注冊建筑師技術(shù)交流：泡沫技術(shù)在工程項目中土壓平衡盾構(gòu)中的應用

　　自1974年第*臺土壓平衡盾構(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，來改善砂土流動性和止水性的泡沫盾構(gòu)工法。英國牛津大學工程實驗室也對摻加泡沫前后砂土的物理力學性質(zhì)的改變進行了研究。在國內(nèi)對盾構(gòu)氣泡法施工地鐵隧道雖然進行了一定的研究，但真正運用于工程實踐的很少。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)進行推進，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)氣泡法推進的優(yōu)點
　　對非粘透水性土層可以通過注射泡沫進行改良處理。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。由于化學的和物理的粘著力的作用，加入適當泡沫的土料可以變得非常粘著，完全可以用帶式輸送機進行輸送。泡沫的90%都是空氣，而空氣在幾天后就會全部逃逸，土料可以恢復原來的稠度，在對開挖出土料的儲置或進一步利用上這是一個顯著的優(yōu)點，而且不需要復雜昂貴的分離設(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)機也可用在原先只適于泥水式盾構(gòu)機的土層中。泡沫混合物在使用后幾天內(nèi)化學物質(zhì)會完全生物分解，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指一個標準大氣壓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，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，會遇到以下難題：盾構(gòu)推進導致砂土擾動液化，孔隙水壓力迅速消散，甚至導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”，從而導致螺旋面失穩(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”，從而導致螺旋出土器排土困難，盾構(gòu)推進速度慢，刀盤扭矩增大，刀盤主軸承嚴重磨損甚至斷裂；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行砂性土推進，但都沒有取得明顯效果，仍無常推進。使用CONDATCLBF4TM型號的泡沫添加劑后，推進速度、刀盤扭矩及地面沉降均得到了改善，能夠正常推進。
　　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，在加入泡沫量達到80以后，刀盤油壓趨向穩(wěn)定。
　　4.2推進速度變化圖2可看出，未加入泡沫時，盾構(gòu)進掘進速度小于1cm/min，而且刀盤扭矩每次達到極限就必須暫時停止推進一段時間，盾構(gòu)機原地正反轉(zhuǎn)動刀盤以降低扭矩，才能繼續(xù)推進；隨泡沫注入量的增加，盾構(gòu)能夠連續(xù)推進，推進速度逐漸增加，可達到接近4cm/min.
　　4.3地面沉降曲線以上推進中盾構(gòu)推進中土壓力設(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，加入泡沫推進后，地面沉降仍較難控制，因此必須及時進行二次補漿。
　　5、結(jié)語
　　土壓平衡盾構(gòu)本身不適應砂性土的推進，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)推進做參考。