发泡剂在全断面砂性土盾构施工中的应用

1　工程概况

　　青草沙岛域输水管线工程位于长兴岛中部，由2条南北走向、内径5.5m、间距15m的盾构隧道组成，起自长江原水过江管工作井，途中经过中间工作井，终止于水库出水输水闸井，管线总长10563m，东线长5281m，西线全长5282m。其中，位于中间工作井至水库出水输水闸井区段的一次性推进距离最长，达2797m，且隧道全断面处于②3-2粉砂土层中，轴线埋深14.6～12.6m。根据勘探孔资料，隧道施工范围内均为第四纪松散沉积物，属第四系河口、滨海、浅海、沼泽相沉积层，主要由饱和黏性土、粉性土以及砂土组成。在全断面、含水量高的砂性土层中一次性推进超长距离对于国产土压平衡盾构是一个严峻的考验。
2　砂性土中推进的主要难点分析
　　2.1　对盾构机施工的影响
　　土压平衡盾构是将刀盘前方土体泥土化，再由刀盘切削土体，同时盾构向前顶进，将土体挤入土仓后由螺旋机排出。其要求切削面土体必须满足流动性好，内摩擦角（φ）小及渗透性差等特点，即具有黏性流动的软弱土层[3]。然而，砂性土渗透性好，受挤压扰动后易水土分离，使得刀盘前方土体失水固结，进一步导致砂土混合物的c、φ值增大，形成“铁板砂”。因盾构前方土体摩阻力增加造成刀盘切削难度也随之增加，根据该工程所采集数据，在砂性土中推进时刀盘扭矩相比在黏土中推进时增加至1.5倍（如表1所示）。这不仅大大影响推进速度，还会导致刀盘及螺旋机磨损严重。若增加千斤顶推力，反而更加剧了盾构机各设备的磨损。此外，密封舱底部砂土颗粒大量沉淀，密度较大，而上部密度相对较小，致使工作面土压力不能均衡。
　　其中扭矩过大有以下三方面的不利影响：


　　（1）液压油升温速度快，尤其是随着推进距离增加，冷却用水水压降低，难以达到理想的冷却效果，必须暂停推进，充分冷却使油温下降至正常状态时方可恢复推进，推进速度的降低必然影响了施工效率。
　　（2）推进的不连续性导致刀盘运转的波动性，又将给土体带来扰动，容易使开挖面失稳引起土体变形过大，同时砂土良好的渗透性也增加了流砂甚至液化发生的可能性。
　　（3）液压系统长期在高温、高负载下运转，各部位泵体、阀件、管路等容易损坏，导致维修更换频繁，带来一定的经济损失，也对施工进度带来较大影响。
　　2.2　对地表沉降的影响
　　由于在砂性土中切削面土压力波动较大[1]，土体稳定性较差，注浆量及注浆压力都较大，使得盾构前方及上方地表沉降难以控制。该工程对相邻区段不同土层的沉降作了长期监测，结果如图1所示，相对于黏性土，砂性土早期沉降突然且沉降量较大，一般在2～3d内即已达到高值，而后期沉降变化相对较小。尤其是在穿越建（构）筑物时，土压力、同步注浆等参数控制要求更高，如过程中施工参数控制不理想，在后期补压浆等处理措施实施前，建筑物已经受到较大影响。


　　由于砂性土对土压平衡式盾构施工产生多方面不利影响，为确保工程的顺利开展，最终决定采取土体改良的相关措施。
3　砂性土土体改良的研究
　　土压平衡式盾构在正常推进时需向刀盘前方加注一定量的水以起到改善土体流动性、减少刀盘摩阻力的作用。除此以外还能再加入各种添加剂，用来改善土体的流动性、渗水性，使土体的性质便于盾构掘进，并减小对施工的影响。常用的添加剂有肥皂水、烧碱、膨润土、CMC聚合物和发泡剂[1][3]。该工程分别对烧碱、膨润土以及发泡剂这三种添加剂进行了比较。
　　3.1　添加烧碱
　　1）改良机理
　　烧碱(NaOH)是制造肥皂的原材料之一，遇水有较好的润滑性。通过在刀盘前方加入一定量的烧碱溶液可以起到润滑土体的作用，从而达到减小刀盘摩擦力的效果。但是烧碱具有腐蚀性，在操作过程中必须小心。
　　2）添加方法
将水和烧碱以（质量比）1000：4的配比配制成混合溶液，通过加水孔注入刀盘前方土体。注入流量为3.0～5.5m3/h，具体情况视推进速度而定。
　　3）推进参数（如表2所示）


　　3.2　添加膨润土
　　1）改良机理膨润土具有很强的吸湿性，能吸附相当于自身体积8～20倍的水而膨胀至30倍；在水介质中能分散呈胶体悬浮液，并具有一定的黏滞性、触变性和润滑性，与砂土掺和后的混合物具有可塑性、黏结性和保水性，为确保盾构在砂性土中推进正常出土，也可以在盾构前方压注膨润土浆液改良土体。
　　2）添加方法将膨润土与水按0.25：1的质量比配制成混合液并搅拌，待搅拌均匀后加入到盾构原有水箱中，通过原有注水孔注入刀盘前方土体。注入率为1.5%～2.5%（每开挖1m3注入15～25L膨润土液）。
　　3）推进成果如表3所示
　　3.3　添加发泡剂
　　1）改良机理[5]将发泡剂、水和空气的混合物加入到刀盘前方形成泡沫，粒状结构中的气泡可以降低土浆密度并产生润滑作用，气泡的润滑作用相当于减少了砂性土的内摩擦角，刀盘受到的摩阻力也相对降低；气泡的填充作用提高了压力舱内渣土的流动性，降低了压力舱闭塞及渣土结饼的可能性，也降低了渣土的渗透性,可以有效地防止喷涌现象的发生；由于化学的和物理的黏着力的作用，加入适当泡沫的土料可以变得非常黏着，完全可以用带式输送机进行运土；由于气泡的压缩性,很好地缓冲了压力变化，所以工作面的压力变动很小，只要正面土压力配置得当，盾构机能稳定地推进，保持工作面基本达到动态平衡,从而最大限度地减小盾构施工对地面的扰动，有效地控制地面沉降的发展。




　　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。泡沫技术用于含水土层里还可抵抗较高的地下水压，添加发泡剂能使土压平衡式盾构机也可运用于泥水式盾构机所适用的土层中。泡沫混合物在使用后几天内化学物质会完全生物分解，不存在环境污染的问题。
　　2）添加方法操作步骤如下：
　　（1）打开空压机和水箱水泵，待气压和水压达到要求时启动泡沫器；
　　（2）用泵将泡沫箱中的泡沫和水箱中的水按一定比例混合成泡沫液送入混合舱中；
　　（3）启动气泡发生器，同时向气泡发生器中按一定比例、适当压力送入空气产生气泡；
　　（4）产生的气泡经管路进入刀盘注水孔，喷入前方切削土体。改良土体具体方法为通过盾构机刀盘注水口向刀盘前方压注泡沫，泡沫剂、水和压缩空气以一定的配比发泡后，可以产生大量泡沫。泡沫注入正面土体与之混合，达到维持正面土体稳定、增加土体流动性、减少刀盘磨阻力、提高推进速度的作用。


　　3）参数控制
　　（1）泡沫剂和水常用的配比比例有四种：1：100，2:100，3：100，4：100。
　　（2）发泡率：气泡中气体体积和液体体积之比。
　　（3）泡沫流量：单位时间内产生的泡沫量。
　　配比通过混合舱内的配比调节旋钮调节；当发泡率给定为100%时，实际发泡率和泡沫流量与前方土压有关，关系如表4所示（此数据由厂方实验给出）。


　　该区间隧道埋深为14.6～12.6m，刀盘前方土压为0.175～0.203MPa。由表4知发泡率约为17～20，泡沫流量约为430～367L/min。

　　4）推进结果
　　采用1：100的配比时泡沫箱中的液体由于相对抽取压力较小而不能进入混合舱，因此改用1.5：100配比。不同配比的地表沉降如表5所示。








4　三种添加剂的效果对比

　　在同一区段中，该工程先后对三种添加剂进行了尝试，并且在配比上选出最优化的方案。添加烧碱、膨润土、泡沫剂后与未添加任何添加剂的主要推进参数对比如图3～图5所示。
　　各种添加剂使用前后主要推进参数（平均值）如表6所示。


5　结语
　　根据三种添加剂的现场比对，在砂性土盾构施工中泡沫剂对土体进行改良的效果明显优于烧碱和膨润土，主要表现在4个方面：
　　（1）提高了推进速度。为了确保盾构的正常运转，在未添加泡沫剂时速度控制在10～13mm/min；添加泡沫剂后最大推进速度可达42mm/min，但为了减小对土体的扰动，推进速度不宜超过35mm/min，以避免因对刀盘前方土体挤压过大，水土分离形成野铁板砂冶。
　　（2）大幅减小了刀盘扭矩。泡沫剂显著地增加了盾构前方土体的可切削性，使得总推力得以下降，扭矩和油温也随之下降。当控制在正常使用条件下时，拥有更高的推进速度。
　　（3）显著减少了沉降。由于总推力的下降，土体不易水土分离，且土压力相对保持稳定。推进过程平稳且连续，波动小，更易于沉降的控制。
　　（4）降低了盾构零部件的损耗及刀盘的磨损。土体改良后，对盾构机各部分的设备负荷大大降低。减少了设备维护，零件更换的时间，综合提高盾构的推进速度。显然，泡沫剂的合理运用可以提高整个工程的施工效率及施工质量，添加泡沫剂改良土体是解决盾构在砂性土中推进时遇到的一系列问题的最有效措施。