1 工程概況
青草沙島域輸水管線工程位於(yu) 長興(xing) 島中部，由2條南北走向、內(nei) 徑5.5m、間距15m的盾構隧道組成，起自長江原水過江管工作井，途中經過中間工作井，終止於(yu) 水庫出水輸水閘井，管線總長10563m，東(dong) 線長5281m，西線全長5282m。其中，位於(yu) 中間工作井至水庫出水輸水閘井區段的一次性推進距離最長，達2797m，且隧道全斷麵處於(yu) ②3-2粉砂土層中，軸線埋深14.6～12.6m。根據勘探孔資料，米兰国际在线娱乐範圍內(nei) 均為(wei) 第四紀鬆散沉積物，屬第四係河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成。在全斷麵、含水量高的砂性土層中一次性推進超長距離對於(yu) 國產(chan) 土壓平衡盾構是一個(ge) 嚴(yan) 峻的考驗。
2 砂性土中推進的主要難點分析
2.1 對盾構機施工的影響
土壓平衡盾構是將刀盤前方土體(ti) 泥土化，再由刀盤切削土體(ti) ，同時盾構向前頂進，將土體(ti) 擠入土倉(cang) 後由螺旋機排出。其要求切削麵土體(ti) 必須滿足流動性好，內(nei) 摩擦角（φ）小及滲透性差等特點，即具有黏性流動的軟弱土層[3]。然而，砂性土滲透性好，受擠壓擾動後易水土分離，使得刀盤前方土體(ti) 失水固結，進一步導致砂土混合物的c、φ值增大，形成“鐵板砂”。因盾構前方土體(ti) 摩阻力增加造成刀盤切削難度也隨之增加，根據該工程所采集數據，在砂性土中推進時刀盤扭矩相比在黏土中推進時增加至1.5倍（如表1所示）。這不僅(jin) 大大影響推進速度，還會(hui) 導致刀盤及螺旋機磨損嚴(yan) 重。若增加千斤頂推力，反而更加劇了盾構機各設備的磨損。此外，密封艙底部砂土顆粒大量沉澱，密度較大，而上部密度相對較小，致使工作麵土壓力不能均衡。
其中扭矩過大有以下三方麵的不利影響：
表1 盾構在黏性土和砂性土中推進參數對比
（1）液壓油升溫速度快，尤其是隨著推進距離增加，冷卻用水水壓降低，難以達到理想的冷卻效果，必須暫停推進，充分冷卻使油溫下降至正常狀態時方可恢複推進，推進速度的降低必然影響了施工效率。
（2）推進的不連續性導致刀盤運轉的波動性，又將給土體(ti) 帶來擾動，容易使開挖麵失穩引起土體(ti) 變形過大，同時砂土良好的滲透性也增加了流砂甚至液化發生的可能性。
（3）液壓係統長期在高溫、高負載下運轉，各部位泵體(ti) 、閥件、管路等容易損壞，導致維修更換頻繁，帶來一定的經濟損失，也對施工進度帶來較大影響。
2.2 對地表沉降的影響
由於(yu) 在砂性土中切削麵土壓力波動較大[1]，土體(ti) 穩定性較差，注漿量及注漿壓力都較大，使得盾構前方及上方地表沉降難以控製。該工程對相鄰區段不同土層的沉降作了長期監測，結果如圖1所示，相對於(yu) 黏性土，砂性土早期沉降突然且沉降量較大，一般在2～3d內(nei) 即已達到高值，而後期沉降變化相對較小。尤其是在穿越建（構）築物時，土壓力、同步注漿等參數控製要求更高，如過程中施工參數控製不理想，在後期補壓漿等處理措施實施前，建築物已經受到較大影響。
圖1 盾構在黏性土和砂性土推進時地表沉降
由於(yu) 砂性土對土壓平衡式盾構施工產(chan) 生多方麵不利影響，為(wei) 確保工程的順利開展，最終決(jue) 定采取土體(ti) 改良的相關(guan) 措施。
3 砂性土土體(ti) 改良的研究
土壓平衡式盾構在正常推進時需向刀盤前方加注一定量的水以起到改善土體(ti) 流動性、減少刀盤摩阻力的作用。除此以外還能再加入各種添加劑，用來改善土體(ti) 的流動性、滲水性，使土體(ti) 的性質便於(yu) 盾構掘進，並減小對施工的影響。常用的添加劑有肥皂水、燒堿、膨潤土、CMC聚合物和發泡劑[1][3]。該工程分別對燒堿、膨潤土以及發泡劑這三種添加劑進行了比較。
3.1 添加燒堿
1）改良機理
燒堿(NaOH)是製造肥皂的原材料之一，遇水有較好的潤滑性。通過在刀盤前方加入一定量的燒堿溶液可以起到潤滑土體(ti) 的作用，從(cong) 而達到減小刀盤摩擦力的效果。但是燒堿具有腐蝕性，在操作過程中必須小心。
2）添加方法
將水和燒堿以（質量比）1000：4的配比配製成混合溶液，通過加水孔注入刀盤前方土體(ti) 。注入流量為(wei) 3.0～5.5m3/h，具體(ti) 情況視推進速度而定。
3）推進參數（如表2所示）
表2 刀盤前添加燒堿溶液後推進參數
3.2 添加膨潤土
1）改良機理膨潤土具有很強的吸濕性，能吸附相當於(yu) 自身體(ti) 積8～20倍的水而膨脹至30倍；在水介質中能分散呈膠體(ti) 懸浮液，並具有一定的黏滯性、觸變性和潤滑性，與(yu) 砂土摻和後的混合物具有可塑性、黏結性和保水性，為(wei) 確保盾構在砂性土中推進正常出土，也可以在盾構前方壓注膨潤土漿液改良土體(ti) 。
2）添加方法將膨潤土與(yu) 水按0.25：1的質量比配製成混合液並攪拌，待攪拌均勻後加入到盾構原有水箱中，通過原有注水孔注入刀盤前方土體(ti) 。注入率為(wei) 1.5%～2.5%（每開挖1m3注入15～25L膨潤土液）。
3）推進成果如表3所示
3.3 添加發泡劑
1）改良機理[5]將發泡劑、水和空氣的混合物加入到刀盤前方形成泡沫，粒狀結構中的氣泡可以降低土漿密度並產(chan) 生潤滑作用，氣泡的潤滑作用相當於(yu) 減少了砂性土的內(nei) 摩擦角，刀盤受到的摩阻力也相對降低；氣泡的填充作用提高了壓力艙內(nei) 渣土的流動性，降低了壓力艙閉塞及渣土結餅的可能性，也降低了渣土的滲透性,可以有效地防止噴湧現象的發生；由於(yu) 化學的和物理的黏著力的作用，加入適當泡沫的土料可以變得非常黏著，完全可以用帶式輸送機進行運土；由於(yu) 氣泡的壓縮性,很好地緩衝(chong) 了壓力變化，所以工作麵的壓力變動很小，隻要正麵土壓力配置得當，盾構機能穩定地推進，保持工作麵基本達到動態平衡,從(cong) 而最大限度地減小盾構施工對地麵的擾動，有效地控製地麵沉降的發展。
表3 刀盤前方添加膨潤土液後推進參數
泡沫的90%都是空氣，而空氣在幾天後就會(hui) 全部逃逸，土料可以恢複原來的稠度。泡沫技術用於(yu) 含水土層裏還可抵抗較高的地下水壓，添加發泡劑能使土壓平衡式盾構機也可運用於(yu) 泥水式盾構機所適用的土層中。泡沫混合物在使用後幾天內(nei) 化學物質會(hui) 完全生物分解，不存在環境汙染的問題。
2）添加方法操作步驟如下：
（1）打開空壓機和水箱水泵，待氣壓和水壓達到要求時啟動泡沫器；
（2）用泵將泡沫箱中的泡沫和水箱中的水按一定比例混合成泡沫液送入混合艙中；
（3）啟動氣泡發生器，同時向氣泡發生器中按一定比例、適當壓力送入空氣產(chan) 生氣泡；
（4）產(chan) 生的氣泡經管路進入刀盤注水孔，噴入前方切削土體(ti) 。改良土體(ti) 具體(ti) 方法為(wei) 通過盾構機刀盤注水口向刀盤前方壓注泡沫，泡沫劑、水和壓縮空氣以一定的配比發泡後，可以產(chan) 生大量泡沫。泡沫注入正麵土體(ti) 與(yu) 之混合，達到維持正麵土體(ti) 穩定、增加土體(ti) 流動性、減少刀盤磨阻力、提高推進速度的作用。
圖2 滲入泡沫劑示意簡圖
3）參數控製
（1）泡沫劑和水常用的配比比例有四種：1：100，2:100，3：100，4：100。
（2）發泡率：氣泡中氣體(ti) 體(ti) 積和液體(ti) 體(ti) 積之比。
（3）泡沫流量：單位時間內(nei) 產(chan) 生的泡沫量。
配比通過混合艙內(nei) 的配比調節旋鈕調節；當發泡率給定為(wei) 100%時，實際發泡率和泡沫流量與(yu) 前方土壓有關(guan) ，關(guan) 係如表4所示（此數據由廠方實驗給出）。
表4 土壓與(yu) 泡沫流量、發泡率對照表
該區間隧道埋深為(wei) 14.6～12.6m，刀盤前方土壓為(wei) 0.175～0.203MPa。由表4知發泡率約為(wei) 17～20，泡沫流量約為(wei) 430～367L/min。
4）推進結果
采用1：100的配比時泡沫箱中的液體(ti) 由於(yu) 相對抽取壓力較小而不能進入混合艙，因此改用1.5：100配比。不同配比的地表沉降如表5所示。
表5 盾構在砂性土中推進時地表沉降
圖3 速度對比
圖4 扭矩對比
圖5 沉降對比
4 三種添加劑的效果對比
在同一區段中，該工程先後對三種添加劑進行了嚐試，並且在配比上選出最優(you) 化的方案。添加燒堿、膨潤土、泡沫劑後與(yu) 未添加任何添加劑的主要推進參數對比如圖3～圖5所示。
各種添加劑使用前後主要推進參數（平均值）如表6所示。
表6 各添加劑推進使用效果對比
5 結語
根據三種添加劑的現場比對，在砂性土盾構施工中泡沫劑對土體(ti) 進行改良的效果明顯優(you) 於(yu) 燒堿和膨潤土，主要表現在4個(ge) 方麵：
（1）提高了推進速度。為(wei) 了確保盾構的正常運轉，在未添加泡沫劑時速度控製在10～13mm/min；添加泡沫劑後最大推進速度可達42mm/min，但為(wei) 了減小對土體(ti) 的擾動，推進速度不宜超過35mm/min，以避免因對刀盤前方土體(ti) 擠壓過大，水土分離形成野鐵板砂冶。
（2）大幅減小了刀盤扭矩。泡沫劑顯著地增加了盾構前方土體(ti) 的可切削性，使得總推力得以下降，扭矩和油溫也隨之下降。當控製在正常使用條件下時，擁有更高的推進速度。
（3）顯著減少了沉降。由於(yu) 總推力的下降，土體(ti) 不易水土分離，且土壓力相對保持穩定。推進過程平穩且連續，波動小，更易於(yu) 沉降的控製。
（4）降低了盾構零部件的損耗及刀盤的磨損。土體(ti) 改良後，對盾構機各部分的設備負荷大大降低。減少了設備維護，零件更換的時間，綜合提高盾構的推進速度。顯然，泡沫劑的合理運用可以提高整個(ge) 工程的施工效率及施工質量，添加泡沫劑改良土體(ti) 是解決(jue) 盾構在砂性土中推進時遇到的一係列問題的最有效措施。
編輯：沈達文