膨润土及黏土用于地铁盾构渣土性能改良的分析与研究

王大永，刘思国，谢丽霞

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

地铁工程是国家级重大工程，对于地铁车站区间的建设包括暗挖法、明挖法以及盾构法等，目前国内外普遍采用盾构法施工。盾构法施工机械化、自动化程度高，施工期可完全不影响航道通行和地面建筑正常使用，且噪声和振动对周围环境基本无干扰[1-3]。适宜在不同颗粒条件下的土层中施工，多车道的隧道可做到分期施工，分期运营，可减少一次性投资。哈尔滨地铁3号线区间段采用土压平衡盾构掘进，该线路紧邻松花江，掘进土层为富水砂层，一方面盾构渣土内摩擦角大，流动性差，压缩效应不能完全止水；另一方面工程要求作为支撑介质的渣土应具有良好的塑性变形和软稠度，及较小的内摩擦角和渗透率[4-7]。为保证工程质量和进度，需对哈尔滨地铁3号线盾构渣土进行改良。

研究者对土压平衡盾构黏性渣土改良的研究较多，对砂性渣土改良方法的研究也取得了一定成果。马连丛[8]对界面活性材料（即泡沫）在富水砂卵石土层盾构施工渣土改良的效果进行了室内和现场试验，依据室内试验结果选择施工中的最佳配合比，并采用现场试验进行了验证。然而，目前对富水砂层，特别是北方沿江区域的富水砂层，地铁施工中渣土改良的研究及利用废黏土改良盾构渣土的研究较少。

本文针对哈尔滨地铁3号线的实际施工问题，一方面进行了采用不同配比的膨润土浆液改良渣土性能的试验研究，另一方面进行了利用工程暗挖区间开挖的废黏土掺加膨润土配制浆液改良渣土性能的试验研究。本项研究为现场施工提供了技术参考，取得一定的经济效益。

1 工程概况

哈尔滨地铁建设中，广泛采用盾构法施工，其中地质情况复杂，包括砂石层，细砂层，粗砂层，施工难度大，需要各项技术研究支撑。根据现场施工实际及本次试验主要研究目的，本次试验主要土体改良材料为：1） 钠基膨润土；2）暗挖区间开挖黏土。试验方案设计如下：考虑到工程实际开挖过程，沿江区域盾构渣土以细砂为主，本次土体改良剂以膨润土为主，利用纯膨润土改良粉细砂渣土；利用暗挖区间开挖出黏土（内含一定泡沫剂、膨润土）改良细砂渣土；暗挖区间开挖黏土掺加一定比例膨润土改良其他种类渣土（粉细砂、细砂、粗砂）。

2 试验过程及结果分析

2.1 利用纯膨润土改良细砂渣土

利用纯钠基膨润土，通过调整不同的膨润土与水等的比例，测试配制后黏度和比重指标，根据现场施工需要，膨润土浆液（水土比 =4∶1）、（水土比 =6∶1）黏度分别为105 s、80 s均符合试验要求，详见表1。在现场主管技术人员的指导和确认下，采用膨润土浆液（水土比 =4∶1）进行渣土改良。图1为现场试配过程的效果图，经试验最终确认配合比，膨润土浆液水土比（质量比）=4∶1，渣土改良配合比（体积比）浆土比=1∶8，此时经试拌的渣土黏度较好，出机状态色泽光亮，易带出机器，渣土改良效果最好。

表1 膨润土浆液配合比Table 1 Ratio of bentonite

图1 纯膨润土改良渣土配合比：1∶8Fig.1 The mix ratio of improving clay with pure bentonite:1∶8

2.2 利用暗挖区间开挖黏土（内含一定量的泡沫剂、膨润土）改良渣土

通过经济分析和成本控制，结合哈尔滨当地地下暗挖区间土质情况，采用从暗挖区间开挖出的黏土进行渣土改良，此类渣土量较大且含有一定量的泡沫剂和膨润土，掺配比例如表2，渣土改良配合比如表3所示。经试验单纯用暗挖区间的黏土进行渣土改良、效果不佳，泥浆多加搅拌后渣土稀不成型，泥浆稍加搅拌后渣土黏性欠佳，不易带出渣土。

表2 黏土浆液配合比Table 2 Ratio of clay slurry

表3 黏土改良配合比Table 3 Ratio of improving muck

2.3 利用暗挖区间开挖黏土（内含一定量的泡沫剂、膨润土）掺膨润土改良渣土

考虑到直接使用黏土改良效果不佳，研究组采取掺加膨润土来增加改良土的黏性，掺配比例为（黏土∶膨润土 =4∶1）。由于膨润土的性质和黏土的含水率稍有不同，配合比只做参考，渣土主要为细砂，以黏土浆液黏度控制在150 s为控制目标。黏土浆液配合比见表4，渣土改良体积比见表5，经过试验得知渣土改良比例（体积比）为黏土浆液∶渣土=1∶8。不同比例渣土改良配合比搅拌渣土效果图见图2，此时经试拌的渣土黏度较好，出机状态色泽光亮，易带出机器，渣土改良效果最好。

表4 开挖黏土掺膨润土浆液配合比Table 4 Ratio of excavated clay with bentonite slurry

表5 渣土改良配合比（细砂）Table 5 Ratio of improving muck(fine sand)

图2 黏土加膨润土改良渣土：1∶8Fig.2 The improving muck of clay with bentonite：1∶8

2.4 利用暗挖区间开挖黏土（内含一定量的泡沫剂、膨润土）掺膨润土改良不同盾构渣土

考虑到工程项目为地下富水砂层的盾构法施工，研究对象主要为不同砂层，为开展今后盾构法施工通过不同类砂层的渣土改良配合比，开展了进一步研究。首先选取不同哈尔滨沿江富水区域的典型砂层：1） 粉细砂；2） 细砂；3） 粗砂，对于粉细砂，掺加暗挖区间开挖黏土的膨润土浆液配合比，经过适配为表4第3种。渣土改良配合比如表6，经过试验得知渣土改良比例（体积比）泥浆∶渣土 =1∶10。此时经试拌的渣土黏度较好，出机状态色泽光亮，易带出机器，渣土改良效果最好，见图3。

表6 渣土改良配合比（粉细砂）Table 6 Ratio of improving muck（fine powder sand）

图3 粉细砂渣土改良Fig.3 Improving muck with fine powder sand

对于细砂，掺加开挖黏土的膨润土浆液配合比，经过适配为表4第3种。渣土改良配合比如表5，经过试验得知渣土改良比例（体积比）泥浆∶渣土=1∶8。对于粗砂，掺加开挖黏土的膨润土浆液配合比，经过适配为表4第3种。渣土改良配合比如表7，经过试验得知渣土改良比例（体积比）泥浆∶渣土=1∶4。

表7 粗砂渣土改良配合比Table 7 Ratio of improving muck（coarse sand)

通过对比以上不同盾构渣土的土质情况，并比较在纯用膨润土情况下的不同渣土的改良配合比以及掺加黏土后达到相似改良状态下的改良配合比，得到盾构施工中的渣土改良配合比如表8。利用膨润土掺加暗挖区间开挖的黏土改良盾构渣土时，改良用黏土浆液配合比（质量比）=4∶1，粉细砂为配合比（体积比）浆土比=1∶10，细砂渣土改良配合比（体积比）浆土比=1∶8，粗砂为配合比（体积比）浆土比=1∶4，此时能够满足现场实际使用需要，具有较好的黏性，易带出渣土，且出机状态与利用纯膨润土进行改良效果相似。

表8 掺黏土前后不同渣土改良配合比Table 8 Improved mixing ratio of different slag before and after clay mixing

3 结语

根据现场施工实际及室内模拟进行试验研究，并进行成本分析得到如下结论：

利用膨润土掺加暗挖区间开挖的黏土改良盾构渣土时，可以满足现场实际使用需要，具有较好的黏性，易带出渣土，且出机状态与利用纯膨润土进行改良效果相似。掺加废黏土后的膨润土浆液黏性较好，能够满足实际现场需要，既节约了膨润土的使用量，又能够利用其他施工现场开挖的废黏土，得到资源的合理有效利用。

本次研究采用区间开挖废黏土掺配一定比例膨润土，用于改良地铁盾构施工掘进过程中的渣土，是北方地区为数不多的尝试，并在施工现场实际施工中得到了很好的应用。通过掺加黏土改良渣土可以大大节约项目成本，为今后的盾构渣土改良提供一定的参考。