摘 要：土压平衡盾构在透水砂性地层掘进时，通常会出现不同程度的渣土喷涌问题，严重时可能威胁盾构隧道管片衬砌结构的安全。针对土压平衡盾构穿越深圳地铁7号线大沙河段透水砾砂层掘进施工，采用钠基膨润土与CMC作为渣土改良基材，开展透水砂层土压平衡盾构掘进渣土改良室内试验，揭示了改良剂浓度、掺量及不同组合对渣土改良效果的影响规律，并据此提出具有针对性的配比方案。

   研究结果表明：钠基膨润土泥浆对饱和砾砂改良效果显著，膨润土泥浆与CMC混合使用可以进一步降低改良土体的渗透系数，提升土体改良效果；结合工程实际给出膨润土泥浆浓度为11%、膨润土浆液与渣土体积比为1：4的改良方案，通过对改良后渣土状态、盾构施工参数及地表沉降控制效果的综合分析，验证所提渣土改良方案的可行性。

   土压平衡盾构因其施工速度快，成本低等特点，在修建城市地铁中得到了广泛应用。然而，当土压平衡盾构在饱和透水砂层的掘进过程中，特别是压力舱及螺旋出土器内的渣土渗透系数较大时，砂性土料抵挡不住开挖面水压，易发生喷涌现象；同时，盾构机在砾砂地层中施工，刀具及刀盘过度磨损、地表沉降过大等问题导致施工速度减缓。在盾构选型已经确定的情况下，采用土体改良措施改善渣土特性是防止喷涌的有效措施。

    国内外在渣土改良的研究中大多采用泡沫作为土体改良剂，以膨润土泥浆作为改良剂的研究相对较少。贺斯进针对黄土地层的特性，借助优化试验获得了适用于该类地层的膨润土泥浆最优体积掺入比；江华通过土体改良试验，发现以泡沫+膨润土为改良剂对砂卵石地层进行改良具有较好的可行性；王明胜为了使盾构机能适应广州地区复合地层的掘进施工，采用高分子聚合物对渣土进行改良；叶新宇针对泥质粉砂岩地层，采用泡沫剂对渣土改良，根据现场渣土状态对泡沫用量进行优化；Stephane Quebaud对土压平衡盾构掘进过程中气泡对土体的改良特性进行了研究，获得了气泡的掺加量对改良土体的渗透性的影响规律；Sotiris Psomas为了探究土体改良在土压平衡盾构施工过程中的适用性，通过一系列土工试验发现改良后的土体可以承受较高的竖向压力，土压达到200kPa时气泡依然存在于土体中。

    目前国内以泡沫作为常用的盾构渣土改良剂，由于砾砂的孔隙比较大，气泡不易充分填充于砂粒中，无法达到减小其渗透系数的作用。膨润土遇水膨化后颗粒体积增大，可以填充在渣土空隙中提高土体抗渗性。高分子聚合物与膨润土混合使用对渣土的改良效果更好，但由于其成本较高，可作为施工中的应急措施。为有效解决土压平衡盾构穿越砾砂层的渣土喷涌问题，以深圳地铁7号线穿越砾砂地层的工程实例为背景，采用钠基膨润土与CMC（羧甲基纤维素）对砾砂地层土体进行改良试验研究。

1. 工程概况

   深圳地铁7号线西丽湖站—西丽站区间线路下穿西丽水库泄水渠（大沙河），同时侧穿水库桥，周围有西丽水库大坝及水库管理处等重要建（构）筑物。该段隧道覆土厚度5.9～6.9m，从地面向下各地层分别为素填土、粉质黏土、砾砂、全风化花岗岩，强风化花岗岩等，河床底中部存在1条断层，地层分布纵断面如图1所示。

   地层的物理力学参数及砾砂颗粒级配见表1、表2。盾构在穿越大沙河过程中，地层存在多次软硬交互现象，隧道结构在地下稳定水位以下，且位于西丽水库下游，冲刷严重。地下水与水闸河水互补，存在水力联系。盾构在该类地层掘进的过程中，形成“土塞 效应”较为困难，更易导致喷涌问题。

2. 渣土改良试验

   砾砂渗透系数大、流塑性差，土压平衡盾构在富水砾砂地层施工过程中极易发生喷涌问题。此次室内试验以钠基膨润土为渣土改良剂主材，施工应急措施是以膨润土与高分子聚合物（CMC）混合使用。渣土改良试验使用山东潍坊所产的NV－1一级膨润土，其详细参数见表3。

   按照实际工程中砾砂的颗粒级配，以重度、渗透系数等为控制指标，配制重塑砾砂。试验依据《土工试验规程》( SL237—1999) 等内容执行，根据试验目的，开展以下试验。

   （1）测定膨润土泥浆黏度:对现场所使用的钠基膨润土，采用1006型泥浆黏度计（水值：15s），探究膨润土泥浆浓度-黏度特性。

   （2）渗透试验：测试饱和砾砂在土体改良前后抗渗性能的变化情况，选择能够符合盾构施工要求的改良土体。使用TST-70型渗透仪标定重塑砾砂的渗透系数，测定结果为2.07×10－2cm/s，与地勘资料中所提供的参数相近；采用TST-55渗透仪对改良渣土的渗透系数进行测定。

   （3）坍落度试验：检测改良渣土的和易性及流动性，保证渣土可以通过螺旋出土器顺利排出。

   为使改良方案满足合理性与经济性，首先制备不同浓度的膨润土泥浆，膨化24h后，对钠基膨润土泥浆浓度-黏度特性开展研究，得到满足盾构泵送能力的泥浆浓度范围。然后开展渣土改良试验，分别在泥浆掺加量一定与泥浆浓度相同的两种情况下，探究钠基膨润土泥浆浓度与掺加量对渣土改良效果的影响规律，获得膨润土泥浆最优浓度及体积掺入比，使改良后砾砂呈“流塑性状态”。最后，在以上试验的基础上，膨润土与羧甲基纤维素混合使用，得到施工中防治喷涌的应急配合比。

3. 试验结果分析

3.1 膨润土泥浆黏度试验

   膨润土泥浆黏度过大时，泥浆为啫喱状，盾构机难以泵送，管道易堵塞；当泥浆黏度过低时，无法对土体进行有效改良。为使泥浆能够满足盾构机的泵送能力，配制浓度范围为7%～16%的膨润土泥浆，膨化24h后，使用黏度计进行黏度试验。膨润土泥浆黏度随浓度变化曲线见图2。

   试验结果表明：（1）膨润土泥浆浓度小于10%时，泥浆黏度随浓度增长较缓；当泥浆浓度大于10%后，黏度随浓度的增大而大幅提高；（2）浓度为13.5%的膨润土泥浆其黏度达到了166.87s，已经超过了盾构所要求的泵送能力（通常情况下为100s以内）；（3）浓度为14%的泥浆在394s后断流，漏斗内泥浆剩余；浓度为16%的泥浆黏度过大，无法从漏斗口流出。

3.2 膨润土泥浆浓度对渣土改良效果的影响 

   在泥浆掺量相同的情况下，泥浆浓度对改良效果产生显著影响。当膨润土泥浆体积掺入比为20%时，探究膨润土泥浆浓度对砾砂改良效果的影响。使用浓度为7.0%、8.5%、10%、12.5%、13%的膨润土泥浆，按砂土与泥浆的体积比为10∶2分别进行渗透试验，改良渣土的渗透系数随泥浆浓度的变化关系如图3所示。

   掺加一定量的膨润土泥浆后，改良砾砂的渗透系数明显降低。按饱和砾砂与泥浆体积比10∶2的比例，将浓度为10%、12.5%、13%的膨润土泥浆分别注入饱和砾砂中，改良砾砂的渗透系数达到了10－5cm/s数量级，渗透性均比改良前大幅降低。当膨润土泥浆浓度大于10%以后，随泥浆浓度的增大，改良渣土的渗透系数减小幅度逐渐减缓。

   根据上述改良渣土的渗透试验结果，对浓度满足土压平衡盾构施工中所要求最小渗透系数的改良渣土进行坍落度试验，根据改良后渣土的渗透系数及坍落度确定最优浓度，以便进行后续试验。将浓度为10%、12.5%、13%的膨润土泥浆等比例加入砾砂中，分别配制7L改良渣土进行坍落度试验，试验结果如表4所示。

   由坍落度试验结果可知，在膨润土泥浆掺加量一定的情况下，泥浆浓度越大，改良渣土的坍落度也随之增大。根据渗透试验及坍落度试验结果，浓度为10%的膨润土泥浆可以使砾砂具有良好的抗渗性，但其流动性无法满足要求。

3.3 泥浆掺入比对渣土改良效果的影响

   当泥浆浓度保持不变的条件下，泥浆掺量对改良土体的特性产生显著影响。根据试验所得到的泥浆最优浓度，探究在浓度一定的情况下，泥浆掺加量对渣土改良效果的影响。将膨润土泥浆与砾砂按体积比分别为2∶10、2.5∶10、3∶10的比例搅拌均匀，改良土体的渗透系数达到了10－5cm/s，可以满足盾构施工对渣土抗渗性能的要求。从图4可以看出，当膨润土泥浆的体积掺入比大于20%后，随泥浆掺入量的增大，改良土体渗透系数的减小幅度逐步趋于平缓。

   按照坍落度试验结果，砾砂在改良前流塑性差，坍落度接近于0，使用膨润土泥浆进行改良后，坍落度随泥浆加入量的增大逐渐增加。当膨润土泥浆与砾砂的体积比为2.5∶10时，改良后的坍落度达到了13.5cm，满足渣土最佳坍落度为10～15cm的施工要求；当膨润土泥浆的体积掺入比为30%时，其坍落度达到了18.5cm，超过了渣土最优坍落度的要求。以上试验表明，当膨润土泥浆的体积掺入比为25%时，不仅可以满足渣土所要求的“流塑性”状态，从改良渣土的渗透性方面和成本控制均可以达到最优，在施工中建议按照此掺加比对渣土进行改良。见表5。

3.4 防喷涌应急措施研究

   土体渗透系数是导致喷涌发生的关键因素，因此改善渣土的渗透性是试验中最为重要的环节。CMC对土体颗粒具有黏合作用，可以起到保水和增大稠度的作用，对防治喷涌有明显的效果。按照膨润土泥浆改良砾砂的试验成果，当膨润土泥浆浓度为10%时，分别配制CMC浓度为2.5‰、5‰、7.5‰及10‰的混合浆液（以浓度为2.5‰为例，其混合浆液的配比为水∶膨润土∶CMC=1000∶100∶2.5）。按混合浆液与饱和砾砂体积比为2.5∶10进行改良，测定改良渣土的渗透系数、坍落度，进行不同CMC浓度浆液改良渣土渗透试验，渗透系数随CMC浓度变化曲线如图5所示。

   通过试验结果可知，掺加CMC提升了膨润土的改良性能，改良土体的渗透系数明显降低。当CMC浓度为5‰、7.5‰及10‰时，改良砾砂的渗透系数达到10－6cm/s，均比单独使用膨润土泥浆对砾砂进行改良时的抗渗性能得到了一定程度的提高。对渣土进行坍落度试验，试验结果为11cm，满足流动性的要求，膨润土与CMC的混合使用对于改善砾砂的渗透性有比较明显的效果。这是因为膨化后的膨润土颗粒填充在砾砂空隙中，同时CMC对颗粒具有黏合作用，增大了水流在土体中流动的阻力，因此改良后土体的渗透系数有了较大程度的降低。可以看出，当CMC浓度为5‰时，随着CMC浓度的增大，改良后渣土的渗透性减小幅度逐渐趋于平缓。综合考虑改良土体的抗渗性及流动性，最优的CMC浓度为5‰。

4. 现场改良效果分析

   盾构下穿大沙河时，土体处于超饱和状态，对膨润土泥浆有稀释作用。为提升渣土改良的效果，施工现场采用浓度为11%的钠基膨润土泥浆对渣土进行改良，泥浆使用量为12.5～14m3/环。盾构施工过程中无喷水、喷泥现象发生，从图6可以看出，在出土口观察到渣土具有良好的流动性，呈可塑状，改良效果较好。

   在盾构下穿大沙河的过程中，顶部土舱土压力参数变化如图7所示。根据盾构穿越大沙河段施工方案，土压力的最优范围为0.08～0.12bar（1bar=0.1MPa），因此，钠基膨润土泥浆使土压力稍微上升有利于开挖面的稳定。土压平衡在富水砾砂地层中掘进状态较好，可以确保施工顺利进行。

   盾构隧道下穿西丽水库泄水渠（大沙河），埋深较浅，周围有西丽水库大坝、水库桥及水库管理处等重要建（构）筑物，对地表沉降要求严格。在大沙河两岸分别布设5个沉降监测点，监测盾构穿越大沙河的过程中地表沉降情况，地表沉降监测点布置如图8所示，北岸监测点沉降随时间变化如图9所示。

   为了严格控制盾构穿越大沙河所引起的地表沉降，使用钠基膨润土泥浆对渣土进行改良，同时盾构机保证满仓掘进。从图9可以看出，盾构在到达监测点位置时（下穿大沙河前），较高的土仓压力使此处地表出现明显的隆起现象，盾构通过后地表出现沉降，地表沉降均在可控范围内。

5. 结论

   针对盾构在砾砂地层中掘进所面临的问题，借助室内试验获得了改善土体特性的改良方案，通过现场应用进行验证，根据渣土状态、土舱内土压力及地表沉降控制效果，证明此改良方案是可行的，研究结论如下：

   （1）揭示了膨润土浓度及掺量对渣土改良效果的影响规律，对盾构施工中膨润土泥浆的选用提供了参考依据；

   （2）针对工程提出最优渣土改良方案，采用浓度为11%的钠基膨润土泥浆，与渣土体积比为2.5∶10的情况下可以有效改善渣土特性，盾构掘进过程中，未发生喷涌现象，渣土可以顺利从螺旋出土器排出；

   （3）通过对土仓压力、渣土状态及地表沉降数据进行分析，验证了采用纳基膨润土对透水砾砂地层进行土体改良的可行性。

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知识点：土压平衡盾构穿越透水砾砂层渣土改良试验研究