低浓度聚合物水溶液在土压平衡盾构渣土改良中的实践应用
摘 要：笔者分析了土压平衡盾构施工所需达到的低内摩擦角、低渗透率流塑状态的理想渣土，提出理想渣土应具有高抗水分散性和高保水率的特性。经室内试验定性分析采用低浓度阴离子1600万分子量的聚丙烯酰胺、5000分子量的聚丙烯酸纳混合水溶液对渣土进行综合改良，可以达到塑性状态的理想渣土。提出刀盘前方注入泡沫，刀盘前方中心、土舱中心和土舱上方加入聚合物水溶液的综合渣土改良方法，降低了盾构结泥饼的机率。此渣土改良方法成功应用于成都轨道交通19号线二期工程，低浓度聚合物水溶液渣土改良方法可在全国范围内推广。
关键词：理想渣土；高抗水分散性；高保水率；聚丙烯酰胺；聚丙烯酸纳；成功应用
0 引言
近年来，盾构法凭借其安全、可靠、快速、经济、环保等优势广泛应用于各大城市地铁。土压平衡盾构由于占地面积小、设备相对便宜、施工进度快、施工成本低等多个优点在盾构选型上占有绝对优势，大部分地层都选用土压平衡盾构，只有盾构穿越江河时才会选用泥水平衡盾构。土压平衡盾构施工最难处理的问题是盾构土舱内结泥饼。只要盾构结泥饼，会导致盾构推力大、掘进速度慢、掘进超方等问题，严重时会造成较大安全事故。为防止盾构结泥饼，众多盾构专家、学者进行了研究。傅鑫晖等[1]从区间隧道的地质条件、盾构机刀盘的开口率、刀具的启动扭矩与复合地层不同土层强度变化较大的矛盾、土舱长时间充填黏性土、渣土改良及掘进模式等五个方面分析了泥饼形成的原因和机理，并提出了防止泥饼形成的施工措施。贺雄飞等[2]针对黏性土层研制专用分散型泡沫剂DCA，并成功应用于高液限、强塑性黏性土地层盾构区间。宋上明等[3]采用现场测试与室内试验相结合，得出昆明地区砾砂复合地层渣土较佳坍落度为13～18cm，每环泡沫原液用量20L，注水量8m3。连小涛[4]认为泡沫渣土改良技术是保证施工安全、顺利进行的关键技术之一。在试验所有土样条件下，建议施工时使用的泡沫注入率为20%～30%。钟小春等[5]以广州地铁21号线复合地层为依托，认为粉质黏土层的含量在 30% ~ 70%之间时，渣土能够达到良好的塑性流动状态。粉质黏土层的含量超过70%时，存在结泥饼的风险。众多专家、学者认为土压平衡盾构结泥饼是多因素造成的，黏土层含量多容易结泥饼，聚合物水溶液可防喷涌，但容易造成结泥饼。
笔者对砂和黏土两种土样进行室内试验，通过分别加入水或低浓度聚合物水溶液的渣土定性分析渣土的保水率、抗水分散性等特性，指出加入低浓度聚合物水溶液的渣土比加入水的渣土更具有良好的抗水分散性、高保水率的特性。此渣土即不容易被水稀释（造成喷涌），渣土内水也不容易流失（造成结泥饼）。并对加入渣土改良剂的位置进行了分析并提出明确意见。经现场实际应用，取得良好效果。
1 土压平衡盾构理想渣土
土压平衡盾构喷涌和结泥饼是由多种因素造成的，但主要原因还是渣土改良不好导致的。如果渣土改良不好，无论刀盘、地层如果变化，还是会导致盾构掘进喷涌或结泥饼。现对理想渣土进行定性分析，从而找到即不容易喷涌也不容易结泥饼的渣土改良方法。
1.1 现今理想渣土的评判标准
现今普遍认知是土压平衡盾构理想渣土要达到低内摩擦角、低渗透率的流塑状态，坍落度达到15～22cm（如图1、图2）。黏性土很容易达到此种状态，但由于含黏性颗粒过多，容易结泥饼。砂和卵石无法达到流塑状态，需要注入膨润水泥浆（细颗粒），使之尽量达到流塑状态。渗透系数大的砂和砂卵石地层需要加入一定量的聚合物，防止喷涌，但容易造成结泥饼。
图1 加入水的黏性土理想渣土
图2 加入膨润土的砂卵石理想渣土
1.2理想渣土的水压力
渣土的流塑状态实际上是流动状态，此状态下渣土含有强结合水、弱结合水和一定数量的自由水。当渣土的内摩擦角很小时，渣土的压力传递递减率很低，很容易造成喷涌。笔者[6]对开挖面微小单元体几何尺寸分析，计算出周边圆弧形刀盘开挖面每一个点的无变形的平衡压力值，并且提出土舱内经改良的渣土压力达到此值，才是达到真正的土压平衡。但土舱内理想渣土压力土压力（有效应力）和水压力（中和应力）占比未进行分析。
为对理想渣土的水土压力占比和改良渣土的渗透率进行研究，特设计一钢结构试验装置（如图3）。将改良后的黏性土理想渣土加入试验装置内，上面加盖板密封，在盖板上通过千斤顶加力对渣土进行挤压，模拟
图3 理想渣土水压力测量装置
土仓压力。在加压状态下，理想渣土中的水经试验装置一侧的滤水布进入到水压表中，通过水压表测量固定压力下的理想渣土水压力值。千斤顶的压力减去水压力就是土压力值。经试验汇总如表1。
表1 理想渣土中水土压力试验汇总表
|
千斤顶所加压力(bar) |
1 |
2 |
3 |
|
水压力(bar) |
0.9 |
2 |
3 |
|
土压力(bar) |
0.1 |
0 |
0 |
通过上表可以看出，在加压状态条件下，理想渣土的压力几乎全部是水压力，无土压力。其原因在于，流塑状态的理想渣土本身含有一定量的自由水，同时理想渣土在压力作用下，弱结合水也会转化为自由水，压力的传递是通过自由水进行传递的，因此流塑状态下的渣土压力几乎全是水压力，几乎无土压力。
1.3理想渣土内水的流失
通过上述试验可知，土舱内压力渣土几乎全部是水压力，盾构开挖面原状土有土压力和水压力，当渣土水压力值大于开挖面原状土水压力值时（盾构掘进中一般都是这种状态），土舱内渣土的自由水将向原状土中渗透，渣土中水将流失。笔者模拟理想渣土加压，自由水流失（如图4）。当压力足够大时，渣土中的弱结合水全部转化为自由水流失，渣土直接挤压为固体，渣土固结。
图4 理想渣土失水固结
1.4理想渣土标准
土压平衡盾构掘进过程中同时加入渣土改良剂对其进行改良，以达到理想渣土状态。但由于土舱内渣土水压力大于前方开挖面原状土的水压力，渣土内水将流失。但由于盾构掘进过程中一直在加入改良剂（其中主要成份为水），土舱内的渣土含水率是有保障的。但当盾构掘进停止时，土舱内渣土中水将继续向开挖面原状土内流失，渣土中水减少，当再次掘进时可能会造成泥饼的产生，这也是盾构停机过久再次掘进渣土较干的原因。当土舱内渣土较少，压力较低，开挖面原状土水压较大时，原状土水将向土舱内汇集，如果渣土渗透率大，外部水侵入渣土中，也会造成盾构掘进喷涌。因此，理想渣土应该具有低内摩擦角、低渗透率、高抗水分散性和高保水率的特性。
2 土压平衡盾构渣土改良试验分析
2.1 渣土改良剂的选取
土压平衡盾构渣土改良材料一般有泡沫、膨润土（细颗粒）泥浆、聚合物水溶液等。盾构掘进中加入的渣土改良材料一般是泡沫和膨润土泥浆、泡沫和水或泡沫和聚合物水溶液两种材料。通过上述试验可知，理想渣土的低渗透率特性通过泡沫或增加细颗粒是无法满足的，需要加入一种粘稠性材料才能达到高抗水分散性和高保水率的特性。在压力状态下改良的渣土外部水不容易侵入、内部水不容易流失，才能达到即不容易喷涌、也不容易结泥饼的理想渣土状态。
笔者通过大量的定性试验并查找相关资料，寻求在加入泡沫的同时，加入化学材料水溶液（如聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、植物胶、黄原胶、减水剂、瓜尔豆胶等的水溶液），能够达到所需理想渣土的状态，最终选定了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸纳相混合的水溶液。
利用低浓度聚丙烯酰胺水溶液呈网状结构特点，在渣土颗粒间通过物理的、机械的、化学的作用将渣土颗粒聚合在一起，渣土内大部分水以弱结合水形态存在于渣土中。由于低浓度聚丙烯酰胺水溶液呈网状结构特点，渣土外部的水不容易侵入渣土内（渣土不会被稀释，不会造成喷涌），渣土内部的水不容易流失（压力状态下失水量少，不会造成结泥饼）。低浓度聚丙烯酸纳水溶液在渣土颗粒表面形成吸附层，使颗粒表面的电荷增加，提高形成立体阻碍的颗粒间的排斥力，同时渣土颗粒表面形成双电层结构，使双电层厚度有所增加，颗粒间因静电斥力而远离，对渣土颗粒间具有良好的分散性能，颗粒间不容易粘结，可降低渣土结泥饼机率。低浓度的聚丙烯酰胺水溶液和低分子量低浓度的聚丙烯酸纳水溶液都能使渣土体系均匀，悬浮性能增加，渣土不分层，土舱内渣土均匀。
2.2 渣土改良剂的定性试验
通过对砂和黏性土样品分别加入水或聚合物（1600万分子量阴离子聚丙烯酰胺、5000分子量聚丙烯酸纳）水溶液进行定性分析。
2.2.1 砂的定性试验
砂加水后容易分层（如图5），砂沉淀；砂加入聚合物水溶液砂中自由水转化为弱结合水，不容易分层（如图6），渣土体系均匀。
图5 砂加水图
图6 砂加入聚合物水溶液图
加水的砂上方加水，水很容易侵入原渣土中（如图7）；加聚合物水溶液的砂上方加
图7 加水砂的抗水分散性
水，上方水无法侵入原渣土中（如图8）。加聚合物水溶液的砂抗水分散性明显优于加水的砂。
图8 加聚合物水溶液砂的抗水分散性
加水砂和加聚合物水溶液的砂在同种加压条件下，加聚合物水溶液的砂（如图9）的失水率稍低于加水的砂（如图10）。
图9 加水砂加压后渣土
图10 加聚合物水溶液加压后渣土
2.2.2 黏性土的定性试验
黏性土加水和加聚合物水溶液如果坍落度相同，加聚合物水溶液的量明显多于加水的量，聚合物将自由水转化为渣土中的弱结合水（如图11）。
图11 加聚合物的塑性渣土
黏性土加水和加聚合物水溶液在同种坍落度条件下抗水分散性基本相同（如图12）。
图12 黏性土的抗水分散性
加水的黏性土和加聚合物水溶液的黏性土在同种加压条件下（如图13），加聚合物水溶液的黏性土（如图14）的失水率明显好于加水的黏性土（如图15）。
图13 对渣土加压滤水图
图14 加聚合物黏性土加压后渣土
图15 加水黏性土加压后渣土
2.2.3 渣土改良剂的作用分析
从试验观察、加压失水试验、加水稀释试验可以得出如下定性结果：在理想坍落度值相等条件下无论是砂还是黏性土加入聚合物水溶液渣土的含水量要高于只加水的渣土含水量，随着聚合物浓度的增加，加入的水溶液量增加。加压时间与重力相同条件下，加入聚合物水溶液的渣土失水量要低于只加水的渣土失水量。加入聚合物水溶液的渣土抗水分散性明显好于只加水的渣土抗水分散性。加入聚合物水溶液的渣土均匀性明显优于只加水渣土，尤其是砂渣土样品更突出。通过定性试验可以得出最终结论：加入聚合物水溶液的渣土抗水分散性和保水率明显优于只加水的渣土，加入聚合物水溶液的渣土达到塑性状态也不会结泥饼。塑性状态渣土一定程度上也降低了盾构喷涌的机率。
渣土坍落度相等条件下，由于不同地质、不同聚合物加入的量会有所不同。因此，此试验只进行定性分析，不再进行定量分析。笔者只是根据经验选取了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸纳的混合水溶液，使改良后的渣土达到高抗水分散性和高保水率的塑性状态。理论上聚合物的浓度越高，加入聚合物水溶液的量越多，渣土的弱结合水含量越多，越不容易结泥饼。聚合物水溶液的浓度要根据现场实际情况进行适当调整。
3 土压平衡盾构渣土改良位置优化与实践应用
土压平衡盾构结泥饼位置一般发生在土舱中心（土舱中心一般无搅拌装置）。为保证渣土改良均匀，防止结泥饼，优化方案如下：刀盘前方按常规注入泡沫，刀盘前方中心、土舱中心和土舱最上方三个位置注入聚合物水溶液，注入量采用变频泵控制，注入速度与量可调并可显示，方便盾构机操作手根据渣土状态实时调整。成都轨道交通19号线二期工程约14台盾构采用泡沫和聚合物水溶液的综合渣土改良方法，渣土达到理想的塑性状态（如图16、图17），盾构掘进过程中未发生喷涌和结泥饼现象，使用效果良好。使用聚合物水溶液配比如表2。
图16 砂卵石地层改良后的渣土
图17 泥岩地层改良后的渣土
表2 聚合物溶液配比表
|
地层 |
水质量（kg） |
聚丙烯酰胺质量（g） |
聚丙烯酸纳质量（g） |
|
砂卵石地层 |
1000 |
80 |
20 |
|
泥岩地层 |
1000 |
50 |
50 |
4 结论
1）理想渣土标准是低内摩擦角、低渗透率、高抗水分散性和高保水率的塑性状态。
2）泡沫与低浓度聚丙烯酰胺和聚丙烯酸纳混合水溶液的综合渣土改良方法能够降低盾构掘进喷涌、结泥饼的机率。
3）优化渣土改良位置，注入速度与量可调才能保证达到理想渣土状态。
参考文献（References）：
[1] 傅鑫晖，莫涛，张晨，等.复合地层盾构机刀盘结泥饼成因及预防措施[J].地下空间与工程学报，2020，16（增刊2）：864-869.
[2] 贺雄飞，张迅，李治国，等.盾构施工新型防结泥饼泡沫剂的研制与应用[J].隧道建设（中英文），2019，39（6）：925-933.
[3] 宋上明，李志军，陈先智，等.昆明地区砾砂复合地层土压平衡盾构渣土改良技术[J].施工技术，2019,48(10)：112-116.
[4] 连小涛.南昌地铁砾砂层渣土改良技术试验研究[J].铁道建筑技术，2020（4）：14-17，51.
[5] 钟小春，张洋，张露露，等.复合地层土压平衡盾构压力舱渣土改良研究[J].河北工程大学学报（自然科学版），2020,37(2)：24-29.
[6] 王国义，王婷雯.盾构平衡压力理论计算与应用技术【J】.山西建筑，2020，46（6）：1-5.