泡沫在土压平衡盾构施工中的应用
【摘要】本文论述了在土压平衡盾构隧道施工中，可通过加注泡沫改良开挖面土体，扩大土压平衡盾构机适用地层的范围，井结合深圳地铁一期工程华强路—岗厦区间的工程实践，分析总结了在盾构机穿越不同地层时泡沫的应用情况，论证了向开挖面压注泡沫材料来保证开挖面稳定和砂性塑流的优点。
【关键词】泡沫 土压平衡盾构隧道施工 改良土体 应用
1前言
一般土压平衡盾构机适用于内摩擦角小、渗透系数在10负6次m／s以下的易塑流的粘性土层。在砂层、砾石层中，对于颗粒粒径较大的地层，土的摩擦力大，透水性高，切削土的流动性差，不能很好的传递压力，在这种土层中要保持开挖面稳定难度很大。为解决砂性土的塑流，可在开挖土仓中注入泡沫并充分搅拌，改变土的成分，以保证土的流动性和减少土的透水性，使开挖面保持稳定。同时加注泡沫还可减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，减少壳体与刀盘上粘土的粘着力，有利于排土机构出土，
所需的驱动功率就可减少。
城市地铁隧道大都需要穿越不同的地层，在一条线路上可能会有部分不适宜土压平衡盾构机施工的地层，这就限制了土压平衡盾构的适应范围，但是如采用万能的泥水盾构则造价比较高，而且需要很大的场地来安置泥水处理循环系统。目前城市地铁施工可提供的场地越来越小，因此为扩大土压平衡盾构机的使用范围，使其能够适应各种不同地层的变化，可采取通过加注泡沫系统的办法来实现这目的，使土压平衡盾构机造价低、容易控制操作的优点得到充分发挥。加泡沫后改变土壤渗透系数、扩大土压平衡盾构机适用渗透系数土体及粒径的范围，见下图1。
2 泡沫的发泡原理和工艺流程
2．1 发泡原理
发泡系统由泡沫发生器、空压机、储料罐和各种管道泵组成，将发泡剂、聚合物与水混合后，人压缩空气将液体膨胀产生泡沫，通过刀盘上的4个性人口注人开挖仓内。发泡系统流程见下图2。
2.2泡沫制造工艺流程
泡沫制造工艺流程见图3。
2．3 泡沫的膨胀率和注入比
(1)泡沫的膨胀率(FER)。FER=(液体的流速1／mm)： (空气的流速1／mm)；FER越大说明泡沫越“稀”或越“湿”，—般取值在1：6～1：15之间。
(2)泡沫的注入比(FIR)。FIR=(泡沫加注速率)／(土壤的开挖速率)x100％；—般取值在40％～100％之间。
泡沫剂用量、FER、FIR是泡沫系统的三个重要参数。
3 工程应用
深圳地铁一期工程华强路—岗厦区间盾构隧道全长3471．6m，隧道衬砌外径6m，内径5．4m盾构采用德国海瑞克公司设计制造的土压平衡盾构机，盾构刀盘处直径6．28m，本隧道需穿越燕山期强风化花岗岩、全风化花岗岩、砾质粘性土、砂质粘性土、富水砂层、角砾层，局部需要穿越中风化花岗岩，隧道埋深14m，地下水位在3．5-4m左右。地质条件极其复杂，各科地层软硬不均，重复交替出现，因此在施工过程中就要不断调整施工参数，尤其是泡沫的使用更是复杂多变。
图4是施工过程中加注泡沫后土体改良效果极好的照片。
图4 加入泡沫后出土状态
在砂性土和砾砂性土地基中，由于内摩擦角较大，因而难以获得良好的流动，同时渗透系数大，止水性差，压力不能很好的传递到掌子面，推进过程中明显感到方向不好控制，刀盘扭距较大，推进速度慢。我们通过向开挖面注入泡沫，使得开挖土获得良好的流动性和止水性，并保持开挖面稳定，扭距明显下降。而在粘性土层中，由于其内摩擦角小，易流动，泡沫只起到活性剂作用，防止土粘在刀具和土仓内壁上，减少对刀具的磨损，提高了出土速度和掘进速度。
施工中我们对不同地层泡沫注人量和加注泡沫前后扭矩变化情况进行了统计，见下表1。
表1 不同地层泡沫注入量及扭矩变化
从表中可以看出泡沫的使用大大降低了刀盘扭矩，平均扭矩下降12％，而且泡沫在砂土中比粘土中使用扭矩下降效果更明显。泡沫具有如下优点：
(1)由于气泡的润滑效果，减少了地基的内摩擦角，提高了挖掘土砂的流动性，从而减少了刀盘的扭矩，改善了盾构机作业参数；
(2)减少砂土的渗透性，使整个开挖土传力均匀，工作面压力变动小，有利于调整土仓压力，保证盾构机掘进姿态，控制地表沉降；
(3)减少粘土的粘性，使之不附着于盾构机及刀盘上，有利于出土机构出土；
(4)泡沫无毒，在2小时后可自行分解消失，对土壤环境无污染；
根据施工经验，我们总结出在不同地层中泡沫的用量，见表2。
表2 不同地层中泡沫的用量
4 结束语
加注泡沫是土压平衡盾构机掘进施工的一种辅助工法，通过向盾构机开挖面，密封土舱、螺旋输送机内注入泡沫达到稳定开挖面土体、改良土体塑流性能、降低刀盘扭矩、提高掘进和出土效率的目的，它与加水、加泥、加高浓度泥浆等辅助工法相比，虽然在费用上略多。但其减少刀具磨损，提高掘进速度效果最佳，因此具有广泛的推广前景。
