膨润土在地铁盾构施工中的应用

以郑州地铁一号线05标会展中心站～黄河东路区间隧道为例，介绍了膨润土浆
液的性能及其在盾构施工中的应用
1 工程概况
郑州地铁一号线05标会展中心站～黄河东路站区间大体呈反“S”形，区间线路从会展中心站东端头出发，下穿会展中心立交匝道后继续行进，在下穿熊儿河后，于军事管理区西南角转向东，沿金水路到达黄河东路站。

线路右线全长2094.200m（右DK25+261.700～右DK27+355.900），左线全长2094.200m（左DK25+261.700～左DK27+355.900）。

本段线路左线设二条平曲线，曲线半径分别为350m、400m；右线设两条平曲线，曲线半径分别为350m、410m。

区间覆土厚度为8.6～18m，区间最小坡度3.10‰，最大坡度21.50‰。

区间隧道设一处泵房（与区间风井合建），联络通道二处。

区间所处地层主要为第（8）层：粉砂，浅灰色，饱和，中密～密实，颗粒级配一般，颗粒成分由石英、长石、云母组成。

局部夹灰色密实粉土。

层厚0.90～3.80m，平均厚度2.43m，层底标高67.95～72.08m，平均标高70.21m，层底埋深18.00～22.50m，平均埋深20.18m；第（9）层：细砂，灰一褐黄色，饱和，中密一密实，偶见蜗牛壳碎片、小姜石，颗粒级配一般，颗粒成分主要由石英、长石组成，含少量暗色矿物。

层厚8.50～14.30m，平均厚度11.39m，层底标高56.35～58.30m，平均标高57.45m，层底埋深31.90～34.10m，平均埋深32.93m。

2 膨润土的使用研究
会展中心站～黄河东路站区间风井始发后，地层主要以富水砂层为主，使用泡沫剂进行改良土壤效果不明显，推进速度缓慢，出土温度过高，刀盘扭矩经常达到额定扭矩，开挖土舱压力无法建立，超挖现象明显，地面沉降较大，掘进速度为5mm/min以内，推进一环的时间最长可达到8个小时，推进期间由于机器温度过高会引起刀盘不停的跳闸，刀盘结泥饼的机率也大大的增加。

3 膨润土改良土体的机理研究
3.1 膨润土的组成和结构构造
膨润土是以蒙脱石为主要成分的非金属粘土类矿物，蒙脱石含量占到30%～80%。

蒙脱石是含水的层状铝硅酸盐，其晶体结构由两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝氢氧八面体晶片组成，属2：1型层状硅酸盐矿物。

其理论化学式为Nax（H20）4{A12[A1xSi4-x010]（OH）2}，八面体中存在的阳离子数为2，四面体中存在的阳离子数为4。

一般硅氧四面体和铝氢氧八面体中存在如Fe2、Fe3+、Mg2+、A13+等阳离子的同象置换，当置换阳离子为低价时，使结构增加等当量的负电荷，由层间吸附阳离子补偿。

蒙脱石晶层之间阳离子与晶体格架间形成电偶极子，加上蒙脱石晶层之间结合力较弱，能吸附极性水分子，根据阳离子种类及相对湿度，层间能吸附一层或两层水分子。

另外，在蒙脱石晶粒表面也吸附了一定的水分子，
结构水以0H基形式存在于晶格中。

3.2 膨润土的膨胀和渗透机理
盾构掘进中所使用的膨润土是粘土的一种，主要成分蒙脱石其四面体中的硅可被铝随机置换，八面体中的铝可被同价或低价离子如Ca2+、Na+、Mg2+等类质同象置换，这种类质同象置换过程使蒙脱石晶层面有过剩的负电荷，在层间产生静电场，因此蒙脱石层间可吸附Ca2+、Na+、Mg2+等阳离子和水（H30+）、氨（NH+4）等极性分子。

正是蒙脱石这种特有的吸附功能使得膨润土具有很强的膨胀能力。

膨润土一般分为钠基和钙基膨润土，在工程中多使用钠基膨润土（本试验中也选用了钠基膨润土），其颗粒的单位晶层中存在极弱的键，钠离子本身半径小，离子价低，水很容易进入单位晶层问，引起晶格膨胀，颗粒的体积膨胀为原来颗粒体积的l0～40倍，吸水后形成一道不透水的防渗层。

若再经过一段较长时间，膨润土颗粒会变成膏脂状，渗透系数可以降到1×10-7m/s以下，几乎不透水。

从微观结构来看，膨润土颗粒是粒径小于2μm的无机质，主要结构体系为Si―Al―si，是由云母状薄片堆垒而形成的单个颗粒。

这些薄片层的上下表面带负电，因而膨润土的构成单位是互相排斥的。

膨润土在水化时，水分子沿着Si―Al―Si结构单位的硅层表面被吸附，使得相邻的结构单位层之间的距离加大。

钠基膨润土单位结构层问能吸附大量的水，层间距离大，膨胀率高，钠离子连接各层薄片。

膨润土水化后，形成不透水的可塑性胶体，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，形成致密的不透水的防水层，从而达到防水的目的。

膨润土由于具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。

土压平衡式盾构施工对加入的膨润土泥浆的一个基本要求就是它能够形成“滤饼”，可以形成于土粒内部和土粒之间，由胶结和固结的膨润土组成。

这个“滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜，从而可以将过量的地下水压力中的液体压力转化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力，这对稳定地层防止推进中的地面塌陷至关重要。

不同压实密度的膨润土的主要差别在于其土体颗粒问孔隙的大小，当密度大时，单位空间中的土体颗粒及吸附水层所占的体积就大，渗流液体通道就窄。

由于膨润土的高吸湿膨胀性和自封闭性，遇水时极度膨胀，其密度越大，膨胀倍数越大，同样的渗流空间留给过流液体的通道就越窄，其渗流系数也就降低了。

3.3 适合使用膨润土改良的地层
（1）细粒含量少的土体
根据国内外众多的施工经验，在土压平衡式盾构施工中，为了使开挖下来的渣土具有一定的流动性和止水性，保证盾构机的正常推进，盾构机压力舱内的土体必须保证一定含量的微细颗粒，有相关资料显示这种微细颗粒的含量应该在35%以上。

所以膨润土泥浆适用于细料含量少的中粗砂土、砂砾土、卵石漂石地层等等，主要原因就在于膨润土泥浆能够补充砂砾土中相对缺乏的微细粒含量，提高和易性、级配性，从而可以提高其止水性。

（2）透水性高的土体
膨润土泥浆这种添加材料适用于高透水性的土体，这主要是因为在透水性较低的地层中，膨润土泥浆相对难以渗入土体并填充孔隙，渗入的距离短因此难以和土体广范围结合从而包裹土体颗粒。

土体的低透水性最终导致土颗粒周围的低渗透性的膨润土泥膜非常难以形成。

会展中心站～黄河东路站区间风井始发后进入全断面砂层，砂层地质细粒含量少，土体摩擦很大，透水性也很高。

所以本工程是非常适合使用膨润土进行土体改良。

3.4 膨润土浆液的作用
在会黄区间全断面砂层中掘进选择膨润土作为渣土改良剂可提高砂土的含量，补充土体的微细粒组成成份，使土体的内摩擦角变小，增加开挖土体的流动性和不透水性，主要作用如下：
（1）降低土体的渗透系数，使其具有良好的止水性，以控制地下水的流失。

（2）可有效的提高土体的保水性，防止渣土的离析、沉淀和板结。

（3）使渣土具有较好土压平衡效果，有利于开挖面，控制地表沉降。

（4）使土体有较低的内摩擦角，降低刀盘扭矩，减少对刀盘和螺旋输送机的磨损。

（5）使切下来的渣土顺利快速的进入土舱，并利于螺旋机顺利排土，提高掘进速度。

3.5 膨润土浆液使用配比研究
3.5.1 膨润土浆液的配比研究
通过对掘进过程中各项参数及出渣效果研究发现，采用膨润土浆液进行渣土改良的效果有：
（1）渣土粘性、和易性明显增大，但渣土也明显变得更稀，对渣土的改良效果较差；
（2）相同的掺入量，水土比越大，渣土和易性越好，对渣土的稀释作用越小。

在富水砂层中掘进采用膨润土对渣土进行改良，能有效降低刀盘扭矩，改善渣土的和易性。

3.5.2 膨润土浆液与渣土配比研究
通过膨润土浆液与渣土的配比实验，指导施工如何使用膨润土浆液。

按比例1：7配制出来的土样为可塑状、流动性大；按比例1：9配制出来的土样为可塑状、有少许流动性；按比例1：10，配制出来的土样为可塑性、即不可流动性又干土样。

由上述几种配比可知，浆液与粉质粘土较为合适的配比为1：9。

此外，实验时还在膨润土浆液中加入少许泡沫剂，改良效果更好，盾构每掘进一环理论出土量为46m3，在中细砂掘进一环使用膨润土浆液为11.5m3。

结合现场实际情况每环使用膨润土浆液为6～8m3。

4膨润土浆液在实际施工中的使用
本工程使用的海瑞克盾构机上配备了膨润土浆液注入系统，膨润土系统主要包括：1个4m3的膨润土罐，1台膨润土螺杆型注射泵，流量为10m3/h，分四条管路注入土舱内，土舱内设有四个出浆孔，能够保证膨润土能够均匀的注射到切削面。

由于膨润土浆液用量较大，更简便快捷的使用膨润土浆液成为施工能够顺利开展的前提条件。

首先在风井处修砌一个容量约300m3的膨润土浆液池，由于膨润土浆液刚搅拌出来改良砂层土体不理想，放置24个小时后有更好的改善效果，所以将膨润土池平均分为两部分，一部分为新浆调制池，另一部分为放置24小时后的浆液作为盾构掘进使用，膨润土浆液池容量可满足24小时内掘进20环的施工需求。

膨润土浆液池通过镀锌钢管连接盾构机备用管路，最后用胶皮管引入盾构机上膨润土罐内。

地面用22KW的泥浆泵进行供给。

盾构机操作室内配备电话与膨润土搅拌站直接相连接，保证地上地下的及时沟通，做到了信息化施工，使地面膨润土搅拌站能够及时迅速的供给膨润土浆液，满足了快速均匀连续的施工要求。

5 膨润土浆液实际使用的效果
本工程在全断面砂层中掘进使用膨润土改良土体的措施解决了推进速度缓慢，推进一环的时间过长，刀盘扭矩偏大，超挖严重的现象。

膨润土不仅可以有效改良砂层土体，防止超挖现象严重引起的地面过大的沉降，而且形成的“泥膜”也可以稳固富水砂层的流动性，减小发生喷涌的可能性，同时同步注浆也可以顺利的注入，更进一步减小了地面的沉降量。

在工期短，施工质量要求高的前提下，全断面高压富水砂层中盾构机掘进使用膨润土浆液进行改良土体不仅做到了使盾构机均匀、迅速、稳定的穿越，缩短了工期，节约了成本，并且达到了施工质量要求。

6 结语
通过膨润土浆液配比的研究，使得盾构在掘进过程中针对粉细黏土砂地质添加膨润土改良剂的方法，有效地解决了盾构机在全断面砂层及粘土层掘进效率低下的问题，避免了刀盘泥饼的生成，本文通过对膨润土浆液的研究和实验效果对比的方式，系统阐述了盾构掘进过程中膨润土改良剂的使用，为今后类似地层盾构施工提供借鉴与依据。