淺談盾構砂層土體改良技術

郭彬河

（中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建 福州 350011）

0 引言

經過多年嘗試和探索，盾構掘進工法由敞開式盾構發展成一種較為安全的封閉式盾構模式，解決了盾構施工的安全問題。我國的盾構發展始于20世紀60年代上海黃浦江隧道，所采用的盾構模式為封閉式。

進入21世紀以來，盾構施工在我國城市地鐵領域發揮著越來越大的作用，其依靠大型設備在城市地下空間進行施工能夠很好地保障地下淺埋管線、地上構筑物的安全。土壓平衡盾構機為封閉式盾構的一種，通過盾構設備主機的殼體構建形成封閉空間，依靠主機前方刀盤切削土體，切削下的土體在刀盤后面的土倉內與水、改良溶劑、空氣混合形成良好的塑狀體，一部分通過螺旋輸送機排出，剩余部分渣土與空氣共同抵抗掌子面土體的側壓力，保持刀盤前方和上方土體的穩定[1]。砂質地層由于其本身特性無法較好地形成黏塑體，其渣土改良效果差，往往在盾構施工過程中造成較大的土體沉陷，進而影響周邊構筑物、管線的安全。本文通過實際施工案例，在掘進參數的調整、渣土改良劑的選擇方面，找出一種適合本地區盾構施工的措施，確保施工期間的安全和效率。

1 工程概況

1.1 地層特性

行政中心站～園博園站區間（以下簡稱“行園區間”）以行政中心站為起點，向北沿規劃的北京南大街（原名新城大道）下方敷設，側穿及下穿綜合管廊后到達園博園站。區間沿線主要為空地，部分區間上方有綜合管廊，綜合管廊寬度8.4m，高5m，由于綜合管廊未貫通，里面無市政管線。區間采用盾構法施工，線路總長度為1087.240m，結構覆土厚度為10.0～20.8m,區間穿越土層主要有粉細砂④^1層、粉質黏土④^4層、粉質黏土⑤^1層、粉土⑤^2層、粉細砂⑤^3層、中粗砂⑤^4層、細中砂⑥^1層、中粗砂含卵石⑥^2層（地質圖見圖1）。線路平面有8處平曲線，平曲線半徑分別為1200m、1500m、2500m。線路縱向坡度呈“V”字型坡。

圖1 區間（部分）地質剖面圖

部分地層特性如下：

（1）黃土狀粉質黏土層③∕1層；屬黏土，有一定黏性，可塑性中，透水性適中，粉狀顆粒，可壓縮（受擠壓可變形）。

（2）粉細砂④∕1層；砂層，顆粒小，抗磨阻力大，透水大，遇水即流，不可壓縮。

（3）中粗砂④∕2層；砂層，中等和小顆粒混合砂體，抗磨阻力大，透水性大，遇水即流，不可壓縮。

（4）粉質黏土④∕4層；黏土，黏性中，可塑性中，透水性適中，粉狀顆粒，可壓縮（受擠壓可變形）。

（5）粉質黏土⑤∕1層；黏土，黏性中，可塑性中，透水性適中，粉狀顆粒，可壓縮（受擠壓可變形）。

（6）細砂⑤∕3層；砂層，顆粒小，抗磨阻力大，透水中，遇水即流，不可壓縮。

1.2 抗浮設防水位與防滲設計水位

擬建區間場地巖土層主要為滹沱河沖洪積形成。本次勘察鉆孔最大深度45.00m，受鉆探施工工藝限制，在勘察深度范圍內未能實測到地下水位，根據對本區間場地附近初勘水位觀測孔的調查資料顯示，本區間賦存一層地下水，地下水類型為潛水（二），埋深大約40.00m左右，含水層為中粗砂（含卵石）⑧1層。本次勘察未見上層滯水，但由于大氣降水、管道滲漏等原因，場地內不排除局部存在上層滯水的可能性。

根據場地地形、標高、場地地下水的類型、變化幅度、補給排泄，并結合地區經驗，建議本工程場地基坑抗浮設防水位可按整平地面標高以下6.0m選用。根據本次勘察結果和當地經驗，建議防滲設計水位按自然地面標高考慮。

2 土體改良的要求

（1）目前，我國所應用的盾構機類型主要為土壓平衡式盾構，其特點是用開挖出的土砂作為支撐開挖面穩定的介質，在砂質地層施工，由于砂層穩定性較低，盾體受包裹程度較高，在控制出土量方面要求嚴格等一系列因素決定了盾構機必須滿足在高推力大扭矩的狀況下施工。為了降低設備負載及快速施工等方面要求，必須對開挖土體進行相關改良，因此要求作為支撐介質的土砂具有良好的塑性變形、軟稠度、內摩擦角小及滲透率小。但是由于一般砂層不能完全滿足這些特性，所以要進行改良，其技術要點是在刀盤前部和泥土倉中注入水、膨潤土泥漿、黏土、聚合物或泡沫等混合添加材料，經強力攪拌，改善開挖土的砂塑性、流動性，降低渣土的透水性。

（2）行園區間部分施工參數。本區間施工至200環以后，開挖范圍內砂層含量增加至50%以上，掘進參數較前有較大的變化，尤其表現在推力和扭矩的大幅增加、掘進速度大幅降低（部分掘進參數見表1）。

表1 掘進施工參數

由于細砂層自穩性較差，且地表為新建主干道路，對沉降控制嚴格，所以必須通過對渣土進行改良，以便對渣土的流塑形和和易性進行優化，減少對設備的負載，達到快速施工并及時對后方襯徹環管片土體進行加固，進而控制地表沉降。

3 改良劑需要解決的問題

（1）提高掌子面的抗滲性能，避免土倉加水作業沖塌掌子面砂層土體。

（2）降低土倉內渣土及掌子面土體的內摩擦角，降低刀盤扭矩和頂進油缸壓力。

（3）提高渣土和易性，保證螺旋機排土順暢。

（4）降低螺旋機噴涌現象的發生。

（5）提高掘進速度，降低設備載荷。

4 改良劑的分類和特性

膨潤土泥漿和發泡劑是國內土壓平衡盾構施工常用的渣土改良劑[2]。分別利用刀盤面板上六路噴射管道進行渣土改良施工，達到渣土改良目的。

膨潤土泥漿適用于細顆粒含量少的砂層、砂礫層、卵石、漂石等地層。膨潤土是以蒙脫石為主要成分的非金屬黏土類化合物，其配比漿液能夠補充砂礫地層中相對匱乏的細黏性顆粒含量，并滲透進入砂礫地層中形成潤滑泥膜，從而提高地層渣土和和易性，降低刀盤扭矩，利于螺旋機排土順暢。

發泡劑是一種均質的液體泡沫劑，經管道輸送到泡沫發生器產生泡沫，從而增加渣土的黏滯性，改善刀盤的工作環境，增加土倉的密封和便于渣土的運輸。泡沫劑多用于細顆粒土層和砂層中，泡沫原液在混合液中占比3%～5%，然后與20倍的空氣混合通過刀盤泡沫搶注入到掌子面土體，利用泡沫劑表面的活性，使渣土的和易性提高，不至于水土分離，有效改善了渣土的流塑形，同時對于降低刀盤扭矩和油缸壓力也有很好的作用。

膨潤土泥漿注入法需用大型設備生產相當數量的膨潤土泥漿，來保持盾構施工的生產能力，另外，高含水率的膨潤土泥漿和開挖土的混合物在對環境保護措施嚴格的國家被認定為污染物，其處理價格昂貴，有時會引起公害。在歐洲，用發泡劑取代膨潤土泥漿，尤其當盾構通過透水性較強的砂土、含有少量黏土、粉砂細屑的礫石層時，發泡劑優于膨潤土泥漿。

5 施工實例

石家莊三號線行園區間施工地層主要為粉質黏土和砂質地層，而砂質地層施工無論是控制地表沉降還是隧道掘進施工都難于粉質黏土地層。通過泡沫原液比5%，每根泡沫搶注入氣體為180～250L∕min，改良粉細砂和中粗砂地層。由于砂質地層不利于保壓掘進施工，在掘進過程中采取半倉快速掘進施工，嚴格控制出土量。通過泡沫劑進行渣土改良，推力控制在15000kN以內，刀盤轉速提升至1.8 轉∕min，刀盤扭矩控制在1600～2000kN·m，掘進速度控制在30～50mm∕min，通過嚴格管理組織快速施工，在土體脫離盾尾時，采取同步注漿穩固周圍土體，通過設置1.5 倍主動土壓的注漿壓力進行支撐拱部土體。行園區間施工范圍內土體經過擾動后必須在24h內及時跟進二次注漿，彌補同步漿液的不足和收縮，方可確保地表沉降在受控范圍內，有利于保證施工質量。通過渣土改良，降低設備負荷和保證施工質量，此區間施工范圍內利用添加合理的泡沫改良劑達到了較理想的效果。

6 結束語

通過合理的渣土改良既有助于盾構掘進施工，同時對保證施工質量和控制地表沉降也有重要的意義。在砂質地層施工必須通過渣土改良才能降低設備大負荷磨耗，同時由于砂顆粒與水易快速分離，不利于渣土排出，經過泡沫劑改良后，能夠有效提高渣土的流塑性和和易性。