（岩土工程专业论文）土压平衡盾构掘进中泡沫改良砂土的实验研究.pdf

摘要 摘要 土压平衡盾构在隧道旋工中，特别地铁区间隧道施工中已经得到广泛应用。 土压平衡盾构机具有开挖速度快、劳动强度低、环境影响小及施工经济的优点。 土压平衡盾构主要适用于粘性土地层开挖，其在砂土地层的掘进过程中会通常会 遇到土压平衡难以形成、螺旋输土器无法正常排土、刀盘扭矩过大及刀具磨损过 快等一些问题。目前最有效的解决方法是使用泡沫等添加剂对土体进行改良，但 是泡沫的使用尚存在一定的盲目性。 针对目前泡沫使用的盲目性，本文进行了以下研究工作： o ) 针对土压平衡式盾构，因土性不良造成的各种施工难题，提出了适合土压 平衡式盾构施工压力舱土体的理想状态一“塑性流动状态 ，并对这一状态的各 项指标进行了分析。 ( 2 ) 通过自制的实验室发泡装置生产泡沫，并对泡沫的性能指标 衰期 和发泡倍率进行测量，最后通过对数据的整理得到发泡剂溶液浓度与泡沫性能的 关系。 ( 3 ) 对沈阳地铁施工现场正在使用的两种泡沫的半衰期和发泡倍率进行测 量，经过试验结果进行对比，找出性能更优良的泡沫，为施工提供帮助。 ( 4 ) 针对北京、沈阳两地区砂土地层的特点，使用泡沫进行土体改良试验， 通过坍落度试验检测改良效果。最终得到两种砂土在不同含水率下泡沫优化掺入 比的范围。 ( 5 ) 根据泡沫改良砂土优化掺入比试验的结果，结合沈阳地铁一号线铁西广 场至云峰北街区间土压平衡盾构实际工程资料，验证了泡沫改良砂土在实际施工 中的效果。 关键词：土压平衡盾构泡沫砂土改良优化掺入比 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e dt b m s ( e p b ) a r ee x t e n s i v e l yu s e dt oe x c a v a t et u n n e l s ， e s p e c i a l l ym r tt u n n e l s e p b sa r em a i n l ys u i t a b l e t ot h ec o h e s i v e s o i l s m a n y d i f f i c u l t i e sa r ee n c o u n t e r e dd u r i n ge x c a v a t i n gt h r o u g hs a n dl a y e r s ，s u c ha si n s t a b i l i t y o ft h et u n n e lf a c e ，t h ed i f f i c u l t i e so fe x t r a c t i n gs p o i l si ns c r e wc o n v e y o r , h i g ht o r q u e 0 ft h em a c h i n ec u t t e rh e a d ；h i g hc u t t e rw e a ra n ds oo n a tp r e s e n t ，s o i lc o n d i t i o n i n gi s t h em o s te f f i c i e n tw a yt os o l v et h e s ed i f f i c u l t i e s h o w e v e r , t h ea d d i t i v e ss u c ha s f o a m sa r eu s e dr a n d o m l yi nt h es i t e ，s t r i c t l ys c i e n t i f i cg u i d e l i n ei sl a c k a c c o r d i n g l y , t h et h e s i sf o c u s e so nt h ea b o v em e n t i o n e dp r o b l e m ，a n dt h er e s e a r c h i n c l u d e sm a i n l ya sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so ft h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di ne p b sb e c a u s eo ft h eb a ds t a t eo f e x c a v a t e ds o i l s ，t h em e c h a n i s m so ft h e s ep r o b l e m sa l es t u d i e da n d t h eb e s ts t a t e o fe x c a v a t e ds o i l si sp u tf o r w a r d ( 2 ) an e wf o a mg e n e r a t o rw a sd e s i g n e da n ds e tu pi nt h i ss t u d y u s i n gt h ef o a m g e n e r a t o r , t h ef o a mp r o p e r t i e s 谢md i f f e r e n to r i g i n a lf o a mc o n s i s t e n c i e s ，s u c ha s f o a me x p a n s i o nr a t i o ( f e r ) ，f o a ms t a b i l i t ya r es t u d i e di no r d e rt ou s ee f f i c i e n t l y t h ef o a m ( 3 ) t h ep r o p e r t i e so ft w ot y p e so ff o a m su s e di ns h e n g y a n gm r t l i n ew e r es t u d i e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h es u i t a b l ef o a mw a sc h o s e nt o c o n d i t i o nt h es a n dl a y e r s ( 4 ) b a s e do nt h ec h a r a c t e f i s t i so ft h es a n d sc o l l e c t e di nb e i j i n ga n ds h e n y a n g ，a s e r i e so fc o n d i t i o n i n gt e s t sa r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ff o a mo nt h e s e t w ok i n d so fs a n d s t h eo p t i m u mf o a md o s a g ea n df i rf o rs a n dc o n d i t i o n i n ga r e o b t a i n e d ( 5 ) t h eo p e r a t i o nd a t ao fe p be x c a v a t i o ni nt u n n e ls e c t i o nf r o mt i e x ip l a z at o y u f e n gs t e e to fs h e n y a n gm r tl i n eo n ea r ec o l l e c t e da n da n a l y z e d s a n d o n d i t i o n i n g 、航mf o a m sc a ne f f i c i e n t l yi n c r e a s ep e n e t r a t i o na n dr e d u c et h e c u t t e r h e a dt r o q u e k e yw o r d s ：e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e dm a c h i n e ，f o a m ，s a n dc o n d i t i o n i n g ， o p t i m u mf i r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕塞工些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了盟确的说明并表示了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 丝塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 土压平衡式盾构现状与发展 盾构施工法，是现代城市隧道建设卓有成效的施工方法，但早期使用的盾构， 在地下掘进时，为了保持开挖面的稳定，般都在隧道内施加压缩空气或降低隧 道沿线地下水位，甚至采用化学注浆等辅助技术措施。由于以上措施不利于对施 工安全、地面沉降以及环境保护的控制，因而限制了盾构的应用与发展，从而推 动了封闭式平衡原理盾构技术的开发和应用。 2 0 世纪6 0 年代初，英国首先开发了泥水加压式盾构，用泥浆代替气压，一 般不再辅以其它技术措施，施工效率高、安全可靠，大大提高了施工质量和工程 进度，是一种划时代的盾构施工新技术。但是泥水加压式盾构需要一套泥水分离 设备，存在占地面积大和设备费用高等缺点。为了弥补泥水加压式盾构的不足， 1 9 7 4 年日本 h i 公司开发研制了直径3 7 2 m 的土压平衡式盾构，在含水砾层中修 建1 8 6 6 m 的隧道，从而开始了土压平衡式盾构的时代【7 儿酊。 在土压平衡式盾构使用前期，土压平衡式盾构主要类型：普通型土压平衡式 盾构，这是土压平衡式盾构的基本形式，适用于松软粘性土。为满足各种工程地 质条件的需要，工程技术人员在普通型的基础上开发出各种类型的土压平衡式盾 构：加泥型土压平衡式盾构、加水型土压平衡式盾构和泡沫盾构。经过2 0 年多 年的发展，土压平衡式盾构适用的地质条件由软弱粘性土到砂和砂砾土，范围不 断扩展，因此得到广泛应用。 日本隧道协会对世界盾构施工法现状展开的通信调查结果显示，从1 9 8 0 至 1 9 8 5 年的这六年间，土压平衡式盾构机的比例已经从1 9 增大到6 0 。在国内， 上海使用土压平衡式盾构施工的实例最多，据资料统计，截至1 9 9 5 年上海市隧 道工程施工中使用的盾构法的情况共5 9 台。可见，土压平衡式盾构方法，以其 技术和经济上的优越性，已经成为隧道建设的主流。 土压平衡式盾构自1 9 7 4 年在日本首次使用以来，以其独特的优势已广泛应 用于世界各地的隧道工程中。在3 0 多年的应用与发展过程中，土压平衡式盾构 施工呈现出以下三个发展趋势： ( 1 ) 适用范围扩大 最初的土压平衡式盾构机只适合在特定的粘土地层中挖掘。而现在的土压平 衡式盾构机通过应用土体改良技术改善土体的性能，能适应多种环境和地层的要 求。可在砾、砂砾、砂、粉砂、粘土等压密程度低、软、硬相间的地层使用【5 】。 如图1 1 所示，如今有许多采用土压平衡式盾构技术施工的隧道大大超出了传统 北京工业大学工学硕士学位论文 的适应地层界线。 粉土 i 砂 一 土压式 i 酗憾，1 1 0 0 0 10 0 10 1l1 01 0 0 粒径d 图i - i 土压平衡式盾构施工突破传统的适用地层界刚5 】 随着工程技术的进步和发展，土压平衡式盾构的适用范围还将进一步扩展， 在英法海峡隧道和丹麦大贝尔特海底隧道施工中所使用的混合式盾构机，就是将 土压平衡式盾构和硬岩掘进技术相结合，使其不仅适用于软土隧道的施工，而且 同时适用于岩石隧道的施i + j m 。 ( 2 ) 盾构直径加大、施工距离加长 随着土压平衡式盾构技术在交通、市政、能源等各领域的广泛应用以及地下 工程建设规模的不断扩大，土压平衡式盾构己经从最初的3 7 2 m 到现在的最大 l l m ，一次施工距离也提高到4 公里以上，而且这些记录还在不断的被打破。可 以想到，由于大直径、长距离的盾构施工不仅可以满足隧道规模不断发展的要求， 而且可以有效地降低施工成本，必将成为土压平衡式盾构发展的一大趋势。 ( 3 ) 施工自动化 施工设备出现了管片供给、运送、组装自动化装置；盾构机掘进中的方向、 姿态自动控制系统；施工信息化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统。 在我国，上海市隧道公司于1 9 8 4 年首次从日本引进中4 3 6 m 的土压平衡式 盾构机建成了芙蓉江下水道总管工程。1 9 8 8 年上海又自行研制了巾4 3 5 m 加泥式 土压平衡式盾构，成功地穿越了软弱粘土和砂性土交错的复杂地层，建成了上海 市南电缆过江隧道。 9 0 年代以来，我国已成功研制了由3 8 6 3 4 m 的土压平衡式盾构掘进机1 0 o o 0 o 0 0 o 0 o 0 o u n 了o d 7 ，亡u c u 4口口l 一笈一醅隶陋嘲峰魁赠 第1 章绪论 余台，用于地铁隧道、引排水隧道、电缆隧道工程，土压平衡盾构的设计制造技 术水平已接近国际先进水平，国产化率达7 0 ，掌握了泥水加压盾构的设计制造 技术，并制造了1 台直径2 6 4 米的泥水加压盾构。 2 0 0 3 年，上海地铁8 号线首次采用双圆隧道新技术，从日本引进2 台巾6 5 2 0 xw 1 1 1 2 0 双圆型土压盾构，掘进黄兴路站至开鲁路站2 6 k i n 区间隧道。 2 0 0 5 年，三台用于地下隧道施工的盾构机在首钢问世。这三台设备长7 0 米、 直径6 3 米。这三台盾构机用于北京地铁4 号线、1 0 号线的隧道施工中。在隧道 导向技术、监控技术方面的研究也达到了国际先进。但是我国液压泵和阀件的加 工制造水平与国外相比尚存在一定差距。 目前，土压平衡式盾构在全国地铁、市政、能源等工程建设中得n t 广泛的 应用。实践证明，土压平衡式盾构因其能较好地控制地表沉降、保护环境、适应 在市区和建筑密集处施工等优点，在我国正走向普及。 1 2 土压平衡盾构机的工作原理 如图1 - 2 所示，土压平衡式盾构主要由盾壳、刀盘、盾构千斤顶、螺旋排土 器、管片拼装机以及盾尾密封装置等组成。它是在普通盾构的基础上，在盾构中 部设置一个密封的隔板，把盾构开挖面与隧道截然分开，使密封隔板和开挖面土 层之间形成一个密封泥土舱，又称压力舱，刀盘在泥土舱内工作。同时通过密封 隔板装有螺旋排土器，当盾构由盾构千斤顶向前推进时，由刀盘切削下来的渣土 充满压力舱和螺旋排土器壳体内的全部空间，同时依靠充满的渣土来平衡开挖面 上的土水压力。另外可通过调节螺旋排土器转速控制排土量，或通过调节盾构千 斤顶的推进速度控制开挖土量，使盾构开挖土量和排出土量保持或接近平衡，以 保持开挖面地层的稳定和防止地面变形。但是由于土质特性和工作压力不同，螺 旋排土器排土效率亦不同；盾构工作时，实际上是通过调节开挖土量或排出土量 来间接控制密封压力舱的压力，使其与作用在开挖面前方的土、水压力相平衡， 开挖面保持稳定，这就是土压平衡式盾构的基本工作原理n 习 北京工业大学工学硕士学位论文 开 图1 - 2 土压平衡式盾构机基本结构和工作原理简图钔 土压衡式盾构施工成功的关键是土压舱进土量与排土量保持动态平衡，要保 持这种动态平衡就必须将开挖面切削下来的土体在压力舱内调整成一种“塑性流 动状态”。如果地层是相似于上海的淤泥质粘土层的话，只要在压力舱内通过旋 转翼板搅拌，就可满足这种状态从而顺利进行施工。但是，如果地层是粘粒含量 较少的卵石层、砂土地层、风化岩地层，进入压力舱的土体就很难形成这种“塑 性流动状态，从而给施工带来困难。【l o 】这种施工困难主要表现为以下4 种现象， 也就是压力舱闭塞压力舱结饼喷涌开挖面失稳。压力舱闭塞是由于土体 成拱使得不能正常出土进而土体压实充满压力舱，而缺乏流塑性的土体又使搅拌 翼的阻力上升，加大刀盘扭矩进而引起施工困难：压力舱结饼是压力舱土体在隔 板传递的推力作用下发生固结，结成硬块的现象；喷涌则是由于压力舱及排土器 内土体不能有效抵抗开挖面上的水压力，在排土口发生喷砂、喷泥、喷水的现象； 开挖面失稳是由于千斤项、隔板传递到压力舱的压力不能均作用于开挖面，而使 开挖面失去稳定的现象。当遇到这些地层时，通常的法是向压力舱内注入一些添 加材料( 如泡沫等) 来改良土体的状态，使其达到有利于施工要求的状态 一4 一 第1 章绪论 1 3 论文主要内容 本文首先在理论上分析了土压平衡盾构在砂土地层掘进时泡沫优化掺入比 研究的重要性，其次通过试验的方式针对北京、沈阳两地的砂土使用泡沫进行改 良，并最终得到泡沫的优化掺入比。 第一章主要介绍了土压平衡盾构的现状、发展趋势及工作原理。并根据土压 平衡盾构的工作原理得出土压平衡盾构成功施工的关键是保持土压舱内土量的 动态平衡。 第二章主要内容为土压舱内土体性质不良可能造成一些施工问题。为了避免 产生施工问题，须使用添加剂对土压舱内土体进行改良。常用的添加剂有泡沫、 膨润土等四种。如今泡沫已成为目前最先进的添加剂。国内外学者对于泡沫改良 技术已经做了很多研究，但是目前施工中泡沫的使用量依然存在很多问题。 第三章通过自行研制的室内发泡装置生产泡沫，并对泡沫的性能指标发泡倍 率及半衰期等进行研究，得到发泡剂溶液浓度与泡沫性能之间的关系，并对沈阳 地铁施工中正在使用的两种泡沫的性能进行对比，选择出性能更优良的泡沫，对 施工作出指导。 第四章首先使用上一章发泡装置生产出适合的泡沫，其次使用此种泡沫对北 京、沈阳两地砂土进行改良，通过坍落度实验衡量改良的效果，最后经过对数据 的统计和处理，得到适合土压平衡盾构施工的优化泡沫掺入比。通过分析沈阳地 铁一号线铁西广场至云峰北街区间土压平衡盾构实际工程资料，验证了泡沫改良 砂土在实际施工中的效果。 第五章主要总结了本次实验的成果及不足之处，并分析了在未来实验中需进 行的改进。 第2 章土体改良技术 第2 章土体改良技术 土压平衡式盾构属于封闭式盾构。盾构推进时其前端刀盘旋转切削地层土 体，开挖下来的土体进入压力舱。当开挖土充满压力舱时，由于盾构的推进作用， 致使开挖土体对开挖面加压。该加压压力与开挖面地层的土压加水压相等时，即 可保持开挖面稳定。若能再维持螺旋排土器的排土量与进土量相等，则土压平衡 盾构就可以顺利旌工，要想维持排土量与开挖土量相等，必须保证开挖土具有一 定的流塑性和抗渗性，以保证出土的顺利进行。在少数地层中，如上海的淤泥质 粘土地层，1 开挖土靠自身的流塑性和抗渗性，即可满足开挖面稳定的要求。但 是很多情况下，天然地层的开挖土很难满足开挖面稳定的条件，从而给旌工带来 困难。当开挖土体不能达到开挖面稳定和出土要求而使施工发生困难时，就必须 向盾构机的压力舱和开挖面添加土体改良材料，对开挖土进行改良使之满足施工 的要求。本章主要阐述了压力舱内土体性质不良时产生的施工难题，几种常用的 土体改良技术及局限性，并介绍了当前国内外对土体改良技术的研究。 2 1 土性不良所导致的施工难题 土压平衡式盾构施工中开挖出来的土体充满刀盘和隔板之间的压力舱，一方 面开挖土作为支撑开挖面稳定的介质，其土性对开挖面的稳定起着决定性的作 用；另一方面，它又源源不断地由螺旋排土器向外排出，它的土性好坏又直接影 响着出土的顺利与否。国内外诸多施工实例表明，土压平衡式盾构施工成功的关 键就是要将开挖面上切削下来的土体在压力舱内调整成一种比较理想的状态，使 土体的性质满足一定的基本条件后盾构开挖和排土才能够顺利地进行。当开挖土 的状态不能满足这一要求时，就会给施工带来困难。这种施工困难主要表现为以 下三种【7 】【1 1 】【1 3 】髀1 ： ( 1 ) “闭塞 ：压力舱闭塞是由于开挖土体在压力舱成拱，使盾构机不能正 常出土，进而土体压实充满压力舱，而缺乏流塑性的土体又使搅拌翼的阻力上升， 加大刀盘扭矩，引起施工困难的现象。压力舱内土体成拱后，若盾构施工继续推 进，土体会进一步压缩，导致拱作用更加剧烈。 在广州地铁一期工程施工中，遇到的是粉砂地层，由于压力舱的闭塞导致舱 内的压力失控，造成地面隆起和扭矩上升，严重地影响了施工进度。据报道上海 北京工业大学工学硕士学位论文 黄浦江上游引水二期工程临江过江隧道施工中也遇到过螺旋排土器周围土体成 拱的现象，影响了施工的正常开展。 ( 2 ) “喷涌”：盾构施工中压力舱和螺旋排土器内的土体不能有效抵抗开挖 面上的水压力，在螺旋排土器出口处发生喷砂、喷泥和喷水的现象；盾构施工中 发生喷涌，不仅造成隧道内渣土难以处理，工期延误，严重时导致开挖面失稳。 饱和砂土围岩一旦发生开挖面失稳，常常会造成开挖面前部发生流砂最后发生地 面塌陷。 在国内盾构施工中，广州地铁三号线大一沥区间段在使用土压平衡式盾构进 行隧道施工时数次发生喷涌，造成地面塌陷，工期延误。南京地铁盾构试验段因 遇流砂层亦发生喷涌现象，造成施工控制困难。 ( 3 ) “结饼”：压力舱结饼是由于缺乏流动性的开挖土，在盾构机推进压力 的作用下，在压力舱内发生压密、固结排水，形成坚硬“泥饼 的现象；压力舱 内发生“结饼 后，如果没有其它补救措施，则这种“泥饼”将不断扩散，进而 使整个压力舱发生堵塞，导致刀盘扭矩过大，开挖困难或无法进行，引发刀盘主 轴承过高温度，加速主轴承的损坏，甚至会出现主轴承“烧结”、“报死”的严重 后果。 2 0 0 2 年，深圳地铁一期工程四号线采用土压平衡式盾构掘进时，由于结饼 而不得不停机开舱处理。然而由此引发了地面塌陷及邻近建筑物的沉降等问题， 对周围环境产生了重大影响。 ( 4 ) “开挖面失稳 ：土压平衡式盾构施工中，如果压力舱的压力不足，难 以抵抗开挖面释放的荷载，就可能发生开挖面涌水或坍塌，导致开挖面的失稳。 造成开挖面失稳的具体原因有以下几点： 施工单位没有控制好压力舱的应有压力，造成开挖面失稳； 施工单位担心压力舱压力过大会造成结饼、闭塞而半舱推进，低压推进， 造成开挖面失稳； 由于发生喷涌使压力舱压力不能控制 南京地铁盾构试验段因遇到流砂层发生过开挖面失稳进而造成施工困难的 问题。 2 2 压力舱土体的理想状态 根据文献跚，为保证土压平衡盾构正常施工，压力舱内土体的理想状态应为 “塑性流动状态”，具体包括3 个方面的含义 ( 1 ) 土体不易固结排水。当推力通过隔板传递到压力舱内时，如果压力舱土 一8 一 第2 章土体改良技术 体迅速排水固结，就会在压力舱内形成固结“土饼 ，土水分离会影响压力舱内 土体的循环和排土，因此土体要保持不易固结排水的状态。 ( 2 ) 土体处于流塑状态。压力舱内的土体应处于高含水率，土的强度较低而 易于翼板的搅拌。这一流塑状态可保证土体受到挤压时向螺旋排土器内发生塑性 流动，而顺利完成排土，就是所谓的“挤牙膏效应。 ( 3 ) 土体具有不透水性。只有压力舱的土体具有足够的不透水性，才能保证 维持开挖面上的水压力，同时也能防止排土口发生“喷涌 现象。 压力舱内土体的“塑性流动状态 主要从土压平衡式盾构的工作原理出发， 根据施工中因土性不良所导致的三种施工难题提出的；因此结合2 1 中三种施工 难题的发生机理，就具体的土体性质而言，作者认为应该包括以下四个方面的基 本性质：渗透性、压缩性、抗剪强度和流动性。它们对盾构机掘进和运行的影响 分别如下： 2 2 1 抗剪强度 混合土体的抗剪强度对盾构机内的开挖装置和排土机械的损耗有着直接影 响。关键的是通过减小开挖下来的渣土的内摩擦角可以减少土体与侧壁的摩擦 力，从而有效地防止土体成拱进而闭塞的发生；减小开挖下来的渣土的内摩擦角 可以减少开挖刀盘和刀头所受的土体的抗力，从而大大降低对开挖刀盘和刀头的 磨损。降低开挖土体的强度可以有效的减小刀盘的扭矩，减少能量的消耗：更重 要的是在较高的抗剪强度下，扭矩的上升将导致盾构机无法继续施工。从安全性 和经济性两方面来考虑，降低开挖土体的强度都是必要的。 2 2 2 压缩性 通过向开挖下来的土体中加入添加材料可以增加土体的可压缩性，同时也会 使得砂土的均质性和工作性得到提高。在土压平衡式盾构施工中，隔板上传递来 的压力经常会有或大或小的波动，当压力舱内的土体的可压缩性较大时，就可以 对压力的忽然变化做出有利的响应，从而可以更好的对开挖面的稳定进行控制。 一般情况下，压力舱内的砂土压缩性很小或者不可压缩的话，那么盾构机的推进 和螺旋排土器排土的速度即使有下点小的变化也会引起较大的压力变动。啪州 当然，过大的压缩也容易造成排水固结，形成泥饼，发生所谓的结饼现象。 2 2 3 渗透性 压力舱内砂土的渗透性的降低可以大大降低由于地下水的入渗导致开挖面 坍塌的可能性；而且，当将压力舱内砂土的渗透性控制在一个较低的范围内的时 候，也可以防止开挖面上的地下水穿越压力舱和螺旋排土器并在排土器的出口形 北京工业大学工学硕士学位论文 成喷涌。所以土体具有较低的渗透性主要就是为了防止喷涌的发生。当然，砂土 本身并不具有较低的渗透性，因此也要依靠加入土体添加材料后才可以达到这种 性能。比如泡沫的加入，目的就是在吸水后形成的泡沫基质内再形成个完整的 砂石团块，减少渗流通道，从而降低自身的渗透性。 2 2 4 流动性 压力舱内土体的流动性直接决定了螺旋排土器的排土状态。如果土体的流动 性较好，螺旋排土器的排土量就容易控制，从而可以较好的控制开挖面的稳定。 一般对于压力舱土体的流动性可以用坍落度试验来衡量。 2 2 5 土体理想状态的力学性质指标 压力舱内土体的“塑性流动状态 主要可以由以下指标进行衡量：内摩擦角 p 、渗透系数k 和压缩系数m 。此外，根据施工中出土的需要压力舱内的土体必 须有一定的流动性，可以用坍落度t 指标进行衡量。 土体的坍落度在l o - - - 1 5 c m 的范围内n 阳啪3 ，认为其状态满足塑性流动状态的 要求。在渗透性方面，土体的渗透系数要 o 1 m p a h 盯( 压力范围取值l o o k p a 一- - 2 0 0 k p a ) ， 强度试验得到其强度参数内摩擦角矽 2 7 。h ，根据国内外的施工经验，土体的 不排水抗剪强度小于2 5 k p a 时瞳4 2 引，土体与刀盘、强制搅拌装置和隔板的摩擦力 都得到了一定程度的降低。 综合以上特点，可以看出，经过添加材料改良后的土体必须具有较小的抗剪 强度，相对适中的可压缩性、较低的渗透性和一定的流动性。 2 3 常用土体改良技术 土压平衡式盾构施工成功的关键是要将开挖面切削下来的土体在压力舱内 调整成一种“塑性流动状态”。如果地层是类似于上海的淤泥质粘土层，通过压 力舱内旋转翼板搅拌，就可以使压力舱内的土体达到这种“塑性流动状态 ，从 而保证施工的顺利进行。如果地层是粘粒含量较少的卵石层、砂土地层和风化岩 地层，进入压力舱的土体就很难形成这种“塑性流动状态”，从而给施工带来困 难。这时就必须通过添加剂注入装置将足够数量的添加剂注入到适当的位置，以 便促进开挖土变为“塑性流动状态 【3 】 在土压平衡式盾构中，添加材料是以下面的各种目的被注入到开挖面或压力 舱内的： ( 1 ) 提高压力舱内充满的开挖土砂的塑性流动性； 第2 章土体改良技术 ( 2 ) 和开挖土砂搅拌混和以提高不透水性； ( 3 ) 防止开挖土砂在盾构机内的豁附。 还可以得到以下附带效果： ( a ) 减少切削刀头和面板等的磨损； ( b ) 减小刀盘和螺旋排土器的扭矩。 添加剂需要选定最适合与围岩土质和渣土运出方式的材料。作为添加剂，所 需要的性质是： ( 1 ) 具有一定的流动性； ( 2 ) 匀易和开挖土砂混合； ( 3 ) 不发生材料分离； ( 4 ) 符合环保的要求，无公害。 2 3 1 常用添加剂 一般使用的添加材料大致可以分为以下四类：矿物类、高吸水性树脂、水溶 性高分子、表面活性材料。这些材料有时各自单独使用有时组合使用，各种材料 的特性可归纳如下幻啪地1 ： ( 1 ) 矿物类 矿物类添加材料其主材多使用膨润土、粘土、陶土等天然矿物。注入该类材 料的目的是补充微、细粒成份，使压力舱内土体的内摩擦角减小，促使其在土压 作用下发生变形和破坏，即流动性、止水性均有一定提高。 矿物类改良材料的浓度和注入量，可据粒度级配算出。矿物类改良材料的适 用土质范围宽，故在土压平衡式盾构施工早期被广泛应用。可是，和其它的添加 材料相比需要采用制泥装置和贮泥槽等大规模的设备。另外，有时渣土由于呈泥 状而要将其作为工业废弃物进行处理。 ( 2 ) 高吸水性树脂 高吸水性树脂的用料是高分子类、不溶性聚合物( 可吸收自重几百倍的水的 胶状材料) 的。这种材料吸水但不溶于水，所以不会被地下水稀释劣化，故在高 水压的地层中使用这种材料可以防止地下水的喷出。 由于树脂填充土砂颗粒间隙，减小了颗粒之间的摩擦，故提高了开挖土的流 动性。但是，对于含盐浓度高的海水和金属离子多的地层，或者强碱( 如：化学 注浆区) 和强酸性地层而言，吸水性能大为降低。另外，高吸水性树脂自然分解 需要很长一段时间，所以有必要考虑盐类扩散的强制脱水和固化处理。 ( 3 ) 水溶性高分子 水溶性高分子使用材料是水中溶解的粘稠性高分子类水溶性聚合物。首先是 以c m c ( 羧甲基纤维素) 为代表的纤维类，此类改良材料可把土砂颗粒间隙中的 自由水挤走，使土颗粒间发生粘结。 北京工业大学工学硕士学位论文 负离子类乳胶改良材料可在土砂颗粒和水之间形成絮状凝聚物，使其发生粘 结，即内摩擦角减小，流动性提高。 水溶性高分子与开挖土搅拌混合后可提高渣土的“塑性流动状态”。但另一 方面，渣土成为泥糊状，需要作为工业废弃物处理，对环境不友好。 ( 4 ) 表面活性材料 表面活性材料使用的材料是特殊发泡剂，也有在特殊发泡剂中添加高分子类 水溶性聚合物的发泡添加剂。 发泡剂与水按一定比例混合形成发泡剂的水溶液，发泡剂水溶液与压缩空气 产生的泡沫和开挖土混合后，可达到改良开挖土体流动性和不透水性的目的。 表面活性材料是迄今为止土压平衡式盾构各种添加材料中最为先进的一种。 关于泡沫土体改良技术，在下一节中会作具体介绍。 2 3 2 常用添加剂材料特点比较 综合以上叙述，常用的几种添加材料的特点比较，如表2 - 1 所示n 1 表2 - 1 盾构施工中常用添加剂的比较 种类代表材料主要效果适用土质使用缺陷 矿物类膨润土不透水性各种土质 制泥设备 蒙脱土流动性废弃物处理 水溶性高分子 c m c 增大粘性无粘性土废弃物处理 高吸水性树脂环氧树脂胶凝状态高水位酸碱地基 防喷涌含水量高化学加固区 界面活性材料 泡沫不透水性 各种土质 无 流动性 2 4 泡沫改良技术 2 4 1 泡沫改良土体的机理 泡沫是典型的气液二相体系，其9 0 以上的体积为空气，不足1 0 的体积 为发泡剂溶液，而发泡剂溶液9 5 以上是水，其余为发泡剂，其多为各种表面活 性剂的高浓度混合液。 表面活性剂是由亲水基和憎水基组成的，如图2 1 所示。亲水基和憎水基都 第2 章土体改良技术 存在不同的类型：憎水基结构有长条形、立体结构等。亲水基有阴离子、阳离子、 非离子、两性离子等汹3 ，如图2 2 所示。表面活性剂化学性质的不同导致了其 物理特性的区别，如表面( 界面) 活性、分散力、溶解性、乳化特性、发泡能力、 气泡稳定性等等。嘲 r f 芑气 图2 - 1 表面活性剂微观结构 图2 - 2 表面活性剂类型 对于土体的改良，表面活性剂的主要作用为： ( 1 ) 由于表面张力降低导致的土体润滑作用3 。土体颗粒之间结合水的连接 作用减弱。 ( 2 ) 土颗粒间的静电排斥效应。能让原先由于静电力而相互吸引的土体颗粒 互相排斥。 北京工业大学工学硕士学位论文 泡沫在注入土体后能够使土体中的颗粒保持分离，因而减少了土体的内部摩 擦和透水性。在土压平衡式盾构施工中，通常向开挖面或压力舱内注入特殊发泡 剂制成的泡沫，以使开挖土体获得流动性和止水性。在砂性土和砂砾土地层中， 泡沫增加了开挖土的流动性；在粘性土地层中，泡沫起着界面活性剂的作用，防 止了开挖土体附着于压力舱内壁。另一方面，由于泡沫置换了土颗粒中的孔隙水， 减少了渗流通道因而可提高其止水性。 2 4 2 泡沫改良技术的优点 泡沫土体改良技术是利用发泡剂与压缩空气作用生成3 0 , - - 4 0 0 。um 的气泡，注 入到土压平衡式盾构机的压力舱、刀盘和螺旋排土器内与开挖土体混合，对土性 进行改良。经过气泡改良后的土体，即气泡混合土，其流动性和止水性都都得到 提高，并具有不粘附于刀盘和压力舱内壁的特点。同时由于塑性的提高，进一步 确保了开挖面的稳定。 归纳起来，气泡改良技术有以下优点【1 】【2 8 】： ( 1 ) 对砂砾地层而言，由于气泡的支承作用使开挖土的流动性得以提高，故 压力舱内不会发生堵塞。另外，盾构机刀盘和螺旋排土器的扭矩也会减小，利于 稳定掘进。 ( 2 ) 对硬质粘土等容易发生粘附的地层而言，由于气泡的存在防止了开挖土 粘附刀盘面板和压力舱内壁，利于正常开挖。 ( 3 ) 由于气泡可以置换土颗粒间隙中的水，因此开挖土的止水性得以提高， 在地下水位高的砂性地层中，“喷涌现象可被抑制。 ( 4 ) 气泡具有压缩性，开挖土体改良后塑性提高，故开挖土压变动小，利于 开挖面的稳定。 ( 5 ) 盾构排出的气泡混合土的灭泡时间短。另外，因气泡混合土中的发泡剂 含量不多，故渣土易恢复到注入气泡前的状态，所以渣土处理容易。若要求迅速 灭泡，则可采用灭泡材料灭泡。 ( 6 ) 因不使用粘土、膨润土，故洞内、洞外均无污染，即工作环境良好。 ( 7 ) 气泡制造设备、注入设备与泥水平衡式盾构相比设备规模要小。 ( 8 ) 采用气泡改良法的土压平衡式盾构的排土量小，故处理费用少。 ( 9 ) 采用气泡改良法的土压平衡式盾构的施工可靠性好。 ( 10 ) 气泡剂、灭泡剂均对人体和环境友好。 第2 章土体改良技术 ii_ili|_ 2 5 气泡改良技术的研究与应用 2 5 i 气泡改良技术的研究 法国力学实验室s t e p h a n eq u e b a u d 博士( 1 9 9 8 ) ，对土压平衡式盾构掘进中泡 沫的作用进行了较全面的研究。在对泡沫混合土体的性质进行试验研究时，采用 小型混凝土搅拌机进行搅拌试验。试验中，在不同含水率土体中注入不同添加量 的泡沫，通过搅拌机耗功降低率来反应泡沫混合土对降低扭矩所起的效果结果表 明，对于砂性土，添加泡沫能使搅拌耗功降低5 0 以上刚【z l j 。图2 3 为s t e p h a n e q u e b a u d 的搅拌实验实验示意图。 图2 - 3q u e b a ：i l d 搅拌试验示意图 荷兰学者，a b e z 嫡e n 【4 2 】等研究制作了一个直径5 0 e m ，高1 2 5 c m 的模型压 力舱，盖板上设置了加载装置，侧壁设置了螺旋排土装置，容器中央插入旋转翼 并可向土中注入添加材料。使用这一装置对推进时压力舱内的土压力分布，和一 般的剪切抵抗进行了实验研究。同时也对砂土中加入泡沫后形成的混合物的渗透 性、压缩性、粘滞性及空隙压力进行了相关研究。得到渗透性和泡沫添加量有直 接的关系，剪切力与混入泡沫后的孔隙率有关等结论。 多伦多大学的n i k o lk o c h m a n o v a 4 7 】对土体改良做了一系列的室内试验及理 论研究，本试验使用的材料是f e l d s p a r 公司生产的e p k 高岭土和美国s i l i c a 公司 生产的a s t m2 0 3 0 砂。e p k 高岭土及a s t m2 0 3 0 砂的颗粒级配如图2 - 4 、2 5 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 + 出厂级配 + 试验l r 氟“试验2 p 试验3 0 o 1o 。1o 0 1o 1 11 01 0 0 土粒颗粒【删嘲 图2 - 4e p k 高岭土的颗粒级配曲线 伯o o o 9 0 8 0 0 0 7 0 o o 邑 捌 磐, 5 0 ：0 0 妊 卅 聪4 0 o o 轻 辅 h - , 3 0 0 0 2 0 o o ，o o i 1 r | ， | ； l e l l + m 一疆配 - m , - 试验1 j 一巍“试验2 ； 舅 峥_ 试验3 l l意i o 0 1 0 1 01 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 土粒颗粒【删 图2 - 5a s t m2 0 3 0 砂的颗粒级配曲线 一1 6 一 弛 们 伯 o 【l哪如巢刊堪键球n 第2 章土体改良技术 本试验所使用的发泡剂是f o a m e xe c 、f o a m e xt r 和f o a m e xs l d c ，其具 体参数如下：发泡剂的浓度为1 、3 和5 ，发泡倍率为1 0 和3 0 ，泡沫注入 比为3 0 、4 5 和6 0 。 结果表明，无论是否加泡沫，坍落度随高岭土的含水量的增加而增大，另外 同浓度不同发泡剂的作用效果没有明显差别，但对比这三种发泡剂，f o a m e xe c 的作用效果最好。 当不加泡沫时，试样坍落度随着含水量的增加而增大，但当含水量较低 ( 1 5 v 旷2 0 ) ，发泡剂是f o a m e x e c 时，坍落度随含水量的增加而急剧减小， 从1 7 0 m m 一1 9 0 m m 减小到2 0 r a m ，直到含水量达到7 时，坍落高度才随着含水 量的增加而增大。别的发泡剂也有类似的现象。 日本学者，石本弘治【4 3 】等在将制纸废液作为添加剂进行应用的研究中，对混 合土体的无侧限抗压强度、塌落度、粘度进行了实验研究，并制作了直径3 0 c m ， 高5 0 c m 的可加压圆筒，对“喷涌 的发生进行了研究，发现只要添加1 5 也0 混有纤维质液体的泥浆，土体可以抵抗10 0 0 k p a 的水压力而不发生“喷涌”。 法国，里尔力学实验室【1 5 】对土压平衡式盾构掘进中泡沫的作用进行了研究。 试验分两部分：第一部分研究泡沫特性( 稳定性、发泡率、可压缩性) ；第二部分 研究泡沫混合土体( 泡沫与土体的混合物) 的特性。已有的试验结果表明，泡沫有 助于改善土压平衡式盾构在砂土中的掘进性能。 剑桥大学的x a v i e rb o r g h i 【2 5 】，通过对土压平衡式盾构现场的大量调查研究， 指出在土压平衡式盾构中由于开挖土体不良造成的施工操作困难，更加突出了泡 沫改良土体以适用盾构机施工的重要性。他指出正确合理的使用泡沫改良土体， 可以产生一系列有利于盾构施工的条件，其中尤以以下四点最为突出：更好的 控制压力舱的土水压力；在螺旋排土器内形成一个“土栓 ，以便盾构机的操 作；减少刀盘和螺旋排土器的扭矩和磨损；减少在粘性土中开挖时盾构机内 的粘附堵塞。 剑桥大学的r o b e r tm e r r i t t 2 4 ，通过室内的大尺度圆锥坍落和剪切搅拌试验 研究了泡沫改良粘土的不排水抗剪强度；并通过剑桥大学研制的土压平衡式盾构 机的螺旋排土器模型，研究了不同泡沫改良土体和不同操作情况下螺旋排土器内 的压力递减规律，发现压力的递减是线性的，其与改良土的强度、压力舱内的压 力、螺旋排土器的转速和开口大小以及形状有关。 牛津大学的m i g u e lp e n ap o j 幂u 用n i s h i m a t s uc o n s t r u c t i o n 公司的发泡剂，通过 一系列的室内试验，对泡沫改良粗砂= 0 6 m m ) ，细砂( d = 0 1 6 r a m ) 的性质进行 了研究，得出在高压下泡沫能够增加开挖土的孔隙率，而在高孔隙率下，开挖土 的强度比常规孔隙率土的强度低。依此m i g u e lp e n a 认为正是由于这一高孔隙率 北京工业大学工学硕士学位论文 造成了开挖土内的高孔隙压力，从而使的改良土具有高压缩性、低强度和流动性。 牛津大学的s o t i r i sp s o m a s 2 8 1 对土压平衡式盾构施工的土体改良进行了一系 列的室内试验，本试验使用的材料是粗砂和细砂，其颗粒级配如图2 - 6 所示。 1 0 9 0 8 褰o 辊0 刊 搿0 鬓 球0 h 0 o 2 o 1 0 f ! 斗 | 7 岫弛1 ， + 试验砂2 | 、 1 。|1 ) ， 乏 | l 1 0o 1o 0 1 粒径 图2 - 6s o t i r i sp s o m a s 实验改良砂土颗粒级配曲线 经过搅拌试验、压缩试验、渗透性试验和直剪试验，得到以下结论： 泡沫混合砂表现出高压缩性，而且能承受较高的竖向压力，试验后砂的孔隙 比大于干砂在最松散状态下的孔隙比。泡沫混合砂表现出较小的剪切力，泡沫能 大大减小混合砂的抗剪力。泡沫混合砂的渗透性显著减小，是饱和砂i 1 0 左右。 泡沫混合粗砂和泡沫混合细砂的性能相似，但是颗粒的大小仍然是决定土体性能 的一个重要参数。 d e g u s s a 泡沫公司的o i ul i n gf e n g 博士( 2 0 0 4 ) ，通过工程实例和试验研究 针对不同土体进行了泡沫的适应性研究。试验结果表明，针对粘性土体和砂性土 体应该采用相应的泡沫添加剂，从而提高泡沫对土体的改良效果。他在室内试验 中采用小型搅拌机，通过泡沫混合土体对搅拌翼的表观粘附程度评价了针对粘土 的泡沫剂效果。啪1 图2 - 7 为q i ul i n gf e n g 实验改良砂土的颗粒级配曲线。 一1 8 量! 量圭堡墼垦堡奎 舌 捌 篓 “ 龃 秘 嫠 # 颗# 【衄】 图2 4 q i u l i n g f e n g 实验改良砂土颗粒级配曲线