泡沫劑原液比例對盾構掘進參數的影響

賀雄飛

(中鐵隧道勘測設計研究院有限公司，471009，洛陽//高級工程師)

0 引言

近年來，在各大城市地鐵建設力度的不斷加大，跨江越海隧道工程不斷增加的大背景下，土壓平衡盾構掘進技術已經廣泛應用[1]。土壓平衡盾構主要掘進參數有掘進速度、盾構推力、刀盤扭矩和轉速、螺旋輸送機扭矩和轉速及土艙壓力。土壓平衡盾構施工的核心是土艙中的被動水土壓力與掘削面上的水土壓力基本平衡。土體改良是影響盾構掘進參數的關鍵技術。

碴土改良是在施工中不易形成塑性流動狀態的土體中，通過向壓力艙內、刀盤前方和螺旋輸送機內注入一定的泡沫劑進行改良[2]。相關試驗證明，加入適量濃度泡沫劑進行土體改良，能大幅提高盾構掘進速度，降低刀盤扭矩和盾構推力，減少刀具損耗[3]，提高掘進效率和安全水平。

我國在土壓平衡盾構泡沫劑相關研究中，現有研究多使用理論分析及統計優化等手段來對掘進參數進行優化調整，而對泡沫劑使用參數的研究較少，且局限于碴土改良試驗，并未真正深入到盾構掘進控制層面。本文以成都地鐵3號線和7號線部分區間為研究對象，通過長期跟蹤現場掘進情況，分析泡沫原液比例對掘進參數的影響。

1 工程地質概況

本文研究區間之一為成都地鐵7號線成都理工大學站—成華大道站—崔家店站區間。該區間內,上覆第四系人工填筑土、黏性土及卵石土夾砂層透鏡體，下伏基巖為白堊系上統灌口組泥巖。該區間掘進斷面主要以粉質黏土和砂土為主，部分區段含有卵石和少量泥巖。現場使用A、B兩種泡沫劑。

另一個研究區間為成都地鐵3號線龍橋路—雙鳳橋區間。該區間表層多為第四系全新統人工填土覆蓋，表層下有沖積層黏性土、粉質黏土、砂土及卵石土，下伏基巖為白堊系上統灌口組泥巖、泥質砂巖。區間掘進斷面主要以卵石層(中密)為主，局部夾有密實粉細砂，土質結構松散，黏聚力低。現場使用C、D兩種泡沫劑。

2 數據統計與分析

2.1 數據統計

根據盾構施工現場記錄，統計2個區間正常穩定連續掘進時的盾構機泡沫參數及掘進參數。首先，對不同的原液比例、泡沫流量及膨脹率等泡沫參數作單因素方差分析。經計算，在各影響因素檢驗水平ɑ=0.05條件下，均方比Fα值如表1所示。

表1 不同泡沫參數對掘進參數的顯著性判斷

由表1可見，泡沫參數對盾構推力和刀盤扭矩具有顯著差異性，且原液比例對掘進參數的影響最大。即提高原液比例大小，能夠明顯降低盾構推力和刀盤扭矩。依照不同泡沫劑原液比例水平，進行平均值計算處理。處理結果見表2。

表2 不同泡沫原液比例的盾構推力及刀盤扭矩

2.2 數據分析

根據顯著性判斷，原液比例對掘進參數影響最大，且在泡沫參數一定范圍內，原液比例與掘進參數具有高度線性相關性。依據統計數據，通過回歸計算得到使用不同泡沫劑時原液比例與掘進參數間的線性關系(見圖1～2)。

注:R為相關性系數

圖2 刀盤扭矩與原液比例線性關系

根據對現場數據的進一步計算分析，在不考慮泡沫劑種類情況下，原液比例每提高1%，盾構推力平均減小1 709.6 kN，刀盤扭矩平均減小316.5 kN·m。在粉質黏土地層中，原液比例每提高1%，盾構推力平均減小1 828.9 kN，刀盤扭矩平均減小422.4 kN·m;在砂卵石地層中，原液比例每提高1%，盾構推力平均減小1 590.3 kN，刀盤扭矩平均減小210.5 kN·m。

3 結語

本文通過對成都地鐵3號線及7號線部分區間的現場數據進行統計分析發現：盾構推力和刀盤扭矩是盾構掘進過程控制中最為重要的掘進參數；在泡沫參數中，原液比例對掘進參數的影響最大；經分析盾構推力、刀盤扭矩與原液比例具有高度線性相關性。