泡沫技術(shù)在土壓平衡盾構(gòu)中的應(yīng)用

　　土壓平衡盾構(gòu)是軟土地區(qū)地鐵隧道施工的主要方法之一。但是盾構(gòu)在穿越流塑性差、含水量高、滲透系數(shù)大的砂性土層時(shí)，存在土體受擾動(dòng)發(fā)生液化、推進(jìn)速度慢、刀盤形成“干餅”等一些技術(shù)難題。工程實(shí)踐證明，使用泡沫不僅有利于保持開挖面土壓力平衡，而且機(jī)械負(fù)荷及刀盤扭矩明顯減少，解決了施工難題。

　　前言

　　自1974年第一臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)(EarthPressureBalanceShieldMachine)在東京投入使用以來，土壓平衡盾構(gòu)已經(jīng)被世界各國(guó)廣泛的應(yīng)用于隧道工程中。就盾構(gòu)技術(shù)本身而言，地質(zhì)條件決定了施工的相對(duì)難易度，因此對(duì)于典型不良地層條件下的盾構(gòu)控制仍然是工程界普遍關(guān)注的問題。

　　針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)穿越砂性土遇到的種種困難，國(guó)內(nèi)外有關(guān)老師對(duì)此進(jìn)行一定的研究：日本開發(fā)了以泡沫作為填加材料，來改善砂土流動(dòng)性和止水性的泡沫盾構(gòu)工法。英國(guó)牛津大學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室也對(duì)摻加泡沫前后砂土的物理力學(xué)性質(zhì)的改變進(jìn)行了研究。在國(guó)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)氣泡法施工地鐵隧道雖然進(jìn)行了一定的研究，但真正運(yùn)用于工程實(shí)踐的很少。本文針對(duì)上海地鐵M8線曲陽路站～四平路站區(qū)間隧道成功使用法國(guó)CONDAT泡沫發(fā)生劑在全斷面砂型土中推進(jìn)的工程案例，總結(jié)出合理的使用方法和參數(shù)，供其他工程參考。

　　1、工程概況

　　上海地鐵M8線曲陽路站～四平路站區(qū)間隧道使用法國(guó)FCB土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行推進(jìn)，出洞段約200m距離內(nèi)為全斷面②3-2灰色砂質(zhì)粉土。

　　2、盾構(gòu)氣泡法推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

　　對(duì)非粘透水性土層可以通過注射泡沫進(jìn)行改良處理。粒狀結(jié)構(gòu)中的氣泡可以降低土漿密度，減小顆粒摩擦，使土漿混合物在較寬的形變范圍內(nèi)有最理想的彈性，以利于控制開挖面支撐壓力。由于化學(xué)的和物理的粘著力的作用，加入適當(dāng)泡沫的土料可以變得非常粘著，完全可以用帶式輸送機(jī)進(jìn)行輸送。泡沫的90%都是空氣，而空氣在幾天后就會(huì)全部逃逸，土料可以恢復(fù)原來的稠度，在對(duì)開挖出土料的儲(chǔ)置或進(jìn)一步利用上這是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，而且不需要復(fù)雜昂貴的分離設(shè)備。加泡沫技術(shù)用于含水土層里還可抵抗較高的地下水壓，它的發(fā)展可使土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)也可用在原先只適于泥水式盾構(gòu)機(jī)的土層中。泡沫混合物在使用后幾天內(nèi)化學(xué)物質(zhì)會(huì)完全生物分解，基本不存在環(huán)境污染的問題。

　　3、泡沫添加劑

　　3.1泡沫的作用泡沫注入土體后，可產(chǎn)生以下作用：使盾構(gòu)前方土體均勻;加大土的坍落度;降低土的滲透系數(shù)，起到隔水的作用;降低刀盤扭矩，減少機(jī)具磨損;減少土的粘性，防止“泥餅”現(xiàn)象。

　　3.2發(fā)泡率發(fā)泡率ka指一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓Pa下泡沫中氣體體積和液體體積之比。在某一壓力P下的泡沫的發(fā)泡倍率kp為泡沫中氣體體積同泡沫體積之比稱為泡沫的含氣量α，有α=1-(1/kp)(2)

　　泡沫的密度ρf和起泡液的密度ρ1以及空氣的密度ρg之間的關(guān)系如下：ρf=(1-α)ρ1+αρg(3)

　　由于氣體密度ρg極低，可以忽略不計(jì)，因此ρf≈(1-α)ρ1一般起泡液的密度ρ1約為1.0g/cm3，因此ρf=(1-α)

　　則發(fā)泡倍率kp為：kp=1/ρf(4)

　　4、施工參數(shù)

　　土壓平衡盾構(gòu)在砂性土層中施工時(shí)，會(huì)遇到以下難題：盾構(gòu)推進(jìn)導(dǎo)致砂土擾動(dòng)液化，孔隙水壓力迅速消散，甚至導(dǎo)致全斷面流砂工作面失穩(wěn);壓力艙內(nèi)土體在盾構(gòu)頂推過程中排水固結(jié)，在工作面形成“干餅”，從而導(dǎo)致螺旋面失穩(wěn);壓力艙內(nèi)土體在盾構(gòu)頂推過程中排水固結(jié)，在工作面形成“干餅”，從而導(dǎo)致螺旋出土器排土困難，盾構(gòu)推進(jìn)速度慢，刀盤扭矩增大，刀盤主軸承嚴(yán)重磨損甚至斷裂;注漿壓力、注漿量增大很多，地面沉降失控。

　　本工程前期曾試用刀盤前加水、加膨潤(rùn)土漿液的方法進(jìn)行砂性土推進(jìn)，但都沒有取得明顯效果，仍無法正常推進(jìn)。使用CONDATCLBF4TM型號(hào)的泡沫添加劑后，推進(jìn)速度、刀盤扭矩及地面沉降均得到了改善，能夠正常推進(jìn)。

　　4.1刀盤扭矩的變化從刀盤扭矩變化圖1可以看出，隨著泡沫注入量的增加，刀盤油壓由原來的100～160bar逐漸降低到100bar左右，這個(gè)變化在開始階段尤其明顯。隨著泡沫注入量的繼續(xù)增加，在加入泡沫量達(dá)到80以后，刀盤油壓趨向穩(wěn)定。

　　4.2推進(jìn)速度變化圖可看出，未加入泡沫時(shí)，盾構(gòu)進(jìn)掘進(jìn)速度小于1cm/min，而且刀盤扭矩每次達(dá)到極限就必須暫時(shí)停止推進(jìn)一段時(shí)間，盾構(gòu)機(jī)原地正反轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤以降低扭矩，才能繼續(xù)推進(jìn);隨泡沫注入量的增加，盾構(gòu)能夠連續(xù)推進(jìn)，推進(jìn)速度逐漸增加，可達(dá)到接近4cm/min.

　　4.3地面沉降曲線以上推進(jìn)中盾構(gòu)推進(jìn)中土壓力設(shè)定中，取F=1.2γh，比正常土壓力設(shè)定高。同步注漿量為2.5m3/m.可看出，在砂性土中，加入泡沫推進(jìn)后，地面沉降仍較難控制，因此必須及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

　　5、結(jié)語

　　土壓平衡盾構(gòu)本身不適應(yīng)砂性土的推進(jìn)，加泥式土壓平衡盾構(gòu)后來被用于砂性土中開挖隧道，但效果不良，因此逐漸對(duì)泡沫技術(shù)進(jìn)行研究，拓寬了土壓平衡盾構(gòu)的使用范圍。

　　通過對(duì)上海M8線曲陽路站～四平路站區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)穿越全斷面工程數(shù)據(jù)分析，得出盾構(gòu)在砂型土中采用氣泡法適合的參數(shù)，供其它類似地質(zhì)條件下盾構(gòu)推進(jìn)做參考。

更多內(nèi)容訪問>> 注冊(cè)土木工程師(巖土)考試頻道   注冊(cè)土木工程師(巖土)考試論壇  巖土工程師課程試聽

·2010年注冊(cè)土木工程師（巖土）考試輔導(dǎo)招生簡(jiǎn)章
·巖土工程師輔導(dǎo)現(xiàn)在報(bào)名任意專業(yè)知識(shí)贈(zèng)送專業(yè)知識(shí)習(xí)題班
·老師輔導(dǎo)每天24小時(shí)不限時(shí)間隨時(shí)反復(fù)學(xué)習(xí)……