一、概述目前我国所应用的盾构机主要为土压平衡式盾构机，渣土改良大多数选用的仍是膨润土与泡沫剂配合以达到改良土质的目的，并取得了较好效果，但该工艺中膨润土浆液的制作工序较复杂，需专门安排人员完成此项工作，并需在场地内设置膨润土搅拌池、膨化池等设施，占据大量场地。目前年国内少部分单位开始尝试用不同的渣土改良剂替代膨润土，但缺乏系统的、具体的理论研究，本文就高分子聚合物在全断面密实砂层中进行渣土改良的技术研究进行阐述。二、工程概况郑州地区某区间隧道施工为盾构法，采用1台土压平衡盾构机掘进施工，区间总长约1131m，共754环，区间隧道均采用外径6.2m的管片。三、隧道纵断面图及地质描述区间隧道纵断面图区间隧道纵断面图区间地质比例图区间主要下穿地层为：穿越的地层包括②36层砂质粉土、②36C层粉砂、②51层细砂，区间穿越砂层较多，且标贯值相对较大，基本都在55125之间。掘进过程中会出现大扭矩、大推力的情况。四、盾构机渣土改良系统区间采用土压平衡盾构机，刀盘直径6.48m，该盾构机渣土改良系统由1套泡沫系统和1套膨润土系统。其中膨润土系统可以改为高分子聚合物注射管道，本区间采用盾构用高分子聚合物替代膨润土作为渣土改良的主要材料。1.渣土改良剂由泵送设备通过中心回转轴连接刀盘注入到刀盘前方，刀盘上设有7个分别独立的渣土改良喷嘴，防治渣土在刀盘中心区域堆积，起到保护刀具的作用，土仓内配置6个渣土改良注入口，螺旋输送机沿轴向均布四个渣土改良注入口，保证渣土从刀盘上切削下来直接排除，并有效降低螺旋输送机卡死的情况的发生。2.掘进过程中刀盘低速切削掌子面，与此同时泡沫剂同步注射到掌子面上，这样切削下来的渣土与泡沫剂混合的面积达到极值的概率最大。同时将高分子聚合物注入土仓，使高分子聚合物与渣土进一步混合。五、渣土改良该区间处于全断面密实富水砂层，经研究相同地质项目渣土改良情况并咨询专家意见，决定采用高分子聚合物替代膨润土进行渣土改良。1.富水密实砂层掘进中渣土改良需要解决的问题富水密实砂层掘进中渣土改良是整个施工过程中的难点和重点，渣土改良到位，才能保证盾构施工安全、顺利、快速。富水砂层掘进中渣土改良需要解决如下问题：(1)提高土仓内渣土的抗渗透能力，避免掌子面因失水过大而造成较大的地表沉降或坍塌事故发生。(2)降低土仓内渣土以及掌子面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损，降低刀盘扭矩。1 136国内刊号CN611499/C科技传播(3)由于砂层泌水性较高，掘进停机后，土仓内砂土易离析、沉淀、密实，使刀盘再次启动时扭矩大，启动困难，对盾构机设备损害大。(4)采用土压平衡模式掘进时，尤其是富水砂层，会因渣土泌水性高而产生喷涌现象，造成土仓渣土快速喷出，土仓压力快速减小，存在较大施工风险。(5)渣土和易性差，螺旋机出渣不畅，导致掘进速度慢，掘进参数不易控制。2.高分子聚合物试验在盾构掘进过程中通过泡沫系统对刀盘前注入泡沫剂，同时通过膨润土系统在土仓内注入高分子聚合物对高含水量的渣土进行改良，由于高分子聚合物溶液具有较强的粘连性，能够非常好的吸纳土体水分，通过刀盘削切及螺旋的搅拌，完全改变砂土渗透系数，将土体与水和易性得到充分改良，杜绝了由于土仓压力过高而出现的喷涌现象，排渣流塑性状态较好。由于高分子聚合物价格及其昂贵，因此在保证渣土改良效果的情况下，尽可能减少用量便成为能否降低渣土改良成本的重中之重，因此我部专门成立了科研小组，对不同配比的高分子聚合物溶液渣土改良效果进行对比分析总结，试验过程中高分子聚合物先与水拌和，拌和均匀通过膨润土注入系统注入土仓，拌和过程中先在膨润土存储罐中加好水，再按比例通过人工均匀的撒入高分子聚合物，充分搅拌，使其快速溶解，防止高分子聚合物结成团或粘结在储存罐壁上，下面对试验结果进行对比（试验中聚合物溶液用量根据实际每环用量同比例进行）。(1)高分子聚合物：水=2:1000（质量比）。经试验室试验得出，细砂含水率达到25%，使用2‰高分子聚合物水溶液，可达到聚合锁水作用，渣土改良效果明显。25%含水率细砂（掺加前）(2)高分子聚合物：水=1:1000（质量比）25%含水率细砂（掺加前）掺加1‰聚合物水溶液（掺加后）(3)高分子聚合物：水=0.8:1000（质量比）25%含水率细砂（掺加前）掺加0.8‰聚合物水溶液（掺加后）(4)高分子聚合物：水=0.5:1000（质量比）掺加2‰聚合物水溶液（掺加后）25%含水率细砂（掺加前）掺加0.8‰聚合物水溶液（掺加后）根据勘察报告，区间地层含水率最大25%，因此以25%含水率为基准进行对比试验，通过以上4组试验结果对比结合现场实际使用情况，同时考虑成本因素，最终选取0.8%聚合物溶液作为渣土改良选取比例，成本较低且效果较好。2 科技传播国内刊号CN611499/C1373.与膨润土渣土改良对比参考类似地质使用膨润土进行渣土改良情况，使用膨润土进行渣土改良时，易发生喷涌现象，且渣土粘结性较差，渣土必须采取生石灰进行改良后才能外运，成本增大，且对施工进度影响较大。六、改良结果分析为测试高分子聚合物溶液的改良效果，我们根据施工现场的岩土勘察报告提供不同类砂土的颗粒级配曲线，配制了足量的粉砂、细砂，并使其含水率达到25％，按照高分子聚合物最佳配比制成溶液，然后以高分子聚合物溶液与砂土体积比为1:33（2m3/环）、1:20(3m3/环)、1:15（4m3/环）的比例计算出聚合物溶液的需要量后，加入砂土中，测定改良后粉砂、细砂的渗透系数、粘稠度等数据，并根据上述数据选出最佳的高分子聚合物溶液与砂土体积比。1.砂土的渗透试验渗透是水在土孔隙中运动的现象，当土中渗透水呈层流状态时，则渗透速度v与水力坡降成正比，当水力坡降=1时的沉头速度成为土的渗透系数。渗透试验目的是测定盾构穿越土层的土体在加入改良前后的渗透系数变化情况，以此来选择能够满足盾构施工要求的渣土。针对郑州地区富水砂层，试验采用变水头法。本次试验对两种重塑砂土以及加入不同量的高分子聚合物溶液改良后的土体分别进行渗透试验，其渗透试验结果见下表所示。渗透系数试验结果以下为高分子聚合物溶液聚合物溶液与砂土的体积比1:33（2m3/环）、1:20(3m3/环)、1:15（4m3/环）的比例注入土体改良后，改良的粉砂、细砂渗透系数达到了105cm/s数量级，均比改良前的重塑原土抗渗性能有较大提高，均满足盾构机压力舱内土体的渗透系数要小于1×105cm/s的要求。可以看出高分子聚合物溶液与砂土的体积比大于等于1：20以后，随着聚合物溶液加入体积的增大，改良后渣土抗渗性的提高效果呈逐渐减缓趋势。所以从抗渗方面考虑，当高分子聚合物溶液与砂土的体积比为1：20时，能从经济和改良效果上达到最优。2.高分子聚合物水溶液与含水细砂混合搅拌后的稠度测试(1)高分子聚合物水溶液与含水细砂按一定比例混合搅拌后,可将细砂中含水锁定,使其达到可塑状态。
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(2)高分子聚合物水溶液中的聚合物含量高低对其细砂混合物的稠度影响很大,聚合物含量越高稠度越大.(稠度仪所显示的检测数值越小稠度越大)。(3)高分子聚合物水溶液掺量对细砂混合物的稠度影响也很大,超过一定量时将严重泌水.对于含水量超过30％的细砂,高分子聚合物水溶液对其锁水效果减弱,到达一定量时将失去作用,混合物变成流体。(4)根据现场实际情况，选取0.8‰高分子聚合物溶液渣土改良效果最好，且根据不同区段含水量进行适当调整，保证渣土改良效果。七、地面沉降值统计通过地面沉降累计值分析，并根据盾构机前方地面监测情况分析，使用该聚合物溶液比率，能够避免掌子面因失水过多试样重塑土与砂土的体积比1:331:201:15而造成较大的地表沉降，沉降数值均满足设计要求，同时也能降低土仓内渣土及掌子面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损。渗透系数粉砂8.1×1033.17×1052.03×1051.98×105细砂1.6×1025.21×1053.69×1053.02×105八、总结综上所述，区间采用泡沫剂与高分子聚合物配合使用的渣土改良效果较好，应用改良后施工各项参数均可满足设计要求，并很大程度的节约了成本，提高了施工功效。可有效的完从表中可知，各类重塑砂土均具有较强的渗透性，其渗透系数到了102cm/s数量级，如果在不改良的土层中进行土压平衡盾构施工，极易引起掌子面前方土体的排水固结及土仓内“结泥饼“，从而导成该地层下渣土改良的工作，可用于类似工程的推广应用。致盾构机排地面累计沉降值变化曲线图土不畅，掘进困难。通过试验结果可知，加入高分子聚合物改良后的土体抗渗性能0246810121416系列1明显提高，按照高分子18201环200环地面沉降累计变化曲线图3
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