浅谈盾构砂层土体改良技术

郭彬河

（中铁十七局集团第六工程有限公司，福建 福州 350011）

0 引言

经过多年尝试和探索，盾构掘进工法由敞开式盾构发展成一种较为安全的封闭式盾构模式，解决了盾构施工的安全问题。我国的盾构发展始于20世纪60年代上海黄浦江隧道，所采用的盾构模式为封闭式。

进入21世纪以来，盾构施工在我国城市地铁领域发挥着越来越大的作用，其依靠大型设备在城市地下空间进行施工能够很好地保障地下浅埋管线、地上构筑物的安全。土压平衡盾构机为封闭式盾构的一种，通过盾构设备主机的壳体构建形成封闭空间，依靠主机前方刀盘切削土体，切削下的土体在刀盘后面的土仓内与水、改良溶剂、空气混合形成良好的塑状体，一部分通过螺旋输送机排出，剩余部分渣土与空气共同抵抗掌子面土体的侧压力，保持刀盘前方和上方土体的稳定[1]。砂质地层由于其本身特性无法较好地形成黏塑体，其渣土改良效果差，往往在盾构施工过程中造成较大的土体沉陷，进而影响周边构筑物、管线的安全。本文通过实际施工案例，在掘进参数的调整、渣土改良剂的选择方面，找出一种适合本地区盾构施工的措施，确保施工期间的安全和效率。

1 工程概况

1.1 地层特性

行政中心站～园博园站区间（以下简称“行园区间”）以行政中心站为起点，向北沿规划的北京南大街（原名新城大道）下方敷设，侧穿及下穿综合管廊后到达园博园站。区间沿线主要为空地，部分区间上方有综合管廊，综合管廊宽度8.4m，高5m，由于综合管廊未贯通，里面无市政管线。区间采用盾构法施工，线路总长度为1087.240m，结构覆土厚度为10.0～20.8m,区间穿越土层主要有粉细砂④^1层、粉质黏土④^4层、粉质黏土⑤^1层、粉土⑤^2层、粉细砂⑤^3层、中粗砂⑤^4层、细中砂⑥^1层、中粗砂含卵石⑥^2层（地质图见图1）。线路平面有8处平曲线，平曲线半径分别为1200m、1500m、2500m。线路纵向坡度呈“V”字型坡。

图1 区间（部分）地质剖面图

部分地层特性如下：

（1）黄土状粉质黏土层③∕1层；属黏土，有一定黏性，可塑性中，透水性适中，粉状颗粒，可压缩（受挤压可变形）。

（2）粉细砂④∕1层；砂层，颗粒小，抗磨阻力大，透水大，遇水即流，不可压缩。

（3）中粗砂④∕2层；砂层，中等和小颗粒混合砂体，抗磨阻力大，透水性大，遇水即流，不可压缩。

（4）粉质黏土④∕4层；黏土，黏性中，可塑性中，透水性适中，粉状颗粒，可压缩（受挤压可变形）。

（5）粉质黏土⑤∕1层；黏土，黏性中，可塑性中，透水性适中，粉状颗粒，可压缩（受挤压可变形）。

（6）细砂⑤∕3层；砂层，颗粒小，抗磨阻力大，透水中，遇水即流，不可压缩。

1.2 抗浮设防水位与防渗设计水位

拟建区间场地岩土层主要为滹沱河冲洪积形成。本次勘察钻孔最大深度45.00m，受钻探施工工艺限制，在勘察深度范围内未能实测到地下水位，根据对本区间场地附近初勘水位观测孔的调查资料显示，本区间赋存一层地下水，地下水类型为潜水（二），埋深大约40.00m左右，含水层为中粗砂（含卵石）⑧1层。本次勘察未见上层滞水，但由于大气降水、管道渗漏等原因，场地内不排除局部存在上层滞水的可能性。

根据场地地形、标高、场地地下水的类型、变化幅度、补给排泄，并结合地区经验，建议本工程场地基坑抗浮设防水位可按整平地面标高以下6.0m选用。根据本次勘察结果和当地经验，建议防渗设计水位按自然地面标高考虑。

2 土体改良的要求

（1）目前，我国所应用的盾构机类型主要为土压平衡式盾构，其特点是用开挖出的土砂作为支撑开挖面稳定的介质，在砂质地层施工，由于砂层稳定性较低，盾体受包裹程度较高，在控制出土量方面要求严格等一系列因素决定了盾构机必须满足在高推力大扭矩的状况下施工。为了降低设备负载及快速施工等方面要求，必须对开挖土体进行相关改良，因此要求作为支撑介质的土砂具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小。但是由于一般砂层不能完全满足这些特性，所以要进行改良，其技术要点是在刀盘前部和泥土仓中注入水、膨润土泥浆、黏土、聚合物或泡沫等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖土的砂塑性、流动性，降低渣土的透水性。

（2）行园区间部分施工参数。本区间施工至200环以后，开挖范围内砂层含量增加至50%以上，掘进参数较前有较大的变化，尤其表现在推力和扭矩的大幅增加、掘进速度大幅降低（部分掘进参数见表1）。

表1 掘进施工参数

由于细砂层自稳性较差，且地表为新建主干道路，对沉降控制严格，所以必须通过对渣土进行改良，以便对渣土的流塑形和和易性进行优化，减少对设备的负载，达到快速施工并及时对后方衬彻环管片土体进行加固，进而控制地表沉降。

3 改良剂需要解决的问题

（1）提高掌子面的抗渗性能，避免土仓加水作业冲塌掌子面砂层土体。

（2）降低土仓内渣土及掌子面土体的内摩擦角，降低刀盘扭矩和顶进油缸压力。

（3）提高渣土和易性，保证螺旋机排土顺畅。

（4）降低螺旋机喷涌现象的发生。

（5）提高掘进速度，降低设备载荷。

4 改良剂的分类和特性

膨润土泥浆和发泡剂是国内土压平衡盾构施工常用的渣土改良剂[2]。分别利用刀盘面板上六路喷射管道进行渣土改良施工，达到渣土改良目的。

膨润土泥浆适用于细颗粒含量少的砂层、砂砾层、卵石、漂石等地层。膨润土是以蒙脱石为主要成分的非金属黏土类化合物，其配比浆液能够补充砂砾地层中相对匮乏的细黏性颗粒含量，并渗透进入砂砾地层中形成润滑泥膜，从而提高地层渣土和和易性，降低刀盘扭矩，利于螺旋机排土顺畅。

发泡剂是一种均质的液体泡沫剂，经管道输送到泡沫发生器产生泡沫，从而增加渣土的黏滞性，改善刀盘的工作环境，增加土仓的密封和便于渣土的运输。泡沫剂多用于细颗粒土层和砂层中，泡沫原液在混合液中占比3%～5%，然后与20倍的空气混合通过刀盘泡沫抢注入到掌子面土体，利用泡沫剂表面的活性，使渣土的和易性提高，不至于水土分离，有效改善了渣土的流塑形，同时对于降低刀盘扭矩和油缸压力也有很好的作用。

膨润土泥浆注入法需用大型设备生产相当数量的膨润土泥浆，来保持盾构施工的生产能力，另外，高含水率的膨润土泥浆和开挖土的混合物在对环境保护措施严格的国家被认定为污染物，其处理价格昂贵，有时会引起公害。在欧洲，用发泡剂取代膨润土泥浆，尤其当盾构通过透水性较强的砂土、含有少量黏土、粉砂细屑的砾石层时，发泡剂优于膨润土泥浆。

5 施工实例

石家庄三号线行园区间施工地层主要为粉质黏土和砂质地层，而砂质地层施工无论是控制地表沉降还是隧道掘进施工都难于粉质黏土地层。通过泡沫原液比5%，每根泡沫抢注入气体为180～250L∕min，改良粉细砂和中粗砂地层。由于砂质地层不利于保压掘进施工，在掘进过程中采取半仓快速掘进施工，严格控制出土量。通过泡沫剂进行渣土改良，推力控制在15000kN以内，刀盘转速提升至1.8 转∕min，刀盘扭矩控制在1600～2000kN·m，掘进速度控制在30～50mm∕min，通过严格管理组织快速施工，在土体脱离盾尾时，采取同步注浆稳固周围土体，通过设置1.5 倍主动土压的注浆压力进行支撑拱部土体。行园区间施工范围内土体经过扰动后必须在24h内及时跟进二次注浆，弥补同步浆液的不足和收缩，方可确保地表沉降在受控范围内，有利于保证施工质量。通过渣土改良，降低设备负荷和保证施工质量，此区间施工范围内利用添加合理的泡沫改良剂达到了较理想的效果。

6 结束语

通过合理的渣土改良既有助于盾构掘进施工，同时对保证施工质量和控制地表沉降也有重要的意义。在砂质地层施工必须通过渣土改良才能降低设备大负荷磨耗，同时由于砂颗粒与水易快速分离，不利于渣土排出，经过泡沫剂改良后，能够有效提高渣土的流塑性和和易性。