富水粗中砂及淤泥质地层盾构施工渣土改良试验及应用

黄春来　张合海

(中交三航(厦门)工程有限公司，福建 厦门　361006)

0　引言

福州地铁二号线沙堤站—上街站区间盾构穿越地层以粗中砂为主，底部伴随淤泥质土。粗中砂地层富水，渗透系数大，导致刀盘扭矩和推力大，渣土析水，掘进过程中淤泥质难以分散，影响施工。通过分别采用分散剂、高分子聚合物和膨润土技术开展针对性实验，为现场淤泥分散和渣土析水问题解决提供借鉴。

1　工程概况

沙堤站—上街站区间长1 600 m，采用复合型土压平衡盾构机施工。盾构隧道前600 m主要穿越地层为粗中砂、淤泥质土。其中粗中砂地层渗透系数40 m/d,占比约80%；淤泥质土渗透系数0.001 mm/d,占比约20%。

由于周边水系联通，粗中砂地层含水量较为丰富，盾构施工过程中刀盘扭矩较大，局部地段存在喷涌，渣土离析泌水，造成弃渣困难。同时，砂层中夹杂的淤泥质土经搅拌成团，难以分散，螺旋机出土不畅。

2　渣土改良试验

针对上述问题，通过对现场取样渣土进行针对性改良试验。试验的主要材料有泡沫、分散剂、高分子聚合物和膨润土。

2.1　试验目的

1)解决粗中砂地层中淤泥质土的分散问题；

2)解决富水粗中砂地层中渣土析水(泌水)的问题。

2.2　试验过程

采用工地上取回的粗中砂和淤泥质土按照质量比4∶1混合，并按照质量比加入10%的水调节土样的状态(如图1所示)，使土样含水达到饱和。本试验均以此为准作为渣土改良的对象。

2.2.1淤泥质土分散试验

1)添加泡沫剂。

取上述饱和土样，按体积比20%加入浓度5%泡沫剂并慢速搅拌均匀，观察其状态，如图2所示。

由图2可知，泡沫的加入可以改善土样的流塑性，但是不能使得淤泥质土块分散开来，采用单纯的泡沫剂手段难以解决淤泥的分散问题。

2)添加泡沫剂+分散剂。

盾构泥浆分散剂主要由一种特殊分子结构的高分子聚合物组成。该产品与粘土颗粒接触后吸附于粘土颗粒表面，通过静电斥力和空间位阻发挥发散作用，可以有效分散粘土颗粒。按照体积比10%加入稀释10倍后的分散剂并注入15%的泡沫(浓度5%)，搅拌后观察渣土的状态。

由图3可知，泡沫复合分散剂的加入将大块淤泥分散成小块的，即该方案可以对淤泥产生分散作用，因此推荐在泡沫剂改良手段基础上，增加分散剂技术手段解决现场粗中砂地层中的淤泥分散问题。

2.2.2富水粗中砂渣土析水(泌水)改良试验

分别采用REGAL-200P盾构防透水聚合物和膨润土来改善地层透水的问题。配制0.5%聚合物溶液和浓度10%的膨润土浆液。分别向经过泡沫剂和分散剂改良分散后的渣土中加入聚合物溶液和膨润土浆液，慢速搅拌均匀后观察改良渣土的状态[1]，如图4所示。

由图4可见，聚合物溶液用量为1%时，土体的透水性得到明显改善，增大聚合物用量，改善效果更佳，推荐REGAL-200P盾构防透水聚合物溶液用量为2%～5%，折算成固体用量为0.01%～0.025%。

由图5可见，浓度10%膨润土浆液用量为5%(体积比)时，渣土析水状态得到一定改善，用量增大至10%时，改善效果较为明显，浓度10%的膨润土液改善土体的透水性推荐用量应大于10%，折算成固体推荐用量为1%。

2.2.3试验结果

根据实验情况来看，盾构在富水粗中砂及淤泥质地层中掘进时，采用体积比10%加入稀释10倍后的分散剂并注入15%的泡沫(浓度5%)可有效改善淤泥质土结团现象，掺入2%～5%防透水聚合物溶液(溶液浓度为0.5%)或者掺入10%的膨润土浆液(浓度10%)，能有效改善粗中砂层渣土泌水现象。

3　实施效果

根据实验室试验情况，现场对渣土进行了改良，螺旋机出渣较为顺畅，且弃置渣土流塑性良好，无离析现象。盾构机掘进刀盘扭矩从前期的2 400 kN·m以上下降至1 600 kN·m～2 000 kN·m,掘进日进尺最大达15环/d,平均月进尺260环/月，盾构施工工效得到了极大的提高。

4　结语

本工程通过富水粗中砂层及淤泥质土地层盾构渣土试样分析，通过进行不同配比渣土改良材料的实验室试验、对比分析，提出了合理的解决方案，有效的解决了施工现场存在的问题，提高了盾构施工作业效率，为类似工程提供了较好的解决思路。

参考文献：

[1]陈章.盾构施工中渣土改良剂的快速配置[J].建筑机械化，2016，37(5):49-50.