地铁盾构渣土改良研究报告.docx

盾构渣土改良研究报告
北京地铁8号线天桥站~永定门外站

第II页 共II页

目 录
1 渣土改良研究现状 1
1.1 渣土改良的原因 1
1.2 渣土改良的作用及目的 4
1.2.1 渣土改良的作用 4
1.2.2 渣土改良要达到的状态 4
1.3 常用的土体改良剂 6
1.3.1 界面活性材料类 6
1.3.2 矿物类 9
1.3.3 高分子类聚合物 11
1.3.4 分散剂 13
1.3.5 水 13
1.3.6 不同渣土改良剂比较 13
1.4 渣土改良剂添加部位 14
2渣土改良应用实例 15
2.1 无水砂卵石地层 15
2.1.1 北京地铁4号线20标 15
2.1.2 北京地铁10号线2期 15
2.1.3 北京地铁10号线（莲花桥—六里桥） 15
2.1.4 北京地铁4号线（动物园站—双榆树站） 16
2.1.5 北京地铁5号线试验段 17
2.1.6 北京地铁4号线角门北路站—北京南站 17
2.1.7 北京地铁9号线丰台东大街站—丰台北路站 18
2.1.8 北京地铁7号线达官营站—广安门内站区间 18
2.1.9 无水砂卵石地层渣土改良应用小结 18
2.2 富水砂卵石地层 19
2.2.1 北京地铁九号线六标 19
2.2.2 成都地铁一号线 19
2.2.3 长沙地铁2号线（体育公园—长沙大道） 20
2.2.4 富水砂卵石地层渣土改良应用小结 21
2.3 粉质黏土、粉土层 21
2.4 全断面砂层 21
2.4.1 西安地铁一号线二标 21
2.4.2 哈尔滨地铁一号线（程哈东站—南直路站） 22
2.4.3 广州地铁3号线（珠江新城站—客村站） 22
3 不同地层渣土改良剂选用 24
3.1 软土地层 24
3.2 砂卵石地层 24
3.3 砂性土地层 25
3.4 硬岩地层 26
3.5 富水地层 26
3.6 总结 26
4 北京地铁八号线三期05标渣土改良 28
4.1 工程概况 28
4.2 工程地质和水文地质概况 28
4.2.1工程地质 28
4.2.2 水文地质 31
4.2.3 纵断面工程地质和水文地质情况 32
4.3 改良对象和添加剂的确定 32
4.4 渣土改良试验内容 32
4.4.1 室内试验 32
4.4.2 现场试验 33
4.4.3 试验方案 33
4.5 本标段渣土改良总结 35

1 渣土改良研究现状
1.1 渣土改良的原因
渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向刀盘面，土舱内或螺旋输送机内注入水、泡沫、膨润土、高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土舱搅拌装置或者螺旋输送机选择搅拌使添加剂与土渣混合，使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力。进行渣土改良的原因：
1） 土压平衡式盾构的基本原理
通过电机驱动主轴带动刀盘旋转，在刀盘旋转的同时，安装在刀盘面上的切削刀具切入土中并将土体切割撕裂；刀盘切削的渣土通过刀盘上的开口部分挤压进入并填满土舱，土舱内的渣土在土舱壁的加压作用下与刀盘前方的水土压力保持平衡，使得开挖面保持稳定状态；同时，利用螺旋输送机将土舱内的部分渣土排出，并使得排出土量与盾构掘削土量维持平衡。
2）土压平衡盾构渣土的作用及性状
土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为渣土。土压平衡式盾构施工中开挖出来的土体充满刀盘和隔板之间的压力仓，一方面开挖土作为支撑开挖面稳定的介质，其土性对开挖面的稳定起着决定性的作用。另一方面，它有源源不断地由螺旋输送机向外排出，它的土性好坏直接影响着出土的顺利与否。为维持土舱内土压力的稳定和方便渣土的排出，土舱内的渣土应该具有可塑性强、流动性好、密度低、内摩擦小、渗水性弱的特征。
如果地层是相似于淤泥质黏土层的话，只要在压力舱内通过旋转翼板搅拌，就可满足这种状态顺利进行施工。一般来说，开挖出来的泥土不具有以上特性：在有的情况下，有的渣土流动困难，易压实固结，产生泥饼或泥团，因此要求刀盘具有较大的扭矩，以确保渣土畅流无阻；另外在透水性土层中，在水的作用下，渣土在螺旋输送机内排出无法形成有效的压力递减，土舱内的土压力难以稳定……所以土压平衡盾构自身对地层的适应范围相对较窄。
3） 渣土不良带来的施工困难
北京地铁盾构隧道的工程实践和国内外诸多施工实例表明，土压平衡式盾构施工成功的关键就是要将从开挖面上切削下来的土体在压力仓内调整成一种比较理想的状态，使土体的性质满足一定的基本条件后，盾构开挖和排土才能顺利地进行。当开挖土的状态不能满足这一要求时，就会给施工带来困难，这种施工困难主要表现为以下几种：
① 刀具磨耗严重
随着盾构法在国内地铁施工中的广泛使用，刀具磨损已经成为一个影响盾构隧道施工质量和进度的关键问题。刀盘作为盾构机的一个关键部件，在地下掘进过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等，刀盘在一定转速和压力条件下进行地下挖掘，刀具要承受非常高的工作压力和温度，恶劣的工作条件会降低刀具的使用寿命。
特别是在砂卵石地层，盾构刀具往往磨损严重，容易破损、脱落，经常导致工程事故的发生，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。这种情况在北京地铁盾构掘进中普遍存在，在北京地铁9号线06标段军事博物馆站—东钓鱼台站区间，盾构从世纪坛始发并向北掘进不到200m的检查井中发现：整个刀盘上的刀具磨损非常严重，必须重新购买，全部更换。在北京地铁9号线02标段丰—科区间、地铁10号线二期11标西—六区间和17标段火—终区间盾构掘进几百米后发现整个刀盘上的刀具磨损非常严重，必须更换。
因此，研究如何减小盾构刀盘的磨损对延长盾构机掘进距离，提高盾构机的工作效率具有重要意义。而选用合适的土体改良剂可以对刀具起到一定的润滑和冷却作用，并且改善土体的流塑性，使之切削成流动型，减少对刀盘面板和刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。
② 刀盘及压力仓的结饼和闭塞
压力仓结饼是由于开挖土缺乏流动性，在盾构机推进压力的作用和较高的温度环境下，在压力仓内发生压密、固结排水，形成坚硬“泥饼”的现象。通常在可塑、硬塑状的粘土类地层、粘土质砂土地层、泥岩、泥质粉砂岩、母岩为花岗岩的残积土层、全风化岩层和强风化岩层等黏土矿物含量超过25%的地层中极易形成泥饼，并且随着矿物含量的增加，相同施工设备和工艺的条件下，泥饼形成的可能性将增加。压力舱内发生结饼后如果没有其它补救措施，则这种泥饼将不断扩散进而使整个压力舱发生堵塞，导致刀盘转矩过大，开挖困难或无法进行，引发刀盘主轴承温度过高，甚至出现主轴承损坏的严重后果。
压力舱闭塞是由于开挖土体在压力舱成拱，使盾构机不能正常出土，进而土体压实充满压力仓，而缺乏流塑性的土体又使搅拌翼的阻力上升，加大刀盘扭矩，引起施工困难。压力舱内土体成拱后，若盾构施工继续推进，土体会进一步压缩，导致拱作用更加剧烈。
北京地铁9号线04标丰—六盾构区间和10号线二期11标西—六盾构区间采用土压平衡式盾构掘进时，由于压力舱内的结饼和闭塞等导致舱内的压力失控，造成地面隆起和扭矩上升，甚至无法掘进，必须停机开仓，采用人工丰镐破除，严重影响了施工进度。丰—六盾构区间由于结饼不得不停机开舱处理。然而由此引发了地面塌陷等问题，对周围环境产生了重大影响。
③ 土压平衡很难建立
由于有些地层的塑流性较差，设定的工作压力不能顺利地传递到开挖面，不易实现连续的动态平衡，使开挖面稳定难以保持，导致地表隆沉幅度增大。
④ 螺旋排土器出口处的喷涌
土压平衡式盾构机在砂砾层等强透水层地基施工时，开挖面过高的水压力会导致盾构机螺旋输送机出口发生地下水大量流失，严重时会发生涌水、涌砂和掌子面失稳问题，影响掘进效率。
⑤电流消耗过大和发生卡机事件
由于刀具、刀盘与土体间的摩擦因数大，因此，扭矩及推力也相应的增大，造成电流消耗过大，油压增大，甚至发现机械故障的现象。若开挖面不能保持平衡，开挖面前上方发生坍塌，或遇到卵石块较多的情况，就会发生卡机事件，使盾构机刀盘不能转动。
因此，为扩大土压平衡盾构机对地层的适应范围，必须采用土体改良技术来对开挖后的渣土进行改良，使其具有上述特性。根据地层情况，向开挖土舱内注入泡沫、粘土或添加剂，进行强制搅拌，使渣土具有可塑性和不透水性，螺旋机排土顺畅，土舱内的压力容易控制和稳定，并减少刀盘功率消耗。土体改良技术作为土压平衡盾构法施工的一个重要组成部分，对盾构法隧道的发展有着深远影响，纵观目前国内各盾构的使用工况，不难发现，土体改良技术的应用情况，对降低工程造价和提高工程施工进度都有着决定性作用。

1.2 渣土改良的作用及目的
1.2.1 渣土改良的作用
在盾构施工中尤其是在复杂地层及特殊地层盾构施工中进行，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：
1）提高土舱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，也可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；
2）降低土舱内渣土以及开挖面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损，降低刀盘扭矩，提高盾构机掘进效率；
3）降低土舱内渣土以及开挖面土体的黏聚力，提高土舱内渣土的可塑性，防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼；
4）提高土舱内渣土的和易性，使切削下来的渣土顺利快速进入土舱并利于螺旋输送机顺利排土；
5）使渣土具有较好的土压平衡效果，使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确，利于稳定开挖面控制地表沉降；
6）冷却，适当降低刀盘刀具的工作温度。
1.2.2 渣土改良要达到的状态
为保证土舱内渣土能顺利排出，渣土需具有塑性流动状态，也即流塑性。
1）从土力学角度分析，土舱内渣土的流塑性，包括以下三个方面：
①土体不易固结排水。
当推力通过隔板传递到土舱内时，如果土舱内土体迅速排水固结，就会在土舱内形成固结土饼，土水分离会影响土舱内土体的循环和排土，因此土体要保持不易固结排水的状态。
②土体处于塑性流动状态。
土舱内的土体应具有高含水率、强度较低而易于翼板搅拌的特性。这一特性可保证土体受到挤压时向螺旋输送机内发生塑性流动而顺利完成排土，形成所谓的“挤牙膏”效应。
③土体具有不透水性。
只有压力仓的土体具有足够的不透水性，才能保证维持开挖面上的水压力，同时也能防止排土口发生“喷涌”现象。
2）压力仓内土体的塑性流动状态由以下指标进行衡量：坍落度T、抗剪强度τ、渗透系数k和压缩系数av。
①坍落度T
土舱内土体的流动性直接决定了螺旋输送机的排土状态。如果土体的流动性较好，螺旋输送机的排土量就容易控制，从而可以较好的控制开挖面的稳定。一般对于土舱内土体的流动性可以用坍落度来衡量，现场施工经验表明：土体的坍落度在16~20cm范围时，可认为其满足塑性流动状态的要求。
②渗透系数k
在渗透性方面，开挖土体的渗透系数越小，则对盾构施工中“喷涌”防治效果越好，一般认为要想避免盾构中“喷涌”问题的发生，开挖土体的渗透系数要小于1.0×l0-5cm/s，工程上渗透系数达到1.0×l0-5cm/s是一个上限。
③抗剪强度τ
土体的抗剪强度对盾构开挖及磨耗有着直接的影响。黏聚力、内摩擦角是土体的强度参数，在避免盾构施工过程中出现结泥饼问题时，开挖土体的黏聚力是主要影响参数，土体黏聚力越大，越容易结泥饼；在避免盾构施工过程中出现的闭塞问题、刀盘刀具的磨损问题时，开挖土体的内摩擦角是主要影响参数，土体内摩擦角越小，则对闭塞的防治效果越好。根据国内外的施工经验，开挖土体的抗剪强度小于25kPa时，强度性质已经达到了塑性流动状态的要求。
④压缩系数av
土舱内土体压缩系数也是预防盾构机结泥饼的关键参数，土舱内渣土的压缩系数越大，则盾构施工时越不易结泥饼的发生。
所以一般，土体坍落度T在12~20cm之间、渗透系数k小于1.0×l0-5cm/s、抗剪强度τ小于25kPa、开挖土体的压缩系数av大于0.1MPa-1（压力范围取值100kPa~200kPa）时，即可满足盾构施工的需要。

1.3 常用的土体改良剂
良好的渣土能有效降低刀盘磨损、增加开挖面稳定并使排土顺畅、降低扭矩及推力。在盾构施工中，常用的渣土改良材料有：界面活性材料类、矿物类、高分子聚合物类和水。
1.3.1 界面活性材料类
界面活性类材料主要是注入用特殊发泡剂和压缩空气制作的气泡。由于经泡沫调节后的土壤具有良好的流动性和塑性以及防水渗透性，所以泡沫剂的使用扩大了土压平衡盾构机适宜开挖的土壤范围。目前，土压平衡盾构机大都配备了泡沫系统，泡沫也成为渣土改良必不可少的添加剂。
1） 泡沫的作用原理
泡沫是发泡液（表面活性剂）和压缩空气经过发泡装置产生的，作为主要成分的发泡剂是由聚合而成的长链分子构成的，含有憎水基和亲水基，当表面活性剂加入液体中，其吸附在固体—液体、液体—气体及液体—液体分界面上，如图所示1-1。

图1-1 发泡剂长链分子
当水的表面覆盖一层表面活性剂时，其憎水基与空气接触，从而减小了水的表面张力，表面张力的减小增加了润滑作用；由于结合水的流动使得原先被结合水束缚的土颗粒可以自由流动；表面活性剂吸附在土体内的微小裂缝的表面，增加裂缝的深度，减弱微小裂缝愈合的能力，增强扩散能力，并使得土颗粒带有相同的电荷而相互排斥而分开，防止土粒粘附，粘土进入泡沫后快速絮结成小片状，并失去自粘能力，并在絮结物表面电荷的斥力下无法进一步抱结成团块。

图1-2 加入泡沫的土体示意图
2）泡沫的作用
化学泡沫的重要作用包括:
①黏性土地基中，泡沫起着界面活性剂分散的作用，可有效防止开挖土附着于刀盘上和土压室内壁，防止出现泥饼现象，使掘进工作顺利地进行；
②砂性土和砂砾土地基中，泡沫的支承作用使开挖土的流动性提高，土压室内泥土不会产生拥堵，刀盘及螺旋输送机的驱动扭矩减小，刀具磨损减小，从而有利于盾构机掘进；
③在硬岩隧道施工中降低粉尘的发生量，发挥良好的润滑作用，使开挖土塑形流动，并提供其止水性；
④泡沫混合土具有一定的弹性，其可压缩性使开挖面的土压力波动减小，在不影响开挖面稳定的同时保证顺利掘进；
⑤加入泡沫的混合土体的密实度有较大的变化，泡沫置换了渣土中的一部分土颗粒和水分，使得混合土体密度减小，提高了土的止水性，能较容易地开挖地下水位较高的砂砾土地基，而且可以有效地防止螺旋输送机泥水喷涌，同时一定程度上减小了颗粒之间的接触，起到一定的润滑作用，降低了接触面的粗糙度，使摩擦系数降低，减少土壤在刀盘、螺旋输送机、运输带的磨损，使土体易于分离、运输，同时降低磨损成本。
3） 泡沫工法的优点
泡沫新工法的诸多优点自然而然地代替了以往向掘削面和土舱内加注泥材的工法。泡沫已成为土压平衡盾构机渣土改良必不可少的添加剂。泡沫工法迅速取代以往的加泥材方法，自然有它的很多优点，具体如下：
①泡沫剂是一种无色无毒无味的工业制剂，避免了隧洞内外的污染，有助于保持良好的工作环境；
②泡沫注入设备和制作设备比加泥设备规模小，设备布置、安装更便利；
③排出土中的泡沫在短时间内会逐渐消除，另外由于泡沫中的特殊发泡材料是少量的，因此排出的渣土很快就可以恢复到注入泡沫前的状态，渣土处理问题容易解决；
④当盾构施工通过透水性较强的砂土、含有少量粘土、粉砂细屑的砾石层或透水性较强的风化花岗岩地层时，使用泡沫剂进行渣土改良的效果明显优于应用 膨润土泥浆。
4） 泡沫工法的缺点
①泡沫并非每一种土质都是适用的，它适用于细颗粒土层中，一般而言，在渗透系数超过10-5m/s的较粗颗粒土层中不适用，粗颗粒土层孔隙较大，气泡不易充分填充，无法达到减小其渗透系数的作用，泡沫剂在富水的地层中并不能很好地抑制水分，难以有效填充颗粒间的孔隙，渣土改良效果一般；
②泡沫的发泡效果非常重要，需要经常检查，保证泡沫剂充分发泡；
③但是泡沫剂发泡需要很大的气体压力，如果向土舱内注入，则会引起土压力突然增大、螺旋机喷涌等现象，对盾构推进操作造成一定的影响。
5）泡沫的参数
泡沫剂是一种无色无毒无味的粘稠状工业制剂，泡沫的组成比例一般如下：
泡沫溶液的组成：5%~7%泡沫剂，水93%~95%；
泡沫组成：90%~95%压缩空气和5~10%泡沫溶液混合而成。
①发泡率
发泡率，又称“泡沫倍数”，指一定质量发泡剂溶液所产生的泡沫体积与原液体体积之比，是衡量泡沫剂质量的一项重要指标，在同样情况下，发泡率越高，等量泡沫剂产生的泡沫越多，说明其具有高效性。
②稳定性
泡沫材料作用的土体处于运动状态，泡沫改良土体的作用仅要求从开挖面到螺旋输送机出口这段运动过程中，所以泡沫的稳定性如何将直接关系到改良效果的持续时间。发泡率与生成泡沫的稳定性二者是相互影响的，较高的发泡率是牺牲泡沫稳定性为代价的。
③注入率
泡沫剂量的注入率Y=注入泡沫总量/开挖渣土的容积，根据地质的不同有所不同，根据实验结果和至今的实绩综合考虑，注入率Y的估算公式为：

其中，Y——泡沫注入率，当计算值小于20%时，取为20%；
D——0.075mm粒径的通过百分率，当时，取；
E——0.42mm粒径的通过百分率，当时，取；
F——2mm粒径的通过百分率，当时，取；
a——由均粒系数决定的系数，当；
当；当。
在一般情况下泡沫的注入率的最小值为20%，当渣土较黏时，为防止产生泥饼或堵仓，泡沫的注入率最小不小于30%。在实际施工过程中，泡沫的注入率要根据掘进期间对渣土的观察来做相应的调整。
④发泡剂浓度
发泡剂浓度X=泡沫系统中所需发泡剂的流量/泡沫系统中水泵的流量
根据泡沫剂生产商的不同，泡沫剂成分有所不同，一般泡沫剂浓度根据开挖土体的颗粒级配、不均匀系数、掘进速度、掘进的推力和扭矩的具体情况进行调整。一般渣土流动性不好适当增加泡沫剂浓度，渣土如果稀要适当提高发泡率, 发泡率越高渣土会越干一些。泡沫的浓度和发泡率要视渣土和刀盘扭矩的实际情况而定：当渣土中的卵石含量较多或者刀盘扭矩一直很大时，泡沫浓度可以适当调大，当渣土的含砂量较多或者刀盘扭矩不高时，浓度可以适当的调小，发泡率不变。
1.3.2 矿物类
矿物类添加剂（也称泥材），主要包括膨润土、黏土、陶土等天然矿物。盾构施工中的经验值是开挖土中的微细颗粒必须达到35%左右。若开挖土体中的微细颗粒不足时，使用黏土、蒙脱土等作为添加材料制成泥浆进行补给，使土体的内摩擦角变小，提高土体的流动性和止水性。矿物类添加剂主要是泥浆的形式，其浓度和注入量根据开挖土的级配、不均匀系数等确定。可是，这种改良剂需要使用制泥设备和贮泥槽等大规模的设备；另外，渣土由于呈泥状而必须将其作为工业废弃物进行处理，使用时要考虑环境保护问题。
对其代表材料膨润土介绍如下：
1）膨润土改良机理
膨润土主要是由蒙脱石类矿物组成的非金属黏土类矿物，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2个硅氧四面体晶片中夹一个铝（镁）氧八面体晶片组成，属2：1型层状硅酸盐矿物，晶层中存在极弱的钠离子键，钠离子本身半径小，离子价低，水很容易进入单位晶层间，引起晶格膨胀，吸水后形成一道不透水的防渗层；钠离子连接各层薄片，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，在“阻塞”和“架桥"效应的作用下，积聚于土壤与泥水的接触表面，形成不透水的可塑性胶体，从而形成泥膜，膨润土单位结构层间能吸附大量的水，层间距离大，膨胀率高。如图1-3所示。

图1-3 膨润土形成泥膜示意图
土压平衡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”，“滤饼”可以形成于土粒内部或土粒之间，由胶结或固结的膨润土组成。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。
2） 膨润土的作用
膨润土具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。
①膨润土可在工作面上形成低渗透性的泥膜，有利于给工作面传递密封土舱压力，以平衡水土压力；
②膨润土可改变密封土压仓内渣土和易性，提高砂性土塑性，以便出土减少喷涌；
③使泡沫、聚合物等在开挖面不扩散，改善刀盘、刀具、螺旋输送机的工作环境，减少磨损等作用。
3） 膨润土的优点
在泡沫不适用的土质中，例如中粗砂中，中粗砂土的孔隙较大，气泡不易充分填充，无法达到减小其渗透系数的作用。膨润土在遇水膨胀后其体积可以达到原来体积的数10倍，可以充填于土的空隙中改变土的渗透性，且价格低廉。
4） 膨润土的缺点
①膨润土需要经过12h以上的拌浆、运输及预膨胀的阶段，因此，在施工平面布置时，要布置制泥设备和贮泥槽等大规模的设备，这种方法的施工过程比较麻烦，在用量大时会影响施工速度；
②渣土由于呈泥状而必须将其作为工业废弃物进行处理，使用时要考虑环境保护问题；
③膨润土易堵塞输送管路。
5） 适用地层
膨润土通常用在破碎且渗透性大的地层。
1.3.3 高分子类聚合物
高分子聚合物是长链分子有机化合物，可单独使用也可与膨润土及泡沫混合使用。高分子聚合物对渣土改良可以起到立竿见影的效果，但是价格很昂贵，一般仅作为辅助措施配合其它材料进行渣土改良。
1）高吸水性树脂类
由于高吸水性树脂吸水而不溶于水，可以吸收自身质量几百倍的地下水成为胶凝状态，如图1-4所示。所以对防止高水压地基的喷涌有很好的效果。树脂填充砂土的颗粒空隙，提高土体的流动性。在盐分浓度高的海水区域或含有大量铁、铜等金属离子的地基，强酸、强碱性地基和化学加固区间等地基，由于会发生一定的化学反应，其吸水能力会大大降低。

图1-4 高吸水性树脂类工作原理
2）水溶性高分子类
它与树脂一样是高分子化合物构成的材料，此类添加剂可以连接混合土中的微小颗粒，在土粒之间形成絮状凝聚物，使其发生粘结，可以减小内摩擦角，提高流动性，具有可以使开挖土体的黏性增大的效果，泵送性好。在过去的盾构施工中很多情况下都使用 CMC，但其渣土有时会成为泥糊状而需要作为工业废弃物来处理。

图1-5 水溶性高分子类作用机理示意图
例如，TAC高分子聚合物可对砂层进行改良。该材料具有出色的亲水性，能迅速吸收砂层中的水分，使砂层流动性降低，转变为流塑状，可以达到减小土壤粘性的目的，土的和易性增强，流动性加大。高分子材料附着于黏粒表面，增粘效果显著，在掌子面形成一层非常粘稠的泥膜，维持掌子面上土压平衡。另外，高分子聚合物能增加水的稠度、吸收渣土中的水并改善渣土的结构，对于防止喷涌有一定效果。
聚丙烯酸钠（PAAS），在广州富水高粘性泥层中，为防止刀盘泥饼形成和改善土舱内渣土的和易性，使出渣更顺畅，采用了聚丙烯酸钠添加剂，该添加剂还可在岩层掘进中使用。聚氧化乙烯（PEO）改良剂是水溶性和热塑性的非离子型线性高分子聚合物，具有絮凝、增稠、缓释、润滑、分散、助留、保水等性能，溶于水后形成高黏度液体，在广州全断面砂层中使用过，效果显著。
3） 新型聚合物
新发展的聚合物释放土粒之间的水，使泡沫较容易进入土粒之间，增强土体的流动性和添加剂的功效。
1.3.4 分散剂
用来改良高粘性土体，降低其粘附性，增加土体流动性，被改良好的高粘性土在含有砂性土体的复合地层中可同时起到对砂性土的改良作用；若在盾构掘进过程中出现结泥饼现象，可用来处理泥饼。
1.3.5 水
水水最普通的添加剂，起到冷却和润滑的作用，能在一定程度上降低开挖的岩渣和滚刀温度，减小刀具的磨损；适量注水可以稀释泡沫、降低泡沫和聚合物的用量。
遇到较硬围岩的情况下，渣土较干，流动性不好，单纯通过注人泡沫剂或膨润土泥浆，难以达到理想的渣土改良效果，这种情况下可以注人适量的水，来进行渣土改良比较有效。向高粘性渣土中注水，可以在增加其流动性的同时，降低其粘着力，防止掘削土附着于刀头或土舱内壁上形成泥饼。
但在采用此方法进行渣土改良时，因渣土物理状态不好，含水量大，出渣困难，容易污染。这种方法比较经济，但是效果一般，在渣土改良要求不是很高的地层可以使用。
1.3.6 不同渣土改良剂比较
表1-1 渣土改良剂比较
种类
代表材料
原理
作用
优点
缺点
适用土质
界面活性材料
泡沫剂
发泡剂与压缩空气混合，形成泡沫，泡沫具有润滑、扩散、弹性特性
便于渣土的流动和运输；泡沫和土舱内的泥土混合加压稳定掌子面、防止坍塌；提高止水性
无污染，渣土容易解决；设备简单，施工便利
发泡需要很大的气体压力，可能引起土舱压力突增
适用于细颗粒土层中
矿物类
膨润土、蒙脱土
蒙脱石晶格吸水膨胀，晶层间钠离子相互连接形成滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜
低渗透性的泥膜，有利于给工作面传递密封土舱压力；提高密封渣土和易性，减少喷涌
膨胀率高，在粗砂等渗透性很大而泡沫改良效果不好的地层中可以起到很好的效果
需要制泥设备；泥浆存在环境污染问题；易堵塞管路
渗透性稍大的地层
高分子类聚合物
水溶性高分子（CMC）
聚合物链连接细小颗粒，增大土体粘性
增大粘性
渣土改良效果立竿见影
废物处理；价格昂贵
无黏性土
高吸水性树脂（环氧树脂）
遇水发生反应达到止水效果
提高渣土的止水性，防止喷涌
渣土改良效果立竿见影
酸碱地基、化学加固区不适宜；价格昂贵
高水位、含水量高
水
—
水可降温，润滑
提高渣土的流动性、降低刀盘温度
廉价，方便
改良效果一般，作为辅助材料
土质较干，硬岩
1.4 渣土改良剂添加部位
渣土改良剂注入位置分为土舱内、刀盘中心正面、刀盘边缘、刀盘辐条侧面及螺旋输送机。由于注膨润土时注浆管的堵塞问题，刀盘前以泡沫和水为主。泡沫的发泡效果非常重要，在开仓维修刀具或换刀时也要检查泡沫管路是否通畅。针对不同地层，在不同位置注入不同的材料，可实现针对性的渣土改良功能。 图1-6 刀盘上渣土改良剂注入口

2渣土改良应用实例
2.1 无水砂卵石地层
2.1.1 北京地铁4号线20标
1）工程概况
此标段包括颐和园至北宫门盾构区间、北宫门车站、北宫门至龙背村盾构区间。盾构隧道位于永定河冲洪积扇，岩石不均匀出露，在掘进过程中遭遇砂卵石地层、风化石灰岩等软硬不均地层。
2）渣土改良方案
针对砂卵石地层，选用泡沫剂、膨润土和冷却水来改良土体，在刀盘面板上设计有8处泡沫及膨润土注射装置；土舱的仓板上设计有搅拌翼，同时还有4个膨润土和泡沫注射口；在螺旋输送机的筒壁上有8个膨润土和泡沫注射口。在盾构机掘进期间，不断向工作面喷注泡沫、膨润土和冷却水，对减少刀具磨损和保证顺利掘进起到了很好的效果。
2.1.2 北京地铁10号线2期
1）工程概况
北京地铁十号线石榴庄路—大红门区间隧道穿过地层主要为：卵石、圆砾③层、粉质粘土、重粉质粘土③1层、细中砂③2层、卵石④层和粘质粉土、粉质粘土④1层、细中砂④2层。盾构隧道截面下半部以卵石、圆砾为主，粒径大约为5~26.7mm。
2）渣土改良方案
选用泡沫作为土体改良剂。实践证明，土体经过泡沫的改良后，盾构的总推力以及刀盘扭矩明显减小，也大大降低了刀盘在砂卵石地层中的磨损。
2.1.3 北京地铁10号线（莲花桥—六里桥）
1）工程概况
地层自上而下依次为人工填土层；第四季新近沉积层：粉土②层、粉质黏土②1层、粉细砂②3层；第四纪晚更新世冲洪积层：卵石⑤层、中粗砂⑤1层、卵石⑦层、中粗砂⑦1层、粉质黏土⑧层、细中砂⑧3层、卵石⑨层、粉质黏土⑩层。盾构主要穿越卵石⑦层，一般粒径为20~300mm，大于20mm颗粒物含量约占80%，充填物为中粗砂，潜水水位位于隧道结构底板以下0~1.5m处。
2）渣土改良措施
在盾构 始发掘进阶段，单纯使用泡沫剂及膨润土改良土体，均无法将土体调制成理想的流塑状态，无法建立真正的土压平衡，从而出现刀盘扭矩过大，掘进速度缓慢、土压不稳定及易结泥饼的情况，在后续的施工中采取了以下措施进行了土体改良：
①优化膨润土注入参数：
经过多种尝试，改用钠基优质膨润土，并调整了膨润土的发酵时间及粘稠度，一般在每环掘进过程中，向土舱内注入5～7m3发酵至少24h以上粘稠度为50s的膨润土。
②加入高分子、分散剂和聚合物
在地面上经过多次的试验，HHZ-A分散剂溶液对泥饼的形成有着良好的防治效果。在盾构掘进时向土舱内分别增加注入TAP聚合物、HHZ-Z高分子、HHZ-A分散剂溶液及Rheosoil143发泡聚合物，通过刀盘搅拌，使所注入的溶液充分混合，这样能有效控制土舱内泥饼的形成，而且有效控制刀盘进土口处泥饼的形成，将泥饼对正常掘进的影响降至最低。
③优化泡沫剂类型及注入参数
经过大量的试验，得到优化泡沫剂类型及注入参数如下：在渣土内按体积比掺入30%的泡沫，充分搅拌后，发现渣土的性状发生明显的改变，加入的水与渣土和泡沫充分的融合在一起呈流塑状，渣土的黏性明显降低。
采取了多种改良材料共同对掌子面土体进行塑流化改良的措施，在这几种措施的综合作用下，掌子面土体的流塑性得到了有效改善，土压平衡得以真正建立，刀盘的扭矩也由以前的250bar降至140bar，并且排土顺畅，效果明显。
2.1.4 北京地铁4号线（动物园站—双榆树站）
1）地层条件
北京地铁四号线动物园—白石桥区间、白石桥—学院南路及学院南路—双榆树区间盾构全断面穿越砂卵石地层，该3段区间的地层条件分述如下：动—白区间隧道内大部分为卵石圆砾层，部分地段夹少量的砂层；白—学区间隧道断面内基本上为全断面卵石、圆砾层；学—双区间该段隧道上半断面在粉土层中通过，下半断面进入圆砾石层。
2）渣土改良措施
盾构穿越地层主要为砂卵石，根据以往施工经验，在密封土舱内加入泥浆等润滑材料，一方面可以润滑密封土舱内切削土体，使顺利出土；另一方面可以形成压力水膜，起到稳定挖掘面的作用。
此外还加入泡沫改良土体，在密封土舱内加入泡沫主要是为了增加土舱内土体间的疏松性，并可以在卵石表面形成黏土膜，润滑密封土舱内切削土体，使顺利出土，另外可以形成压力膜起到稳定挖掘面的作用。根据以往经验，盾构掘进时，泡沫注入量以掘进每环切削土体体积的45%~55%计算。
2.1.5 北京地铁5号线试验段
1）工程概况
北京地铁5号线工程左线北新桥站—雍和宫站区间作为北京地铁5号线盾构试验段工程，试验段工程穿越的地层总体上可分为三段：粘质粉土、粉质黏土层段；粉细砂及砂砾层和卵石层段；粉土层及砂质地层段。区间隧道全部处于潜水位以下。北京地区，粉质黏土、粘质粉土段地层稳定性较好，其余两地层段在受扰动时均易坍塌.
2）渣土改良方案
在里程K11+700~K11+950段为粉细砂及砂砾层和卵石层段，此段渣土改良方案如下：
由于在砂砾和卵石层施工，地层对切削刀头的磨损较大，而且掘进过程中，为了使土体具有良好的流动性和止水性，必须有30%左右的微细颗粒，单靠泡沫的改良作用已不能完全满足施工的要求。在推进过程中除了使用泡沫外，还辅以膨润土浆液以加强刀具的润滑、冷却，改善工作状态，同时起到补充地层土体微细颗粒的不足，提高土体流动性和止水性的作用。
2.1.6 北京地铁4号线角门北路站—北京南站
1） 工程概况
盾构隧道结构范围内为全断面卵石⑦层，卵石粒径一般为20~60mm，最大粒径180mm，中粗砂充填。隧道下方处于层间潜水层。
2）渣土改良方案
采用泡沫和改性膨润土浆液进行渣土改良，泡沫的浓度为5%，使用量为0.4~0.6m3/m3，制泥材料的浓度为5%，使用量为0.4~0.6m3/m3
2.1.7 北京地铁9号线丰台东大街站—丰台北路站
1）工程概况
本区间隧道覆土9~12m，隧道通过地层为砂卵石地层，卵石最大粒径不小于420mm，一般粒径为20~70mm，粒径大于20mm颗粒含量约为总质量的50%~80%，亚圆形，中粗砂填充，全断面无地下水。采用加泥式土压平衡盾构机。
2）渣土改良方案
在掘进初期，为使土体具有良好的流动性，于是向开挖面注入大量泥浆，结果在施工中发现泥浆量过大使螺旋排出的土过稀，甚至出现喷涌，土压力波动较大。同时，土压仓内大粒径砂卵石会在重力作用下沉至底部，使土体搅拌不均匀，增大了刀盘扭矩和刀具的磨损，经过分析后，减少泥浆注入量，增大泡沫注入量，同时提高稀释液的粘度和泡沫的发泡率，结果刀盘扭矩大大降低，能够建立稳定的土压力。由此可得，在砂卵石地层中，泡沫能够大大改善土压平衡盾构机的掘进性能，泡沫注入量加大以后刀盘扭矩明显减小，推进速度大幅提高，刀盘刀具的磨损程度降低，提高了设备的使用寿命。
2.1.8 北京地铁7号线达官营站—广安门内站区间
1）工程概况
盾构机全部在卵石地层⑦中穿行，此地层密实，最大粒径大于20cm，一般粒径20—60mm，亚圆形，粒径大于20 mm颗粒约占总质量的70%。结构覆土厚度为14.15—25.18m，水位埋深25.20—27.00m，区间隧道约有1/ 2位于水位以 下。
2）渣土改良方案
向泥土舱加注膨润土、泡沫等塑性剂改善渣土的流动性，降低刀具及刀盘磨耗。
2.1.9 无水砂卵石地层渣土改良应用小结
由于北京市地铁规划所穿越地层有大量的砂土及砂卵石地层，而且不少地区地下水位较低，甚至隧道穿越无水砂卵石地层。根据以上列举的几个工程实例发现，盾构机在这种地质环境中掘进时，普遍选用泡沫+膨润土或者泡沫+加泥式土压平衡盾构机加泥对渣土进行改良。根据地质的变化，也可单独使用泡沫，或者加入泡沫与膨润土渣土改良效果仍不理想时，可针对性的选用高分子聚合物。
2.2 富水砂卵石地层
2.2.1 北京地铁九号线六标
1）工程概况
军事博物馆—东钓鱼台站区间某一段掘进地层为卵石⑦层，地下含水量大，石头含量多，通过筛分得出石块含量比例：直径分别为30厘米、10厘米、8厘米、6厘米、4厘米、2厘米、1厘米的石块占的比例分别是1.3%、2.6%、4.2%、7.7%、8.3%、17.3%、10.7%。
2）渣土改良方案
理论上，盾构机把大粒径石头磨成碎块，通过螺旋机把渣土传送到传送带上，传送带把渣土传送到机尾的运输车里。但由于石头含量巨大，不利于盾构螺旋机传输，石头容易沉到螺旋机下部，常常发生盾构刀盘被卡。因此研制出卵石⑦层渣土改良添加剂，即在卵石⑦层使用大稠度纳基膨润土溶液加一级康达特泡沫及高分子聚合物溶液，较好地解决了渣土排出问题。经过渣土改良，输送出来的渣土像混凝土，石头和颗粒全部裹挟在泥浆中。
2.2.2 成都地铁一号线
1）工程概况
成都地铁1号线全部位于密实砂卵石地层中。其特点为粗粒粒径大、密实度大、含量高、强度大、磨蚀性高等。卵石以中风化为主，充填物主要为中、细砂，夹少量黏性土。卵石粒径大部分为3~12cm，卵石含量占55%~85%，地下水为孔隙潜水和基岩裂隙水，孔隙潜水主要埋藏于砂卵石地层中，水量丰富，埋深较浅。成都地层是世界罕见的富水砂卵石地层，以地下水位高、卵石含量多及硬度大著称。根据成都砂卵石层的地质情况，地铁1、2号线采用加泥式土压平衡盾构施工。
2）渣土改良方案
①人民北路站—文武路站—骡马市站
在成都典型富水砂卵石地层中，渣土改良初步实施，尚处于摸索过程中，单独使用泡沫进行渣土改良，效果尚不理想，使得盾构在掘进中遇到一些施工困难，进度较缓慢，其中现场现象主要为砂卵石地层使其刀盘、刀具、