土壓平衡盾構是軟土地區地鐵隧道施工的主要方法之一。但是盾構在穿越流塑性差、含水量高、滲透系數大的砂性土層時(shí)，存在土體受擾動(dòng)發(fā)生液化、推進(jìn)速度慢、刀盤(pán)形成“干餅”等一些技術(shù)難題。工程實(shí)踐證明，使用泡沫不僅有利于保持開(kāi)挖面土壓力平衡，而且機械負荷及刀盤(pán)扭矩明顯減少，解決了施工難題。

　　前言

　　自1974年第一臺土壓平衡盾構（EarthPressureBalanceShieldMachine）在東京投入使用以來(lái)，土壓平衡盾構已經(jīng)被世界各國廣泛的應用于隧道工程中。就盾構技術(shù)本身而言，地質(zhì)條件決定了施工的相對難易度，因此對于典型不良地層條件下的盾構控制仍然是工程界普遍關(guān)注的問(wèn)題。

　　針對土壓平衡盾構穿越砂性土遇到的種種困難，國內外有關(guān)專(zhuān)家對此進(jìn)行一定的研究：日本開(kāi)發(fā)了以泡沫作為填加材料，來(lái)改善砂土流動(dòng)性和止水性的泡沫盾構工法。英國牛津大學(xué)工程實(shí)驗室也對摻加泡沫前后砂土的物理力學(xué)性質(zhì)的改變進(jìn)行了研究。在國內對盾構氣泡法施工地鐵隧道雖然進(jìn)行了一定的研究，但真正運用于工程實(shí)踐的很少。本文針對上海地鐵M8線(xiàn)曲陽(yáng)路站～四平路站區間隧道成功使用法國CONDAT泡沫發(fā)生劑在全斷面砂型土中推進(jìn)的工程案例，總結出合理的使用方法和參數，供其他工程參考。

　　1、工程概況

　　上海地鐵M8線(xiàn)曲陽(yáng)路站～四平路站區間隧道使用法國FCB土壓平衡盾構進(jìn)行推進(jìn)，出洞段約200m距離內為全斷面②3-2灰色砂質(zhì)粉土。

　　2、盾構氣泡法推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

　　對非粘透水性土層可以通過(guò)注射泡沫進(jìn)行改良處理。粒狀結構中的氣泡可以降低土漿密度，減小顆粒摩擦，使土漿混合物在較寬的形變范圍內有最理想的彈性，以利于控制開(kāi)挖面支撐壓力。由于化學(xué)的和物理的粘著(zhù)力的作用，加入適當泡沫的土料可以變得非常粘著(zhù)，完全可以用帶式輸送機進(jìn)行輸送。泡沫的90%都是空氣，而空氣在幾天后就會(huì )全部逃逸，土料可以恢復原來(lái)的稠度，在對開(kāi)挖出土料的儲置或進(jìn)一步利用上這是一個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，而且不需要復雜昂貴的分離設備。加泡沫技術(shù)用于含水土層里還可抵抗較高的地下水壓，它的發(fā)展可使土壓平衡式盾構機也可用在原先只適于泥水式盾構機的土層中。泡沫混合物在使用后幾天內化學(xué)物質(zhì)會(huì )完全生物分解，基本不存在環(huán)境污染的問(wèn)題。

　　3、泡沫添加劑

　　3.1泡沫的作用泡沫注入土體后，可產(chǎn)生以下作用：使盾構前方土體均勻；加大土的坍落度；降低土的滲透系數，起到隔水的作用；降低刀盤(pán)扭矩，減少機具磨損；減少土的粘性，防止“泥餅”現象。

　　3.2發(fā)泡率發(fā)泡率ka指一個(gè)標準大氣壓Pa下泡沫中氣體體積和液體體積之比。在某一壓力P下的泡沫的發(fā)泡倍率kp為泡沫中氣體體積同泡沫體積之比稱(chēng)為泡沫的含氣量α，有α=1-（1/kp）（2）

　　泡沫的密度ρf和起泡液的密度ρ1以及空氣的密度ρg之間的關(guān)系如下：ρf=（1-α）ρ1+αρg（3）

　　由于氣體密度ρg極低，可以忽略不計，因此ρf≈（1-α）ρ1一般起泡液的密度ρ1約為1.0g/cm3，因此ρf=（1-α）

　　則發(fā)泡倍率kp為：kp=1/ρf（4）

　　4、施工參數

　　土壓平衡盾構在砂性土層中施工時(shí)，會(huì )遇到以下難題：盾構推進(jìn)導致砂土擾動(dòng)液化，孔隙水壓力迅速消散，甚至導致全斷面流砂工作面失穩；壓力艙內土體在盾構頂推過(guò)程中排水固結，在工作面形成“干餅”，從而導致螺旋面失穩；壓力艙內土體在盾構頂推過(guò)程中排水固結，在工作面形成“干餅”，從而導致螺旋出土器排土困難，盾構推進(jìn)速度慢，刀盤(pán)扭矩增大，刀盤(pán)主軸承嚴重磨損甚至斷裂；注漿壓力、注漿量增大很多，地面沉降失控。

　　本工程前期曾試用刀盤(pán)前加水、加膨潤土漿液的方法進(jìn)行砂性土推進(jìn)，但都沒(méi)有取得明顯效果，仍無(wú)法正常推進(jìn)。使用CONDATCLBF4TM型號的泡沫添加劑后，推進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩及地面沉降均得到了改善，能夠正常推進(jìn)。

　　4.1刀盤(pán)扭矩的變化從刀盤(pán)扭矩變化圖1可以看出，隨著(zhù)泡沫注入量的增加，刀盤(pán)油壓由原來(lái)的100～160bar逐漸降低到100bar左右，這個(gè)變化在開(kāi)始階段尤其明顯。隨著(zhù)泡沫注入量的繼續增加，在加入泡沫量達到80以后，刀盤(pán)油壓趨向穩定。

　　4.2推進(jìn)速度變化圖2可看出，未加入泡沫時(shí)，盾構進(jìn)掘進(jìn)速度小于1cm/min，而且刀盤(pán)扭矩每次達到極限就必須暫時(shí)停止推進(jìn)一段時(shí)間，盾構機原地正反轉動(dòng)刀盤(pán)以降低扭矩，才能繼續推進(jìn)；隨泡沫注入量的增加，盾構能夠連續推進(jìn)，推進(jìn)速度逐漸增加，可達到接近4cm/min.

　　4.3地面沉降曲線(xiàn)以上推進(jìn)中盾構推進(jìn)中土壓力設定中，取F=1.2γh，比正常土壓力設定高。同步注漿量為2.5m3/m.可看出，在砂性土中，加入泡沫推進(jìn)后，地面沉降仍較難控制，因此必須及時(shí)進(jìn)行二次補漿。

　　5、結語(yǔ)

　　土壓平衡盾構本身不適應砂性土的推進(jìn)，加泥式土壓平衡盾構后來(lái)被用于砂性土中開(kāi)挖隧道，但效果不良，因此逐漸對泡沫技術(shù)進(jìn)行研究，拓寬了土壓平衡盾構的使用范圍。

　　通過(guò)對上海M8線(xiàn)曲陽(yáng)路站～四平路站區間土壓平衡盾構穿越全斷面工程數據分析，得出盾構在砂型土中采用氣泡法適合的參數，供其它類(lèi)似地質(zhì)條件下盾構推進(jìn)做參考。