泡沫劑原液比例對盾構(gòu)掘進參數(shù)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(gòu)掘進技術已經(jīng)廣泛應用[1]。土壓平衡盾構(gòu)主要掘進參數(shù)有掘進速度、盾構(gòu)推力、刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機扭矩和轉(zhuǎn)速及土艙壓力。土壓平衡盾構(gòu)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(gòu)掘進參數(shù)的關鍵技術。

碴土改良是在施工中不易形成塑性流動狀態(tài)的土體中，通過向壓力艙內(nèi)、刀盤前方和螺旋輸送機內(nèi)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(gòu)掘進速度，降低刀盤扭矩和盾構(gòu)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(gòu)泡沫劑相關研究中，現(xiàn)有研究多使用理論分析及統(tǒng)計優(yōu)化等手段來對掘進參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，而對泡沫劑使用參數(shù)的研究較少，且局限于碴土改良試驗，并未真正深入到盾構(gòu)掘進控制層面。本文以成都地鐵3號線和7號線部分區(qū)間為研究對象，通過長期跟蹤現(xiàn)場掘進情況，分析泡沫原液比例對掘進參數(shù)的影響。

1 工程地質(zhì)概況

本文研究區(qū)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(qū)間。該區(qū)間內(nèi),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(tǒng)灌口組泥巖。該區(qū)間掘進斷面主要以粉質(zhì)黏土和砂土為主，部分區(qū)段含有卵石和少量泥巖?，F(xiàn)場使用A、B兩種泡沫劑。

另一個研究區(qū)間為成都地鐵3號線龍橋路—雙鳳橋區(qū)間。該區(qū)間表層多為第四系全新統(tǒng)人工填土覆蓋，表層下有沖積層黏性土、粉質(zhì)黏土、砂土及卵石土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖、泥質(zhì)砂巖。區(qū)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(zhì)結(jié)構(gòu)松散，黏聚力低。現(xiàn)場使用C、D兩種泡沫劑。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)盾構(gòu)施工現(xiàn)場記錄，統(tǒng)計2個區(qū)間正常穩(wěn)定連續(xù)掘進時的盾構(gòu)機泡沫參數(shù)及掘進參數(shù)。首先，對不同的原液比例、泡沫流量及膨脹率等泡沫參數(shù)作單因素方差分析。經(jīng)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(shù)對掘進參數(shù)的顯著性判斷

由表1可見，泡沫參數(shù)對盾構(gòu)推力和刀盤扭矩具有顯著差異性，且原液比例對掘進參數(shù)的影響最大。即提高原液比例大小，能夠明顯降低盾構(gòu)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(jié)果見表2。

表2 不同泡沫原液比例的盾構(gòu)推力及刀盤扭矩

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)顯著性判斷，原液比例對掘進參數(shù)影響最大，且在泡沫參數(shù)一定范圍內(nèi)，原液比例與掘進參數(shù)具有高度線性相關性。依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，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(shù)間的線性關系(見圖1～2)。

注:R為相關性系數(shù)

圖2 刀盤扭矩與原液比例線性關系

根據(jù)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(gòu)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(zhì)黏土地層中，原液比例每提高1%，盾構(gòu)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(gòu)推力平均減小1 590.3 kN，刀盤扭矩平均減小210.5 kN·m。

3 結(jié)語

本文通過對成都地鐵3號線及7號線部分區(qū)間的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：盾構(gòu)推力和刀盤扭矩是盾構(gòu)掘進過程控制中最為重要的掘進參數(shù)；在泡沫參數(shù)中，原液比例對掘進參數(shù)的影響最大；經(jīng)分析盾構(gòu)推力、刀盤扭矩與原液比例具有高度線性相關性。