土压平衡式盾构机添加剂系统
摘要：本文介绍了土压平衡式盾构机添加剂系统的重要作用，分析粘土、膨润土，泡沫剂，高分子材料的特点及其注入量的计算，为盾构施工提供参考。
关键字：添加剂系统，膨润土，泡沫剂，高分子材料
正文：
一、土压平衡式盾构机添加剂系统的作用
目前我国应用的盾构机类型主要是土压平衡式盾构机，其原理是使开挖面切口环内被动土压力与开挖面刀盘外侧主动土压力保持平衡，因此要求作为支撑介质的土砂具有良好的塑流性。但是由于一般土壤不能完全满足这些特征，需要对其进行土体改良，具体技术方法就是在刀盘前部和土仓中注入水、膨润土、粘土、泡沫剂和高分子材料等添加材料，经刀盘搅拌改善开挖土砂的塑流性，并降低渣土的透水性。
一般土压平衡式盾构机不适用于渗透系数K>10-5m/s的土体,但是由于添加剂系统的发展正在不断扩大土压平衡式盾构机的适用范围。（如下图所示）
合理注入添加剂，能增加渣土塑流性，容易形成工作面动态土压平衡，有效控制地表沉降，改善刀盘、刀具、螺旋输送机的工作环境，改善土仓和螺旋输送机内渣土的性能，便于渣土的流动与运输，降低刀盘刀具和螺旋机的磨损，降低刀盘扭矩，降低了土仓内形成泥饼的可能性，降低土砂的透水性，使地下水更易于控制。
二、盾构施工中常用添加剂的种类
在盾构施工中添加剂的种类主要有粘土、膨润土、泡沫剂和高分子材料等。以下分别分析这几种添加剂的特点：
1.粘土、膨润土
膨润土主要成分是蒙脱石，具有层状结构，易吸水膨胀，并具有润滑性。它可以在工作面上形成低渗透性的泥膜，这样有利于给土仓传递工作面压力，以便其达到平衡压力，也可以改变土仓里渣土的塑流性，以便于出土，减少喷涌。盾壳周边充满膨润土，可以减少盾构推进力，提高有效推力；降低刀盘扭矩，节约能耗。
经济成本低是膨润土添加剂的最大特点，目前是我国盾构添加剂使用最广泛的材料。粘土、膨润土注入需用大型设备生产相当数量的膨润土泥浆，来保持盾构施工的生产能力，另外高含水率的膨润土泥浆和开挖土的混合物在对环境保护措施严格的国家被认定为污染物，我国尚未作出明确规定。
膨润土作用微观示意图
2.泡沫剂
泡沫剂是一种均质的液体发泡剂，经管道输送到泡沫发生器产生泡沫，从而增加渣土的粘滞性，改善刀盘的工作环境。泡沫中90%是空气，另外10%中的90%-99%是水分，剩下的才是发泡剂。渣土里的泡沫几天内就会完全分解，当泡沫分解完成后，注入泡沫后的渣土又回复到其原来的状态，便于运输。泡沫剂价格较贵，工程成本会相对较高。
泡沫在渣土颗粒间形成隔膜可以降低刀盘与渣土间的摩擦力，增强渣土的塑流性，有效防止可重塑的黏土结成泥饼。
泡沫剂作用微观示意图
3.高分子材料
高分子材料是一种长链分子的有机化合物。它可以单独使用，也可以与膨润土及泡沫剂混合使用。
高分子材料的特点是用量少，效果突出。它与切削土体中的粘土成分发生反应，产生团粒，改善土体的塑流性，降低摩擦力，有效降低渣土的透水性能，在水压较大的土层中也可适用（如下图所示）。在粘土成分少的砂、砂砾图层中，可与粘土、膨润土混合注入，达到改良土体的目的。同样高分子材料价格较贵，工程成本会相对较高。
添加剂耐水压差异性微观示意图
综上，总结各种添加剂如下表:
粘土、膨润土泡沫剂高分子材料
概要利用添加的胶质减摩效果，使开挖土塑性流动。利用界面活性材料产生的微小泡沫的润滑效果，改善开挖土体。利用粘稠、保水性好的高分子材料，形成团粒，改善开挖土体。
对应土层砂、砂砾岩层、粘土、淤泥，砂岩层、粘土，淤泥，砂，砂砾
特点价格低廉，用量大价格较贵，效果较好用量少，效果明显，价格较贵
存在问题需要大型设备拌合，存放占地不适用于水压较大的地层土层中需含有粘土
三、添加剂注入量
在盾构施工中，合理确定添加剂注入量是非常重要的。在欧洲采用添加剂注入量模拟试验的方法确定合理的注入量，在日本更是有一整套标准来确定复杂地层的添加剂注入量。以下以直径6.34米盾构机为例，分析确定添加剂注入量。
1.膨润土注入量
1盾构机外径6,340m
2切削直径6,370m
3管片宽度1,200m/1R
4盾构机掘进速度80mm/min
5加泥注入率最大20%
6盾构断面面积π/4×6.370231.85m2
7添加剂注入量/1m31.85m3/1m×20%6.37m3/1m
8添加剂注入量/1R6.37m3/1m×1.27.64m3/1R
9添加剂流量6.37m3/1m×0.08m/min510L/min
2.泡沫剂注入量
1盾构机外径6.340m
2切削直径6.370m
3管片宽度1.200m/1R
4盾构机掘进速度80mm/min
5土仓内压力0.05MPa
6泡沫注入比率40%
7浓度原浆/泡沫溶液3%
8发泡比率发泡/泡沫溶液10-20倍
9盾构断面面积π/4×6.370231.85m2
10泡沫注入量/1m31.85m2×1m×40%12.74m3
11空气注入量/1m（发泡比率1:20）12.74m3/1m×(19/20)×(0.1+0.1)/0.118.20Nm3
12空气注入量/1m(发泡比率1:10)12.74m3/1m×(9/10)×(0.1+0.1)/0.117.24Nm3
13溶液注入量/1m(发泡比率1:20)12.74m3/1m×(1/20)637L
14溶液注入量/1m(发泡比率1:10)12.74m3/1m×(1/10)1274L
15泡沫注入量/1R12.74m3/1m×1.2m/1R15.288m3
16空气注入量/1R(发泡比率1:20)18.20Nm3/1m×1.2m/1R21.84Nm3
17空气注入量/1R(发泡比率1:10)17.24Nm3/1m×1.2m/1R20.688Nm3
18溶液注入量/1R(发泡比率1:20)637L/1m×1.2m/1R764.4L
19溶液注入量/1R(发泡比率1:10)1274L/1m×1.2m/1R1528.8L
20原液注入量/1R(1:12)764.4L/1R×3%22.932L
21原液注入量/1R(1:8)1528.8L/1R×3%45.864L
22泡沫注入流量12.74m3/1m×0.08m/min1019.2L/min
23空气注入流量（发泡比1:20）18.20Nm3/1m×0.08m/min1456L/min
24空气注入流量（发泡比1:10）17.24Nm3/1m×0.08m/min1397.2L/min
25溶液注入流量（发泡比1:20）637L/1m×0.08m/min50.96L/min
26溶液注入流量（发泡比1:10）1274L/1m×0.08m/min101.92L/min
3.高分子材料注入量
1盾构机外径6,340m
2切削直径6,370m
3管片宽度1.200m/1R
4盾构机掘进速度80mm/min
5高分子溶液注入率15.0%
6浓度高分子原液/溶液0.10%
7盾构断面面积π/4×6.370231.85m2
8高分子溶液注入量/1m31.85m2×15.0%4.78m3
9高分子原液注入量/1m4.78m3/1m×0.10%4.78L
10高分子注入量/1R4.78m3/1m×1.200m/1R5.736m3/1R
11高分子原液注入量/1R4.78L/1m×1.200m/1R5.736L/1R
12高分子溶液注入流量4.78m3/1m×0.08m/min382L/min
13高分子原液注入流量4.78L/1m×0.08m/min0.382L/min
四、添加剂注入时应注意的事项
在盾构施工中，分析确定的添加剂注入量也不是一成不变的，我们有时也会根据排出渣土的状态和刀盘扭矩的情况适当增减注入量。如果刀盘扭矩偏大或者排渣不畅，可以适当增加注入量，反之减少。
五、结束语
通过以上研究分析，添加剂注入系统是盾构机众多系统中非常重要的一个系统，它直接关系到盾构机工作面上土压平衡的建立，对控制地面沉降有至关重要的作用。因此在盾构施工中我们必须合理选用适应地质条件、水文条件的添加剂，按照计算的注入量实施注入，根据实际情况增减注入量。在复杂地层中施工，分析隧道穿越不同埋深各种土质的含量，充分考虑水文条件的影响因素，选择一种或多种添加剂，按照一定的比例实施混合注入。
参考文献：
《盾构法隧道施工技术及应用》，周文波
《盾构隧道施工中外加剂的使用技术》，魏康林
《TAC加泥注浆手册》（日），TAC株式会社
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