泡沫技術在土壓平衡盾構中的應用【摘 要】 土壓平衡盾構是軟土地區(qū)地鐵隧道施工的主要方法之一。但是盾構在穿越流塑性差、含水量高、滲透系數(shù)大的砂性土層時,存在土體受擾動發(fā)生液化、推進速度慢、刀盤形成“干餅”等一些技術難題。工程實踐證明,使用泡沫不僅有利于保持開挖面土壓力平衡,而且機械負荷及刀盤扭矩明顯減少,解決了施工難題。【關鍵詞】 泡沫;砂性土;扭矩;滲透系數(shù)0前言 自1974年第一臺土壓平衡盾構(ＥａｒｔｈＰｒｅｓｓｕｒｅＢａｌａｎｃｅＳｈｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅ)在東京投入使用以來,土壓平衡盾構已經被世界各國廣泛的應用于隧道工程中。就盾構技術本身而言,地質條件決定了施工的相對難易度,因此對于典型不良地層條件下的盾構控制仍然是工程界普遍關注的問題。 針對土壓平衡盾構穿越砂性土遇到的種種困難,國內外有關專家對此進行一定的研究:日本開發(fā)了以泡沫作為填加材料,來改善砂土流動性和止水性的泡沫盾構工法。英國牛津大學工程實驗室也對摻加泡沫前后砂土的物理力學性質的改變進行了研究。在國內對盾構氣泡法施工地鐵隧道雖然進行了一定的研究,但真正運用于工程實踐的很少。本文針對上海地鐵Ｍ8線曲陽路站～四平路站區(qū)間隧道成功使用法國ＣＯＮＤＡＴ泡沫發(fā)生劑在全斷面砂型土中推進的工程案例,總結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ＦＣＢ土壓平衡盾構進行推進,出洞段約200ｍ距離內為全斷面②3-2灰色砂質粉土。
2盾構氣泡法推進的優(yōu)點 對非粘透水性土層可以通過注射泡沫進行改良處理。粒狀結構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有最理想的彈性,以利于控制開挖面支撐壓力。由于化學的和物理的粘著力的作用,加入適當泡沫的土料可以變得非常粘著,完全可以用帶式輸送機進行輸送。泡沫的90%都是空氣,而空氣在幾天后就會全部逃逸,土料可以恢復原來的稠度,在對開挖出土料的儲置或進一步利用上這是一個顯著的優(yōu)點,而且不需要復雜昂貴的分離設備。加泡沫技術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機也可用在原先只適于泥水式盾構機的土層中。泡沫混合物在使用后幾天內化學物質會完全生物分解,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,可產生以下作用: 使盾構前方土體均勻;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指一個標準大氣壓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之間的關系如下:ρｆ=(1-α)ρ1+αρｇ (3) 由于氣體密度ρｇ極低,可以忽略不計,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) 土壓平衡盾構在砂性土層中施工時,會遇到以下難題: 盾構推進導致砂土擾動液化,孔隙水壓力迅速消散,甚至導致全斷面流砂工作面失穩(wěn); 壓力艙內土體在盾構頂推過程中排水固結,在工作面形成“干餅”,從而導致螺旋出土器排土困難,盾構推進速度慢,刀盤扭矩增大,刀盤主軸承嚴重磨損甚至斷裂;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、加膨潤土漿液的方法進行砂性土推進,但都沒有取得明顯效果,仍無法正常推進。使用ＣＯＮＤＡＴＣＬＢＦ4 ＴＭ型號的泡沫添加劑后,推進速度、刀盤扭矩及地面沉降均得到了改善,能夠正常推進。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,在加入泡沫量達到80以后,刀盤油壓趨向穩(wěn)定。4.2推進速度變化 圖2可看出,未加入泡沫時,盾構進掘進速度小于1ｃｍ/ｍｉｎ,而且刀盤扭矩每次達到極限就必須暫時停止推進一段時間,盾構機原地正反轉動刀盤以降低扭矩,才能繼續(xù)推進;隨泡沫注入量的增加,盾構能夠連續(xù)推進,推進速度逐漸增加,可達到接近4ｃｍ/ｍｉｎ。4.3 地面沉降曲線 以上推進中盾構推進中土壓力設定中,取Ｆ=1.2γｈ,比正常土壓力設定高。同步注漿量為2.5ｍ3/ｍ。可看出,在砂性土中,加入泡沫推進后,地面沉降仍較難控制,因此必須及時進行二次補漿。5結語 土壓平衡盾構本身不適應砂性土的推進,加泥式土壓平衡盾構后來被用于砂性土中開挖隧道,但效果不良,因此逐漸對泡沫技術進行研究,拓寬了土壓平衡盾構的使用范圍。 通過對上海Ｍ8線曲陽路站～四平路站區(qū)間土壓平衡盾構穿越全斷面工程數(shù)據(jù)分析,得出盾構在砂型土中采用氣泡法適合的參數(shù),供其它類似地質條件下盾構推進做參考。參考文獻[1] 唐益群,宋永輝,周念清,等 土壓平衡盾構在砂性土中施工問題的試驗研究[Ｊ].巖石力學與工程學報,2005,1[2] 宋克志,汪波,等 無水砂卵石地層土壓盾構施工泡沫技術研究[Ｊ].巖石力學與工程學報,2005,7 [3] 尹旅超,朱振宏,李玉珍,等 日本隧道盾構新技術[Ｍ] 武漢:華中理工大學出版社,1999
2盾構氣泡法推進的優(yōu)點 對非粘透水性土層可以通過注射泡沫進行改良處理。粒狀結構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有最理想的彈性,以利于控制開挖面支撐壓力。由于化學的和物理的粘著力的作用,加入適當泡沫的土料可以變得非常粘著,完全可以用帶式輸送機進行輸送。泡沫的90%都是空氣,而空氣在幾天后就會全部逃逸,土料可以恢復原來的稠度,在對開挖出土料的儲置或進一步利用上這是一個顯著的優(yōu)點,而且不需要復雜昂貴的分離設備。加泡沫技術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機也可用在原先只適于泥水式盾構機的土層中。泡沫混合物在使用后幾天內化學物質會完全生物分解,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,可產生以下作用: 使盾構前方土體均勻;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指一個標準大氣壓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之間的關系如下:ρｆ=(1-α)ρ1+αρｇ (3) 由于氣體密度ρｇ極低,可以忽略不計,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) 土壓平衡盾構在砂性土層中施工時,會遇到以下難題: 盾構推進導致砂土擾動液化,孔隙水壓力迅速消散,甚至導致全斷面流砂工作面失穩(wěn); 壓力艙內土體在盾構頂推過程中排水固結,在工作面形成“干餅”,從而導致螺旋出土器排土困難,盾構推進速度慢,刀盤扭矩增大,刀盤主軸承嚴重磨損甚至斷裂;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、加膨潤土漿液的方法進行砂性土推進,但都沒有取得明顯效果,仍無法正常推進。使用ＣＯＮＤＡＴＣＬＢＦ4 ＴＭ型號的泡沫添加劑后,推進速度、刀盤扭矩及地面沉降均得到了改善,能夠正常推進。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,在加入泡沫量達到80以后,刀盤油壓趨向穩(wěn)定。4.2推進速度變化 圖2可看出,未加入泡沫時,盾構進掘進速度小于1ｃｍ/ｍｉｎ,而且刀盤扭矩每次達到極限就必須暫時停止推進一段時間,盾構機原地正反轉動刀盤以降低扭矩,才能繼續(xù)推進;隨泡沫注入量的增加,盾構能夠連續(xù)推進,推進速度逐漸增加,可達到接近4ｃｍ/ｍｉｎ。4.3 地面沉降曲線 以上推進中盾構推進中土壓力設定中,取Ｆ=1.2γｈ,比正常土壓力設定高。同步注漿量為2.5ｍ3/ｍ。可看出,在砂性土中,加入泡沫推進后,地面沉降仍較難控制,因此必須及時進行二次補漿。5結語 土壓平衡盾構本身不適應砂性土的推進,加泥式土壓平衡盾構后來被用于砂性土中開挖隧道,但效果不良,因此逐漸對泡沫技術進行研究,拓寬了土壓平衡盾構的使用范圍。 通過對上海Ｍ8線曲陽路站～四平路站區(qū)間土壓平衡盾構穿越全斷面工程數(shù)據(jù)分析,得出盾構在砂型土中采用氣泡法適合的參數(shù),供其它類似地質條件下盾構推進做參考。參考文獻[1] 唐益群,宋永輝,周念清,等 土壓平衡盾構在砂性土中施工問題的試驗研究[Ｊ].巖石力學與工程學報,2005,1[2] 宋克志,汪波,等 無水砂卵石地層土壓盾構施工泡沫技術研究[Ｊ].巖石力學與工程學報,2005,7 [3] 尹旅超,朱振宏,李玉珍,等 日本隧道盾構新技術[Ｍ] 武漢:華中理工大學出版社,1999