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盾构施工中气泡应用效果评价研究
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[1][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[3][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(k>10-5m/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[1] [2] [3] [4] 下一页
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