盾构掘进“遇夹心”咋破局？泡沫+膨润土浆调出“定制土改配方”

地铁盾构机掘进时，最怕遇到“上软下硬”的复合地层——上半层是松散的砂砾（像漏勺，易漏水、开挖面不稳），下半层是黏糊糊的风化岩（像胶水，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、微型盾构模拟和现场验证，找到了一套“泡沫+膨润土浆”的“定制土改配方”，能根据砂层和岩层的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“双重危机”：一边漏一边黏

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，问题集中爆发：砂层透水性强（渗透系数1.21×10⁻³m/s），稍不注意就会从螺旋输送机“喷水”；岩层含超40%黏土矿物（高岭石、蒙脱石等），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”的改良方案根本“跟不上节奏”。

实验室“调配方”：泡沫+膨润土浆的“黄金搭档”

团队用泡沫和膨润土浆作为改良材料（泡沫像“润滑剂”包裹砂粒减少摩擦，膨润土浆像“增塑剂”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：当泡沫与膨润土浆体积比为4:1时，总注入量（TIR）低于10%就能达标——土体坍落度180-200毫米（像揉好的面团，既不稀也不硬），渗透系数降至10⁻⁵m/s以下（不再漏水），摩擦角29.0°-30.7°（降低刀盘扭矩）。
• 岩层改良：膨润土浆对风化岩的流动性提升更明显。比如，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（像湿润的橡皮泥，易排出不黏刀）。

微型盾构“试真章”：动态调整效果稳

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（砂-岩比∞）到全岩层（砂-岩比0）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（砂层多注泡沫，岩层多注膨润土浆），盾构的推力、扭矩和土舱压力波动均在可控范围，排出的土体坍落度稳定在170-200毫米，既没水涌也没刀盘堵塞。

南昌地铁“实战考”：全程零故障

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“聪明”

研究团队表示，目前的改良方案依赖实验室测试和经验调整，未来计划结合智能传感技术，实时监测开挖面砂-岩比，动态优化改良材料注入量，让盾构掘进更“聪明”、更安全。