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摘要：为提升土压平衡盾构机在全断面砂层中的掘进功效，依托实际隧道施工项目展开分析，并结合泡沫改良砂土的技术优点进行施工配比方案研究。研究结果表明：采用泡沫混合液配比1.5%，膨胀率14%，注入比为35%为配比方案，其改良成果较为理想。通过渣土改良施工配比的优化，有助于进一步指导土压平衡盾构在砂层中的渣土改良施工。
关键词：土压平衡；盾构；砂层；渣土改良
Abstract：Inordertoimprovethetunnelingeffectofsoilpressurebalanceshieldmachineworkingwiththewhole-sectioninsandysoillayer，thispapermadeanalysisbasedonactualtunnelconstructionproject，andconductedresearchregardingconstructionproportionplancombinedwithadvantagesofbubbletechnologyaimedattheoptimizationofsandsoil.Theresultsshowthattheproportionplanwiththeratioof1.5%bubblemixture，14%inflationrate，andtheratioofinjection35%presentsidealimprovementresults.Theoptimizationforsoilperformanceinshieldconstructioncontributestoguidingtheoptimizationoffurtherconstructionswithsoilpressurebalanceshield，especiallyformuckimprovementinsandlayers.
Keywords：soilpressurebalance；shield；sandstratum；muckimprovement
1引言
盾构法施工的主要机械就是盾构机[1]，其中，土压平衡式盾构机具备对地面交通及周边构筑物干扰小、施工时地面沉降小、施工文明程度高等特点而被广泛应用于市区隧道的施工中[2-3]。土压平衡式盾构机适用于各种地层情况，可以在粉质粘土、粉细砂、细中砂、粗中砂及砂卵石等复合地层中应用[4]。然而，在不同的地层中所采取的渣土改良方法有所差异，在富含水的砂层中多采用膨润土浆液及高分子聚合物进行渣土改良，在粉质粘土地层中多采用泡沫原液及膨润土原液进行渣土改良[5-6]。
土压平衡盾构在砂层掘进对刀具易产生磨损[7]，盾构在掘进中不仅要选择合理的掘进参数，更应重视渣土改良技术，渣土改良的成功直接影响到刀盘刀具的磨损量、渣土流塑性、土仓压力稳定性、沉降控制等因素，同时，渣土改良对土压平衡盾构在砂层中掘进工效起着至关重要作用。本文以盾构隧道施工为研究背景，针对不含水的砂土层和全断面砂层盾构施工渣土改良技术展开探讨。
2工程概况及施工难点
2.1工程概况
本文所研究的隧道其沿线地质主要分布有粉质粘土、粉细砂、细中砂、中粗砂，区间隧道地质断面如图1所示。
图1区间隧道地质断面图
隧道顶覆土厚度为9.6～12.7m，地下水埋深大于45m均位于隧道底部标高以下。盾构主要在粉细砂④1层、中粗砂④2层、粉质黏土④4层和粉质黏土⑤1层中推进，盾构所穿越地质的照片见图2。
图2盾构穿越砂层的照片
2.2施工技术难点
隧道所穿越的粉细砂、中粗砂地层虽为密实土层，但土体自稳性较差，盾构刀盘在切削渣土过程对地层扰动易导致开挖掌子面和洞壁失稳，处理不当会进一步导致隧道塌陷。施工过程中需加强对渣土改良，控制好各项掘进参数，确保开挖面稳定，做好同步注浆量，控制地面沉降量。另外，区间隧道曲线段多，转弯半径小，沿线要侧穿四处二级风险源，下穿一级风险源一处，且建构筑基础离隧道最近距离只有0.9m，给工程施工增加了较大的难度。
砂层在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，颗粒之间的孔隙大，几乎没有粘聚力，自稳性较差。盾构机在砂层中掘进时可能出现的不利情况有：
（1）砂层无水状态下，因砂颗粒间的咬合作用导致内摩擦力大，土体流动性差，土渣充满土仓时刀盘扭矩增大，螺旋输送机输送土渣的扭矩随之增大，导致土仓排土不顺畅，严重时会形成刀盘结泥饼现象，直接影响到盾构掘进。
（2）在无水砂层中未经改良的渣土流塑性较差，导致掘进时刀盘需克服的阻力大，盾构机推力增大，刀盘刀具因摩擦生热温度上升，磨损加剧，盾构机性能受到影响。
（3）由于砂层的流塑性差，设定的土仓压力因开挖面自稳性差，出现土仓压力控制波动频繁，使开挖面稳定难以保持，直接影响到地表隆沉幅度增大，导致地表、建（构）筑物沉降不易控制。
3运用泡沫改良渣土的原理及特点
3.1泡沫改良技术原理
泡沫改良技术是先配置满足土渣塑性改良的要求的发泡剂，然后按设计配合比将水和发泡剂（1%～10%）混合成发泡剂溶液。盾构施工时，将泡沫混合液通过发泡装置经压缩空气的作用生成大量气泡，再经三路泡沫输送管压入盾构刀盘前、土仓中与土渣混合进行改良。泡沫以压缩空气为载体，形成气液两相体系，泡沫较均匀地包裹土颗粒，对开挖土体进行改良。泡沫的结构示意图见图3所示。
图3泡沫结构示意图
3.2泡沫改良技术优点
经过气泡改良后的土体，其流动性得到提高，确保了开挖面的稳定。同时细密的泡沫分布在刀盘周围和土体之间，大大降低了刀盘扭矩，从而有效地保护了刀具，其优点概括为：
（1）改善土体的流动性，土压平衡效果好，开挖的稳定性和安全性得到保障。混入泡沫的渣土流塑性良好，有效避免了土仓内发生“结泥饼”现象。
（2）降低刀盘扭矩，减小刀具的磨损。泡沫剂的注入减少了土颗粒间的摩擦力，可有效降低盾构掘进时的推力及刀盘扭矩，同时降低刀盘刀具因摩擦生热、温度升高而产生的磨损。
（3）降低渣土的渗透性，出渣迅速。细密的泡沫阻断了渣土的渗水通道，可有效防止掘进中发生喷涌。泡沫与切削的渣土混合，流动性较好，排渣运渣通畅迅速。
（4）施工较简单、设备小，渣土处理简单、无污染。分散在土体中的气泡90%以上是空气，气泡破灭后，土体除含极少量的发泡剂外，无其他变化，无需特殊处理即可弃渣。
4土压平衡盾构运用泡沫改良渣土技术
4.1渣土改良泡沫施工配比方案
为增加土压平衡盾构机在砂层中掘进时掌子面的稳定性，控制盾构机推力及刀盘扭矩波动范围，出渣顺畅，需合理设计泡沫剂配合比，以确保渣土改善质量。在本隧道施工中，通过泡沫技术的应用，盾构区间砂层中掘进时，推进速度、刀盘扭矩及地面沉降均得到了良好的改善，其中泡沫的加注参数如表1。
表1渣土改良泡沫施工配比
4.2土压平衡式盾构受力分析
在施工中，根据土压平衡式盾构原理[8]，推进过程所需克服的阻力F如式1所示：
（式1）
其中：为盾构与土层之间的摩阻力；为作用于刀盘正面的侧向土压力；刀盘正面所受的地下水压力；盾尾内部与管片衬砌之间的摩阻力。
盾构千斤顶所需的总推力T如式2所示：
（式2）
式中：为安全系数，一般取=1.5
结合土压平衡式盾构的开挖、支护方式，刀具切削土体所需的扭矩如式3所示：
（式3）
式中：为刀具的穿透深度，；为开挖速度；为刀盘转速；为地层单轴无侧限抗压强度；为刀盘的外半径。
在复杂的盾构施工过程中，驱动切削刀盘所所需的总扭矩如式4所示：
（式4）
式中：为刀具切削土体所需扭矩；为克服刀盘自重的旋转扭矩；为克服刀盘正面推力的旋转扭矩；为克服刀盘密封装置自重的旋转扭矩；为刀盘正面的摩擦扭矩；为刀盘周边的摩擦扭矩；为刀盘背面的摩擦扭矩；为刀盘开口处切削渣土所需的扭矩；为刀盘在密封舱内搅拌渣土所需的扭矩。
4.3盾构掘进参数对比分析
在隧道施工过程中，需监测刀盘扭矩和出渣情况，根据监测结果不断调整膨胀率、注入率等泡沫加注参数，优化混合液的配合比，以达到渣土改良预定目的。不同泡沫施工配比对盾构掘进参数影响作用如图4-图7所示，不同配比方案与表1相对应。
图4刀盘扭矩图5螺机扭矩
图6土仓压力
图7总推力
从泡沫注入比例、膨胀率、注入率及加水量对掘进参数的影响分析图可以看出：（1）就刀盘扭矩而言，方案5即当1.5%原液比，膨胀率FER14%，注入比FIR取35%时，刀盘扭矩水平最低，施工效果最优；（2）就螺旋扭矩而言，不同配比方案在一定范围内的影响作用并不显著，当掘进长度超过1000后，方案4、和方案5的施工效果最优；（3）就土仓压力而言，方案5明显优于其他配比方案；（4）对于总推力而言，方案4和方案5施工效果接近，均优于其他方案。
综合以上试验结果表明：砂层中使用方案5，即泡沫混合液配比1.5%，膨胀率14%，注入比为35%，泡沫改良成果最为理想。泡沫在刀盘的切削搅拌下迅速扩散渗透到土层中，土体流塑性显著提高，开挖面稳定性良好，排土通畅，有效降低了盾构掘进刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩，也减小了刀盘出现“结泥饼”的几率，保持了盾构正常推进速度，减轻了盾构机的负荷和磨损，提高了盾构掘进施工功效，同时泡沫具有可压缩性，对土压的稳定起到积极作用，土压力和总推力值在施工过程中变化幅度较小。
工程实践表明，地层为砂层时，泡沫改良技术是采用盾构机施工时最重要的技术措施，该项技术措施具有如下特点：
（1）增加砂层的流塑性，土压平衡效果较好，开挖面稳定性较高，地表沉降小。切削的渣土快速进入土仓，出渣顺畅。
（2）降低砂层的透水性，减轻或防止螺旋输送机排土时的喷涌现象。
（3）改善砂土的流动性，降低掘进推力、刀盘扭矩等参数，减少磨损，提高掘进效率。
5结束语
通过对盾构隧道工程施工渣土改良技术研究与分析，形成以下研究结论：
（1）在明确区间隧道包含粉细砂、中粗砂、细中砂等复杂土质的基础上，针对不同的地层选用不同的泡沫改良配合比，采集实际施工的参数，优化配合比及施工方案，动态施工。通过动态施工，确定在砂层中使用泡沫混合液配比1.5%，膨胀率14%，注入比为35%，具备较好的改良效果。
（2）泡沫渣土改良有效地改善土体的流塑性，降低盾构刀盘扭矩，提高了掘进速度，有效地保证了掘进过程中土仓压力，使开挖面土仓压力平衡，减小了地面沉降幅度，保证了盾构机安全、连续、快速地推进，并顺利通过了各级风险源施工。
（3）文中所提供的泡沫施工配比在施工中虽取得了收益，但还有不足之处，有待继续研究验证，不断进行渣土改良施工配比的优化，以进一步指导土压平衡盾构在砂层中渣土改良施工。
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