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盾构在富水含砂层中掘进施工的渣土改良技术措施

摘要：土压平衡盾构法施工因其良好的适应性和安全性等优点，在地铁隧道、大型地下通道等基础设施建设中得到了广泛的应用。然而，在富水砂层中，土压平衡盾构机掘进施工普遍存在螺旋机喷涌、摩阻力大、推力波动大等难点，影响施工质量并带来较大安全风险。为解决这个问题，本文过项目实例中上海地区砂性土地质特点，通过合理使用适当比例的高分子聚合物对渣土进行改良，改善盾构施工参数、有效控制喷涌，使盾构法在富水砂性土层中掘进顺利实施。

关键词：盾构法、富水砂层、渣土改良

0、引言

土压平衡盾构机在富水含砂地层中施工有较大的风险，如处理不当，不仅会出现螺旋机喷涌造成涌水、涌砂工程事故，破坏既有隧道结构，同时，将大大缩减盾构机的使用寿命。在该地层中掘进须对渣土性能进行改良，控制渣土流塑性满足出土要求。随着盾构法施工配套技术的逐渐完善，渣土的管理和改良对改善盾构机在不良地层（特别是富水砂层）中推进性能的作用，越来越引起工程建设者们的重视。

1工程概况

1.1、项目概况

硬X射线自由电子激光装置项目主要由长约3.2km地下隧道、5个竖井及竖井附近的地面设施组成。其中，一号井至二号井区间隧道里程范围SK0+000.000~SK1+430.000，长度1430m，隧道内径φ6300mm、外径φ7000mm。采用一台直径φ7200土压平衡盾构机掘进施工，隧道最大纵坡为0.02％，顶覆土厚度26.0~32.4m。

图1项目平面布置图

1.2、工程地质情况

区间隧道主要位于⑦1草黄色砂质粉土，该土层主要力学性能参数为：含水量27.5%、重度19.0KN/m3、孔隙比0.778、地基承载力特征值418kPa、渗透系数Kv=4.21E-04cm/s。⑦1草黄色砂质粉土为上海第一承压含水层，透水性强，在一定动水压力作用下易产生流砂现象。

图2盾构穿越富水含砂层地层图

1.3、难点分析

⑦1草黄色砂质粉土为承压水层，在水动力作用下，易产生流砂、管涌、坍塌等现象。土压平衡盾构在该土层中施工，易发生螺旋机喷涌，导致掘进面不稳定；突发性的涌水和流砂还将引起地面较大沉降，严重时会造成地面突然塌陷。因此，亟需对盾构掘进渣土进行改良，以改善出土状态及推进稳定性。

2、渣土改良的作用

在盾构的施工过程中，特别是在复杂地层或特殊地层中进行盾构施工时，进行必要的渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的重要技术手段，其主要作用如下：

2.1、提高土仓内渣土的抗渗透能力，避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故，也可有效防止螺旋机喷涌现象；

2.2、降低土仓内渣土及开挖面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损，有效降低刀盘扭矩，提高盾构掘进效率；

2.3、降低土仓内渣土及开挖面土体的黏聚力，提高土仓内渣土的可塑性，防止渣土粘结在刀盘上结成泥饼；

2.4、提高土仓内渣土的和易性，使切削下来的渣土顺利快速进入土仓并利于螺旋机顺利排土；

2.5、使渣土具有良好的土压平衡效果，有利于稳定开挖面并控制地表沉降；

2.6、渣土改良剂起到一定的冷却作用，可适当降低刀盘刀具的工作温度。

3、渣土改良剂的选择

在土压平衡盾构施工中，渣土改良使用的改良剂主要有泡沫剂、膨润土浆、高分子聚合物、水4类。根据改良剂物理化学性质及工程应用，各类型改良剂的原理、效果分析情况如下：

3.1、泡沫剂

主要成分为料烷基蔗糖苷、液料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、粉料黄蜀葵胶以及水；泡沫剂主要作用为改善土仓和螺旋机内的渣土的流动性能，便于渣土的运输和流动，盾构施工在富水地层中由于其不能很好的抑制水份，无法有效填充颗粒间的空隙，因此难以抑制富水砂层螺旋机喷涌风险，砂性土改良效果一般。

3.2、膨润土浆

主要成分为蒙脱石；膨润土浆具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。可在开挖面上形成低渗透性的泥膜，有利于平衡水土压力；可改变土仓内渣土的和易性，提高砂土的塑性，有效减少喷涌；改善刀盘、刀具及螺旋机的工作环境，减少扭矩及刀具磨损等。膨润土浆需经过12h以上的预膨胀阶段，且需布置制泥设备及储泥槽等占地面积较大的设备，大规模应用时会影响到盾构施工效率。

3.3、高分子聚合物

主要成分为聚氯乙烯分子；高分子聚合物是一种均质的液体泡沫剂，可单独使用也可与膨润土及泡沫剂混合使用，对渣土改良可以起到立竿见影的效果。使盾构前方土体均匀、加大土的坍落度、降低土的渗透系数，起到隔水作用；降低刀盘扭矩，减少机具磨损；减少土的粘性，防止“泥饼”现象，其中高吸水性树脂吸水而不溶于水，可吸收自身质量几百倍的地下水成为胶凝状态，对防止高压水地基的喷涌有很好的效果；同时，树脂还可以有效填充砂土的颗粒间隙，提高土体的流动性。而水溶性高分子类可以链接混合渣土中的微小颗粒，在土粒间形成絮状凝聚物，使