泡沫技術(shù)在土壓平衡盾構(gòu)中的應(yīng)用【摘 要】 土壓平衡盾構(gòu)是軟土地區(qū)地鐵隧道施工的主要方法之一。但是盾構(gòu)在穿越流塑性差、含水量高、滲透系數(shù)大的砂性土層時(shí),存在土體受擾動(dòng)發(fā)生液化、推進(jìn)速度慢、刀盤形成“干餅”等一些技術(shù)難題。工程實(shí)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(jī)械負(fù)荷及刀盤扭矩明顯減少,解決了施工難題。【關(guān)鍵詞】 泡沫;砂性土;扭矩;滲透系數(shù)0前言 自1974年第一臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)(ＥａｒｔｈＰｒｅｓｓｕｒｅＢａｌａｎｃｅＳｈｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅ)在東京投入使用以來,土壓平衡盾構(gòu)已經(jīng)被世界各國廣泛的應(yīng)用于隧道工程中。就盾構(gòu)技術(shù)本身而言,地質(zhì)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(gòu)控制仍然是工程界普遍關(guān)注的問題。 針對土壓平衡盾構(gòu)穿越砂性土遇到的種種困難,國內(nèi)外有關(guān)專家對此進(jìn)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(dòng)性和止水性的泡沫盾構(gòu)工法。英國牛津大學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室也對摻加泡沫前后砂土的物理力學(xué)性質(zhì)的改變進(jìn)行了研究。在國內(nèi)對盾構(gòu)氣泡法施工地鐵隧道雖然進(jìn)行了一定的研究,但真正運(yùn)用于工程實(shí)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(jìn)的工程案例,總結(jié)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(gòu)進(jìn)行推進(jìn),出洞段約200ｍ距離內(nèi)為全斷面②3-2灰色砂質(zhì)粉土。
2盾構(gòu)氣泡法推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn) 對非粘透水性土層可以通過注射泡沫進(jìn)行改良處理。粒狀結(jié)構(gòu)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(nèi)有最理想的彈性,以利于控制開挖面支撐壓力。由于化學(xué)的和物理的粘著力的作用,加入適當(dāng)泡沫的土料可以變得非常粘著,完全可以用帶式輸送機(jī)進(jìn)行輸送。泡沫的90%都是空氣,而空氣在幾天后就會(huì)全部逃逸,土料可以恢復(fù)原來的稠度,在對開挖出土料的儲(chǔ)置或進(jìn)一步利用上這是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn),而且不需要復(fù)雜昂貴的分離設(shè)備。加泡沫技術(shù)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(gòu)機(jī)也可用在原先只適于泥水式盾構(gòu)機(jī)的土層中。泡沫混合物在使用后幾天內(nèi)化學(xué)物質(zhì)會(huì)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(chǎn)生以下作用: 使盾構(gòu)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(jī)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系如下:ρｆ=(1-α)ρ1+αρｇ (3) 由于氣體密度ρｇ極低,可以忽略不計(jì),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(gòu)在砂性土層中施工時(shí),會(huì)遇到以下難題: 盾構(gòu)推進(jìn)導(dǎo)致砂土擾動(dòng)液化,孔隙水壓力迅速消散,甚至導(dǎo)致全斷面流砂工作面失穩(wěn); 壓力艙內(nèi)土體在盾構(gòu)頂推過程中排水固結(jié),在工作面形成“干餅”,從而導(dǎo)致螺旋出土器排土困難,盾構(gòu)推進(jìn)速度慢,刀盤扭矩增大,刀盤主軸承嚴(yán)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(jìn)行砂性土推進(jìn),但都沒有取得明顯效果,仍無法正常推進(jìn)。使用ＣＯＮＤＡＴＣＬＢＦ4 ＴＭ型號的泡沫添加劑后,推進(jìn)速度、刀盤扭矩及地面沉降均得到了改善,能夠正常推進(jìn)。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(gè)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(dá)到80以后,刀盤油壓趨向穩(wěn)定。4.2推進(jìn)速度變化 圖2可看出,未加入泡沫時(shí),盾構(gòu)進(jìn)掘進(jìn)速度小于1ｃｍ/ｍｉｎ,而且刀盤扭矩每次達(dá)到極限就必須暫時(shí)停止推進(jìn)一段時(shí)間,盾構(gòu)機(jī)原地正反轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤以降低扭矩,才能繼續(xù)推進(jìn);隨泡沫注入量的增加,盾構(gòu)能夠連續(xù)推進(jìn),推進(jìn)速度逐漸增加,可達(dá)到接近4ｃｍ/ｍｉｎ。4.3 地面沉降曲線 以上推進(jìn)中盾構(gòu)推進(jìn)中土壓力設(shè)定中,取Ｆ=1.2γｈ,比正常土壓力設(shè)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(jìn)后,地面沉降仍較難控制,因此必須及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。5結(jié)語 土壓平衡盾構(gòu)本身不適應(yīng)砂性土的推進(jìn),加泥式土壓平衡盾構(gòu)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(shù)進(jìn)行研究,拓寬了土壓平衡盾構(gòu)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(gòu)穿越全斷面工程數(shù)據(jù)分析,得出盾構(gòu)在砂型土中采用氣泡法適合的參數(shù),供其它類似地質(zhì)條件下盾構(gòu)推進(jìn)做參考。參考文獻(xiàn)[1] 唐益群,宋永輝,周念清,等 土壓平衡盾構(gòu)在砂性土中施工問題的試驗(yàn)研究[Ｊ].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,1[2] 宋克志,汪波,等 無水砂卵石地層土壓盾構(gòu)施工泡沫技術(shù)研究[Ｊ].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,7 [3] 尹旅超,朱振宏,李玉珍,等 日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[Ｍ] 武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999
2盾構(gòu)氣泡法推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn) 對非粘透水性土層可以通過注射泡沫進(jìn)行改良處理。粒狀結(jié)構(gòu)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(nèi)有最理想的彈性,以利于控制開挖面支撐壓力。由于化學(xué)的和物理的粘著力的作用,加入適當(dāng)泡沫的土料可以變得非常粘著,完全可以用帶式輸送機(jī)進(jìn)行輸送。泡沫的90%都是空氣,而空氣在幾天后就會(huì)全部逃逸,土料可以恢復(fù)原來的稠度,在對開挖出土料的儲(chǔ)置或進(jìn)一步利用上這是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn),而且不需要復(fù)雜昂貴的分離設(shè)備。加泡沫技術(shù)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(gòu)機(jī)也可用在原先只適于泥水式盾構(gòu)機(jī)的土層中。泡沫混合物在使用后幾天內(nèi)化學(xué)物質(zhì)會(huì)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(chǎn)生以下作用: 使盾構(gòu)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(jī)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系如下:ρｆ=(1-α)ρ1+αρｇ (3) 由于氣體密度ρｇ極低,可以忽略不計(jì),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(gòu)在砂性土層中施工時(shí),會(huì)遇到以下難題: 盾構(gòu)推進(jìn)導(dǎo)致砂土擾動(dòng)液化,孔隙水壓力迅速消散,甚至導(dǎo)致全斷面流砂工作面失穩(wěn); 壓力艙內(nèi)土體在盾構(gòu)頂推過程中排水固結(jié),在工作面形成“干餅”,從而導(dǎo)致螺旋出土器排土困難,盾構(gòu)推進(jìn)速度慢,刀盤扭矩增大,刀盤主軸承嚴(yán)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(jìn)行砂性土推進(jìn),但都沒有取得明顯效果,仍無法正常推進(jìn)。使用ＣＯＮＤＡＴＣＬＢＦ4 ＴＭ型號的泡沫添加劑后,推進(jìn)速度、刀盤扭矩及地面沉降均得到了改善,能夠正常推進(jìn)。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(gè)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(dá)到80以后,刀盤油壓趨向穩(wěn)定。4.2推進(jìn)速度變化 圖2可看出,未加入泡沫時(shí),盾構(gòu)進(jìn)掘進(jìn)速度小于1ｃｍ/ｍｉｎ,而且刀盤扭矩每次達(dá)到極限就必須暫時(shí)停止推進(jìn)一段時(shí)間,盾構(gòu)機(jī)原地正反轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤以降低扭矩,才能繼續(xù)推進(jìn);隨泡沫注入量的增加,盾構(gòu)能夠連續(xù)推進(jìn),推進(jìn)速度逐漸增加,可達(dá)到接近4ｃｍ/ｍｉｎ。4.3 地面沉降曲線 以上推進(jìn)中盾構(gòu)推進(jìn)中土壓力設(shè)定中,取Ｆ=1.2γｈ,比正常土壓力設(shè)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(jìn)后,地面沉降仍較難控制,因此必須及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。5結(jié)語 土壓平衡盾構(gòu)本身不適應(yīng)砂性土的推進(jìn),加泥式土壓平衡盾構(gòu)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(shù)進(jìn)行研究,拓寬了土壓平衡盾構(gòu)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(gòu)穿越全斷面工程數(shù)據(jù)分析,得出盾構(gòu)在砂型土中采用氣泡法適合的參數(shù),供其它類似地質(zhì)條件下盾構(gòu)推進(jìn)做參考。參考文獻(xiàn)[1] 唐益群,宋永輝,周念清,等 土壓平衡盾構(gòu)在砂性土中施工問題的試驗(yàn)研究[Ｊ].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,1[2] 宋克志,汪波,等 無水砂卵石地層土壓盾構(gòu)施工泡沫技術(shù)研究[Ｊ].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,7 [3] 尹旅超,朱振宏,李玉珍,等 日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[Ｍ] 武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999