土压平衡盾构掘进施工中泡沫改良工艺的研究

崔晋征

(上海隧道工程股份有限公司，上海市200082)

土压平衡盾构掘进施工中泡沫改良工艺的研究

崔晋征

(上海隧道工程股份有限公司，上海市200082)

为适应土压平衡盾构在复合地层中施工，需将盾构开挖地层中的土体改良成具有良好的塑性流动性、较低的渗透性，以及较小的内摩擦角，通常采取在开挖面及土仓内注入土体改良剂。现对土压平衡盾构掘进施工中的泡沫改良工艺进行叙述，对泡沫改良机理、泡沫使用参数、盾构机改良系统等方面进行了研究。

土压平衡盾构；土体改良；泡沫

1 概述

土压平衡式盾构施工成功非常关键的一点是要将开挖面上切削下来的土体在压力仓内调整成一种比较理想的状态，使土体的一些性质在达到或满足一些基本条件后，盾构的开挖与出土能顺利进行。相比较泥水平衡盾构机，土压平衡盾构机在国内市政工程建设中的应用更为广泛，其适应不同地质条件(粘性土、砂性土、砂砾石甚至是软岩)的能力最强，但并非所有的地层均具有良好塑性流动性、较低的渗透性，以及内摩擦角，如何将各种复杂土层改良为符合土压平衡盾构掘进施工的要求，关键即为掘进过程中的土体改良。

土压平衡式盾构施工中，为了保证进入压力舱的土体具有满足正常施工条件的良好的塑性流动性、止水性等力学性质，通常采取在开挖面及土仓内注入辅助材料进行土体改良。针对盾构施工的需要，选取适应于土质特点与盾构施工设备的添加剂材料尤为重要。目前，根据已查阅的资料显示，泡沫剂与膨润土浆液是最广泛应用于盾构土体改良施工的添加剂材料。其中，泡沫剂依靠其良好的施工效果，且自动化操作程度高，是一种最为普遍应用的改良材料。

2 泡沫改良机理

泡沫土体改良技术是利用发泡剂与压缩空气作用产生的泡沫，注入到盾构机的土仓、刀盘和螺旋机内与开挖土体混合，对土体进行改良。泡沫作用于土颗粒的排斥效应能够破坏粘粒之间的连接。经过泡沫改良后的粘性土体，其流动性和止水性都得到了提高，并具有不粘附于刀盘和土仓内壁的特点，利于正常开挖，同时由于塑性的提高，进一步确保了开挖面的稳定。发泡剂与压缩空气产生的泡沫和切削土经搅拌混合后，泡沫挤走土体中的自由水，并依靠泡沫的支撑作用，可以提高开挖土体的塑流性和止水性，同时，还可以防止泥土的压密粘附，结泥饼现象的发生；泡沫可以置换土颗粒间隙中的水，因此开挖土的止水性得以提高；泡沫具有压缩性，开挖土体改良后塑性及均匀性提高，开挖土压波动小，利于开挖面稳定。

通过泡沫的注入，土颗粒被弹性外围所包裹，形成一个三阶段系统(三相体系)。土体颗粒间的稠度、摩擦减小，混合土体的体积模量被降低，土体在很大的变形范围内具有理想的塑性状态，从而，开挖面的支护压力控制成为可能。随着土仓内压强的降低，颗粒结构中的气体将发生膨胀，土仓内土体在增加的压力下变形；当土仓内压强增大时，土体的空隙体积将会减少，从而避免了刀盘扭矩的上升。在土压平衡盾构中，可以说，控制支护压力的空气缓冲发生于土体的颗粒结构中(见图1)。

图1 泡沫的微观示意图

泡沫呈白色流液状，其泡沫平均直径约0.2 mm左右，但强度较好，受到挤压后会被压缩而不易破碎。细小的气泡进入土体后，充满在土体颗粒的间隙中，并将土体颗粒包围，从而起到以下几个作用：

(1)润滑：泡沫将土体颗粒包围后，起到介质作用，润滑性加大，能有效地降低刀盘和螺旋机的转矩，减少刀具的磨损。

(2)稳定土舱内的土压：由于泡沫中的气泡具有较强的压缩性，能减少土舱压力的波动，较好地建立土压平衡，维持开挖面的稳定。

(3)改善土体的塑流性：对于黏性大的土层，能降低其黏性，使其不易黏附在刀盘和土舱壁上，产生堵舱现象；对于内摩擦角大、流动性差的砂土，能增加其塑性流动性。

(4)阻水：由于气泡填充了土体颗粒间的空隙，使得渗透系数减小，止水性能提高。

(5)环保：泡沫经过2～3h后会自行消泡，土体恢复原状。由于泡沫原料无毒无害，所以不会污染环境。

3 泡沫性能指标及主要使用参数

3.1 泡沫性能指标

泡沫是典型的气液二相体系，其90%以上的体积为空气，不足10%的体积为发泡剂溶液，而发泡剂溶液95%以上是水，其余为发泡剂。泡沫是气体与液体形成的分散体系，气相是分散相，液相是分散介质。就其本质而言，泡沫是热力学不稳定体系，泡沫中的气泡一旦破裂，液体的总表面积大为减小，能量(自由能)便降低。泡沫的稳定性是指泡沫存在“寿命”的长短，是泡沫流体的主要性能。

盾构施工时，泡沫被发泡装置发出到与开挖土混合，对土体进行改良有一个间隔时间，根据盾构机的制造工艺，这一间隔时间约为2～3 min，因此，盾构用泡沫必须有一定的稳定性，在与开挖土体混合之前不至过量衰变破灭，失去对开挖土改良的目的。此外，开挖土体从被开挖进入土仓到被螺旋机排出有一个时间过程，这一过程根据施工的情况不同有一定差别；泡沫与开挖土混合后，对开挖土的改良效果必须能够维持一段时间，而泡沫的稳定性越好，则泡沫对开挖土改良后的效果维持的时间越长，由此，盾构用泡沫的稳定性也必须达到一定的效果，才能够满足盾构施工的要求。

泡沫的稳定性可通过测定泡沫消泡率与时间的关系来进行研究，消泡率是衡量泡沫稳定性的重要参数之一，消泡率和时间的关系曲线中，消泡率为50%所对应的时间称为泡沫的“半衰期”。在对泡沫的稳定性进行评价时，对比泡沫的半衰期，半衰期越长泡沫越稳定。根据盾构施工中的实际情况，盾构用泡沫的稳定性一般要求泡沫的半衰期大于5 min。

3.2 泡沫主要使用参数

在泡沫的使用上，主要有以下参数：泡沫浓度(泡沫原液与水混合的体积比)、发泡率(泡沫混合液在压缩空气作用下膨胀的体积倍数)、注入率(泡沫注入与改良土体的体积比)。

(1)泡沫的浓度，即泡沫剂原液与水混合后形成泡沫混合液中泡沫剂原液的百分数。

(2)泡沫的发泡率，又称为“发泡倍率”，是指一定体积的泡沫混合液所发出的泡沫体积与泡沫混合液体积的比值，即每体积泡沫混合液所发出气泡的体积，其定义见公式：

式中：FER——发泡率；

Vf——泡沫体积；

Vl——泡沫混合液体积。

(3)泡沫的注入率，是指单位时间内注入土体中的泡沫体积与土体体积的比值，其定义见公式：

式中：FIR——注入率；

Vf——泡沫体积；

Vs——土体体积。

3.3 泡沫参数对泡沫性能指标的影响

3.3.1 浓度对泡沫性能影响

取1%～5%的泡沫浓度，对泡沫的稳定性进行实验研究，泡沫的发泡率分别取15与20，实验情况如图2所示。

图2 发泡剂浓度与半衰期关系曲线图

由图2可以看出，随着泡沫剂浓度的提高，所发出的泡沫稳定性也越高。其中，当泡沫浓度从1%上升到3%这一过程中，泡沫的稳定性变化明显，但随着泡沫剂浓度的再提高，半衰期曲线的斜率增长趋于平缓，气泡的稳定性变化不大。

3.3.2 发泡率对泡沫性能影响

取9～30倍的发泡率，对泡沫的稳定性进行实验研究，泡沫的浓度取3%，实验情况如图3所示。

图3 发泡率与半衰期关系曲线图

由图3可以看出，泡沫浓度一定时，气泡半衰期时间随着发泡率的增加而延长，气泡更加稳定；当发泡率从9到20的过程中，泡沫的稳定性变化明显，但随着发泡率的再提高，气泡的稳定性变化不大。

4 泡沫对土体改良效果分析

选取盾构掘进过程中的砂性土作为研究对象，通过室内实验，对泡沫改良土体的效果进行分析。设定泡沫浓度参数为3%，泡沫剂发泡率为20%的泡沫对原始土体进行改良，改良效果如图4、图5所示。

通过实验发现，泡沫对砂土具有的改良效果如下：

(1)泡沫的加入能够显著降低土体的抗剪强度，通过适当的搅拌，将泡沫与土体混合之后，随着泡沫的注入率逐渐增加，土体的抗剪强度值呈现明显的下降趋势，这是由于泡沫与土体之间产生了良好的润滑效应，泡沫颗粒的存在有助于减少土体内砂土颗粒的摩擦力。

(2)泡沫的加入降低了土体的密度，改变了土体内原有的三相体系，即增加了气相，从而分散了土体内固相组分，提高了土体的可压缩性。

图4 泡沫剂改良效果实景

图5 泡沫剂改良土体参数值变化曲线图

(3)泡沫的加入提高了土体的整体流动性能，土体塑流性的提高有助于土体从螺旋机顺利的排出，更有助于正面土压力的稳定。

因此，可以初步认为采用泡沫能够对该砂土起到显著的改良效果。

5 盾构机泡沫改良系统配置

以国产863“先行号”土压平衡盾构机为例，对盾构机泡沫改良系统进行介绍，盾构机的泡沫改良系统流程图如图6所示。图7为添加剂注入改良系统示意图。

图6 盾构机土体改良系统原理示意图

图7 添加剂注入改良系统实景

泡沫系统位于盾构机的后配套车架，为一套CONDAT M4B型泡沫注入系统装置，如图8所示。

图8 盾构机泡沫系统配置实景

该泡沫系统装置是利用水、泡沫剂和高压空气来产生高度膨胀并能够控制膨胀倍数的机器。该机器由3个系统组成：

(1)供水系统：该泡沫发生器使用的水压力为4 bar，它可逐渐降至2 bar的操作压力以满足按比例控制的供料泵输送泡沫剂原液。

(2)供气系统：该设备正常情况下在7～8 bar的压力下运行，空气流速在50～60 m3/h之间，在被介入系统之前，它的压力会降低至6 bar以下的压力状态。

(3)泡沫产生系统：通过供水系统提供的泡沫混合液及供气系统提供的高压气体，在前端的泡沫发生器混合产生泡沫，采用远控的方式，泡沫发生器将以标准流量连续产生泡沫，在设备运行过程中，如果发生水量不足或水压过低时，机器将自动停止。

6 结语

随着国内城市基础建设的不断发展，地下空间的不断开拓，盾构法施工区域也不断扩展。盾构施工将不可避免地会遇到不同地层(单一的软土、硬土、岩土、岩石地层及多种组合、软硬不均的复合地层)、不同埋深和不同施工环境。为适应各类复杂多变的工况，控制盾构法隧道施工对周边环境的影响，盾构掘进过程中的土体改良显得尤为重要。本文通过对泡沫改良机理、泡沫使用参数、盾构机改良系统配置等方面进行的研究，得出了泡沫改良土体的作用机理、影响泡沫性能指标的主要关键参数、泡沫对土体改良的效果分析，以及盾构机泡沫系统的配置，可为国内土压平衡盾构土体改良施工提供参考。

U455.43

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1009-7716(2015)08-0179-04

2015-05-05

崔晋征(1978-)，男，山西长治人，硕士，工程师，项目总工程师，从事轨道交通工程及能源隧道工程施工技术工作。