泡沫技术在土压平衡盾构中的应用

土压平衡盾构是软土地区地铁隧道施工的主要方法之一。但是盾构在穿越流塑性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时，存在土体受扰动发生液化、推进速度慢、刀盘形成“干饼”等一些技术难题。工程实践证明，使用泡沫不仅有利于保持开挖面土压力平衡，而且机械负荷及刀盘扭矩明显减少，解决了施工难题。
　　前言
　　自1974年第一台土压平衡盾构（earthpressurebalanceshieldmachine）在东京投入使用以来，土压平衡盾构已经被世界各国广泛的应用于隧道工程中。就盾构技术本身而言，地质条件决定了施工的相对难易度，因此对于典型不良地层条件下的盾构控制仍然是工程界普遍关注的问题。
　　针对土压平衡盾构穿越砂性土遇到的种种困难，国内外有关专家对此进行一定的研究：日本开发了以泡沫作为填加材料，来改善砂土流动性和止水性的泡沫盾构工法。英国牛津大学工程实验室也对掺加泡沫前后砂土的物理力学性质的改变进行了研究。在国内对盾构气泡法施工地铁隧道虽然进行了一定的研究，但真正运用于工程实践的很少。本文针对上海地铁m8线曲阳路站～四平路站区间隧道成功使用法国condat泡沫发生剂在全断面砂型土中推进的工程案例，总结出合理的使用方法和参数，供其他工程参考。
　　1、工程概况
　　上海地铁m8线曲阳路站～四平路站区间隧道使用法国fcb土压平衡盾构进行推进，出洞段约200m距离内为全断面②3-2灰色砂质粉土。

　　2、盾构气泡法推进的优点
　　对非粘透水性土层可以通过注射泡沫进行改良处理。粒状结构中的气泡可以降低土浆密度，减小颗粒摩擦，使土浆混合物在较宽的形变范围内有最理想的弹性，以利于控制开挖面支撑压力。由于化学的和物理的粘着力的作用，加入适当泡沫的土料可以变得非常粘着，完全可以用带式输送机进行输送。泡沫的90%都是空气，而空气在几天后就会全部逃逸，土料可以恢复原来的稠度，在对开挖出土料的储置或进一步利用上这是一个显著的优点，而且不需要复杂昂贵的分离设备。加泡沫技术用于含水土层里还可抵抗较高的地下水压，它的发展可使土压平衡式盾构机也可用在原先只适于泥水式盾构机的土层中。泡沫混合物在使用后几天内化学物质会完全生物分解，基本不存在环境污染的问题。
　　3、泡沫添加剂
　　3.1泡沫的作用泡沫注入土体后，可产生以下作用：
　　使盾构前方土体均匀；加大土的坍落度；降低土的渗透系数，起到隔水的作用；降低刀盘扭矩，减少机具磨损；减少土的粘性，防止“泥饼”现象。
　　3.2发泡率
　　发泡率ka指一个标准大气压pa下泡沫中气体体积和液体体积之比。在某一压力p下的泡沫的发泡倍率kp为
　　泡沫中气体体积同泡沫体积之比称为泡沫的含气量α，有α=1-（1/kp）（2）
　　泡沫的密度ρf和起泡液的密度ρ1以及空气的密度ρg之间的关系如下：ρf=（1-α）ρ1+αρg（3）
　　由于气体密度ρg极低，可以忽略不计，因此ρf≈（1-α）ρ1一般起泡液的密度ρ1约为1.0g/cm3，因此ρf=（1-α）
　　则发泡倍率kp为：kp=1/ρf（4）
　　4、施工参数
　　土压平衡盾构在砂性土层中施工时，会遇到以下难题：
　　盾构推进导致砂土扰动液化，孔隙水压力迅速消散，甚至导致全断面流砂工作面失稳；压力舱内土体在盾构顶推过程中排水固结，在工作面形成“干饼”，从而导致螺旋面失稳；压力舱内土体在盾构顶推过程中排水固结，在工作面形成“干饼”，从而导致螺旋出土器排土困难，盾构推进速度慢，刀盘扭矩增大，刀盘主轴承严重磨损甚至断裂；注浆压力、注浆量增大很多，地面沉降失控。
　　本工程前期曾试用刀盘前加水、加膨润土浆液的方法进行砂性土推进，但都没有取得明显效果，仍无法正常推进。使用condatclbf4tm型号的泡沫添加剂后，推进速度、刀盘扭矩及地面沉降均得到了改善，能够正常推进。
　　4.1刀盘扭矩的变化
　　从刀盘扭矩变化图1可以看出，随着泡沫注入量的增加，刀盘油压由原来的100～160bar逐渐降低到100bar左右，这个变化在开始阶段尤其明显。随着泡沫注入量的继续增加，在加入泡沫量达到80以后，刀盘油压趋向稳定。
　　4.2推进速度变化
　　图2可看出，未加入泡沫时，盾构进掘进速度小于1cm/min，而且刀盘扭矩每次达到极限就必须暂时停止推进一段时间，盾构机原地正反转动刀盘以降低扭矩，才能继续推进；随泡沫注入量的增加，盾构能够连续推进，推进速度逐渐增加，可达到接近4cm/min.

　　4.3地面沉降曲线
　　以上推进中盾构推进中土压力设定中，取f=1.2γh，比正常土压力设定高。同步注浆量为2.5m3/m.可看出，在砂性土中，加入泡沫推进后，地面沉降仍较难控制，因此必须及时进行二次补浆。
　　5、结语
　　土压平衡盾构本身不适应砂性土的推进，加泥式土压平衡盾构后来被用于砂性土中开挖隧道，但效果不良，因此逐渐对泡沫技术进行研究，拓宽了土压平衡盾构的使用范围。
　　通过对上海m8线曲阳路站～四平路站区间土压平衡盾构穿越全断面工程数据分析，得出盾构在砂型土中采用气泡法适合的参数，供其它类似地质条件下盾构推进做参考。