摘要：为提升土压平衡盾构机在全断面砂层中的掘进功效，依托实际隧道施工项目展开分析，并结合泡沫改良砂土的技术优点进行施工配比方案研究。研究结果表明：采用泡沫混合液配比1.5%，膨胀率14%，注入比为35%为配比方案，其改良成果较为理想。通过渣土改良施工配比的优化，有助于进一步指导土压平衡盾构在砂层中的渣土改良施工。
关键词：土压平衡；盾构；砂层；渣土改良
Abstract：In order to improve the tunneling effect of soil pressure balance shield machine working with the whole-section in sandy soil layer，this paper made analysis based on actual tunnel construction project，and conducted research regarding construction proportion plan combined with advantages of bubble technology aimed at the optimization of sand soil.The results show that the proportion plan with the ratio of 1.5% bubble mixture，14% inflation rate，and the ratio of injection 35% presents ideal improvement results.The optimization for soil performance in shield construction contributes to guiding the optimization of further constructions with soil pressure balance shield，especially for muck improvement in sand layers.
Key words：soil pressure balance；shield；sand stratum；muck improvement
1 引言
盾构法施工的主要机械就是盾构机[1]，其中，土压平衡式盾构机具备对地面交通及周边构筑物干扰小、施工时地面沉降小、施工文明程度高等特点而被广泛应用于市区隧道的施工中[2-3]。土压平衡式盾构机适用于各种地层情况，可以在粉质粘土、粉细砂、细中砂、粗中砂及砂卵石等复合地层中应用[4]。然而，在不同的地层中所采取的渣土改良方法有所差异，在富含水的砂层中多采用膨润土浆液及高分子聚合物进行渣土改良，在粉质粘土地层中多采用泡沫原液及膨润土原液进行渣土改良[5-6]。
土压平衡盾构在砂层掘进对刀具易产生磨损[7]，盾构在掘进中不仅要选择合理的掘进参数，更应重视渣土改良技术，渣土改良的成功直接影响到刀盘刀具的磨损量、渣土流塑性、土仓压力稳定性、沉降控制等因素，同时，渣土改良对土压平衡盾构在砂层中掘进工效起着至关重要作用。本文以盾构隧道施工为研究背景，针对不含水的砂土层和全断面砂层盾构施工渣土改良技术展开探讨。
2 工程概况及施工难点
2.1 工程概况
本文所研究的隧道其沿线地质主要分布有粉质粘土、粉细砂、细中砂、中粗砂，区间隧道地质断面如图1所示。
图1 区间隧道地质断面图
隧道顶覆土厚度为9.6～12.7 m，地下水埋深大于45m均位于隧道底部标高以下。盾构主要在粉细砂④1层、中粗砂④2层、粉质黏土④4层和粉质黏土⑤1层中推进，盾构所穿越地质的照片见图2。
图2 盾构穿越砂层的照片
2.2 施工技术难点
隧道所穿越的粉细砂、中粗砂地层虽为密实土层，但土体自稳性较差，盾构刀盘在切削渣土过程对地层扰动易导致开挖掌子面和洞壁失稳，处理不当会进一步导致隧道塌陷。施工过程中需加强对渣土改良，控制好各项掘进参数，确保开挖面稳定，做好同步注浆量，控制地面沉降量。另外，区间隧道曲线段多，转弯半径小，沿线要侧穿四处二级风险源，下穿一级风险源一处，且建构筑基础离隧道最近距离只有0.9m，给工程施工增加了较大的难度。
砂层在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，颗粒之间的孔隙大，几乎没有粘聚力，自稳性较差。盾构机在砂层中掘进时可能出现的不利情况有：
（1）砂层无水状态下，因砂颗粒间的咬合作用导致内摩擦力大，土体流动性差，土渣充满土仓时刀盘扭矩增大，螺旋输送机输送土渣的扭矩随之增大，导致土仓排土不顺畅，严重时会形成刀盘结泥饼现象，直接影响到盾构掘进。
（2）在无水砂层中未经改良的渣土流塑性较差，导致掘进时刀盘需克服的阻力大，盾构机推力增大，刀盘刀具因摩擦生热温度上升，磨损加剧，盾构机性能受到影响。
（3）由于砂层的流塑性差，设定的土仓压力因开挖面自稳性差，出现土仓压力控制波动频繁，使开挖面稳定难以保持，直接影响到地表隆沉幅度增大，导致地表、建（构）筑物沉降不易控制。
3 运用泡沫改良渣土的原理及特点
3.1 泡沫改良技术原理
泡沫改良技术是先配置满足土渣塑性改良的要求的发泡剂，然后按设计配合比将水和发泡剂（1%～10%）混合成发泡剂溶液。盾构施工时，将泡沫混合液通过发泡装置经压缩空气的作用生成大量气泡，再经三路泡沫输送管压入盾构刀盘前、土仓中与土渣混合进行改良。泡沫以压缩空气为载体，形成气液两相体系，泡沫较均匀地包裹土颗粒，对开挖土体进行改良。泡沫的结构示意图见图3所示。
图3 泡沫结构示意图
3.2 泡沫改良技术优点
经过气泡改良后的土体，其流动性得到提高，确保了开挖面的稳定。同时细密的泡沫分布在刀盘周围和土体之间，大大降低了刀盘扭矩，从而有效地保护了刀具，其优点概括为：
（1）改善土体的流动性，土压平衡效果好，开挖的稳定性和安全性得到保障。混入泡沫的渣土流塑性良好，有效避免了土仓内发生“结泥饼”现象。
（2）降低刀盘扭矩，减小刀具的磨损。泡沫剂的注入减少了土颗粒间的摩擦力，可有效降低盾构掘进时的推力及刀盘扭矩，同时降低刀盘刀具因摩擦生热、温度升高而产生的磨损。
（3）降低渣土的渗透性，出渣迅速。细密的泡沫阻断了渣土的渗水通道，可有效防止掘进中发生喷涌。泡沫与切削的渣土混合，流动性较好，排渣运渣通畅迅速。
（4）施工较简单、设备小，渣土处理简单、无污染。分散在土体中的气泡90%以上是空气，气泡破灭后，土体除含极少量的发泡剂外，无其他变化，无需特殊处理即可弃渣。
4 土压平衡盾构运用泡沫改良渣土技术
4.1 渣土改良泡沫施工配比方案
为增加土压平衡盾构机在砂层中掘进时掌子面的稳定性，控制盾构机推力及刀盘扭矩波动范围，出渣顺畅，需合理设计泡沫剂配合比，以确保渣土改善质量。在本隧道施工中，通过泡沫技术的应用，盾构区间砂层中掘进时，推进速度、刀盘扭矩及地面沉降均得到了良好的改善，其中泡沫的加注参数如表1。
表1 渣土改良泡沫施工配比
4.2 土压平衡式盾构受力分析
在施工中，根据土压平衡式盾构原理[8]，推进过程所需克服的阻力F如式1所示：
（式1）
其中：
为盾构与土层之间的摩阻力；
为作用于刀盘正面的侧向土压力；
刀盘正面所受的地下水压力；
盾尾内部与管片衬砌之间的摩阻力。
盾构千斤顶所需的总推力T如式2所示：
（式2）
式中：
为安全系数，一般取
=1.5
结合土压平衡式盾构的开挖、支护方式，刀具切削土体所需的扭矩如式3所示：
（式3）
式中：
为刀具的穿透深度，
；
为开挖速度；
为刀盘转速；
为地层单轴无侧限抗压强度；
为刀盘的外半径。
在复杂的盾构施工过程中，驱动切削刀盘所所需的总扭矩如式4所示：
（式4）
式中：
为刀具切削土体所需扭矩；
为克服刀盘自重的旋转扭矩；
为克服刀盘正面推力的旋转扭矩；
为克服刀盘密封装置自重的旋转扭矩；
为刀盘正面的摩擦扭矩；
为刀盘周边的摩擦扭矩；
为刀盘背面的摩擦扭矩；
为刀盘开口处切削渣土所需的扭矩；
为刀盘在密封舱内搅拌渣土所需的扭矩。
4.3 盾构掘进参数对比分析
在隧道施工过程中，需监测刀盘扭矩和出渣情况，根据监测结果不断调整膨胀率、注入率等泡沫加注参数，优化混合液的配合比，以达到渣土改良预定目的。不同泡沫施工配比对盾构掘进参数影响作用如图4-图7所示，不同配比方案与表1相对应。
图4 刀盘扭矩 图5 螺机扭矩
图6 土仓压力
图7 总推力
从泡沫注入比例、膨胀率、注入率及加水量对掘进参数的影响分析图可以看出：（1）就刀盘扭矩而言，方案5即当1.5%原液比，膨胀率FER14%，注入比FIR取35%时，刀盘扭矩水平最低，施工效果最优；（2）就螺旋扭矩而言，不同配比方案在一定范围内的影响作用并不显著，当掘进长度超过1000后，方案4、和方案5的施工效果最优；（3）就土仓压力而言，方案5明显优于其他配比方案；（4）对于总推力而言，方案4和方案5施工效果接近，均优于其他方案。
综合以上试验结果表明：砂层中使用方案5，即泡沫混合液配比1.5%，膨胀率14%，注入比为35%，泡沫改良成果最为理想。泡沫在刀盘的切削搅拌下迅速扩散渗透到土层中，土体流塑性显著提高，开挖面稳定性良好，排土通畅，有效降低了盾构掘进刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩，也减小了刀盘出现“结泥饼”的几率，保持了盾构正常推进速度，减轻了盾构机的负荷和磨损，提高了盾构掘进施工功效，同时泡沫具有可压缩性，对土压的稳定起到积极作用，土压力和总推力值在施工过程中变化幅度较小。
工程实践表明，地层为砂层时，泡沫改良技术是采用盾构机施工时最重要的技术措施，该项技术措施具有如下特点：
（1）增加砂层的流塑性，土压平衡效果较好，开挖面稳定性较高，地表沉降小。切削的渣土快速进入土仓，出渣顺畅。
（2）降低砂层的透水性，减轻或防止螺旋输送机排土时的喷涌现象。
（3）改善砂土的流动性，降低掘进推力、刀盘扭矩等参数，减少磨损，提高掘进效率。
5 结束语
通过对盾构隧道工程施工渣土改良技术研究与分析，形成以下研究结论：
（1）在明确区间隧道包含粉细砂、中粗砂、细中砂等复杂土质的基础上，针对不同的地层选用不同的泡沫改良配合比，采集实际施工的参数，优化配合比及施工方案，动态施工。通过动态施工，确定在砂层中使用泡沫混合液配比1.5%，膨胀率14%，注入比为35%，具备较好的改良效果。
（2）泡沫渣土改良有效地改善土体的流塑性，降低盾构刀盘扭矩，提高了掘进速度，有效地保证了掘进过程中土仓压力，使开挖面土仓压力平衡，减小了地面沉降幅度，保证了盾构机安全、连续、快速地推进，并顺利通过了各级风险源施工。
（3）文中所提供的泡沫施工配比在施工中虽取得了收益，但还有不足之处，有待继续研究验证，不断进行渣土改良施工配比的优化，以进一步指导土压平衡盾构在砂层中渣土改良施工。
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论文作者:符运选
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/10
标签：盾构论文; 渣土论文; 扭矩论文; 泡沫论文; 隧道论文; 层中论文; 地层论文; 《基层建设》2018年第22期论文;