泡沫在土壓平衡盾構施工中的應用

【摘要】本文論述了在土壓平衡盾構隧道施工中，可通過加注泡沫改良開挖面土體，擴大土壓平衡盾構機適用地層的范圍，井結合深圳地鐵一期工程華強路—崗廈區間的工程實踐，分析總結了在盾構機穿越不同地層時泡沫的應用情況，論證了向開挖面壓注泡沫材料來保證開挖面穩定和砂性塑流的優點。
【關鍵詞】泡沫 土壓平衡盾構隧道施工 改良土體 應用
1前言
一般土壓平衡盾構機適用于內摩擦角小、滲透系數在10負6次m／s以下的易塑流的粘性土層。在砂層、礫石層中，對于顆粒粒徑較大的地層，土的摩擦力大，透水性高，切削土的流動性差，不能很好的傳遞壓力，在這種土層中要保持開挖面穩定難度很大。為解決砂性土的塑流，可在開挖土倉中注入泡沫并充分攪拌，改變土的成分，以保證土的流動性和減少土的透水性，使開挖面保持穩定。同時加注泡沫還可減少刀盤與土體的摩擦，降低扭矩，減少殼體與刀盤上粘土的粘著力，有利于排土機構出土，
所需的驅動功率就可減少。
城市地鐵隧道大都需要穿越不同的地層，在一條線路上可能會有部分不適宜土壓平衡盾構機施工的地層，這就限制了土壓平衡盾構的適應范圍，但是如采用萬能的泥水盾構則造價比較高，而且需要很大的場地來安置泥水處理循環系統。目前城市地鐵施工可提供的場地越來越小，因此為擴大土壓平衡盾構機的使用范圍，使其能夠適應各種不同地層的變化，可采取通過加注泡沫系統的辦法來實現這目的，使土壓平衡盾構機造價低、容易控制操作的優點得到充分發揮。加泡沫后改變土壤滲透系數、擴大土壓平衡盾構機適用滲透系數土體及粒徑的范圍，見下圖1。

2 泡沫的發泡原理和工藝流程
2．1 發泡原理
發泡系統由泡沫發生器、空壓機、儲料罐和各種管道泵組成，將發泡劑、聚合物與水混合后，人壓縮空氣將液體膨脹產生泡沫，通過刀盤上的4個性人口注人開挖倉內。發泡系統流程見下圖2。

2.2泡沫制造工藝流程
泡沫制造工藝流程見圖3。

2．3 泡沫的膨脹率和注入比
(1)泡沫的膨脹率(FER)。FER=(液體的流速1／mm)： (空氣的流速1／mm)；FER越大說明泡沫越“稀”或越“濕”，—般取值在1：6～1：15之間。
(2)泡沫的注入比(FIR)。FIR=(泡沫加注速率)／(土壤的開挖速率)x100％；—般取值在40％～100％之間。
泡沫劑用量、FER、FIR是泡沫系統的三個重要參數。
3 工程應用
深圳地鐵一期工程華強路—崗廈區間盾構隧道全長3471．6m，隧道襯砌外徑6m，內徑5．4m盾構采用德國海瑞克公司設計制造的土壓平衡盾構機，盾構刀盤處直徑6．28m，本隧道需穿越燕山期強風化花崗巖、全風化花崗巖、礫質粘性土、砂質粘性土、富水砂層、角礫層，局部需要穿越中風化花崗巖，隧道埋深14m，地下水位在3．5-4m左右。地質條件極其復雜，各科地層軟硬不均，重復交替出現，因此在施工過程中就要不斷調整施工參數，尤其是泡沫的使用更是復雜多變。
圖4是施工過程中加注泡沫后土體改良效果極好的照片。

圖4 加入泡沫后出土狀態
在砂性土和礫砂性土地基中，由于內摩擦角較大，因而難以獲得良好的流動，同時滲透系數大，止水性差，壓力不能很好的傳遞到掌子面，推進過程中明顯感到方向不好控制，刀盤扭距較大，推進速度慢。我們通過向開挖面注入泡沫，使得開挖土獲得良好的流動性和止水性，并保持開挖面穩定，扭距明顯下降。而在粘性土層中，由于其內摩擦角小，易流動，泡沫只起到活性劑作用，防止土粘在刀具和土倉內壁上，減少對刀具的磨損，提高了出土速度和掘進速度。
施工中我們對不同地層泡沫注人量和加注泡沫前后扭矩變化情況進行了統計，見下表1。
表1 不同地層泡沫注入量及扭矩變化

從表中可以看出泡沫的使用大大降低了刀盤扭矩，平均扭矩下降12％，而且泡沫在砂土中比粘土中使用扭矩下降效果更明顯。泡沫具有如下優點：
(1)由于氣泡的潤滑效果，減少了地基的內摩擦角，提高了挖掘土砂的流動性，從而減少了刀盤的扭矩，改善了盾構機作業參數；
(2)減少砂土的滲透性，使整個開挖土傳力均勻，工作面壓力變動小，有利于調整土倉壓力，保證盾構機掘進姿態，控制地表沉降；
(3)減少粘土的粘性，使之不附著于盾構機及刀盤上，有利于出土機構出土；
(4)泡沫無毒，在2小時后可自行分解消失，對土壤環境無污染；
根據施工經驗，我們總結出在不同地層中泡沫的用量，見表2。
表2 不同地層中泡沫的用量

4 結束語
加注泡沫是土壓平衡盾構機掘進施工的一種輔助工法，通過向盾構機開挖面，密封土艙、螺旋輸送機內注入泡沫達到穩定開挖面土體、改良土體塑流性能、降低刀盤扭矩、提高掘進和出土效率的目的，它與加水、加泥、加高濃度泥漿等輔助工法相比，雖然在費用上略多。但其減少刀具磨損，提高掘進速度效果最佳，因此具有廣泛的推廣前景。