盾构掘进遇“软硬夹心”？这套“土改配方”破解水涌和刀盘堵塞难题

地铁盾构掘进时，最怕遇到“上软下硬”的复合地层——上半层是松散的砂砾（易漏水、开挖面不稳），下半层是黏糊糊的风化岩（易黏刀盘、掘进卡顿）。我国科研团队在《Frontiers of Structural and Civil Engineering》上发表的一项研究，通过实验室测试、模型试验和现场验证，找到了一套“泡沫+膨润土浆”的“土改配方”，能根据砂-岩比例动态调整改良材料用量，有效破解复合地层掘进的水涌和刀盘堵塞难题。

复合地层的“双重考验”：水涌与堵塞并存

土压平衡（EPB）盾构是地铁施工的“主力”，它通过保持开挖面土体的压力平衡来确保安全掘进。但遇到上砂下岩的复合地层时，问题来了：砂层透水性强，稍不注意就会从螺旋输送机“喷水”；岩层含大量黏土矿物，容易黏在刀盘上，导致掘进效率下降甚至停机。更麻烦的是，开挖面上砂层和岩层的比例（砂-岩比）会不断变化，传统“一刀切”的土体改良方案根本“跟不上节奏”。

实验室测试：找“泡沫+膨润土浆”的最佳配比

团队用泡沫和膨润土浆作为改良材料（泡沫能包裹砂粒减少摩擦，膨润土浆能改善黏土流动性），针对不同砂-岩比的土体开展实验室测试。结果发现：

• 砂层改良：当泡沫与膨润土浆的体积比为4:1时，即使总注入量（TIR）低于10%，改良后的砂体流动性（坍落度180-200毫米）、抗渗性（渗透系数降至10⁻⁵m/s以下）和摩擦角（29.0°-30.7°）都能达标，有效防止水涌。
• 岩层改良：膨润土浆对风化岩的流动性提升更明显。比如，当岩层含水量20%时，注入11.1%-13.5%的膨润土浆，土体坍落度就能达到170-200毫米的理想范围。

模型试验+现场验证：动态调整“土改配方”

为验证方案，团队升级了微型盾构模型试验系统，模拟从全砂层到全岩层的连续掘进过程。结果显示，按砂-岩比动态调整改良材料用量（比如砂层占比高时多注泡沫，岩层占比高时多注膨润土浆），盾构的推力、扭矩和土舱压力都保持稳定，排出的土体流动性达标，没有出现水涌或刀盘堵塞。

现场测试在南昌地铁4号线展开，盾构穿越的复合地层占比超50%。实际数据显示：砂层段泡沫用量比岩层多49.4升/环，岩层段膨润土浆用量比砂层多5.96升/环；盾构推力（13.0-23.8兆牛）、扭矩（2.228-4.587兆牛·米）和掘进速度（平均42.21毫米/分钟）均稳定，全程未出现水涌或刀盘堵塞。

未来：让“土改配方”更智能

研究还指出，目前的改良方案依赖实验室测试和经验调整，未来可结合智能传感技术，实时监测开挖面砂-岩比，动态优化改良材料注入量，进一步提升盾构掘进的自动化和安全性。