盾構(gòu)施工中氣泡應(yīng)用效果評價研究摘 要:鑒于國內(nèi)目前氣泡劑技術(shù)在輔助土壓平衡式盾構(gòu)施工中存在的一些問題,本文在考慮氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)施工中的功效基礎(chǔ)上,從氣泡劑自身性質(zhì)和氣泡混和土力學(xué)性質(zhì)兩方面著手,結(jié)合土壓平衡式盾構(gòu)施工的原理,闡述了氣泡劑在盾構(gòu)掘進施工中應(yīng)用效果評價的手段及相應(yīng)的指標,為氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)中的應(yīng)用和選擇提供實際參考。關(guān)鍵詞:土壓平衡式盾構(gòu);氣泡劑;效果評價1 前言 近幾年來,我國許多大城市,伴隨著城市交通流量的激增和地表空間的減小,地下空間不斷開發(fā),城市隧道施工工程中,作為不影響城市商業(yè)、交通功能的盾構(gòu)法以其施工對周圍環(huán)境影響小、快速的機械化施工等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于城市地下空間開發(fā)工程,尤其在地鐵隧道工程中,逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的明挖法、暗挖法,成為一種較為普及的隧道成型工法[1][2]。盾構(gòu)法中,土壓平衡式盾構(gòu)法因其適用地層范圍較大、對周圍環(huán)境要求較低及造價合理等優(yōu)勢而得到廣泛的應(yīng)用,并且在國內(nèi)外的隧道工程中應(yīng)用規(guī)模不斷擴大。 土壓平衡式盾構(gòu)法得以如此廣泛應(yīng)用,主要因素取決于輔助材料在盾構(gòu)掘進中的使用,土壓平衡式盾構(gòu)施工中,為了保證進入壓力艙的土體具有滿足正常施工條件的良好的塑性流動性、止水性等力學(xué)性質(zhì),通常采取在開挖面及壓力艙注入輔助材料進行土體改良,國內(nèi)外常用的添加劑[3][4]主要有:①粘土礦物類;②界面活性材料類;③高吸水樹脂類;④水溶性高分子類。其中,界面活性材料中的氣泡劑具有現(xiàn)場制作方便、環(huán)保、渣土處理簡單及功能多樣等優(yōu)點而在土壓平衡式盾構(gòu)法中得到普遍采用。 盾構(gòu)用氣泡劑的使用至今已有近30年的歷史,特別是近十年來使用氣泡來改良土質(zhì)的做法日益得到工程界的重視,應(yīng)用范圍和規(guī)模越來越大,但是受諸多因素的影響,對氣泡添加劑的使用多數(shù)停留在憑施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,理論上的研究不夠,國內(nèi)在發(fā)泡劑產(chǎn)品的選擇、氣泡應(yīng)用等方面存在極大的盲目性,對氣泡注入效果的評價目前也沒有確定的方法及標準。因此,提出一套評價氣泡在盾構(gòu)掘進施工中應(yīng)用技術(shù)及效果評價方法,對氣泡劑技術(shù)在盾構(gòu)工程中的應(yīng)用有著積極的指導(dǎo)意義。2 氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)掘進中的應(yīng)用 氣泡在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用是通過無數(shù)小氣泡組成的泡沫來實現(xiàn)的。通常我們所稱的注入氣泡實際上是注入泡沫。泡沫是典型的氣-液二相系,其90%以上為空氣,不足10%為氣泡劑溶液;而氣泡劑溶液90%~99%為水,其余為氣泡劑原液。氣泡在土壓平衡式盾構(gòu)施工中的主要作用: (1)減少盾構(gòu)機機械的磨損,土壓平衡式盾構(gòu)機在砂土等摩擦性較大土體中掘進時,與土體發(fā)生摩擦的刀具極易磨損,通過在刀盤上注入氣泡材料,可以降低土體的摩擦性,減小刀具的磨損。 (2)調(diào)整壓力艙內(nèi)土體塑性流動性,土壓平衡式盾構(gòu)法掘進工程中,壓力艙內(nèi)土體性質(zhì)如何,將直接影響盾構(gòu)的順利掘進,切削后的渣土具有良好的塑性流動性,不但可以能夠使開挖面維持較好的支護壓力,而且保證排土順利進行,在盾構(gòu)掘進中,由于地層的變化,未經(jīng)處理進入壓力艙的土體通常難以獲得希望的塑性流動性,此時壓力艙內(nèi)容易發(fā)生“結(jié)餅”、“閉塞”[5]等問題,影響施工。氣泡的注入可以有效解決上述問題。 (3)降低渣土的透水性,土壓平衡式盾構(gòu)機在砂礫層等強透水層地基(k>10-5m/s)施工時,開挖面過高的水壓力會導(dǎo)致盾構(gòu)機螺旋排土器出口發(fā)生地下水大量流失,嚴重時會發(fā)生噴涌。影響掘進順利進行,注入氣泡可以有效降低渣土的滲透性,有效防止掘進中噴涌的發(fā)生及大量地下水的流失。 (4)降低切削渣土的內(nèi)摩擦力,減少刀盤、螺旋排土器、運輸帶的磨損,降低刀盤扭矩,防止機器能耗過高發(fā)熱而發(fā)生故障。3 氣泡劑在應(yīng)用中存在的問題及效果評價指標確定的意義 盾構(gòu)掘進工程中,盾構(gòu)機經(jīng)過的地層條件千變?nèi)f化,有些區(qū)間地層以砂土為主,滲透系數(shù)大,地下水易從開挖面滲入,導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)和螺旋排土器口噴涌發(fā)生。有些區(qū)間粘粒含量高,刀盤易發(fā)生黏附,導(dǎo)致開挖不暢、攪拌困難,壓力艙內(nèi)易發(fā)生結(jié)餅和閉塞。要想在上述土體中應(yīng)用土壓平衡式盾構(gòu)順利進行地鐵隧道建設(shè),必須對土壓平衡式盾構(gòu)壓力艙內(nèi)的土體進行改良,使之滿足如下力學(xué)性質(zhì):土體不易固結(jié)排水;土體處于較理想塑性流動狀態(tài);土體具有較低的透水性。 目前,國內(nèi)企業(yè)在地鐵盾構(gòu)隧道施工中從國外進口了發(fā)泡材料進行改善土壓平衡式盾構(gòu)土體性質(zhì),但對氣泡添加材料的性能和評價標準都沒有可借鑒的實例和資料,造成氣泡在使用的過程中產(chǎn)生多種問題,例如:氣泡的發(fā)泡倍率不夠或過多的進行添加,對昂貴的添加材料造成大量的浪費;由于在盾構(gòu)施工中不能合理有效及時的使用氣泡添加材料或為了減小成本氣泡的添加量不足,造成盾構(gòu)艙內(nèi)的土體性質(zhì)沒有得到有效的改良,“結(jié)餅”、“閉塞”、“噴涌”等問題繼續(xù)發(fā)生。在廣州、深圳地鐵隧道施工中,由于壓力艙發(fā)生“結(jié)餅”需要進行開艙處理而造成的開挖面土體坍塌事故多次發(fā)生。 科學(xué)應(yīng)用氣泡添加材料,作到適時,適量的注入氣泡,就能有效的改善土壓平衡式盾構(gòu)壓力艙內(nèi)土體的狀態(tài),使“結(jié)餅”、“閉塞”、“噴涌”等問題少發(fā)生或不發(fā)生,做到上述的前提條件首先是能夠?qū)馀輨┳⑷胪馏w的效果評價有著比較明確的方法及手段。同時,目前國內(nèi)的盾構(gòu)隧道所用的發(fā)泡材料多為國外進口(法國及日本),造價較高,國內(nèi)自主生產(chǎn)的發(fā)泡產(chǎn)品目前多處于研發(fā)階段,尚未大量投入使用,面對未來各類品牌的發(fā)泡劑產(chǎn)品,有一套相應(yīng)的氣泡在盾構(gòu)掘進中的功效評價指標,才能夠使得承包商合理選擇適用于自己的氣泡劑產(chǎn)品。4 氣泡效果評價指標 確定氣泡劑在土壓平衡式盾構(gòu)掘進中的應(yīng)用效果,可從兩方面考慮,即氣泡劑材料自身的性質(zhì)及氣泡與開挖后土層混和所形成的氣泡混和土的力學(xué)性質(zhì)。4.1 氣泡劑自身性質(zhì) 氣泡劑自身的性質(zhì)涉及氣泡劑的發(fā)泡率、氣泡的穩(wěn)定性等。4.1.1 發(fā)泡率 發(fā)泡率,又稱“氣泡倍數(shù)”,指一定質(zhì)量發(fā)泡劑溶液所產(chǎn)生的氣泡體積與原液體體積之比,它是衡量發(fā)泡劑質(zhì)量的一項重要指標。其定義見下式。ER=Vf/V1 (1) 式中:Vf———產(chǎn)生的氣泡體積; Vl———氣泡劑溶液體積。 目前應(yīng)用于土壓平衡式盾構(gòu)施工中的氣泡劑的發(fā)泡率為5~20,在同樣情況下,發(fā)泡率越高,等量氣泡劑產(chǎn)生的氣泡越多,說明其具有高效性,但是發(fā)泡率與生成氣泡的穩(wěn)定性二者是相互影響的,較高的發(fā)泡率是犧牲氣泡穩(wěn)定性為代價的,當評價氣泡性質(zhì)時,僅僅發(fā)泡率高并不能說明氣泡劑的優(yōu)越,而應(yīng)該結(jié)合下述其產(chǎn)生的氣泡穩(wěn)定性進行綜合考慮。 由于氣泡在壓力艙內(nèi)處于受壓狀態(tài),同時通常情況下,氣泡與土體發(fā)生混合是在壓力狀態(tài)下進行的。假定壓力×體積=常數(shù),則當壓力艙內(nèi)支護壓力為p時氣泡的發(fā)泡率為:
上式中:pa為標準大氣壓,ER為大氣壓下發(fā)泡率。4.1.2 氣泡的穩(wěn)定性 氣泡的穩(wěn)定性是指氣泡長時間靜置于空氣中而不破裂的性質(zhì),氣泡的穩(wěn)定性是衡量氣泡優(yōu)劣的一個重要指標。穩(wěn)定性的好壞由消泡率來反應(yīng),消泡率是衡量氣泡穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一,其定義見下式。FS=Vd/Vo=Md/Mo (3) 式中:Vd為消散的氣泡體積;Vo為氣泡初始體積;Md為消散的氣泡質(zhì)量;Mo為氣泡初始質(zhì)量。對于氣泡的穩(wěn)定性,有學(xué)者提出用半衰期的概念來描述[6],即氣泡體積消散一半所需要的時間。可采用圖1所示的裝置進行消泡率的測定試驗。其過程如下:首先測定大容器中所盛的氣泡的總質(zhì)量,然后每隔一定時間(如5分鐘或10分鐘)測定量筒中氣泡消散形成的液體質(zhì)量,利用公式(3)即得出消泡率曲線,某氣泡劑產(chǎn)品消泡率曲線示意圖見圖2。 盾構(gòu)施工中,通常在刀盤、壓力艙、螺旋排土器三處布置氣泡的注入口,通過注入氣泡將壓力艙土體改良成“塑性流動狀態(tài)”,并應(yīng)保持至螺旋排土器口順利排出。這就要求氣泡具有足夠的穩(wěn)定性,以滿足能夠存在于渣土中直至混合土從螺旋排土器排出。所以氣泡穩(wěn)定性的情況將直接影響其作用的發(fā)揮時間,通常盾構(gòu)隧道所需氣泡的穩(wěn)定性要求可通過下述方法估計: 氣泡消散25%的時間不大于T: 上式中:R1,R2分別為壓力艙及螺旋排土器直徑;L1,L2分別為壓力艙及排土器長度;V—盾構(gòu)機掘進速度;a—反應(yīng)氣泡與土體結(jié)合后穩(wěn)定性增強的參數(shù),與所混合的土體參數(shù)等有關(guān)。 舉例說明,某盾構(gòu)隧道工程中,壓力艙直徑6m,長度1.2m,螺旋排土器長度9.5m,直徑0.7m,以每天推進12m速度考慮,a取值為1.5,則要求氣泡穩(wěn)定性到達消泡25%所需的時間大于1.9h。盾構(gòu)施工是一個動態(tài)的過程,氣泡材料作用的土體處于運動狀態(tài),氣泡改良土體的作用僅要求于從開挖面到排土器出口這段運動過程中,所以氣泡的穩(wěn)定性將直接關(guān)系到改良效果的持續(xù)時間。氣泡的發(fā)泡率作為一項可變參數(shù),使得盾構(gòu)承包商對其參數(shù)的選擇帶來困難,較高的發(fā)泡率可以做到在一定數(shù)量的氣泡劑下產(chǎn)生更多的氣泡,但是過高的發(fā)泡率與氣泡的穩(wěn)定性及土體改良效果都存在相互制約的關(guān)系,如何選擇合理的發(fā)泡率來最大效用地發(fā)揮氣泡的作用,需要針對不同盾構(gòu)工程來進行決定。4.1.3 氣泡對環(huán)境的影響 由于氣泡土的處理沒有專門的措施,所以氣泡劑的成分對環(huán)境的污染程度是確定氣泡是否可用的一個主要指標。環(huán)保、無毒副作用的氣泡劑是氣泡應(yīng)用的根本。4.2 從氣泡混和土的性質(zhì)指標進行評價 氣泡應(yīng)用于盾構(gòu)掘進工程中時,其作用的發(fā)揮是通過與土體結(jié)合而體現(xiàn)出來的,所以對氣泡的評價側(cè)重于其與開挖面切削土體混合后的性質(zhì),即氣泡混合土性質(zhì)。4.2.1 氣泡混合土滲透性 土壓平衡式盾構(gòu)機在砂礫層等強透水層地基施工時,開挖面過高的水壓力會導(dǎo)致盾構(gòu)機螺旋排土器出口發(fā)生地下水大量流失,嚴重時會發(fā)生噴涌。影響掘進順利進行,這時可以通過在刀盤及壓力艙注入氣泡來減小土體的滲透性。此時評價氣泡的指標是氣泡混合土滲透系數(shù)的減小程度。一般要求,當用氣泡減小土體滲透性時,要求滲透系數(shù)能夠降低,見下表1。 由于氣泡與土體混合的充分程度會影響止水效果的差異。同時,不同的級配顆粒土體在加入相互氣泡后滲透系數(shù)的降低差異很大。所以在評價氣泡劑技術(shù)的止水性時,要結(jié)合混合土體的顆粒級配情況確定。4.2.2 氣泡用于增加土體塑性流動性 壓力艙內(nèi)的土體是一種非常特殊的土體,是由開挖面上切削下來的破碎土體在刀盤和壓力艙部位注漿口注入氣泡,經(jīng)過攪拌翼板的攪拌、混合而充填在壓力艙內(nèi)的混合土體。目前,國內(nèi)盾構(gòu)隧道中使用氣泡材料主要的目的是增加壓力艙內(nèi)土體的塑性流動性,防止或改善壓力艙內(nèi)的“閉塞”、“結(jié)餅”現(xiàn)象。 確定氣泡混合土塑性流動性的指標可從以下試驗著手[7]:流塑性試驗;液、塑限試驗;拌和試驗;固結(jié)實驗;坍落度試驗。4.2.3 氣泡用于降低土體的黏附性 降低土體的黏附性可以防止土體黏附于刀具及壓力艙隔板及攪拌翼等結(jié)構(gòu)而引起的刀具磨損及掘進扭矩及推力的增大,從而為保護盾構(gòu)機順利掘進。 氣泡注入降低土體黏附性的效果判斷可以通過測定氣泡改良土體和金屬表面黏附力的大小,即簡單測定氣泡混合土體試樣在一定角度傾斜后的金屬平板上的滑溜情況。其控制指標可定為氣泡混合土試樣在金屬板上滑動所需的傾角,試驗裝置示意圖見圖3。4.2.4 氣泡浸透試驗 氣泡浸透試驗?zāi)康氖茄芯孔⑷氲臍馀輰Φ侗P前方地層的浸透跑力。在一定的壓力下,氣泡過度的浸透能力將會導(dǎo)致氣泡用量增加,而且氣泡混合土體提供的支持壓力也可能不夠充分。在測試試驗中,將土樣置于透明的圓筒中,然后注入氣泡,施加壓力,在活塞的推動作用下,觀察氣泡浸透到土樣的深度。5 結(jié)語 氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)中的應(yīng)用效果評價方法的確定具有積極的工程意義,由文中分析可知: (1)氣泡應(yīng)用于盾構(gòu)施工中有著不同的目的,所以對氣泡劑優(yōu)劣性判定應(yīng)該結(jié)合工程使用氣泡的目的而言,例如對應(yīng)用氣泡增加土體的塑性流動性時,我們可以不考慮其止水性的優(yōu)劣。同時,氣泡性能的發(fā)揮是與原狀土體的性質(zhì)密切相關(guān)的,所以判斷氣泡效果應(yīng)該考慮所應(yīng)用的土質(zhì)參數(shù),同樣的氣泡對不同的土質(zhì)會產(chǎn)生不同的氣泡混合土特性,所以評價指標時應(yīng)重點考慮氣泡混合土的性質(zhì)。 (2)目前,在國內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)隧道工程應(yīng)用中,關(guān)于氣泡應(yīng)用的效果評價建議采用下述指標進行控制以滿足普通的工程需要。氣泡的穩(wěn)泡時間,參考作者所提出的公式(4),其中參數(shù)α取值需要通過工程應(yīng)用反饋進一步確定;氣泡的發(fā)泡率,應(yīng)用于盾構(gòu)工程的發(fā)泡率在5~20之間,視所用發(fā)泡劑材料所提供的參數(shù),在保證穩(wěn)泡時間的基礎(chǔ)上,發(fā)泡率越高越好;氣泡混合土黏附試驗,氣泡混合土在金屬平板上滑動的極限傾角;坍落度試驗,坍落度試驗可以部分的反應(yīng)土體的塑性流動性,它的優(yōu)點在于現(xiàn)場容易實施。施工單位可以采用坍落度試驗確定氣泡的注入比;氣泡混合土滲透試驗要求改良后氣泡混合土止水性控制在發(fā)生地下水噴涌的臨界滲透系數(shù)[8]以下。 (3)氣泡劑效果是相對所處理的土層條件而言的,不同的地質(zhì)條件下,選擇合理適用的氣泡劑產(chǎn)品,才能做到既保證順利施工又經(jīng)濟節(jié)省。 (4)氣泡劑的使用與添加量、添加時間等密切相關(guān),在盾構(gòu)掘進工程中,做到事前防范是關(guān)鍵,等到壓力艙已經(jīng)發(fā)生“閉塞”、“結(jié)餅”時再注入氣泡材料效果不明顯,氣泡劑應(yīng)用與否需根據(jù)盾構(gòu)機掘進相關(guān)參數(shù)的反饋及施工經(jīng)驗確定,具體的理論參數(shù)尚需進一步完善。 (5)關(guān)于氣泡混合土性質(zhì)研究,目前僅限于歐美日等幾個國家的科研單位,各單位研究氣泡混合土土體性質(zhì)時采用的方式及工具各不相同,所有很難有一個統(tǒng)一的指標來說明氣泡混合土的性質(zhì),如粘滯性、流動性等。相關(guān)評價指標的統(tǒng)一及標準還需要不斷完善并制定相應(yīng)的規(guī)程。參考文獻:[1]尹旅超,朱振宏,李玉珍,袁少軍,等譯.日本盾構(gòu)隧道新技術(shù)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999.7.[2]B.Maidl,M.Herrenknetcht,L.Anheuser.MechanisedShieldTunnelling[M].Berlin:Ernst&SohnVerlagfürArchitekturundtechn.WissenschaftenGmbH,1996.[3]GeorgeMilligan.LubricationAndSoilConditioningInTunnelling,PipeJackingAndMicrotunnelling,August2000.[4] Babendererde,L.H.“DevelopmentsinpolymerapplicationforsoilconditioninginEPB-TBMs[J].TunnelsandMetropolises,Ne-groJr.andFerreira(eds.),Balkema,Rotterdam,vol.2,pp.691-695.[5]G..AnagnostouandK.Kovári,Facestabilityconditionswithearth-pressure-balancedshields[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,Vol11,No.22,pp.165-173,1996.[6] Cash,T.andVine-Lott,K.M.Foamasatunnellingaid:ITSproductionanduse[J].TunnelsandTunnelling,Vol.28,No.4(April1996),pp.22-23.[7]SotirisPsomas,Propertiesoffoam/sandmixturesfortunnellingapplications,AthesissubmittedforthedegreeofMasterofScienceto theDepartmentofEngineeringScience,StHugh’sCollege.2001.[8]魏康林.土壓平衡式盾構(gòu)施工中噴涌問題的發(fā)生機理及其防治措施研究[D].南京:河海大學(xué)碩士論文,2003.3. infrontofthepile.Thisgivesafoundationforfurtherstudy.
上式中:pa為標準大氣壓,ER為大氣壓下發(fā)泡率。4.1.2 氣泡的穩(wěn)定性 氣泡的穩(wěn)定性是指氣泡長時間靜置于空氣中而不破裂的性質(zhì),氣泡的穩(wěn)定性是衡量氣泡優(yōu)劣的一個重要指標。穩(wěn)定性的好壞由消泡率來反應(yīng),消泡率是衡量氣泡穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一,其定義見下式。FS=Vd/Vo=Md/Mo (3) 式中:Vd為消散的氣泡體積;Vo為氣泡初始體積;Md為消散的氣泡質(zhì)量;Mo為氣泡初始質(zhì)量。對于氣泡的穩(wěn)定性,有學(xué)者提出用半衰期的概念來描述[6],即氣泡體積消散一半所需要的時間。可采用圖1所示的裝置進行消泡率的測定試驗。其過程如下:首先測定大容器中所盛的氣泡的總質(zhì)量,然后每隔一定時間(如5分鐘或10分鐘)測定量筒中氣泡消散形成的液體質(zhì)量,利用公式(3)即得出消泡率曲線,某氣泡劑產(chǎn)品消泡率曲線示意圖見圖2。 盾構(gòu)施工中,通常在刀盤、壓力艙、螺旋排土器三處布置氣泡的注入口,通過注入氣泡將壓力艙土體改良成“塑性流動狀態(tài)”,并應(yīng)保持至螺旋排土器口順利排出。這就要求氣泡具有足夠的穩(wěn)定性,以滿足能夠存在于渣土中直至混合土從螺旋排土器排出。所以氣泡穩(wěn)定性的情況將直接影響其作用的發(fā)揮時間,通常盾構(gòu)隧道所需氣泡的穩(wěn)定性要求可通過下述方法估計: 氣泡消散25%的時間不大于T: 上式中:R1,R2分別為壓力艙及螺旋排土器直徑;L1,L2分別為壓力艙及排土器長度;V—盾構(gòu)機掘進速度;a—反應(yīng)氣泡與土體結(jié)合后穩(wěn)定性增強的參數(shù),與所混合的土體參數(shù)等有關(guān)。 舉例說明,某盾構(gòu)隧道工程中,壓力艙直徑6m,長度1.2m,螺旋排土器長度9.5m,直徑0.7m,以每天推進12m速度考慮,a取值為1.5,則要求氣泡穩(wěn)定性到達消泡25%所需的時間大于1.9h。盾構(gòu)施工是一個動態(tài)的過程,氣泡材料作用的土體處于運動狀態(tài),氣泡改良土體的作用僅要求于從開挖面到排土器出口這段運動過程中,所以氣泡的穩(wěn)定性將直接關(guān)系到改良效果的持續(xù)時間。氣泡的發(fā)泡率作為一項可變參數(shù),使得盾構(gòu)承包商對其參數(shù)的選擇帶來困難,較高的發(fā)泡率可以做到在一定數(shù)量的氣泡劑下產(chǎn)生更多的氣泡,但是過高的發(fā)泡率與氣泡的穩(wěn)定性及土體改良效果都存在相互制約的關(guān)系,如何選擇合理的發(fā)泡率來最大效用地發(fā)揮氣泡的作用,需要針對不同盾構(gòu)工程來進行決定。4.1.3 氣泡對環(huán)境的影響 由于氣泡土的處理沒有專門的措施,所以氣泡劑的成分對環(huán)境的污染程度是確定氣泡是否可用的一個主要指標。環(huán)保、無毒副作用的氣泡劑是氣泡應(yīng)用的根本。4.2 從氣泡混和土的性質(zhì)指標進行評價 氣泡應(yīng)用于盾構(gòu)掘進工程中時,其作用的發(fā)揮是通過與土體結(jié)合而體現(xiàn)出來的,所以對氣泡的評價側(cè)重于其與開挖面切削土體混合后的性質(zhì),即氣泡混合土性質(zhì)。4.2.1 氣泡混合土滲透性 土壓平衡式盾構(gòu)機在砂礫層等強透水層地基施工時,開挖面過高的水壓力會導(dǎo)致盾構(gòu)機螺旋排土器出口發(fā)生地下水大量流失,嚴重時會發(fā)生噴涌。影響掘進順利進行,這時可以通過在刀盤及壓力艙注入氣泡來減小土體的滲透性。此時評價氣泡的指標是氣泡混合土滲透系數(shù)的減小程度。一般要求,當用氣泡減小土體滲透性時,要求滲透系數(shù)能夠降低,見下表1。 由于氣泡與土體混合的充分程度會影響止水效果的差異。同時,不同的級配顆粒土體在加入相互氣泡后滲透系數(shù)的降低差異很大。所以在評價氣泡劑技術(shù)的止水性時,要結(jié)合混合土體的顆粒級配情況確定。4.2.2 氣泡用于增加土體塑性流動性 壓力艙內(nèi)的土體是一種非常特殊的土體,是由開挖面上切削下來的破碎土體在刀盤和壓力艙部位注漿口注入氣泡,經(jīng)過攪拌翼板的攪拌、混合而充填在壓力艙內(nèi)的混合土體。目前,國內(nèi)盾構(gòu)隧道中使用氣泡材料主要的目的是增加壓力艙內(nèi)土體的塑性流動性,防止或改善壓力艙內(nèi)的“閉塞”、“結(jié)餅”現(xiàn)象。 確定氣泡混合土塑性流動性的指標可從以下試驗著手[7]:流塑性試驗;液、塑限試驗;拌和試驗;固結(jié)實驗;坍落度試驗。4.2.3 氣泡用于降低土體的黏附性 降低土體的黏附性可以防止土體黏附于刀具及壓力艙隔板及攪拌翼等結(jié)構(gòu)而引起的刀具磨損及掘進扭矩及推力的增大,從而為保護盾構(gòu)機順利掘進。 氣泡注入降低土體黏附性的效果判斷可以通過測定氣泡改良土體和金屬表面黏附力的大小,即簡單測定氣泡混合土體試樣在一定角度傾斜后的金屬平板上的滑溜情況。其控制指標可定為氣泡混合土試樣在金屬板上滑動所需的傾角,試驗裝置示意圖見圖3。4.2.4 氣泡浸透試驗 氣泡浸透試驗?zāi)康氖茄芯孔⑷氲臍馀輰Φ侗P前方地層的浸透跑力。在一定的壓力下,氣泡過度的浸透能力將會導(dǎo)致氣泡用量增加,而且氣泡混合土體提供的支持壓力也可能不夠充分。在測試試驗中,將土樣置于透明的圓筒中,然后注入氣泡,施加壓力,在活塞的推動作用下,觀察氣泡浸透到土樣的深度。5 結(jié)語 氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)中的應(yīng)用效果評價方法的確定具有積極的工程意義,由文中分析可知: (1)氣泡應(yīng)用于盾構(gòu)施工中有著不同的目的,所以對氣泡劑優(yōu)劣性判定應(yīng)該結(jié)合工程使用氣泡的目的而言,例如對應(yīng)用氣泡增加土體的塑性流動性時,我們可以不考慮其止水性的優(yōu)劣。同時,氣泡性能的發(fā)揮是與原狀土體的性質(zhì)密切相關(guān)的,所以判斷氣泡效果應(yīng)該考慮所應(yīng)用的土質(zhì)參數(shù),同樣的氣泡對不同的土質(zhì)會產(chǎn)生不同的氣泡混合土特性,所以評價指標時應(yīng)重點考慮氣泡混合土的性質(zhì)。 (2)目前,在國內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)隧道工程應(yīng)用中,關(guān)于氣泡應(yīng)用的效果評價建議采用下述指標進行控制以滿足普通的工程需要。氣泡的穩(wěn)泡時間,參考作者所提出的公式(4),其中參數(shù)α取值需要通過工程應(yīng)用反饋進一步確定;氣泡的發(fā)泡率,應(yīng)用于盾構(gòu)工程的發(fā)泡率在5~20之間,視所用發(fā)泡劑材料所提供的參數(shù),在保證穩(wěn)泡時間的基礎(chǔ)上,發(fā)泡率越高越好;氣泡混合土黏附試驗,氣泡混合土在金屬平板上滑動的極限傾角;坍落度試驗,坍落度試驗可以部分的反應(yīng)土體的塑性流動性,它的優(yōu)點在于現(xiàn)場容易實施。施工單位可以采用坍落度試驗確定氣泡的注入比;氣泡混合土滲透試驗要求改良后氣泡混合土止水性控制在發(fā)生地下水噴涌的臨界滲透系數(shù)[8]以下。 (3)氣泡劑效果是相對所處理的土層條件而言的,不同的地質(zhì)條件下,選擇合理適用的氣泡劑產(chǎn)品,才能做到既保證順利施工又經(jīng)濟節(jié)省。 (4)氣泡劑的使用與添加量、添加時間等密切相關(guān),在盾構(gòu)掘進工程中,做到事前防范是關(guān)鍵,等到壓力艙已經(jīng)發(fā)生“閉塞”、“結(jié)餅”時再注入氣泡材料效果不明顯,氣泡劑應(yīng)用與否需根據(jù)盾構(gòu)機掘進相關(guān)參數(shù)的反饋及施工經(jīng)驗確定,具體的理論參數(shù)尚需進一步完善。 (5)關(guān)于氣泡混合土性質(zhì)研究,目前僅限于歐美日等幾個國家的科研單位,各單位研究氣泡混合土土體性質(zhì)時采用的方式及工具各不相同,所有很難有一個統(tǒng)一的指標來說明氣泡混合土的性質(zhì),如粘滯性、流動性等。相關(guān)評價指標的統(tǒng)一及標準還需要不斷完善并制定相應(yīng)的規(guī)程。參考文獻:[1]尹旅超,朱振宏,李玉珍,袁少軍,等譯.日本盾構(gòu)隧道新技術(shù)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999.7.[2]B.Maidl,M.Herrenknetcht,L.Anheuser.MechanisedShieldTunnelling[M].Berlin:Ernst&SohnVerlagfürArchitekturundtechn.WissenschaftenGmbH,1996.[3]GeorgeMilligan.LubricationAndSoilConditioningInTunnelling,PipeJackingAndMicrotunnelling,August2000.[4] Babendererde,L.H.“DevelopmentsinpolymerapplicationforsoilconditioninginEPB-TBMs[J].TunnelsandMetropolises,Ne-groJr.andFerreira(eds.),Balkema,Rotterdam,vol.2,pp.691-695.[5]G..AnagnostouandK.Kovári,Facestabilityconditionswithearth-pressure-balancedshields[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,Vol11,No.22,pp.165-173,1996.[6] Cash,T.andVine-Lott,K.M.Foamasatunnellingaid:ITSproductionanduse[J].TunnelsandTunnelling,Vol.28,No.4(April1996),pp.22-23.[7]SotirisPsomas,Propertiesoffoam/sandmixturesfortunnellingapplications,AthesissubmittedforthedegreeofMasterofScienceto theDepartmentofEngineeringScience,StHugh’sCollege.2001.[8]魏康林.土壓平衡式盾構(gòu)施工中噴涌問題的發(fā)生機理及其防治措施研究[D].南京:河海大學(xué)碩士論文,2003.3. infrontofthepile.Thisgivesafoundationforfurtherstudy.