泡沫在土壓平衡盾構(gòu)施工中的應(yīng)用

【摘要】本文論述了在土壓平衡盾構(gòu)隧道施工中，可通過加注泡沫改良開挖面土體，擴(kuò)大土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用地層的范圍，井結(jié)合深圳地鐵一期工程華強(qiáng)路—崗廈區(qū)間的工程實(shí)踐，分析總結(jié)了在盾構(gòu)機(jī)穿越不同地層時(shí)泡沫的應(yīng)用情況，論證了向開挖面壓注泡沫材料來保證開挖面穩(wěn)定和砂性塑流的優(yōu)點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】泡沫 土壓平衡盾構(gòu)隧道施工 改良土體 應(yīng)用
1前言
一般土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用于內(nèi)摩擦角小、滲透系數(shù)在10負(fù)6次m／s以下的易塑流的粘性土層。在砂層、礫石層中，對(duì)于顆粒粒徑較大的地層，土的摩擦力大，透水性高，切削土的流動(dòng)性差，不能很好的傳遞壓力，在這種土層中要保持開挖面穩(wěn)定難度很大。為解決砂性土的塑流，可在開挖土倉(cāng)中注入泡沫并充分?jǐn)嚢瑁淖兺恋某煞郑员ＷC土的流動(dòng)性和減少土的透水性，使開挖面保持穩(wěn)定。同時(shí)加注泡沫還可減少刀盤與土體的摩擦，降低扭矩，減少殼體與刀盤上粘土的粘著力，有利于排土機(jī)構(gòu)出土，
所需的驅(qū)動(dòng)功率就可減少。
城市地鐵隧道大都需要穿越不同的地層，在一條線路上可能會(huì)有部分不適宜土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工的地層，這就限制了土壓平衡盾構(gòu)的適應(yīng)范圍，但是如采用萬能的泥水盾構(gòu)則造價(jià)比較高，而且需要很大的場(chǎng)地來安置泥水處理循環(huán)系統(tǒng)。目前城市地鐵施工可提供的場(chǎng)地越來越小，因此為擴(kuò)大土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的使用范圍，使其能夠適應(yīng)各種不同地層的變化，可采取通過加注泡沫系統(tǒng)的辦法來實(shí)現(xiàn)這目的，使土壓平衡盾構(gòu)機(jī)造價(jià)低、容易控制操作的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮。加泡沫后改變土壤滲透系數(shù)、擴(kuò)大土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用滲透系數(shù)土體及粒徑的范圍，見下圖1。

2 泡沫的發(fā)泡原理和工藝流程
2．1 發(fā)泡原理
發(fā)泡系統(tǒng)由泡沫發(fā)生器、空壓機(jī)、儲(chǔ)料罐和各種管道泵組成，將發(fā)泡劑、聚合物與水混合后，人壓縮空氣將液體膨脹產(chǎn)生泡沫，通過刀盤上的4個(gè)性人口注人開挖倉(cāng)內(nèi)。發(fā)泡系統(tǒng)流程見下圖2。

2.2泡沫制造工藝流程
泡沫制造工藝流程見圖3。

2．3 泡沫的膨脹率和注入比
(1)泡沫的膨脹率(FER)。FER=(液體的流速1／mm)： (空氣的流速1／mm)；FER越大說明泡沫越“稀”或越“濕”，—般取值在1：6～1：15之間。
(2)泡沫的注入比(FIR)。FIR=(泡沫加注速率)／(土壤的開挖速率)x100％；—般取值在40％～100％之間。
泡沫劑用量、FER、FIR是泡沫系統(tǒng)的三個(gè)重要參數(shù)。
3 工程應(yīng)用
深圳地鐵一期工程華強(qiáng)路—崗廈區(qū)間盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)3471．6m，隧道襯砌外徑6m，內(nèi)徑5．4m盾構(gòu)采用德國(guó)海瑞克公司設(shè)計(jì)制造的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)刀盤處直徑6．28m，本隧道需穿越燕山期強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖、礫質(zhì)粘性土、砂質(zhì)粘性土、富水砂層、角礫層，局部需要穿越中風(fēng)化花崗巖，隧道埋深14m，地下水位在3．5-4m左右。地質(zhì)條件極其復(fù)雜，各科地層軟硬不均，重復(fù)交替出現(xiàn)，因此在施工過程中就要不斷調(diào)整施工參數(shù)，尤其是泡沫的使用更是復(fù)雜多變。
圖4是施工過程中加注泡沫后土體改良效果極好的照片。

圖4 加入泡沫后出土狀態(tài)
在砂性土和礫砂性土地基中，由于內(nèi)摩擦角較大，因而難以獲得良好的流動(dòng)，同時(shí)滲透系數(shù)大，止水性差，壓力不能很好的傳遞到掌子面，推進(jìn)過程中明顯感到方向不好控制，刀盤扭距較大，推進(jìn)速度慢。我們通過向開挖面注入泡沫，使得開挖土獲得良好的流動(dòng)性和止水性，并保持開挖面穩(wěn)定，扭距明顯下降。而在粘性土層中，由于其內(nèi)摩擦角小，易流動(dòng)，泡沫只起到活性劑作用，防止土粘在刀具和土倉(cāng)內(nèi)壁上，減少對(duì)刀具的磨損，提高了出土速度和掘進(jìn)速度。
施工中我們對(duì)不同地層泡沫注人量和加注泡沫前后扭矩變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見下表1。
表1 不同地層泡沫注入量及扭矩變化

從表中可以看出泡沫的使用大大降低了刀盤扭矩，平均扭矩下降12％，而且泡沫在砂土中比粘土中使用扭矩下降效果更明顯。泡沫具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)由于氣泡的潤(rùn)滑效果，減少了地基的內(nèi)摩擦角，提高了挖掘土砂的流動(dòng)性，從而減少了刀盤的扭矩，改善了盾構(gòu)機(jī)作業(yè)參數(shù)；
(2)減少砂土的滲透性，使整個(gè)開挖土傳力均勻，工作面壓力變動(dòng)小，有利于調(diào)整土倉(cāng)壓力，保證盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)，控制地表沉降；
(3)減少粘土的粘性，使之不附著于盾構(gòu)機(jī)及刀盤上，有利于出土機(jī)構(gòu)出土；
(4)泡沫無毒，在2小時(shí)后可自行分解消失，對(duì)土壤環(huán)境無污染；
根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，我們總結(jié)出在不同地層中泡沫的用量，見表2。
表2 不同地層中泡沫的用量

4 結(jié)束語
加注泡沫是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的一種輔助工法，通過向盾構(gòu)機(jī)開挖面，密封土艙、螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入泡沫達(dá)到穩(wěn)定開挖面土體、改良土體塑流性能、降低刀盤扭矩、提高掘進(jìn)和出土效率的目的，它與加水、加泥、加高濃度泥漿等輔助工法相比，雖然在費(fèi)用上略多。但其減少刀具磨損，提高掘進(jìn)速度效果最佳，因此具有廣泛的推廣前景。