盾构施工中气泡应用效果评价研究

专业知识分享版摘　要:鉴于国内目前气泡剂技术在辅助土压平衡式盾构施工中存在的一些问题本文在考虑气泡剂技术在土压平衡式盾构施工中的功效基础上从气泡剂自身性质和气泡混和土力学性质两方面着手结合土压平衡式盾构施工的原理阐述了气泡剂在盾构掘进施工中应用效果评价的手段及相应的指标为气泡剂技术在土压平衡式盾构中的应用和选择提供实际参考关键词:土压平衡式盾构;气泡剂;效果评价1前言近几年来我国许多大城市伴随着城市交通流量的激增和地表空间的减小地下空间不断开发城市隧道施工工程中作为不影响城市商业、交通功能的盾构法以其施工对周围环境影响小、快速的机械化施工等优点而被广泛应用于城市地下空间开发工程尤其在地铁隧道工程中逐渐代替传统的明挖法、暗挖法成为一种较为普及的隧道成型工法

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[2]盾构法中土压平衡式盾构法因其适用地层范围较大、对周围环境要求较低及造价合理等优势而得到广泛的应用并且在国内外的隧道工程中应用规模不断扩大土压平衡式盾构法得以如此广泛应用主要因素取决于辅助材料在盾构掘进中的使用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压力舱注入辅助材料进行土体改良国内外常用的添加剂

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[4]主要有:

①粘土矿物类;

②界面活性材料类;

③高吸水树脂类;

④水溶性高分子类其中界面活性材料中的气泡剂具有现场制作方便、环保、渣土处理简单及功能多样等优点而在土压平衡式盾构法中得到普遍采用盾构用气泡剂的使用至今已有近30年的历史特别是近十年来使用气泡来改良土质的做法日益得到工程界的重视应用范围和规模越来越大但是受诸多因素的影响对气泡添加剂的使用多数停留在凭施工经验的基础上理论上的研究不够国内在发泡剂产品的选择、气泡应用等方面存在极大的盲目性对气泡注入效果的评价目前也没有确定的方法及标准因此提出一套评价气泡在盾构掘进施工中应用技术及效果评价方法对气泡剂技术在盾构工程中的应用有着积极的指导意义2气泡剂技术在土压平衡式盾构掘进中的应用　　气泡在盾构施工中的应用是通过无数小气泡组成的泡沫来实现的通常我们所称的注入气泡实际上是注入泡沫泡沫是典型的气-液二相系其90%以上为空气不足10%为气泡剂溶液;而气泡剂溶液90%~99%为水其余为气泡剂原液气泡在土压平衡式盾构施工中的主要作用:1减少盾构机机械的磨损土压平衡式盾构机在砂土等摩擦性较大土体中掘进时与土体发生摩擦的刀具极易磨损通过在刀盘上注入气泡材料可以降低土体的摩擦性减小刀具的磨损2调整压力舱内土体塑性流动性土压平衡式盾构法掘进工程中压力舱内土体性质如何将直接影响盾构的顺利掘进切削后的渣土具有良好的塑性流动性不但可以能够使开挖面维持较好的支护压力而且保证排土顺利进行在盾构掘进中由于地层的变化未经处理进入压力舱的土体通常难以获得希望的塑性流动性此时压力舱内容易发生“结饼”、“闭塞”

[5]等问题影响施工气泡的注入可以有效解决上述问题3降低渣土的透水性土压平衡式盾构机在砂砾层等强透水层地基k10-5m/s施工时开挖面过高的水压力会导致盾构机螺旋排土器出口发生地下水大量流失严重时会发生喷涌影响掘进顺利进行注入气泡可以有效降低渣土的渗透性有效防止掘进中喷涌的发生及大量地下水的流失4降低切削渣土的内摩擦力减少刀盘、螺旋排土器、运输带的磨损降低刀盘扭矩防止机器能耗过高发热而发生故障3气泡剂在应用中存在的问题及效果评价指标确定的意义　　盾构掘进工程中盾构机经过的地层条件千变万化有些区间地层以砂土为主渗透系数大地下水易从开挖面渗入导致开挖面失稳和螺旋排土器口喷涌发生有些区间粘粒含量高刀盘易发生黏附导致开挖不畅、搅拌困难压力舱内易发生结饼和闭塞要想在上述土体中应用土压平衡式盾构顺利进行地铁隧道建设必须对土压平衡式盾构压力舱内的土体进行改良使之满足如下力学性质:土体不易固结排水;土体处于较理想塑性流动状态;土体具有较低的透水性目前国内企业在地铁盾构隧道施工中从国外进口了发泡材料进行改善土压平衡式盾构土体性质但对气泡添加材料的性能和评价标准都没有可借鉴的实例和资料造成气泡在使用的过程中产生多种问题例如:气泡的发泡倍率不够或过多的进行添加对昂贵的添加材料造成大量的浪费;由于在盾构施工中不能合理有效及时的使用气泡添加材料或为了减小成本气泡的添加量不足造成盾构舱内的土体性质没有得到有效的改良“结饼”、“闭塞”、“喷涌”等问题继续发生在广州、深圳地铁隧道施工中由于压力舱发生“结饼”需要进行开舱处理而造成的开挖面土体坍塌事故多次发生科学应用气泡添加材料作到适时适量的注入气泡就能有效的改善土压平衡式盾构压力舱内土体的状态使“结饼”、“闭塞”、“喷涌”等问题少发生或不发生做到上述的前提条件首先是能够对气泡剂注入土体的效果评价有着比较明确的方法及手段同时目前国内的盾构隧道所用的发泡材料多为国外进口法国及日本造价较高国内自主生产的发泡产品目前多处于研发阶段尚未大量投入使用面对未来各类品牌的发泡剂产品有一套相应的气泡在盾构掘进中的功效评价指标才能够使得承包商合理选择适用于自己的气泡剂产品4气泡效果评价指标确定气泡剂在土压平衡式盾构掘进中的应用效果可从两方面考虑即气泡剂材料自身的性质及气泡与开挖后土层混和所形成的气泡混和土的力学性质

4.1气泡剂自身性质气泡剂自身的性质涉及气泡剂的发泡率、气泡的稳定性等

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1.1发泡率发泡率又称“气泡倍数”指一定质量发泡剂溶液所产生的气泡体积与原液体体积之比它是衡量发泡剂质量的一项重要指标其定义见下式ER=Vf/V11式中:Vf———产生的气泡体积;Vl———气泡剂溶液体积目前应用于土压平衡式盾构施工中的气泡剂的发泡率为5~20在同样情况下发泡率越高等量气泡剂产生的气泡越多说明其具有高效性但是发泡率与生成气泡的稳定性二者是相互影响的较高的发泡率是牺牲气泡稳定性为代价的当评价气泡性质时仅仅发泡率高并不能说明气泡剂的优越而应该结合下述其产生的气泡稳定性进行综合考虑由于气泡在压力舱内处于受压状态同时通常情况下气泡与土体发生混合是在压力状态下进行的假定压力×体积=常数则当压力舱内支护压力为p时气泡的发泡率为:上式中:pa为标准大气压ER为大气压下发泡率

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1.2气泡的稳定性气泡的稳定性是指气泡长时间静置于空气中而不破裂的性质气泡的稳定性是衡量气泡优劣的一个重要指标稳定性的好坏由消泡率来反应消泡率是衡量气泡稳定性的重要参数之一其定义见下式FS=Vd/Vo=Md/Mo3式中:Vd为消散的气泡体积;Vo为气泡初始体积;Md为消散的气泡质量;Mo为气泡初始质量对于气泡的稳定性有学者提出用半衰期的概念来描述

[6]即气泡体积消散一半所需要的时间可采用图1所示的装置进行消泡率的测定试验其过程如下:首先测定大容器中所盛的气泡的总质量然后每隔一定时间如5分钟或10分钟测定量筒中气泡消散形成的液体质量利用公式3即得出消泡率曲线某气泡剂产品消泡率曲线示意图见图2盾构施工中通常在刀盘、压力舱、螺旋排土器三处布置气泡的注入口通过注入气泡将压力舱土体改良成“塑性流动状态”并应保持至螺旋排土器口顺利排出这就要求气泡具有足够的稳定性以满足能够存在于渣土中直至混合土从螺旋排土器排出所以气泡稳定性的情况将直接影响其作用的发挥时间通常盾构隧道所需气泡的稳定性要求可通过下述方法估计:气泡消散25%的时间不大于T:上式中:R1R2分别为压力舱及螺旋排土器直径;L1L2分别为压力舱及排土器长度;V—盾构机掘进速度;a—反应气泡与土体结合后稳定性增强的参数与所混合的土体参数等有关举例说明某盾构隧道工程中压力舱直径6m长度

1.2m螺旋排土器长度

9.5m直径

0.7m以每天推进12m速度考虑a取值为

1.5则要求气泡稳定性到达消泡25%所需的时间大于

1.9h盾构施工是一个动态的过程气泡材料作用的土体处于运动状态气泡改良土体的作用仅要求于从开挖面到排土器出口这段运动过程中所以气泡的稳定性将直接关系到改良效果的持续时间气泡的发泡率作为一项可变参数使得盾构承包商对其参数的选择带来困难较高的发泡率可以做到在一定数量的气泡剂下产生更多的气泡但是过高的发泡率与气泡的稳定性及土体改良效果都存在相互制约的关系如何选择合理的发泡率来最大效用地发挥气泡的作用需要针对不同盾构工程来进行决定

4.

1.3气泡对环境的影响由于气泡土的处理没有专门的措施所以气泡剂的成分对环境的污染程度是确定气泡是否可用的一个主要指标环保、无毒副作用的气泡剂是气泡应用的根本

4.2从气泡混和土的性质指标进行评价气泡应用于盾构掘进工程中时其作用的发挥是通过与土体结合而体现出来的所以对气泡的评价侧重于其与开挖面切削土体混合后的性质即气泡混合土性质

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2.1气泡混合土渗透性土压平衡式盾构机在砂砾层等强透水层地基施工时开挖面过高的水压力会导致盾构机螺旋排土器出口发生地下水大量流失严重时会发生喷涌影响掘进顺利进行这时可以通过在刀盘及压力舱注入气泡来减小土体的渗透性此时评价气泡的指标是气泡混合土渗透系数的减小程度一般要求当用气泡减小土体渗透性时要求渗透系数能够降低见下表1由于气泡与土体混合的充分程度会影响止水效果的差异同时不同的级配颗粒土体在加入相互气泡后渗透系数的降低差异很大所以在评价气泡剂技术的止水性时要结合混合土体的颗粒级配情况确定

4.

2.2气泡用于增加土体塑性流动性压力舱内的土体是一种非常特殊的土体是由开挖面上切削下来的破碎土体在刀盘和压力舱部位注浆口注入气泡经过搅拌翼板的搅拌、混合而充填在压力舱内的混合土体目前国内盾构隧道中使用气泡材料主要的目的是增加压力舱内土体的塑性流动性防止或改善压力舱内的“闭塞”、“结饼”现象确定气泡混合土塑性流动性的指标可从以下试验着手

[7]:流塑性试验;液、塑限试验;拌和试验;固结实验;坍落度试验

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2.3气泡用于降低土体的黏附性降低土体的黏附性可以防止土体黏附于刀具及压力舱隔板及搅拌翼等结构而引起的刀具磨损及掘进扭矩及推力的增大从而为保护盾构机顺利掘进气泡注入降低土体黏附性的效果判断可以通过测定气泡改良土体和金属表面黏附力的大小即简单测定气泡混合土体试样在一定角度倾斜后的金属平板上的滑溜情况其控制指标可定为气泡混合土试样在金属板上滑动所需的倾角试验装置示意图见图

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2.4气泡浸透试验气泡浸透试验目的是研究注入的气泡对刀盘前方地层的浸透跑力在一定的压力下气泡过度的浸透能力将会导致气泡用量增加而且气泡混合土体提供的支持压力也可能不够充分在测试试验中将土样置于透明的圆筒中然后注入气泡施加压力在活塞的推动作用下观察气泡浸透到土样的深度5结语气泡剂技术在土压平衡式盾构中的应用效果评价方法的确定具有积极的工程意义由文中分析可知:1气泡应用于盾构施工中有着不同的目的所以对气泡剂优劣性判定应该结合工程使用气泡的目的而言例如对应用气泡增加土体的塑性流动性时我们可以不考虑其止水性的优劣同时气泡性能的发挥是与原状土体的性质密切相关的所以判断气泡效果应该考虑所应用的土质参数同样的气泡对不同的土质会产生不同的气泡混合土特性所以评价指标时应重点考虑气泡混合土的性质2目前在国内土压平衡盾构隧道工程应用中关于气泡应用的效果评价建议采用下述指标进行控制以满足普通的工程需要气泡的稳泡时间参考作者所提出的公式4其中参数α取值需要通过工程应用反馈进一步确定;气泡的发泡率应用于盾构工程的发泡率在5~20之间视所用发泡剂材料所提供的参数在保证稳泡时间的基础上发泡率越高越好;气泡混合土黏附试验气泡混合土在金属平板上滑动的极限倾角;坍落度试验坍落度试验可以部分的反应土体的塑性流动性它的优点在于现场容易实施施工单位可以采用坍落度试验确定气泡的注入比;气泡混合土渗透试验要求改良后气泡混合土止水性控制在发生地下水喷涌的临界渗透系数

[8]以下3气泡剂效果是相对所处理的土层条件而言的不同的地质条件下选择合理适用的气泡剂产品才能做到既保证顺利施工又经济节省4气泡剂的使用与添加量、添加时间等密切相关在盾构掘进工程中做到事前防范是关键等到压力舱已经发生“闭塞”、“结饼”时再注入气泡材料效果不明显气泡剂应用与否需根据盾构机掘进相关参数的反馈及施工经验确定具体的理论参数尚需进一步完善5关于气泡混合土性质研究目前仅限于欧美日等几个国家的科研单位各单位研究气泡混合土土体性质时采用的方式及工具各不相同所有很难有一个统一的指标来说明气泡混合土的性质如粘滞性、流动性等相关评价指标的统一及标准还需要不断完善并制定相应的规程使命加速中国职业化进程。