盾構(gòu)用泡沫性能的試驗(yàn)研究

李小峰

（鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450052）

1 概述

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)具有開挖速度快、勞動強(qiáng)度低、環(huán)境影響小及施工經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，在地鐵隧道開挖方面得到了廣泛的應(yīng)用。北京地區(qū)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(gòu)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(shí)現(xiàn)開挖面土壓力的動態(tài)平衡。在圓礫、卵石地層中，土壓平衡盾構(gòu)施工中刀盤旋轉(zhuǎn)切削下來的碴土塑流性差，設(shè)定的工作壓力不能順利地傳遞到掌子面，不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動態(tài)平衡，掌子面容易失穩(wěn)，導(dǎo)致發(fā)生超挖現(xiàn)象。

1.2 盾構(gòu)機(jī)及螺旋輸送機(jī)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(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩過大，當(dāng)?shù)侗P停止一段時間后重新啟動時，會產(chǎn)生刀盤被“抱死”現(xiàn)象，即刀盤不能轉(zhuǎn)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(jìn)行土體改良，隨著土體改良的發(fā)展，泡沫因其高效、無污染和經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用，成為盾構(gòu)施工主要的添加劑；本文通過研制新型的適用于室內(nèi)發(fā)泡的泡沫裝置，對施工中使用的兩種泡沫的性能進(jìn)行對比，為施工中合理選擇泡沫提供參考。

2 試驗(yàn)材料的制備

2.1 泡沫裝置的研制

本試驗(yàn)根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)中發(fā)泡裝置，結(jié)合國內(nèi)外室內(nèi)發(fā)泡裝置的研究經(jīng)驗(yàn)自行研制了可以進(jìn)行室內(nèi)發(fā)泡的試驗(yàn)裝置。

圖1 泡沫

本裝置分為兩個系統(tǒng)，氣體系統(tǒng)和液體系統(tǒng)。壓縮空氣是通過空氣壓縮機(jī)生成，發(fā)泡液通過增壓泵輸出，并通過各自系統(tǒng)的閥門調(diào)成特定的壓強(qiáng)和流量，壓縮空氣和發(fā)泡液在混合器中混合形成氣液混合體，通過發(fā)泡裝置生成泡沫。本裝置可以通過調(diào)節(jié)氣體和液體的流量和壓強(qiáng)、以及發(fā)泡裝置中網(wǎng)格的大小，生產(chǎn)出不同發(fā)泡倍率和穩(wěn)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(yàn)

發(fā)泡倍率和半衰期是評價泡沫性能的兩個重要參數(shù)，發(fā)泡倍率（ER）是指一定體積的發(fā)泡液所發(fā)出的氣泡體積與發(fā)泡液體積的比值，是發(fā)泡液發(fā)泡效力的指標(biāo)。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(wěn)定性的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)參照歐洲的測量標(biāo)準(zhǔn)，利用半衰期實(shí)驗(yàn)和發(fā)泡倍率實(shí)驗(yàn)測得這兩個參數(shù)，本試驗(yàn)所用的發(fā)泡液是國內(nèi)某公司生產(chǎn)的發(fā)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(gòu)施工的要求。

3.1 泡沫隨時間的變化規(guī)律

圖2 泡沫質(zhì)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(wěn)定，基本上沒有破滅，而且穩(wěn)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(dāng)發(fā)泡液濃度較低時，泡沫的衰落速度比較快，當(dāng)發(fā)泡液濃度大于3%時，泡沫的衰落速度明顯減慢，泡沫的穩(wěn)定性較好，發(fā)泡液濃度對泡沫的穩(wěn)定性與性能有顯著的影響。

3.2 氣體流量對泡沫性質(zhì)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(fā)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(fā)泡倍率減小，單個泡沫的質(zhì)量增加，即泡沫壁增厚或體積增大。

圖3 半衰期與氣量的關(guān)系

圖4 倍率與氣量關(guān)系

由于泡沫的破滅主要受重力作用，質(zhì)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(dāng)氣體流量減小時，發(fā)泡液發(fā)泡更加充分，泡沫顯得“干燥”，相應(yīng)的穩(wěn)定性更好。

3.3 發(fā)泡液濃度對泡沫性質(zhì)的影響

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

發(fā)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?yàn)殡S著發(fā)泡液濃度增大，發(fā)泡液粘稠性增強(qiáng)，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(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：

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

（2）當(dāng)發(fā)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(fā)泡液的濃度越大越好，反而造成發(fā)泡液的浪費(fèi)。

總體上說，濃度對泡沫的發(fā)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(dāng)發(fā)泡液濃度為2%-3%時，最為理想。

3.4 兩種泡沫性質(zhì)的對比

從圖7可以看出，發(fā)泡倍率隨著發(fā)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(dá)到100%。兩種泡沫的發(fā)泡倍率隨發(fā)泡液濃度變化規(guī)律相似。

圖7 兩種泡沫發(fā)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(fā)泡倍率方面，兩種泡沫的性能相近。從發(fā)泡液的形態(tài)來看，foam1發(fā)泡原液較稀薄，容易流動；foam2發(fā)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(fā)泡液的性能比foam2發(fā)泡液強(qiáng)，更適合于盾構(gòu)施工的要求。

結(jié)語

本研究使用室內(nèi)發(fā)泡裝置成功生產(chǎn)泡沫，并研究了泡沫的性質(zhì)與發(fā)泡劑溶液的關(guān)系，最終得到發(fā)泡液濃度為2%-3%的泡沫應(yīng)用于土壓平衡盾構(gòu)施工較為理想。通過對兩種施工中正在使用的泡沫的發(fā)泡倍率、半衰期等性能指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果表明foam1的性能比foam2發(fā)泡液更好，更適合于盾構(gòu)施工的要求。

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