泡沫剂对土压平衡盾构主要掘进参数的影响研究

0.697 0.751
0.681 0.765
0.642 0.675
图 2 内摩擦角与泡沫剂浓度线性关系 Fig.2 Linear relationship between internal friction angle and
foam agent concentration
由试验数据可知，泡沫剂浓度增大 1%，渣土内 摩擦角减小约 2.43°，因此通过改良参数，可以达到 盾构所需要的渣土内摩擦角大小，进一步可以找出 泡沫剂改良参数与盾构掘进参数之间的关系。
主要地层为散体状强风化花岗岩、全风化花岗岩，残 积砂质粘性土、可塑状粘土，土质均匀性差，遇水软 化、崩解、强度急剧降低，自稳性差。地质断面图见 图 1。本文试验段在残积砂质粘性土地层中进行， 试验段渣土颗粒级配见表 1。
图 1 地质纵断面图 Fig.1 Geological longitudinal profile
现代隧道技术
MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY
文章编号：1009-6582（2021）03-0176-06
泡沫剂对土压平衡盾构主要掘进参数的影响研究
DOI: 10.13807/ki.mtt.2021.03.023
泡沫剂对土压平衡盾构主要掘进参数的影响研究
张 迅 1 贺雄飞 2，3
3.2 试验参数选定
由上述分析可知，在影响盾构机主要掘进参数 的因素中，与渣土改良因素有关的主要有：（1）内部 因素，土体内摩擦角和容重、弹性模量、泊松比、粘聚 力；（2）外部因素，土体与盾壳外部的摩擦系数[15]。
在考虑土体与盾壳外部的摩擦系数基本一致的 前提下，本文主要研究土体内部因素。因土体连续 变化的非均质性，其弹性模量和泊松比测定比较复 杂，很难精确测定，且没有代表意义，用线弹性模型 分析岩土问题本身就存在一定的局限性。国内外学 者在计算岩土问题时，多根据地层特性取经验参考 值，故本文在选取试验参数时不考虑土体的弹性模 量和泊松比。同时，因本试验段地质情况为残积砂 质粘性土，含有砂质颗粒无粘性土成分，考虑到其组 分较复杂，用粘聚力衡量砂质土不太合适，故不采用 粘聚力指标。渣土的内摩擦角越大，土体之间及土 体和设备之间的摩擦力越大，导致盾构推力和刀盘 扭矩变大，推进速度变慢，出土困难，设备磨损加快； 同时，采用泡沫剂对渣土改良后，其流动性和容重都 会发生变化，容重对盾构掘进参数是否有影响也需 要进一步进行试验研究。
根据计算得到的 R 值及其评判标准，在改良参数 一定范围内，泡沫剂浓度与改良后渣土内摩擦角具 有显著线性相关性。根据试验数据，计算改良后渣 土内摩擦角与泡沫剂浓度之间的关系如图 2 所示。
表 3 不同参数与内摩擦角的相关系数 R
Table 3 Correlation coefficients R of different
Table 4 Correlation coefficient R of different parameters with bulk density
型号 巴斯夫
浓度 0.892
注入比 0.879
气液比 0.657
PSA 西策齐和
0.721 0.694
0.792 0.707
0.744 0.658
DCA 平均值
5 掘进参数与泡沫参数的试验研究
5.1 泡沫剂参数对掘进参数影响分析 为了进一步研究每个泡沫系统参数对于盾构掘
进参数的影响程度，在厦门地铁 2 号线 3 标盾构掘进
178 第 58 卷第 3 期 (总第 398 期), 2021 年 6 月出版
Vol.58, No.3 (Total No.398), Jun.2021
五五区间左线第 630 环
渣土分析（/ %）
5.4 8.5 14.5
13.1
12.7
26.7
6.8
12.3
3 盾构机主要掘进参数与渣土改良参 数的关系
土压平衡盾构主要掘进参数有：盾构推力、刀盘 扭矩和转速、掘进速度、螺旋输送机扭矩和转速及土 舱压力等。其中，起主导作用的参数为盾构推力和 刀盘扭矩，因此，研究泡沫剂对盾构掘进参数的影 响，主要研究泡沫剂在一定掘进速度下对盾构推力 和刀盘扭矩的影响。
聚力，盾壳与土体间的
搅拌叶片直径、长度，覆土深度，到刀盘中心距离，盾壳与土体
摩擦系数
间的摩擦系数等
泡沫剂浓度、气液比和泡沫注入比[16]。
4 室内泡沫参数与渣土改良效果的关系
在室内条件下，更改泡沫剂浓度、气液比和泡沫 注入比，定量计算改良后土体的内摩擦角、容重大 小，并计算线性相关系数，确定泡沫剂参数与渣土改 良效果之间的线性相关程度。
用改变泡沫系统参数来改善掘进状况时，优先选择改变与掘进参数具有显著线性关系的泡沫浓度，来控制盾构推力
和刀盘扭矩达到合理的数值范围，保证盾构安全、顺利掘进。在该工程施工中，泡沫浓度每提高 1%，盾构推力平均
减小约 1 710 kN，刀盘扭矩平均减小约 316 kN∙m。
关键词 盾构施工 泡沫剂浓度 刀盘扭矩 盾构推力 土压平衡盾构
室内配比试验，并结合现场试验，研究泡沫剂浓度、气液比和泡沫注入比对改良土体的内摩擦角和容重的影响。结
果表明，泡沫剂浓度增大 1%，渣土内摩擦角减小约 2.43°；泡沫剂各参数对刀盘扭矩影响程度是泡沫浓度＞泡沫流
量＞膨胀率，对盾构推力影响程度是泡沫浓度＞膨胀率＞泡沫流量，泡沫浓度对两个掘进参数的影响都最大。当采
盾构掘进 主要参数
主要组成
主要影响因素

与渣土改良相关的 主要影响因素
刀盘面板阻力
刀盘直径，刀盘开口率，初始侧向土压力，挤压附加应力，推进 速度，刀盘分块数，刀盘转速，土体弹性模量，土体泊松比等 土体内摩擦角，土体容
盾构推力
刀盘开口处阻力
刀盘直径，刀盘开口率，土舱内胸板上的压力值，土舱长度，土 重，盾壳与土体间的摩
体内摩擦角，土体泊松比等
擦系数，土体弹性模
盾壳与周围地层摩阻力
盾壳与土体间的摩擦系数，土体容重，刀盘直径，主动土压力 系数，轴线埋深，主机长度，主机总重等
量，土体泊松比等
刀盘扭矩
刀盘正面摩擦扭矩 刀盘削土扭矩
刀盘搅拌扭矩
刀盘开口率，盾壳与土体间的摩擦系数，静止土压力系数等
刀盘直径，土体内摩擦角，土体粘聚力，推进速度，刀盘转速等 土体内摩擦角，土体粘
针对厦门地铁 2 号线 3 标地层选取巴斯夫、 PSA、西策齐和 DCA 四种有代表性的泡沫剂进行渣 土改良试验，分别计算内摩擦角、容重与泡沫剂浓 度、气液比和泡沫注入比之间的线性相关系数 R，结 果见表 3、表 4。
由表 3、表 4 中 R 的平均值可以得出，泡沫剂浓 度与改良后渣土内摩擦角具有显著线性相关性，泡 沫注入比和气液比与内摩擦角具有高度线性相关 性；泡沫剂浓度、泡沫注入比和气液比与改良后渣土 容重之间的线性关系不明显。
渣土的流动性、止水性、流塑性等性能直接影响 盾构机掘进效率、盾构机使用寿命及工程成本，通过
使用泡沫剂对渣土进行改良，可在一定程度上减小 刀盘扭矩和盾构推力，增大掘进速度，防止在粘性地 层掘进时渣土在刀盘上形成泥饼，堵塞土舱，提高整 体掘进效率和安全水平[5~9]。
目前大部分泡沫剂试验只针对渣土改良效果进 行研究[10]，对盾构掘进参数的影响缺乏系统研究，忽 视了“泡沫剂—渣土—盾构机”三者之间的内在联 系。通过研究“泡沫剂参数—渣土性质—掘进参数” 三者之间的影响规律，可实现施工现场“泡沫系统参 数调节→渣土改良效果→掘进参数变化”流程化控 制，极大地提高便捷程度和施工效率。因此，研究泡 沫剂对盾构掘进参数的影响（主要研究泡沫剂在一 定掘进速度下对盾构推力和刀盘扭矩的影响），是十 分必要的[11]。本文通过室内试验研究泡沫参数和渣 土性质的关系，通过现场试验研究泡沫参数和盾构 机主要掘进参数的关系，分析三者的内在关联，以达 到通过改变泡沫参数来调整盾构机掘进参数和状态 的目的。
（1 中铁隧道局集团有限公司，广州 511458；2 中铁隧道集团勘察设计研究院有限公司，广州 511458； 3 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室，广州 511458）
摘 要 为实现土压平衡盾构快速高效掘进，文章依托厦门地铁 2 号线 3 标湿地公园站—五缘湾站区间盾构
施工，进行盾构主要掘进参数的影响因素研究，分析了泡沫剂参数与盾构掘进参数的内在关系。通过 4 种泡沫剂的
Vol.58, No.3 (Total No.398), Jun.2021
现代隧道技术
MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY
泡沫剂对土压平衡盾构主要掘进参数的影响研究
表 2 盾构掘进参数的主要影响因素 Table 2 Main influencing factors of shield tunnelling parameters
修改稿返回日期：2020-08-15 基金项目：中国中铁股份有限公司科技开发计划重点课题（2013-重点-18）. 作者简介：张 迅（1981-），男，高级工程师，主要从事隧道与地下工程管理及研究方面的工作,E-mail：232269721@.
176 第 58 卷第 3 期 (总第 398 期), 2021 年 6 月出版
鉴于以上原因，本文研究中只考虑土体内摩擦 角和容重指标，即通过考察泡沫系统参数对改良土 体的内摩擦角和容重的影响，进一步分析其对盾构 掘进参数的影响。研究的泡沫系统参数主要有泡沫 浓度、膨胀率和泡沫流量，相对应的室内试验指标是
第 58 卷第 3 期 (总第 398 期) , 2021 年 6 月出版 177
表 1 试验段渣土颗粒分析结果
Table 1 Analysis results of soil particle in the test section
试样颗粒大小/mm >20 20～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 0.075～0.005 0.005～0.002 ＜0.002
3.1 盾构推力和刀盘扭矩影响因素
盾构推力和刀盘扭矩是土压平衡盾构施工中重 要的设计和控制参数，而盾构掘进过程中，刀盘面板 阻力、刀盘开口阻力和盾壳四周摩阻力是盾构推力 的主要构成部分[12，13]。
刀盘扭矩的影响因素很多，但影响较大的主要 有刀盘正面摩擦扭矩、刀盘削土扭矩和刀盘搅拌扭 矩三部分。
根据相关计算公式分析可得，盾构掘进参数的 主要影响因素见表 2，从表中可知，影响盾构推力和 渣土改良相关的因素有内摩擦角、容重、弹性模量、 泊松比以及土体与盾壳之间的摩擦系数；影响刀盘 扭矩和渣土改良相关的因素有内摩擦角、粘聚力和 土体与钢板之间的摩擦系数。
泡沫剂对土压平衡盾构主要掘进参数的影响研究
中图分类号：U455
文献标识码：A
1 引言
目前土压平衡盾构已经广泛应用于地下工程施 工中，与传统的暗挖法相比，盾构机能自动完成掘削 土层、输送渣土、管片支护等施工全过程[1]，具有施 工速度快、对周围土层扰动小等优点[2，3]。土压平衡 盾构工法的核心是土舱中的被动水土压力与掘削面 上的水土压力基本平衡，根据实时监测的土舱压力 调整掘进参数，进而控制土舱土量，达到控制土舱压 力的目的。其具体施工流程为：刀盘掘削的土体进 入土舱，充分混合后形成理想塑流性状态，通过控制 盾构机推进速度和螺旋排土器的转速来调整土舱内 渣土的土压力，以平衡掌子面上的土压力和水压力， 确保掘进过程中掌子面稳定，同时螺旋排土器将渣 土排出以实现连续掘进；一环掘进完毕后千斤顶收 缩，管片拼装器安装管片[4]。
parameters with internal friction angle
型号
浓度 注入比 气液比
巴斯夫
0.987
0.752
0.887
PSA
0.983
0.837
0.886
西策齐和
0.983
0.942
0.631
DCA 平均值
0.986 0.984
0.913 0.861
0.843 0.812
表 4 不同参数与容重的相关系数 R
Vol.58, No.3 (Total No.398), Jun.2021
泡沫剂对土压平衡盾构主要掘进参数的影响研究
现代隧道技术
MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY
2 工程概况
厦门地铁 2 号线3 标湿地公园站—五缘湾南站— 五缘湾站区间采用 2 台厦工中铁 CTE-6450 型复合式 土压平衡盾构机进行施工，开挖直径为 ϕ6 480 mm。