盾構用泡沫性能的試驗研究

李小峰

（鄭州市交通規劃勘察設計研究院，河南 鄭州 450052）

1 概述

土壓平衡盾構機具有開挖速度快、勞動強度低、環境影響小及施工經濟的優點，在地鐵隧道開挖方面得到了廣泛的應用。北京地區為砂層、卵石層與粘性土地層并存的地層條件，特別在圓礫、卵石地層中，土壓平衡盾構施工遇到了不同程度的困難。主要有以下幾個方面：

1.1 難以實現開挖面土壓力的動態平衡。在圓礫、卵石地層中，土壓平衡盾構施工中刀盤旋轉切削下來的碴土塑流性差，設定的工作壓力不能順利地傳遞到掌子面，不易實現連續的動態平衡，掌子面容易失穩，導致發生超挖現象。

1.2 盾構機及螺旋輸送機扭矩過大問題。圓礫、卵石地層觸動后會變得松軟，顆粒較大的卵石容易在刀盤底部堆積，使得盾構機運轉扭矩過大，當刀盤停止一段時間后重新啟動時，會產生刀盤被“抱死”現象，即刀盤不能轉動。

1.3 刀具的異常磨損及磨損過快的問題。由于卵石本身的高摩擦性、刀具與卵石的沖擊作用及開挖后渣土對刀具的抱死作用，容易造成刀具的過快磨損、刀具的沖擊磨損、滾刀的偏磨及刀盤的異常磨損。

解決這些問題的主要途徑就是進行土體改良，隨著土體改良的發展，泡沫因其高效、無污染和經濟等方面的優勢得到了廣泛的應用，成為盾構施工主要的添加劑；本文通過研制新型的適用于室內發泡的泡沫裝置，對施工中使用的兩種泡沫的性能進行對比，為施工中合理選擇泡沫提供參考。

2 試驗材料的制備

2.1 泡沫裝置的研制

本試驗根據土壓平衡盾構機中發泡裝置，結合國內外室內發泡裝置的研究經驗自行研制了可以進行室內發泡的試驗裝置。

圖1 泡沫

本裝置分為兩個系統，氣體系統和液體系統。壓縮空氣是通過空氣壓縮機生成，發泡液通過增壓泵輸出，并通過各自系統的閥門調成特定的壓強和流量，壓縮空氣和發泡液在混合器中混合形成氣液混合體，通過發泡裝置生成泡沫。本裝置可以通過調節氣體和液體的流量和壓強、以及發泡裝置中網格的大小，生產出不同發泡倍率和穩定性的泡沫。由該泡沫裝置制成的泡沫如圖1所示。

3 泡沫試驗

發泡倍率和半衰期是評價泡沫性能的兩個重要參數，發泡倍率（ER）是指一定體積的發泡液所發出的氣泡體積與發泡液體積的比值，是發泡液發泡效力的指標。半衰期是指泡沫破滅到原來重量一半時所用的時間，是評價泡沫的穩定性的重要指標。本試驗參照歐洲的測量標準，利用半衰期實驗和發泡倍率實驗測得這兩個參數，本試驗所用的發泡液是國內某公司生產的發泡劑。研究表明泡沫的半衰期大于5分鐘就能滿足土壓平衡盾構施工的要求。

3.1 泡沫隨時間的變化規律

圖2 泡沫質量隨時間的變化

從圖2可以看出：

（1）泡沫在最初的3~4分鐘期間，性能穩定，基本上沒有破滅，而且穩定的時間隨著濃度的增加而增長；泡沫從開始衰落到半衰期期間，氣泡破滅的速度比較快，過了半衰期后破滅的速度趨于緩和。

（2）當發泡液濃度較低時，泡沫的衰落速度比較快，當發泡液濃度大于3%時，泡沫的衰落速度明顯減慢，泡沫的穩定性較好，發泡液濃度對泡沫的穩定性與性能有顯著的影響。

3.2 氣體流量對泡沫性質的影響

如圖3、4所示，隨著氣體流量從24ml/ min減小到15ml/min，半衰期從9分35秒增加到10分50秒。泡沫的發泡倍率明顯的減大，從20增加到27左右。可以看出：隨著氣體流量增大，泡沫發泡倍率減小，單個泡沫的質量增加，即泡沫壁增厚或體積增大。

圖3 半衰期與氣量的關系

圖4 倍率與氣量關系

由于泡沫的破滅主要受重力作用，質量大的泡沫破滅速度較快，故泡沫的半衰期隨著氣體流量的增大而縮短，相反當氣體流量減小時，發泡液發泡更加充分，泡沫顯得“干燥”，相應的穩定性更好。

3.3 發泡液濃度對泡沫性質的影響

隨著發泡液濃度從1%增加到6%，泡沫的發泡倍率明顯增大從11增加到22左右，特別是當濃度從1%增加到3%，發泡倍率增加最為明顯；發泡液濃度繼續增大時，發泡倍率增加較緩慢；濃度大于5%時，發泡倍率幾乎不變。

發泡液濃度從1%增加到3%，泡沫的半衰期從9分鐘延長到10分鐘14秒，但濃度再增大時，泡沫的半衰期反而減小，并維持在9分38秒左右。主要是因為隨著發泡液濃度增大，發泡液粘稠性增強，泡沫的延展性變好，泡沫的直徑變大，也容易破滅。

通過以上試驗可以發現：

（1）當其他條件一定時，泡沫的發泡倍率隨著發泡液濃度的增加而明顯的增大，發泡液濃度較低時，發泡倍率變化最明顯，但存在一個臨界濃度，當發泡液濃度達到這個濃度時（發泡液濃度為5%），發泡倍率僅有輕微的變化。

（2）當發泡液超過一定的濃度時，泡沫的半衰期有所降低，從這個角度看，并不是發泡液的濃度越大越好，反而造成發泡液的浪費。

總體上說，濃度對泡沫的發泡倍率有明顯的影響，但是對泡沫的半衰期影響不大。可以得到當發泡液濃度為2%-3%時，最為理想。

3.4 兩種泡沫性質的對比

從圖7可以看出，發泡倍率隨著發泡液濃度的增加而有明顯的增加，foam1從11增加到22左右，foam2從10增加到23左右，增幅達到100%。兩種泡沫的發泡倍率隨發泡液濃度變化規律相似。

圖7 兩種泡沫發泡倍率的比較

從圖8兩種泡沫的比較來看，兩種泡沫的半衰期差距比較大，平均相差1分鐘左右。在發泡倍率方面，兩種泡沫的性能相近。從發泡液的形態來看，foam1發泡原液較稀薄，容易流動；foam2發泡原液比較粘稠，不易流動。

圖8 兩種泡沫半衰期比較

可以得到，foam1發泡液的性能比foam2發泡液強，更適合于盾構施工的要求。

結語

本研究使用室內發泡裝置成功生產泡沫，并研究了泡沫的性質與發泡劑溶液的關系，最終得到發泡液濃度為2%-3%的泡沫應用于土壓平衡盾構施工較為理想。通過對兩種施工中正在使用的泡沫的發泡倍率、半衰期等性能指標進行測試，結果表明foam1的性能比foam2發泡液更好，更適合于盾構施工的要求。

[1]張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]宋克志，汪波，孔恒，袁大軍，王夢恕.無水砂卵石地層土壓盾構施工泡沫技術研究.巖石力學與工程學報 [J]，2005，24（13）：2327~ 2332.

[3]郭濤.盾構用發泡劑性能方法評價及研究[J].大連：河海大學，2005.