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(gòu)掘進(jìn)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(yīng)土壓平衡盾構(gòu)在復(fù)合地層中施工，需將盾構(gòu)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(nèi)摩擦角，通常采取在開挖面及土倉內(nèi)注入土體改良劑?，F(xiàn)對土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工中的泡沫改良工藝進(jìn)行敘述，對泡沫改良機(jī)理、泡沫使用參數(shù)、盾構(gòu)機(jī)改良系統(tǒng)等方面進(jìn)行了研究。

土壓平衡盾構(gòu)；土體改良；泡沫

1 概述

土壓平衡式盾構(gòu)施工成功非常關(guān)鍵的一點是要將開挖面上切削下來的土體在壓力倉內(nèi)調(diào)整成一種比較理想的狀態(tài)，使土體的一些性質(zhì)在達(dá)到或滿足一些基本條件后，盾構(gòu)的開挖與出土能順利進(jìn)行。相比較泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在國內(nèi)市政工程建設(shè)中的應(yīng)用更為廣泛，其適應(yīng)不同地質(zhì)條件(粘性土、砂性土、砂礫石甚至是軟巖)的能力最強(qiáng)，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(nèi)摩擦角，如何將各種復(fù)雜土層改良為符合土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工的要求，關(guān)鍵即為掘進(jìn)過程中的土體改良。

土壓平衡式盾構(gòu)施工中，為了保證進(jìn)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土倉內(nèi)注入輔助材料進(jìn)行土體改良。針對盾構(gòu)施工的需要，選取適應(yīng)于土質(zhì)特點與盾構(gòu)施工設(shè)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(yīng)用于盾構(gòu)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(yīng)用的改良材料。

2 泡沫改良機(jī)理

泡沫土體改良技術(shù)是利用發(fā)泡劑與壓縮空氣作用產(chǎn)生的泡沫，注入到盾構(gòu)機(jī)的土倉、刀盤和螺旋機(jī)內(nèi)與開挖土體混合，對土體進(jìn)行改良。泡沫作用于土顆粒的排斥效應(yīng)能夠破壞粘粒之間的連接。經(jīng)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(nèi)壁的特點，利于正常開挖，同時由于塑性的提高，進(jìn)一步確保了開挖面的穩(wěn)定。發(fā)泡劑與壓縮空氣產(chǎn)生的泡沫和切削土經(jīng)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(jié)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(nèi)具有理想的塑性狀態(tài)，從而，開挖面的支護(hù)壓力控制成為可能。隨著土倉內(nèi)壓強(qiáng)的降低，顆粒結(jié)構(gòu)中的氣體將發(fā)生膨脹，土倉內(nèi)土體在增加的壓力下變形；當(dāng)土倉內(nèi)壓強(qiáng)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(gòu)中，可以說，控制支護(hù)壓力的空氣緩沖發(fā)生于土體的顆粒結(jié)構(gòu)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(qiáng)度較好，受到擠壓后會被壓縮而不易破碎。細(xì)小的氣泡進(jìn)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(zhì)作用，潤滑性加大，能有效地降低刀盤和螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)矩，減少刀具的磨損。

(2)穩(wěn)定土艙內(nèi)的土壓：由于泡沫中的氣泡具有較強(qiáng)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(chǎn)生堵艙現(xiàn)象；對于內(nèi)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(jīng)過2～3h后會自行消泡，土體恢復(fù)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(biāo)及主要使用參數(shù)

3.1 泡沫性能指標(biāo)

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(zhì)。就其本質(zhì)而言，泡沫是熱力學(xué)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(gòu)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(jìn)行改良有一個間隔時間，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的制造工藝，這一間隔時間約為2～3 min，因此，盾構(gòu)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(jìn)入土倉到被螺旋機(jī)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(gòu)用泡沫的穩(wěn)定性也必須達(dá)到一定的效果，才能夠滿足盾構(gòu)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(guān)系來進(jìn)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(guān)系曲線中，消泡率為50%所對應(yīng)的時間稱為泡沫的“半衰期”。在對泡沫的穩(wěn)定性進(jìn)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(gòu)施工中的實際情況，盾構(gòu)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?jǐn)?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(nèi)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(biāo)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(jìn)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(guān)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(dāng)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(jìn)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(guān)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(dāng)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(gòu)掘進(jìn)過程中的砂性土作為研究對象，通過室內(nèi)實驗，對泡沫改良土體的效果進(jìn)行分析。設(shè)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(jìn)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(qiáng)度，通過適當(dāng)?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(qiáng)度值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，這是由于泡沫與土體之間產(chǎn)生了良好的潤滑效應(yīng)，泡沫顆粒的存在有助于減少土體內(nèi)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(nèi)原有的三相體系，即增加了氣相，從而分散了土體內(nèi)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(jī)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(rèn)為采用泡沫能夠?qū)υ撋巴疗鸬斤@著的改良效果。

5 盾構(gòu)機(jī)泡沫改良系統(tǒng)配置

以國產(chǎn)863“先行號”土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例，對盾構(gòu)機(jī)泡沫改良系統(tǒng)進(jìn)行介紹，盾構(gòu)機(jī)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(gòu)機(jī)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(gòu)機(jī)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(gòu)機(jī)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(chǎn)生高度膨脹并能夠控制膨脹倍數(shù)的機(jī)器。該機(jī)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)生泡沫，采用遠(yuǎn)控的方式，泡沫發(fā)生器將以標(biāo)準(zhǔn)流量連續(xù)產(chǎn)生泡沫，在設(shè)備運行過程中，如果發(fā)生水量不足或水壓過低時，機(jī)器將自動停止。

6 結(jié)語

隨著國內(nèi)城市基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，地下空間的不斷開拓，盾構(gòu)法施工區(qū)域也不斷擴(kuò)展。盾構(gòu)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(fù)合地層)、不同埋深和不同施工環(huán)境。為適應(yīng)各類復(fù)雜多變的工況，控制盾構(gòu)法隧道施工對周邊環(huán)境的影響，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的土體改良顯得尤為重要。本文通過對泡沫改良機(jī)理、泡沫使用參數(shù)、盾構(gòu)機(jī)改良系統(tǒng)配置等方面進(jìn)行的研究，得出了泡沫改良土體的作用機(jī)理、影響泡沫性能指標(biāo)的主要關(guān)鍵參數(shù)、泡沫對土體改良的效果分析，以及盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)的配置，可為國內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)土體改良施工提供參考。

U455.43

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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(shù)工作。