土壓平衡盾構掘進施工中泡沫改良工藝的研究

崔晉征

(上海隧道工程股份有限公司，上海市200082)

土壓平衡盾構掘進施工中泡沫改良工藝的研究

崔晉征

(上海隧道工程股份有限公司，上海市200082)

為適應土壓平衡盾構在復合地層中施工，需將盾構開挖地層中的土體改良成具有良好的塑性流動性、較低的滲透性，以及較小的內摩擦角，通常采取在開挖面及土倉內注入土體改良劑?，F(xiàn)對土壓平衡盾構掘進施工中的泡沫改良工藝進行敘述，對泡沫改良機理、泡沫使用參數(shù)、盾構機改良系統(tǒng)等方面進行了研究。

土壓平衡盾構；土體改良；泡沫

1 概述

土壓平衡式盾構施工成功非常關鍵的一點是要將開挖面上切削下來的土體在壓力倉內調整成一種比較理想的狀態(tài)，使土體的一些性質在達到或滿足一些基本條件后，盾構的開挖與出土能順利進行。相比較泥水平衡盾構機，土壓平衡盾構機在國內市政工程建設中的應用更為廣泛，其適應不同地質條件(粘性土、砂性土、砂礫石甚至是軟巖)的能力最強，但并非所有的地層均具有良好塑性流動性、較低的滲透性，以及內摩擦角，如何將各種復雜土層改良為符合土壓平衡盾構掘進施工的要求，關鍵即為掘進過程中的土體改良。

土壓平衡式盾構施工中，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、止水性等力學性質，通常采取在開挖面及土倉內注入輔助材料進行土體改良。針對盾構施工的需要，選取適應于土質特點與盾構施工設備的添加劑材料尤為重要。目前，根據(jù)已查閱的資料顯示，泡沫劑與膨潤土漿液是最廣泛應用于盾構土體改良施工的添加劑材料。其中，泡沫劑依靠其良好的施工效果，且自動化操作程度高，是一種最為普遍應用的改良材料。

2 泡沫改良機理

泡沫土體改良技術是利用發(fā)泡劑與壓縮空氣作用產生的泡沫，注入到盾構機的土倉、刀盤和螺旋機內與開挖土體混合，對土體進行改良。泡沫作用于土顆粒的排斥效應能夠破壞粘粒之間的連接。經過泡沫改良后的粘性土體，其流動性和止水性都得到了提高，并具有不粘附于刀盤和土倉內壁的特點，利于正常開挖，同時由于塑性的提高，進一步確保了開挖面的穩(wěn)定。發(fā)泡劑與壓縮空氣產生的泡沫和切削土經攪拌混合后，泡沫擠走土體中的自由水，并依靠泡沫的支撐作用，可以提高開挖土體的塑流性和止水性，同時，還可以防止泥土的壓密粘附，結泥餅現(xiàn)象的發(fā)生；泡沫可以置換土顆粒間隙中的水，因此開挖土的止水性得以提高；泡沫具有壓縮性，開挖土體改良后塑性及均勻性提高，開挖土壓波動小，利于開挖面穩(wěn)定。

通過泡沫的注入，土顆粒被彈性外圍所包裹，形成一個三階段系統(tǒng)(三相體系)。土體顆粒間的稠度、摩擦減小，混合土體的體積模量被降低，土體在很大的變形范圍內具有理想的塑性狀態(tài)，從而，開挖面的支護壓力控制成為可能。隨著土倉內壓強的降低，顆粒結構中的氣體將發(fā)生膨脹，土倉內土體在增加的壓力下變形；當土倉內壓強增大時，土體的空隙體積將會減少，從而避免了刀盤扭矩的上升。在土壓平衡盾構中，可以說，控制支護壓力的空氣緩沖發(fā)生于土體的顆粒結構中(見圖1)。

圖1 泡沫的微觀示意圖

泡沫呈白色流液狀，其泡沫平均直徑約0.2 mm左右，但強度較好，受到擠壓后會被壓縮而不易破碎。細小的氣泡進入土體后，充滿在土體顆粒的間隙中，并將土體顆粒包圍，從而起到以下幾個作用：

(1)潤滑：泡沫將土體顆粒包圍后，起到介質作用，潤滑性加大，能有效地降低刀盤和螺旋機的轉矩，減少刀具的磨損。

(2)穩(wěn)定土艙內的土壓：由于泡沫中的氣泡具有較強的壓縮性，能減少土艙壓力的波動，較好地建立土壓平衡，維持開挖面的穩(wěn)定。

(3)改善土體的塑流性：對于黏性大的土層，能降低其黏性，使其不易黏附在刀盤和土艙壁上，產生堵艙現(xiàn)象；對于內摩擦角大、流動性差的砂土，能增加其塑性流動性。

(4)阻水：由于氣泡填充了土體顆粒間的空隙，使得滲透系數(shù)減小，止水性能提高。

(5)環(huán)保：泡沫經過2～3h后會自行消泡，土體恢復原狀。由于泡沫原料無毒無害，所以不會污染環(huán)境。

3 泡沫性能指標及主要使用參數(shù)

3.1 泡沫性能指標

泡沫是典型的氣液二相體系，其90%以上的體積為空氣，不足10%的體積為發(fā)泡劑溶液，而發(fā)泡劑溶液95%以上是水，其余為發(fā)泡劑。泡沫是氣體與液體形成的分散體系，氣相是分散相，液相是分散介質。就其本質而言，泡沫是熱力學不穩(wěn)定體系，泡沫中的氣泡一旦破裂，液體的總表面積大為減小，能量(自由能)便降低。泡沫的穩(wěn)定性是指泡沫存在“壽命”的長短，是泡沫流體的主要性能。

盾構施工時，泡沫被發(fā)泡裝置發(fā)出到與開挖土混合，對土體進行改良有一個間隔時間，根據(jù)盾構機的制造工藝，這一間隔時間約為2～3 min，因此，盾構用泡沫必須有一定的穩(wěn)定性，在與開挖土體混合之前不至過量衰變破滅，失去對開挖土改良的目的。此外，開挖土體從被開挖進入土倉到被螺旋機排出有一個時間過程，這一過程根據(jù)施工的情況不同有一定差別；泡沫與開挖土混合后，對開挖土的改良效果必須能夠維持一段時間，而泡沫的穩(wěn)定性越好，則泡沫對開挖土改良后的效果維持的時間越長，由此，盾構用泡沫的穩(wěn)定性也必須達到一定的效果，才能夠滿足盾構施工的要求。

泡沫的穩(wěn)定性可通過測定泡沫消泡率與時間的關系來進行研究，消泡率是衡量泡沫穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，消泡率和時間的關系曲線中，消泡率為50%所對應的時間稱為泡沫的“半衰期”。在對泡沫的穩(wěn)定性進行評價時，對比泡沫的半衰期，半衰期越長泡沫越穩(wěn)定。根據(jù)盾構施工中的實際情況，盾構用泡沫的穩(wěn)定性一般要求泡沫的半衰期大于5 min。

3.2 泡沫主要使用參數(shù)

在泡沫的使用上，主要有以下參數(shù)：泡沫濃度(泡沫原液與水混合的體積比)、發(fā)泡率(泡沫混合液在壓縮空氣作用下膨脹的體積倍數(shù))、注入率(泡沫注入與改良土體的體積比)。

(1)泡沫的濃度，即泡沫劑原液與水混合后形成泡沫混合液中泡沫劑原液的百分數(shù)。

(2)泡沫的發(fā)泡率，又稱為“發(fā)泡倍率”，是指一定體積的泡沫混合液所發(fā)出的泡沫體積與泡沫混合液體積的比值，即每體積泡沫混合液所發(fā)出氣泡的體積，其定義見公式：

式中：FER——發(fā)泡率；

Vf——泡沫體積；

Vl——泡沫混合液體積。

(3)泡沫的注入率，是指單位時間內注入土體中的泡沫體積與土體體積的比值，其定義見公式：

式中：FIR——注入率；

Vf——泡沫體積；

Vs——土體體積。

3.3 泡沫參數(shù)對泡沫性能指標的影響

3.3.1 濃度對泡沫性能影響

取1%～5%的泡沫濃度，對泡沫的穩(wěn)定性進行實驗研究，泡沫的發(fā)泡率分別取15與20，實驗情況如圖2所示。

圖2 發(fā)泡劑濃度與半衰期關系曲線圖

由圖2可以看出，隨著泡沫劑濃度的提高，所發(fā)出的泡沫穩(wěn)定性也越高。其中，當泡沫濃度從1%上升到3%這一過程中，泡沫的穩(wěn)定性變化明顯，但隨著泡沫劑濃度的再提高，半衰期曲線的斜率增長趨于平緩，氣泡的穩(wěn)定性變化不大。

3.3.2 發(fā)泡率對泡沫性能影響

取9～30倍的發(fā)泡率，對泡沫的穩(wěn)定性進行實驗研究，泡沫的濃度取3%，實驗情況如圖3所示。

圖3 發(fā)泡率與半衰期關系曲線圖

由圖3可以看出，泡沫濃度一定時，氣泡半衰期時間隨著發(fā)泡率的增加而延長，氣泡更加穩(wěn)定；當發(fā)泡率從9到20的過程中，泡沫的穩(wěn)定性變化明顯，但隨著發(fā)泡率的再提高，氣泡的穩(wěn)定性變化不大。

4 泡沫對土體改良效果分析

選取盾構掘進過程中的砂性土作為研究對象，通過室內實驗，對泡沫改良土體的效果進行分析。設定泡沫濃度參數(shù)為3%，泡沫劑發(fā)泡率為20%的泡沫對原始土體進行改良，改良效果如圖4、圖5所示。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，泡沫對砂土具有的改良效果如下：

(1)泡沫的加入能夠顯著降低土體的抗剪強度，通過適當?shù)臄嚢?，將泡沫與土體混合之后，隨著泡沫的注入率逐漸增加，土體的抗剪強度值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，這是由于泡沫與土體之間產生了良好的潤滑效應，泡沫顆粒的存在有助于減少土體內砂土顆粒的摩擦力。

(2)泡沫的加入降低了土體的密度，改變了土體內原有的三相體系，即增加了氣相，從而分散了土體內固相組分，提高了土體的可壓縮性。

圖4 泡沫劑改良效果實景

圖5 泡沫劑改良土體參數(shù)值變化曲線圖

(3)泡沫的加入提高了土體的整體流動性能，土體塑流性的提高有助于土體從螺旋機順利的排出，更有助于正面土壓力的穩(wěn)定。

因此，可以初步認為采用泡沫能夠對該砂土起到顯著的改良效果。

5 盾構機泡沫改良系統(tǒng)配置

以國產863“先行號”土壓平衡盾構機為例，對盾構機泡沫改良系統(tǒng)進行介紹，盾構機的泡沫改良系統(tǒng)流程圖如圖6所示。圖7為添加劑注入改良系統(tǒng)示意圖。

圖6 盾構機土體改良系統(tǒng)原理示意圖

圖7 添加劑注入改良系統(tǒng)實景

泡沫系統(tǒng)位于盾構機的后配套車架，為一套CONDAT M4B型泡沫注入系統(tǒng)裝置，如圖8所示。

圖8 盾構機泡沫系統(tǒng)配置實景

該泡沫系統(tǒng)裝置是利用水、泡沫劑和高壓空氣來產生高度膨脹并能夠控制膨脹倍數(shù)的機器。該機器由3個系統(tǒng)組成：

(1)供水系統(tǒng)：該泡沫發(fā)生器使用的水壓力為4 bar，它可逐漸降至2 bar的操作壓力以滿足按比例控制的供料泵輸送泡沫劑原液。

(2)供氣系統(tǒng)：該設備正常情況下在7～8 bar的壓力下運行，空氣流速在50～60 m3/h之間，在被介入系統(tǒng)之前，它的壓力會降低至6 bar以下的壓力狀態(tài)。

(3)泡沫產生系統(tǒng)：通過供水系統(tǒng)提供的泡沫混合液及供氣系統(tǒng)提供的高壓氣體，在前端的泡沫發(fā)生器混合產生泡沫，采用遠控的方式，泡沫發(fā)生器將以標準流量連續(xù)產生泡沫，在設備運行過程中，如果發(fā)生水量不足或水壓過低時，機器將自動停止。

6 結語

隨著國內城市基礎建設的不斷發(fā)展，地下空間的不斷開拓，盾構法施工區(qū)域也不斷擴展。盾構施工將不可避免地會遇到不同地層(單一的軟土、硬土、巖土、巖石地層及多種組合、軟硬不均的復合地層)、不同埋深和不同施工環(huán)境。為適應各類復雜多變的工況，控制盾構法隧道施工對周邊環(huán)境的影響，盾構掘進過程中的土體改良顯得尤為重要。本文通過對泡沫改良機理、泡沫使用參數(shù)、盾構機改良系統(tǒng)配置等方面進行的研究，得出了泡沫改良土體的作用機理、影響泡沫性能指標的主要關鍵參數(shù)、泡沫對土體改良的效果分析，以及盾構機泡沫系統(tǒng)的配置，可為國內土壓平衡盾構土體改良施工提供參考。

U455.43

B

1009-7716(2015)08-0179-04

2015-05-05

崔晉征(1978-)，男，山西長治人，碩士，工程師，項目總工程師，從事軌道交通工程及能源隧道工程施工技術工作。