬、含水量小、流塑不好的情况下，要对刀盘前的土体预先进行持续不断的改良。

（2）将刀盘切削下来的土体改良成流动性好、能够建立起土仓内外压力平衡，能够维持其盾构刀盘切口稳定。

（3）增加土体的流动性，能够让土体较好的进入螺旋机并及时排出，防止土仓结饼和刀盘被泥土和铁板砂覆盖。

2 土体改良的几种常规方法

2.1 泡沫改良技术

泡沫剂主要由多种表面活性剂、稳定剂、强化剂组成，需要与水、空气混合，通过发泡装置将泡沫剂形成直径为0.4 mm以下的气泡，与开挖土体混合后，使土体的流塑性增强，摩擦力使土体更容易开挖和运输，由于土体的力学性能提高，对土压的控制更为准确；同时由于泡沫剂自身有一定的强度，也可以在一定程度上增强开挖面的稳定性；泡沫剂的可压缩性可以降低盾构中心区域结泥饼的概率。

2.2 膨润土改良技术

由于膨润土具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性以及良好的自封闭性，在土粒内部和土粒之间形成滤饼，可以演变为低渗透性的薄膜，在土压平衡盾构机内注入膨润土泥浆可以明显改善土体的密实性和流塑性，对提高土体的可开挖性、防水、辅助设备稳定土压均有至关重要的意义。

2.3 聚合物

聚合物一般用于水量較大的地层，聚合物是一种细密的聚合体，与水起反应时，可以形成具有一定强度的压力体，在地层发生喷涌时，泡沫和膨润土对防水和维持压力都难以起到作用时，可以在螺旋机中形成一个土塞，从而起到稳定开挖面的作用（这种方法在石家庄地区盾构施工工程中不适用）。

3 土体改良材料的选择

3.1 膨润土的选用

膨润土一般可分为纳基和钙基两种，实验发现，钙基膨润土较为合适的配比是每升水加0.8 kg的膨润土，纳基膨润土每升水加0.15 kg的膨润土，对比采用纳基膨润土用量少，节约费用。同时，钙基膨润土有明显的砂质感，而纳基膨润土更为细腻，一般情况下，用于土体改良的膨润土会选用纳基膨润土，每方水加入约3袋（共150 kg）纳基膨润土。

3.2 泡沫剂的选用

通过实验，在盾构掘进施工过程中原液混合比一般设定为3%～5%，掘进中发泡倍率一般设定在6倍～10倍，泡沫流量一般在400 L/min～500 L/min较为合适。

4 石家庄地区盾构工程的实例

4.1 地质情况介绍

石家庄地铁3号线首开段沿中华大街走向，从小灰楼站开始至石家庄站结束。沿线盾构区间共4个，双线全长3.2 km。该区段地势较为平坦，从地面开始土层分布如下：素填土为地下1.7 m、黄土状粉质黏土为地下7.5 m、中砂为地下3 m、粉质黏土为地下4.1 m、中粗砂为地下8.3 m、含卵石中粗砂为地下11.2 m、粉质黏土为地下3 m。地下水埋深为地面以下40 m。

4.2 采用泡沫剂改良土体的效果

石家庄地铁3号线小灰楼站至中山广场站区间采用盾构法施工，该区间从地下二层车站始发，到达地下三层车站接收。该区间从全断面黏土层开始，中间穿越粉质黏土、中粗砂层，最后经过砂卵石层接收。

盾构在穿越黏土层时，采用泡沫剂进行土体改良，泡沫注入比控制在3%～5%。没有采取其他的改良措施，施工时盾构推进速度在3 cm/min以上，最大推进速度可达8 cm。推力在12 000～23 000 kN，刀盘扭矩在2 500～3 500 kN·m，螺旋机出土也较为顺畅，未发生异常情况。

盾构继续掘进开始进入砂性土层时，仍采用泡沫剂进行土体改良，盾构施工参数明显发生变化。推进速度开始变缓，刀盘扭矩明显有加大趋势。但基本还能维持2 cm/min的速度继续掘进，能明显感觉渣土有温度变高的趋势。在该阶段施工时，扭矩达到

4 000 kN·m左右。

盾构持续推进，进入砂卵石层。在进入过程中，最大推进速度进一步降低，扭矩仍持续增加。为减小扭矩，只能进一步放慢推进速度。推进速度只能勉强维持在1 cm/min以内，推进速度极为缓慢。且刀盘扭矩仍不低于4 000 kN·m。盾构进入全断面砂卵石层后，推进极其困难，刀盘扭矩达到4 500 kN·m时，速度仅能达到

3 mm/min，且刀盘启动异常困难，每次停机后在启动时扭矩达到了5 500 kN·m。因为距离接收仅100 m左右，盾构维持该速度完成了该区间施工。进洞后发现盾构机刀具已全部磨损，需全部更换。刀盘前80%开口面积被泥饼覆盖，不具备出土能力。由此可以判定，采用泡沫剂改良黏性土是完全可行的，用泡沫剂改良砂性土能起到一定作用，但效果不如改良黏性土明显；单纯用泡沫剂改良砂卵石地层作用不明显，需要辅以其他措施。

4.3 采用膨润土进行土体改良

相关人员鉴于前期在砂卵石地层中采用纯泡沫剂改良无法取得好的效果，在查阅相关资料的基础上，决定采用膨润土对砂性土和砂卵石地层进行土体改良，随后在东里站至槐安桥站盾构区间中进行了尝试。

盾构穿越黏性土地层时仍采用泡沫剂进行改良。在进入砂性土含量超过60%时，尝试改用膨润土进行改良。采用纳基膨润土与水配比为0.15：1，经充分搅拌均匀后，发酵24小时，让其充分膨松。注入膨润土时，发现刀盘转动时扭矩明显减小，数据在2 000～

2 800 kN·m，每次停机后重新启动刀盘时扭矩不大，启动较为容易。但推力明显增加，推力增大至25 000 kN～35 000 kN，推进速度仅能达到1.5 cm/min左右，出土仍比较困难，土体改良效果不明显。

由此可以判定：在刀盘前注入膨润土进行土体改良，对于减小刀盘扭矩能起到较好的作用。用于膨润土泥浆在刀盘前与土体进行充分拌合，能充分改善刀盘前和土仓内的土体的流塑性，减小刀盘扭矩。但膨润土不能让原状土进行发泡、膨松，对于改良刀盘前方土体仍起不到明显作用。

通过以上的分析，泡沫剂和膨润土均能在一定程度上改良土体，对盾构施工均能起到一定的作用，但效果各不同。为此，相关人员可以考虑采用膨润土和泡沫混合液同时对土体进行改良。

4.4 采用泡沫、膨润土混合液进行土体改良

石家庄地区盾构工程采用的铁建重工土压平衡盾构机共10个注入孔，其中4个泡沫主入孔，6个泡沫注入孔。在施工时，泡沫和膨润土同时使用，泡沫和膨润土通过各自管路在前方汇合后，分成6条管路，5条直接注入刀盘前方土体，1条注入土仓。

在东槐区间施工时，由于单加膨润土无法起到良好的效果，遂改用膨润土和泡沫混合液进行土体改良。在施工时明显发现：刀盘扭矩和推进速度均有不同程度的改善，在砂性土層施工时，刀盘扭矩降到2 500 kN·m，推进速度可达到5 cm/min左右，进入砂卵石层时，刀盘扭矩将至3 500 kN·m推进速度在3 cm/min。渣土的流塑性也得到了很大的改善。

该区间在施工完毕后，检查刀盘和刀具，相比之下，刀具的磨损情况较小中区间施工时要轻微许多，经厂家现场勘验，认为刀具不用更换，可在下个区间施工时继续使用。

5 采用泡沫、膨润土混合液进行土体改良的施工效果

实际施工发现，在黏性土中，单纯采用泡沫剂即可达到良好效果，但在砂性土或砂卵石地层中施工时，需要充分利用各种不同改良技术的优点，综合运用方可让效用达到最佳状态。对比几种不同改良技术在砂性土或砂卵石地层中施工的参数，详见图1和图2。

比对各种土体改良技术在实际施工中的效果，可以发现：采用单加泡沫剂改良时，刀盘扭矩较大，导致推进速度受限；采用单加膨润土改良时，油缸推力较大，刀盘呈现空转趋势，虽加大油缸推力，但仍无法获得良好的推进速度；采用膨润土、泡沫剂混合液进行土体改良时，能充分将两种改良液的优点融合，能到达降低刀盘扭矩和推力，起到可靠的推进速度的作用。

6 结论

（1）在黏性土层（或黏性土含量高）中，采用泡沫剂进行土体改良是最切实可行，也是最经济的土体改良方式。

（2）在砂性土层（或砂卵石地层）中，采用泡沫剂和膨润土混合液进行土体改良是最适应的方法，但根据成分含量的变化应适当调整注入量和配比，才能达到理想的效果。

（3）泡沫剂对于改良刀盘前方土体时，能让土体膨松起到很好的作用，便于刀盘切削前方土体。膨润土对于增加土体的流塑性，改善土体的和易性能起到很好的效果，但是需要制作一整套庞大的膨润土系统，且膨润土需要经过至少24小时的膨化时间才能使用。

（4）不同地层施工时选用合适的土体改良技术至关重要，对提高盾构施工速度、保护设备、节约成本均能起到十分重要的作用，在施工前应做好充分的调研分析。

主要参考文献

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[2]江华，张晋勋，苏艺，等.砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良实验研究[J].中国铁道科学，2013（4）.

[3]郭彩霞，孔恒，王梦恕.无水大粒径漂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良分析[J].土木工程学报，2015（z1）.