盾構(gòu)施工中氣泡應(yīng)用效果評(píng)價(jià)研究摘 要:鑒于國(guó)內(nèi)目前氣泡劑技術(shù)在輔助土壓平衡式盾構(gòu)施工中存在的一些問(wèn)題,本文在考慮氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)施工中的功效基礎(chǔ)上,從氣泡劑自身性質(zhì)和氣泡混和土力學(xué)性質(zhì)兩方面著手,結(jié)合土壓平衡式盾構(gòu)施工的原理,闡述了氣泡劑在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中應(yīng)用效果評(píng)價(jià)的手段及相應(yīng)的指標(biāo),為氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)中的應(yīng)用和選擇提供實(shí)際參考。關(guān)鍵詞:土壓平衡式盾構(gòu);氣泡劑;效果評(píng)價(jià)1 前言 近幾年來(lái),我國(guó)許多大城市,伴隨著城市交通流量的激增和地表空間的減小,地下空間不斷開(kāi)發(fā),城市隧道施工工程中,作為不影響城市商業(yè)、交通功能的盾構(gòu)法以其施工對(duì)周圍環(huán)境影響小、快速的機(jī)械化施工等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于城市地下空間開(kāi)發(fā)工程,尤其在地鐵隧道工程中,逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的明挖法、暗挖法,成為一種較為普及的隧道成型工法[1][2]。盾構(gòu)法中,土壓平衡式盾構(gòu)法因其適用地層范圍較大、對(duì)周圍環(huán)境要求較低及造價(jià)合理等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛的應(yīng)用,并且在國(guó)內(nèi)外的隧道工程中應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。 土壓平衡式盾構(gòu)法得以如此廣泛應(yīng)用,主要因素取決于輔助材料在盾構(gòu)掘進(jìn)中的使用,土壓平衡式盾構(gòu)施工中,為了保證進(jìn)入壓力艙的土體具有滿足正常施工條件的良好的塑性流動(dòng)性、止水性等力學(xué)性質(zhì),通常采取在開(kāi)挖面及壓力艙注入輔助材料進(jìn)行土體改良,國(guó)內(nèi)外常用的添加劑[3][4]主要有:①粘土礦物類;②界面活性材料類;③高吸水樹(shù)脂類;④水溶性高分子類。其中,界面活性材料中的氣泡劑具有現(xiàn)場(chǎng)制作方便、環(huán)保、渣土處理簡(jiǎn)單及功能多樣等優(yōu)點(diǎn)而在土壓平衡式盾構(gòu)法中得到普遍采用。 盾構(gòu)用氣泡劑的使用至今已有近30年的歷史,特別是近十年來(lái)使用氣泡來(lái)改良土質(zhì)的做法日益得到工程界的重視,應(yīng)用范圍和規(guī)模越來(lái)越大,但是受諸多因素的影響,對(duì)氣泡添加劑的使用多數(shù)停留在憑施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,理論上的研究不夠,國(guó)內(nèi)在發(fā)泡劑產(chǎn)品的選擇、氣泡應(yīng)用等方面存在極大的盲目性,對(duì)氣泡注入效果的評(píng)價(jià)目前也沒(méi)有確定的方法及標(biāo)準(zhǔn)。因此,提出一套評(píng)價(jià)氣泡在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中應(yīng)用技術(shù)及效果評(píng)價(jià)方法,對(duì)氣泡劑技術(shù)在盾構(gòu)工程中的應(yīng)用有著積極的指導(dǎo)意義。2 氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)中的應(yīng)用 氣泡在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用是通過(guò)無(wú)數(shù)小氣泡組成的泡沫來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常我們所稱的注入氣泡實(shí)際上是注入泡沫。泡沫是典型的氣-液二相系,其90%以上為空氣,不足10%為氣泡劑溶液;而氣泡劑溶液90%~99%為水,其余為氣泡劑原液。氣泡在土壓平衡式盾構(gòu)施工中的主要作用: (1)減少盾構(gòu)機(jī)機(jī)械的磨損,土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在砂土等摩擦性較大土體中掘進(jìn)時(shí),與土體發(fā)生摩擦的刀具極易磨損,通過(guò)在刀盤上注入氣泡材料,可以降低土體的摩擦性,減小刀具的磨損。 (2)調(diào)整壓力艙內(nèi)土體塑性流動(dòng)性,土壓平衡式盾構(gòu)法掘進(jìn)工程中,壓力艙內(nèi)土體性質(zhì)如何,將直接影響盾構(gòu)的順利掘進(jìn),切削后的渣土具有良好的塑性流動(dòng)性,不但可以能夠使開(kāi)挖面維持較好的支護(hù)壓力,而且保證排土順利進(jìn)行,在盾構(gòu)掘進(jìn)中,由于地層的變化,未經(jīng)處理進(jìn)入壓力艙的土體通常難以獲得希望的塑性流動(dòng)性,此時(shí)壓力艙內(nèi)容易發(fā)生“結(jié)餅”、“閉塞”[5]等問(wèn)題,影響施工。氣泡的注入可以有效解決上述問(wèn)題。 (3)降低渣土的透水性,土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在砂礫層等強(qiáng)透水層地基(k>10-5m/s)施工時(shí),開(kāi)挖面過(guò)高的水壓力會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)螺旋排土器出口發(fā)生地下水大量流失,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生噴涌。影響掘進(jìn)順利進(jìn)行,注入氣泡可以有效降低渣土的滲透性,有效防止掘進(jìn)中噴涌的發(fā)生及大量地下水的流失。 (4)降低切削渣土的內(nèi)摩擦力,減少刀盤、螺旋排土器、運(yùn)輸帶的磨損,降低刀盤扭矩,防止機(jī)器能耗過(guò)高發(fā)熱而發(fā)生故障。3 氣泡劑在應(yīng)用中存在的問(wèn)題及效果評(píng)價(jià)指標(biāo)確定的意義 盾構(gòu)掘進(jìn)工程中,盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)的地層條件千變?nèi)f化,有些區(qū)間地層以砂土為主,滲透系數(shù)大,地下水易從開(kāi)挖面滲入,導(dǎo)致開(kāi)挖面失穩(wěn)和螺旋排土器口噴涌發(fā)生。有些區(qū)間粘粒含量高,刀盤易發(fā)生黏附,導(dǎo)致開(kāi)挖不暢、攪拌困難,壓力艙內(nèi)易發(fā)生結(jié)餅和閉塞。要想在上述土體中應(yīng)用土壓平衡式盾構(gòu)順利進(jìn)行地鐵隧道建設(shè),必須對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)壓力艙內(nèi)的土體進(jìn)行改良,使之滿足如下力學(xué)性質(zhì):土體不易固結(jié)排水;土體處于較理想塑性流動(dòng)狀態(tài);土體具有較低的透水性。 目前,國(guó)內(nèi)企業(yè)在地鐵盾構(gòu)隧道施工中從國(guó)外進(jìn)口了發(fā)泡材料進(jìn)行改善土壓平衡式盾構(gòu)土體性質(zhì),但對(duì)氣泡添加材料的性能和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有可借鑒的實(shí)例和資料,造成氣泡在使用的過(guò)程中產(chǎn)生多種問(wèn)題,例如:氣泡的發(fā)泡倍率不夠或過(guò)多的進(jìn)行添加,對(duì)昂貴的添加材料造成大量的浪費(fèi);由于在盾構(gòu)施工中不能合理有效及時(shí)的使用氣泡添加材料或?yàn)榱藴p小成本氣泡的添加量不足,造成盾構(gòu)艙內(nèi)的土體性質(zhì)沒(méi)有得到有效的改良,“結(jié)餅”、“閉塞”、“噴涌”等問(wèn)題繼續(xù)發(fā)生。在廣州、深圳地鐵隧道施工中,由于壓力艙發(fā)生“結(jié)餅”需要進(jìn)行開(kāi)艙處理而造成的開(kāi)挖面土體坍塌事故多次發(fā)生。 科學(xué)應(yīng)用氣泡添加材料,作到適時(shí),適量的注入氣泡,就能有效的改善土壓平衡式盾構(gòu)壓力艙內(nèi)土體的狀態(tài),使“結(jié)餅”、“閉塞”、“噴涌”等問(wèn)題少發(fā)生或不發(fā)生,做到上述的前提條件首先是能夠?qū)馀輨┳⑷胪馏w的效果評(píng)價(jià)有著比較明確的方法及手段。同時(shí),目前國(guó)內(nèi)的盾構(gòu)隧道所用的發(fā)泡材料多為國(guó)外進(jìn)口(法國(guó)及日本),造價(jià)較高,國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的發(fā)泡產(chǎn)品目前多處于研發(fā)階段,尚未大量投入使用,面對(duì)未來(lái)各類品牌的發(fā)泡劑產(chǎn)品,有一套相應(yīng)的氣泡在盾構(gòu)掘進(jìn)中的功效評(píng)價(jià)指標(biāo),才能夠使得承包商合理選擇適用于自己的氣泡劑產(chǎn)品。4 氣泡效果評(píng)價(jià)指標(biāo) 確定氣泡劑在土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)中的應(yīng)用效果,可從兩方面考慮,即氣泡劑材料自身的性質(zhì)及氣泡與開(kāi)挖后土層混和所形成的氣泡混和土的力學(xué)性質(zhì)。4.1 氣泡劑自身性質(zhì) 氣泡劑自身的性質(zhì)涉及氣泡劑的發(fā)泡率、氣泡的穩(wěn)定性等。4.1.1 發(fā)泡率 發(fā)泡率,又稱“氣泡倍數(shù)”,指一定質(zhì)量發(fā)泡劑溶液所產(chǎn)生的氣泡體積與原液體體積之比,它是衡量發(fā)泡劑質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。其定義見(jiàn)下式。ER=Vf/V1 (1) 式中:Vf———產(chǎn)生的氣泡體積; Vl———?dú)馀輨┤芤后w積。 目前應(yīng)用于土壓平衡式盾構(gòu)施工中的氣泡劑的發(fā)泡率為5~20,在同樣情況下,發(fā)泡率越高,等量氣泡劑產(chǎn)生的氣泡越多,說(shuō)明其具有高效性,但是發(fā)泡率與生成氣泡的穩(wěn)定性二者是相互影響的,較高的發(fā)泡率是犧牲氣泡穩(wěn)定性為代價(jià)的,當(dāng)評(píng)價(jià)氣泡性質(zhì)時(shí),僅僅發(fā)泡率高并不能說(shuō)明氣泡劑的優(yōu)越,而應(yīng)該結(jié)合下述其產(chǎn)生的氣泡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合考慮。 由于氣泡在壓力艙內(nèi)處于受壓狀態(tài),同時(shí)通常情況下,氣泡與土體發(fā)生混合是在壓力狀態(tài)下進(jìn)行的。假定壓力×體積=常數(shù),則當(dāng)壓力艙內(nèi)支護(hù)壓力為p時(shí)氣泡的發(fā)泡率為:
上式中:pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,ER為大氣壓下發(fā)泡率。4.1.2 氣泡的穩(wěn)定性 氣泡的穩(wěn)定性是指氣泡長(zhǎng)時(shí)間靜置于空氣中而不破裂的性質(zhì),氣泡的穩(wěn)定性是衡量氣泡優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。穩(wěn)定性的好壞由消泡率來(lái)反應(yīng),消泡率是衡量氣泡穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一,其定義見(jiàn)下式。FS=Vd/Vo=Md/Mo (3) 式中:Vd為消散的氣泡體積;Vo為氣泡初始體積;Md為消散的氣泡質(zhì)量;Mo為氣泡初始質(zhì)量。對(duì)于氣泡的穩(wěn)定性,有學(xué)者提出用半衰期的概念來(lái)描述[6],即氣泡體積消散一半所需要的時(shí)間。可采用圖1所示的裝置進(jìn)行消泡率的測(cè)定試驗(yàn)。其過(guò)程如下:首先測(cè)定大容器中所盛的氣泡的總質(zhì)量,然后每隔一定時(shí)間(如5分鐘或10分鐘)測(cè)定量筒中氣泡消散形成的液體質(zhì)量,利用公式(3)即得出消泡率曲線,某氣泡劑產(chǎn)品消泡率曲線示意圖見(jiàn)圖2。 盾構(gòu)施工中,通常在刀盤、壓力艙、螺旋排土器三處布置氣泡的注入口,通過(guò)注入氣泡將壓力艙土體改良成“塑性流動(dòng)狀態(tài)”,并應(yīng)保持至螺旋排土器口順利排出。這就要求氣泡具有足夠的穩(wěn)定性,以滿足能夠存在于渣土中直至混合土從螺旋排土器排出。所以氣泡穩(wěn)定性的情況將直接影響其作用的發(fā)揮時(shí)間,通常盾構(gòu)隧道所需氣泡的穩(wěn)定性要求可通過(guò)下述方法估計(jì): 氣泡消散25%的時(shí)間不大于T: 上式中:R1,R2分別為壓力艙及螺旋排土器直徑;L1,L2分別為壓力艙及排土器長(zhǎng)度;V—盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度;a—反應(yīng)氣泡與土體結(jié)合后穩(wěn)定性增強(qiáng)的參數(shù),與所混合的土體參數(shù)等有關(guān)。 舉例說(shuō)明,某盾構(gòu)隧道工程中,壓力艙直徑6m,長(zhǎng)度1.2m,螺旋排土器長(zhǎng)度9.5m,直徑0.7m,以每天推進(jìn)12m速度考慮,a取值為1.5,則要求氣泡穩(wěn)定性到達(dá)消泡25%所需的時(shí)間大于1.9h。盾構(gòu)施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,氣泡材料作用的土體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),氣泡改良土體的作用僅要求于從開(kāi)挖面到排土器出口這段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,所以氣泡的穩(wěn)定性將直接關(guān)系到改良效果的持續(xù)時(shí)間。氣泡的發(fā)泡率作為一項(xiàng)可變參數(shù),使得盾構(gòu)承包商對(duì)其參數(shù)的選擇帶來(lái)困難,較高的發(fā)泡率可以做到在一定數(shù)量的氣泡劑下產(chǎn)生更多的氣泡,但是過(guò)高的發(fā)泡率與氣泡的穩(wěn)定性及土體改良效果都存在相互制約的關(guān)系,如何選擇合理的發(fā)泡率來(lái)最大效用地發(fā)揮氣泡的作用,需要針對(duì)不同盾構(gòu)工程來(lái)進(jìn)行決定。4.1.3 氣泡對(duì)環(huán)境的影響 由于氣泡土的處理沒(méi)有專門的措施,所以氣泡劑的成分對(duì)環(huán)境的污染程度是確定氣泡是否可用的一個(gè)主要指標(biāo)。環(huán)保、無(wú)毒副作用的氣泡劑是氣泡應(yīng)用的根本。4.2 從氣泡混和土的性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià) 氣泡應(yīng)用于盾構(gòu)掘進(jìn)工程中時(shí),其作用的發(fā)揮是通過(guò)與土體結(jié)合而體現(xiàn)出來(lái)的,所以對(duì)氣泡的評(píng)價(jià)側(cè)重于其與開(kāi)挖面切削土體混合后的性質(zhì),即氣泡混合土性質(zhì)。4.2.1 氣泡混合土滲透性 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在砂礫層等強(qiáng)透水層地基施工時(shí),開(kāi)挖面過(guò)高的水壓力會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)螺旋排土器出口發(fā)生地下水大量流失,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生噴涌。影響掘進(jìn)順利進(jìn)行,這時(shí)可以通過(guò)在刀盤及壓力艙注入氣泡來(lái)減小土體的滲透性。此時(shí)評(píng)價(jià)氣泡的指標(biāo)是氣泡混合土滲透系數(shù)的減小程度。一般要求,當(dāng)用氣泡減小土體滲透性時(shí),要求滲透系數(shù)能夠降低,見(jiàn)下表1。 由于氣泡與土體混合的充分程度會(huì)影響止水效果的差異。同時(shí),不同的級(jí)配顆粒土體在加入相互氣泡后滲透系數(shù)的降低差異很大。所以在評(píng)價(jià)氣泡劑技術(shù)的止水性時(shí),要結(jié)合混合土體的顆粒級(jí)配情況確定。4.2.2 氣泡用于增加土體塑性流動(dòng)性 壓力艙內(nèi)的土體是一種非常特殊的土體,是由開(kāi)挖面上切削下來(lái)的破碎土體在刀盤和壓力艙部位注漿口注入氣泡,經(jīng)過(guò)攪拌翼板的攪拌、混合而充填在壓力艙內(nèi)的混合土體。目前,國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道中使用氣泡材料主要的目的是增加壓力艙內(nèi)土體的塑性流動(dòng)性,防止或改善壓力艙內(nèi)的“閉塞”、“結(jié)餅”現(xiàn)象。 確定氣泡混合土塑性流動(dòng)性的指標(biāo)可從以下試驗(yàn)著手[7]:流塑性試驗(yàn);液、塑限試驗(yàn);拌和試驗(yàn);固結(jié)實(shí)驗(yàn);坍落度試驗(yàn)。4.2.3 氣泡用于降低土體的黏附性 降低土體的黏附性可以防止土體黏附于刀具及壓力艙隔板及攪拌翼等結(jié)構(gòu)而引起的刀具磨損及掘進(jìn)扭矩及推力的增大,從而為保護(hù)盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)。 氣泡注入降低土體黏附性的效果判斷可以通過(guò)測(cè)定氣泡改良土體和金屬表面黏附力的大小,即簡(jiǎn)單測(cè)定氣泡混合土體試樣在一定角度傾斜后的金屬平板上的滑溜情況。其控制指標(biāo)可定為氣泡混合土試樣在金屬板上滑動(dòng)所需的傾角,試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖3。4.2.4 氣泡浸透試驗(yàn) 氣泡浸透試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯孔⑷氲臍馀輰?duì)刀盤前方地層的浸透跑力。在一定的壓力下,氣泡過(guò)度的浸透能力將會(huì)導(dǎo)致氣泡用量增加,而且氣泡混合土體提供的支持壓力也可能不夠充分。在測(cè)試試驗(yàn)中,將土樣置于透明的圓筒中,然后注入氣泡,施加壓力,在活塞的推動(dòng)作用下,觀察氣泡浸透到土樣的深度。5 結(jié)語(yǔ) 氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)中的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)方法的確定具有積極的工程意義,由文中分析可知: (1)氣泡應(yīng)用于盾構(gòu)施工中有著不同的目的,所以對(duì)氣泡劑優(yōu)劣性判定應(yīng)該結(jié)合工程使用氣泡的目的而言,例如對(duì)應(yīng)用氣泡增加土體的塑性流動(dòng)性時(shí),我們可以不考慮其止水性的優(yōu)劣。同時(shí),氣泡性能的發(fā)揮是與原狀土體的性質(zhì)密切相關(guān)的,所以判斷氣泡效果應(yīng)該考慮所應(yīng)用的土質(zhì)參數(shù),同樣的氣泡對(duì)不同的土質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的氣泡混合土特性,所以評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮氣泡混合土的性質(zhì)。 (2)目前,在國(guó)內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)隧道工程應(yīng)用中,關(guān)于氣泡應(yīng)用的效果評(píng)價(jià)建議采用下述指標(biāo)進(jìn)行控制以滿足普通的工程需要。氣泡的穩(wěn)泡時(shí)間,參考作者所提出的公式(4),其中參數(shù)α取值需要通過(guò)工程應(yīng)用反饋進(jìn)一步確定;氣泡的發(fā)泡率,應(yīng)用于盾構(gòu)工程的發(fā)泡率在5~20之間,視所用發(fā)泡劑材料所提供的參數(shù),在保證穩(wěn)泡時(shí)間的基礎(chǔ)上,發(fā)泡率越高越好;氣泡混合土黏附試驗(yàn),氣泡混合土在金屬平板上滑動(dòng)的極限傾角;坍落度試驗(yàn),坍落度試驗(yàn)可以部分的反應(yīng)土體的塑性流動(dòng)性,它的優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)容易實(shí)施。施工單位可以采用坍落度試驗(yàn)確定氣泡的注入比;氣泡混合土滲透試驗(yàn)要求改良后氣泡混合土止水性控制在發(fā)生地下水噴涌的臨界滲透系數(shù)[8]以下。 (3)氣泡劑效果是相對(duì)所處理的土層條件而言的,不同的地質(zhì)條件下,選擇合理適用的氣泡劑產(chǎn)品,才能做到既保證順利施工又經(jīng)濟(jì)節(jié)省。 (4)氣泡劑的使用與添加量、添加時(shí)間等密切相關(guān),在盾構(gòu)掘進(jìn)工程中,做到事前防范是關(guān)鍵,等到壓力艙已經(jīng)發(fā)生“閉塞”、“結(jié)餅”時(shí)再注入氣泡材料效果不明顯,氣泡劑應(yīng)用與否需根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)相關(guān)參數(shù)的反饋及施工經(jīng)驗(yàn)確定,具體的理論參數(shù)尚需進(jìn)一步完善。 (5)關(guān)于氣泡混合土性質(zhì)研究,目前僅限于歐美日等幾個(gè)國(guó)家的科研單位,各單位研究氣泡混合土土體性質(zhì)時(shí)采用的方式及工具各不相同,所有很難有一個(gè)統(tǒng)一的指標(biāo)來(lái)說(shuō)明氣泡混合土的性質(zhì),如粘滯性、流動(dòng)性等。相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)一及標(biāo)準(zhǔn)還需要不斷完善并制定相應(yīng)的規(guī)程。參考文獻(xiàn):[1]尹旅超,朱振宏,李玉珍,袁少軍,等譯.日本盾構(gòu)隧道新技術(shù)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999.7.[2]B.Maidl,M.Herrenknetcht,L.Anheuser.MechanisedShieldTunnelling[M].Berlin:Ernst&SohnVerlagfürArchitekturundtechn.WissenschaftenGmbH,1996.[3]GeorgeMilligan.LubricationAndSoilConditioningInTunnelling,PipeJackingAndMicrotunnelling,August2000.[4] Babendererde,L.H.“DevelopmentsinpolymerapplicationforsoilconditioninginEPB-TBMs[J].TunnelsandMetropolises,Ne-groJr.andFerreira(eds.),Balkema,Rotterdam,vol.2,pp.691-695.[5]G..AnagnostouandK.Kovári,Facestabilityconditionswithearth-pressure-balancedshields[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,Vol11,No.22,pp.165-173,1996.[6] Cash,T.andVine-Lott,K.M.Foamasatunnellingaid:ITSproductionanduse[J].TunnelsandTunnelling,Vol.28,No.4(April1996),pp.22-23.[7]SotirisPsomas,Propertiesoffoam/sandmixturesfortunnellingapplications,AthesissubmittedforthedegreeofMasterofScienceto theDepartmentofEngineeringScience,StHugh’sCollege.2001.[8]魏康林.土壓平衡式盾構(gòu)施工中噴涌問(wèn)題的發(fā)生機(jī)理及其防治措施研究[D].南京:河海大學(xué)碩士論文,2003.3. infrontofthepile.Thisgivesafoundationforfurtherstudy.
上式中:pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,ER為大氣壓下發(fā)泡率。4.1.2 氣泡的穩(wěn)定性 氣泡的穩(wěn)定性是指氣泡長(zhǎng)時(shí)間靜置于空氣中而不破裂的性質(zhì),氣泡的穩(wěn)定性是衡量氣泡優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。穩(wěn)定性的好壞由消泡率來(lái)反應(yīng),消泡率是衡量氣泡穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一,其定義見(jiàn)下式。FS=Vd/Vo=Md/Mo (3) 式中:Vd為消散的氣泡體積;Vo為氣泡初始體積;Md為消散的氣泡質(zhì)量;Mo為氣泡初始質(zhì)量。對(duì)于氣泡的穩(wěn)定性,有學(xué)者提出用半衰期的概念來(lái)描述[6],即氣泡體積消散一半所需要的時(shí)間。可采用圖1所示的裝置進(jìn)行消泡率的測(cè)定試驗(yàn)。其過(guò)程如下:首先測(cè)定大容器中所盛的氣泡的總質(zhì)量,然后每隔一定時(shí)間(如5分鐘或10分鐘)測(cè)定量筒中氣泡消散形成的液體質(zhì)量,利用公式(3)即得出消泡率曲線,某氣泡劑產(chǎn)品消泡率曲線示意圖見(jiàn)圖2。 盾構(gòu)施工中,通常在刀盤、壓力艙、螺旋排土器三處布置氣泡的注入口,通過(guò)注入氣泡將壓力艙土體改良成“塑性流動(dòng)狀態(tài)”,并應(yīng)保持至螺旋排土器口順利排出。這就要求氣泡具有足夠的穩(wěn)定性,以滿足能夠存在于渣土中直至混合土從螺旋排土器排出。所以氣泡穩(wěn)定性的情況將直接影響其作用的發(fā)揮時(shí)間,通常盾構(gòu)隧道所需氣泡的穩(wěn)定性要求可通過(guò)下述方法估計(jì): 氣泡消散25%的時(shí)間不大于T: 上式中:R1,R2分別為壓力艙及螺旋排土器直徑;L1,L2分別為壓力艙及排土器長(zhǎng)度;V—盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度;a—反應(yīng)氣泡與土體結(jié)合后穩(wěn)定性增強(qiáng)的參數(shù),與所混合的土體參數(shù)等有關(guān)。 舉例說(shuō)明,某盾構(gòu)隧道工程中,壓力艙直徑6m,長(zhǎng)度1.2m,螺旋排土器長(zhǎng)度9.5m,直徑0.7m,以每天推進(jìn)12m速度考慮,a取值為1.5,則要求氣泡穩(wěn)定性到達(dá)消泡25%所需的時(shí)間大于1.9h。盾構(gòu)施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,氣泡材料作用的土體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),氣泡改良土體的作用僅要求于從開(kāi)挖面到排土器出口這段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,所以氣泡的穩(wěn)定性將直接關(guān)系到改良效果的持續(xù)時(shí)間。氣泡的發(fā)泡率作為一項(xiàng)可變參數(shù),使得盾構(gòu)承包商對(duì)其參數(shù)的選擇帶來(lái)困難,較高的發(fā)泡率可以做到在一定數(shù)量的氣泡劑下產(chǎn)生更多的氣泡,但是過(guò)高的發(fā)泡率與氣泡的穩(wěn)定性及土體改良效果都存在相互制約的關(guān)系,如何選擇合理的發(fā)泡率來(lái)最大效用地發(fā)揮氣泡的作用,需要針對(duì)不同盾構(gòu)工程來(lái)進(jìn)行決定。4.1.3 氣泡對(duì)環(huán)境的影響 由于氣泡土的處理沒(méi)有專門的措施,所以氣泡劑的成分對(duì)環(huán)境的污染程度是確定氣泡是否可用的一個(gè)主要指標(biāo)。環(huán)保、無(wú)毒副作用的氣泡劑是氣泡應(yīng)用的根本。4.2 從氣泡混和土的性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià) 氣泡應(yīng)用于盾構(gòu)掘進(jìn)工程中時(shí),其作用的發(fā)揮是通過(guò)與土體結(jié)合而體現(xiàn)出來(lái)的,所以對(duì)氣泡的評(píng)價(jià)側(cè)重于其與開(kāi)挖面切削土體混合后的性質(zhì),即氣泡混合土性質(zhì)。4.2.1 氣泡混合土滲透性 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在砂礫層等強(qiáng)透水層地基施工時(shí),開(kāi)挖面過(guò)高的水壓力會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)螺旋排土器出口發(fā)生地下水大量流失,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生噴涌。影響掘進(jìn)順利進(jìn)行,這時(shí)可以通過(guò)在刀盤及壓力艙注入氣泡來(lái)減小土體的滲透性。此時(shí)評(píng)價(jià)氣泡的指標(biāo)是氣泡混合土滲透系數(shù)的減小程度。一般要求,當(dāng)用氣泡減小土體滲透性時(shí),要求滲透系數(shù)能夠降低,見(jiàn)下表1。 由于氣泡與土體混合的充分程度會(huì)影響止水效果的差異。同時(shí),不同的級(jí)配顆粒土體在加入相互氣泡后滲透系數(shù)的降低差異很大。所以在評(píng)價(jià)氣泡劑技術(shù)的止水性時(shí),要結(jié)合混合土體的顆粒級(jí)配情況確定。4.2.2 氣泡用于增加土體塑性流動(dòng)性 壓力艙內(nèi)的土體是一種非常特殊的土體,是由開(kāi)挖面上切削下來(lái)的破碎土體在刀盤和壓力艙部位注漿口注入氣泡,經(jīng)過(guò)攪拌翼板的攪拌、混合而充填在壓力艙內(nèi)的混合土體。目前,國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道中使用氣泡材料主要的目的是增加壓力艙內(nèi)土體的塑性流動(dòng)性,防止或改善壓力艙內(nèi)的“閉塞”、“結(jié)餅”現(xiàn)象。 確定氣泡混合土塑性流動(dòng)性的指標(biāo)可從以下試驗(yàn)著手[7]:流塑性試驗(yàn);液、塑限試驗(yàn);拌和試驗(yàn);固結(jié)實(shí)驗(yàn);坍落度試驗(yàn)。4.2.3 氣泡用于降低土體的黏附性 降低土體的黏附性可以防止土體黏附于刀具及壓力艙隔板及攪拌翼等結(jié)構(gòu)而引起的刀具磨損及掘進(jìn)扭矩及推力的增大,從而為保護(hù)盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)。 氣泡注入降低土體黏附性的效果判斷可以通過(guò)測(cè)定氣泡改良土體和金屬表面黏附力的大小,即簡(jiǎn)單測(cè)定氣泡混合土體試樣在一定角度傾斜后的金屬平板上的滑溜情況。其控制指標(biāo)可定為氣泡混合土試樣在金屬板上滑動(dòng)所需的傾角,試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖3。4.2.4 氣泡浸透試驗(yàn) 氣泡浸透試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯孔⑷氲臍馀輰?duì)刀盤前方地層的浸透跑力。在一定的壓力下,氣泡過(guò)度的浸透能力將會(huì)導(dǎo)致氣泡用量增加,而且氣泡混合土體提供的支持壓力也可能不夠充分。在測(cè)試試驗(yàn)中,將土樣置于透明的圓筒中,然后注入氣泡,施加壓力,在活塞的推動(dòng)作用下,觀察氣泡浸透到土樣的深度。5 結(jié)語(yǔ) 氣泡劑技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)中的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)方法的確定具有積極的工程意義,由文中分析可知: (1)氣泡應(yīng)用于盾構(gòu)施工中有著不同的目的,所以對(duì)氣泡劑優(yōu)劣性判定應(yīng)該結(jié)合工程使用氣泡的目的而言,例如對(duì)應(yīng)用氣泡增加土體的塑性流動(dòng)性時(shí),我們可以不考慮其止水性的優(yōu)劣。同時(shí),氣泡性能的發(fā)揮是與原狀土體的性質(zhì)密切相關(guān)的,所以判斷氣泡效果應(yīng)該考慮所應(yīng)用的土質(zhì)參數(shù),同樣的氣泡對(duì)不同的土質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的氣泡混合土特性,所以評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮氣泡混合土的性質(zhì)。 (2)目前,在國(guó)內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)隧道工程應(yīng)用中,關(guān)于氣泡應(yīng)用的效果評(píng)價(jià)建議采用下述指標(biāo)進(jìn)行控制以滿足普通的工程需要。氣泡的穩(wěn)泡時(shí)間,參考作者所提出的公式(4),其中參數(shù)α取值需要通過(guò)工程應(yīng)用反饋進(jìn)一步確定;氣泡的發(fā)泡率,應(yīng)用于盾構(gòu)工程的發(fā)泡率在5~20之間,視所用發(fā)泡劑材料所提供的參數(shù),在保證穩(wěn)泡時(shí)間的基礎(chǔ)上,發(fā)泡率越高越好;氣泡混合土黏附試驗(yàn),氣泡混合土在金屬平板上滑動(dòng)的極限傾角;坍落度試驗(yàn),坍落度試驗(yàn)可以部分的反應(yīng)土體的塑性流動(dòng)性,它的優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)容易實(shí)施。施工單位可以采用坍落度試驗(yàn)確定氣泡的注入比;氣泡混合土滲透試驗(yàn)要求改良后氣泡混合土止水性控制在發(fā)生地下水噴涌的臨界滲透系數(shù)[8]以下。 (3)氣泡劑效果是相對(duì)所處理的土層條件而言的,不同的地質(zhì)條件下,選擇合理適用的氣泡劑產(chǎn)品,才能做到既保證順利施工又經(jīng)濟(jì)節(jié)省。 (4)氣泡劑的使用與添加量、添加時(shí)間等密切相關(guān),在盾構(gòu)掘進(jìn)工程中,做到事前防范是關(guān)鍵,等到壓力艙已經(jīng)發(fā)生“閉塞”、“結(jié)餅”時(shí)再注入氣泡材料效果不明顯,氣泡劑應(yīng)用與否需根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)相關(guān)參數(shù)的反饋及施工經(jīng)驗(yàn)確定,具體的理論參數(shù)尚需進(jìn)一步完善。 (5)關(guān)于氣泡混合土性質(zhì)研究,目前僅限于歐美日等幾個(gè)國(guó)家的科研單位,各單位研究氣泡混合土土體性質(zhì)時(shí)采用的方式及工具各不相同,所有很難有一個(gè)統(tǒng)一的指標(biāo)來(lái)說(shuō)明氣泡混合土的性質(zhì),如粘滯性、流動(dòng)性等。相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)一及標(biāo)準(zhǔn)還需要不斷完善并制定相應(yīng)的規(guī)程。參考文獻(xiàn):[1]尹旅超,朱振宏,李玉珍,袁少軍,等譯.日本盾構(gòu)隧道新技術(shù)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999.7.[2]B.Maidl,M.Herrenknetcht,L.Anheuser.MechanisedShieldTunnelling[M].Berlin:Ernst&SohnVerlagfürArchitekturundtechn.WissenschaftenGmbH,1996.[3]GeorgeMilligan.LubricationAndSoilConditioningInTunnelling,PipeJackingAndMicrotunnelling,August2000.[4] Babendererde,L.H.“DevelopmentsinpolymerapplicationforsoilconditioninginEPB-TBMs[J].TunnelsandMetropolises,Ne-groJr.andFerreira(eds.),Balkema,Rotterdam,vol.2,pp.691-695.[5]G..AnagnostouandK.Kovári,Facestabilityconditionswithearth-pressure-balancedshields[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,Vol11,No.22,pp.165-173,1996.[6] Cash,T.andVine-Lott,K.M.Foamasatunnellingaid:ITSproductionanduse[J].TunnelsandTunnelling,Vol.28,No.4(April1996),pp.22-23.[7]SotirisPsomas,Propertiesoffoam/sandmixturesfortunnellingapplications,AthesissubmittedforthedegreeofMasterofScienceto theDepartmentofEngineeringScience,StHugh’sCollege.2001.[8]魏康林.土壓平衡式盾構(gòu)施工中噴涌問(wèn)題的發(fā)生機(jī)理及其防治措施研究[D].南京:河海大學(xué)碩士論文,2003.3. infrontofthepile.Thisgivesafoundationforfurtherstudy.
