土壓平衡盾構泡沫劑性能與改良效能評價

張禮華+劉來寶+周永生

摘 要：開發了一種土壓平衡盾構用新型泡沫劑，并與進口泡沫劑、國產原泡沫劑的發泡倍率和半衰期進行了比較，通過對改良后的粘土的滲透性、流動性、外摩擦角等參數的測試，對改良效果進行了評價。結果表明：自制新型泡沫劑對粘土的改良效果顯著，合理地控制參數可使改良土體的滲透系數減小至10-6 m·s-1量級，3 h塌落度值最大可達11.25 cm，改良粘土的外摩擦角可降至29°左右。

關鍵詞：隧道；土壓平衡盾構；泡沫劑；土體改良

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：B

0 引 言

目前中國正處于隧道工程建設迅猛發展的重要時期，而土壓平衡盾構技術則是隧道建設施工的關鍵組成部分。這一技術的關鍵是土體的塑性流動狀態[1]，而對于在施工中不易形成塑性流動狀態的土體，解決的辦法通常是向壓力艙內、刀盤前方和螺旋輸送機內注入一定的泡沫劑進行改良。較早研究土壓平衡盾構用泡沫劑的是日本和歐洲一些擁有先進盾構制造技術的發達國家。德國Maidl和法國S.Quebaud對泡沫劑的特性及其對土體性能的影響進行了研究；隨后，S.Quebaud和劍橋大學的Bargh指出泡沫劑在減少噴涌事故與改善盾構工作性能等方面可發揮重要作用，S.Quebaud還構建了關于泡沫砂土的試驗方案，通過室內試驗評價了不同種類泡沫劑的優劣。英國對泡沫劑的研究主要集中在不同土體條件下力學性能的評估。

到目前為止，國內自主開發的泡沫劑技術仍尚未成熟，所用的泡沫劑大多從德國、法國和日本進口，價格較高，因此，開發研制具有優異性能的新型泡沫劑已迫在眉睫。本文圍繞土壓平衡盾構用新型泡沫劑的開發和泡沫劑對土體的改良效果進行研究。

1 試驗內容

試驗用新型泡沫劑是按十二莞基硫酸鈉∶十二醇∶聚丙烯酰胺∶水=10∶0.8∶0.2∶89的質量比配制而成的，進口泡沫劑來自法國某公司，國產原泡沫劑來自上海某公司。粘土取自四川綿陽紅巖電站隧道口，試驗前需對粘土進行105 ℃烘干24 h、破碎、篩分取2 mm篩下料備用等處理。

本試驗測試內容包括泡沫劑半衰期、泡沫劑發泡倍率、粘土的滲透性、流動性以及外摩擦角等，具體解釋如下。

（1） 泡沫半衰期的測量：將泡沫劑與100 mL水生成的泡沫加入量筒，記錄量筒底部出液50 mL的時間，該時間即為泡沫半衰期，半衰期是衡量泡沫穩定性的重要指標，半衰期越長，泡沫劑穩定性越好。

（2） 發泡倍率：又稱泡沫倍數，是指一定體積（V0）發泡劑溶液攪拌20 min后所產生的泡沫體積V1與原液體積V0之比。發泡倍率是衡量發泡劑質量的另一項重要指標，發泡倍率越大，泡沫劑性能越好。

（3） 粘土的滲透性系數測量試驗是在以達西公式為理論基礎自制而成的常水頭滲透試驗儀[2-4]上完成的，試驗儀器如圖1所示。粘土的塑流性測量是參照測量混凝土和易性的塌落度方法確定的。粘土的外摩擦角測量采用自制外摩擦角測量儀[5]，如圖2所示。

2 自制泡沫劑性能評價

為了評價泡沫劑的性能好壞，本試驗對比了自制泡沫劑、進口泡沫劑以及國產原泡沫劑的發泡倍率和半衰期隨泡沫濃度的變化規律，結果如圖3、4所示。

不同濃度泡沫劑的發泡倍率結果表明：三種泡沫劑的半衰期及發泡倍率均與泡沫劑的濃度呈正相關，顯然，泡沫劑的濃度是影響半衰期和發泡倍率的因素之一；同時，不同種類的泡沫劑，其半衰期和發泡倍率也具有很大的差異。經過試驗對比，自制泡沫劑的發泡倍率雖然略低于價格昂貴的進口泡沫劑，但其半衰期卻是最長的，而國產泡沫劑的這兩項參數都是最差的，綜合兩項指標，并結合成本因素，后續試驗主要針對自制泡沫劑的土體改良效果進行研究。

3 粘土改良試驗

3.1 滲透性改良試驗

粘土的含水率對滲透性的影響顯著，試驗首先測定出不同含水率（15%、16.5%、18%）下未改良粘土的滲透系數分別為9.28×10-5、7.59×10-5、8.35×10-5 m·s-1，含水率為16.5%時粘土的滲透系數最小，阻水性能最優，因此確定含水率為16.5%，并在此基礎上進行泡沫對粘土滲透性的改良試驗，結果如圖5所示。

泡沫劑對粘土的滲透性改良試驗結果結果表明：當含水率和泡沫注入率（FIR）相同時，粘土的滲透系數是隨著泡沫劑濃度的增加先減小后增大的，在泡沫劑濃度為3%時，粘土的滲透系數最小；當含水率和泡沫濃度相同時，粘土的滲透系數也是隨著泡沫注入率的增加先減小后增加的，在泡沫注入率為30%時，粘土的滲透系數最小，阻水效果最佳。綜合來看，在粘土含水率為16.5%、泡沫注入率為30%及泡沫劑的濃度為3%時，粘土的滲透系數最小，只有2.19×10-6 m·s-1，遠遠小于改良前粘土的滲透系數7.59×10-5 m·s-1，滿足盾構施工所要求的土體滲透系數在10-5～10-6 m·s-1之間的條件。顯然，自制泡沫劑對粘土滲透性的改良效果顯著。

3.2 塑流性改良試驗

利用泡沫對粘土的塑流性進行改良，要求控制粘土的含水量在合適范圍，以保證粘土較好的塑流性和保水性。土壓平衡盾構所用的發泡劑溶液成分中含有金屬加工用的潤滑劑，能夠潤滑土體顆粒，降低土顆粒間的摩擦系數，提高土體塑流性。此外，注入土體孔隙中的氣泡很像機器里的軸承，對粘土的微片層疊聚體結構產生“軸承效應”，能夠提高土體的流動性。

改良土的理想塑性流動狀態是由泡沫注入率和地層含水量共同決定的，當土的含水量太低時，需要注入更多的泡沫，才能獲得理想的塑流性。為了初步確定試驗所需的含水率，首先進行了不同含水率下粘土塑流性的試驗測定。粘土的塑流性常用塌落度值隨時間的變化情況以及塌落試驗的塌落程度來衡量，結果如圖6所示。粘土的塌落度值是隨著含水率的增大而顯著提高的，但當超出一定范圍時，會出現離析現象；而在本試驗范圍內，未見離析現象，因此本試驗確定含水率為35%，在此基礎上進行泡沫對粘土塑流性的改良試驗，結果如圖7所示。endprint

泡沫劑對粘土的塑流性改良試驗結果圖7中的（a）、（b）、（c）分別是含水率為35%且泡沫劑濃度為2%、3%、4%時的粘土塌落度測量曲線。在試驗范圍內未見離析現象，說明改良土的塌落狀態良好。從圖中可以看出，隨時間的延長，粘土的塌落度值都逐漸變大。濃度相同的情況下，塌落度值是隨著泡沫注入率的增加而顯著增大的；而泡沫注入率相同的情況下，隨著泡沫劑濃度的增大，塌落度值也逐漸增大，即泡沫劑的濃度和泡沫注入率越大，粘土的塌落度值就越大，而在不發生離析的范圍內，塌落度越大，說明泡沫粘土的塑流性越好，這一點可以從上述“摩擦潤滑效應”和“軸承效應”得到合理解釋。另外，從圖7可以發現，經過泡沫改良后的粘土的塌落度值3 h可達11.25 cm（在含水率為35%、泡沫濃度為4%、泡沫注入率為40%的條件下獲得），而改良前的粘土的3 h塌落度值為1.5 cm左右，顯然，加入泡沫劑后，粘土的塌落度提高了7.5倍，并且控制在合理的范圍之內（理想的塑流性粘土的合理塌落度值應在10～16 cm之間），說明自制泡沫劑在改善粘土塑流性方面發揮了很大作用。

3.3 外摩擦角試驗

泡沫改良土體的另一個重要方面在于泡沫的潤滑作用，泡沫不僅能夠減小土、砂顆粒對盾構刀盤的磨損，還可以減少刀盤板面和刀具的磨損，防止切下來的泥土對刀盤的堵塞，并對刀具起到一定的潤滑和冷卻作用，同時減小對盾構機排渣系統中易損件的磨損。土顆粒與刀盤間的摩擦可以通過土的外摩擦角來衡量。

試驗測定了不同含水率對外摩擦角的影響，隨著粘土含水率的增大，粘土的外摩擦角逐漸減小。粘土的含水率為15%時，外摩擦角為44.5°；含水率為16.5%時，外摩擦角降為42°；含水率增加到18%時，外摩擦角降到40.5°，此時，土體潤滑性能最好。因此確定以含水率18%作為泡沫對粘土外摩擦角的改良試驗的基礎，試驗結果如圖8所示。

泡沫劑對粘土的外摩擦角影響由圖8可見，泡沫的加入可顯著降低粘土的外摩擦角。相同泡沫注入率下，泡沫粘土的外摩擦角是隨著泡沫劑濃度的增大而減小的；相同泡沫劑濃度下，泡沫注入率越高，粘土的外摩擦角越小，說明泡沫的潤滑作用隨著土中泡沫數量的增多而得到加強。在含水率18%、泡沫濃度4%、泡沫注入率30%的條件下，粘土的外摩擦角降到了29°左右，比改良前的粘土最小外摩擦角40.5°降低了11.5°，降幅超過25%，改良效果尤為突出。

4 結 語

（1） 泡沫劑的濃度是影響半衰期和發泡倍率的重要因素，泡沫劑的半衰期隨著泡沫濃度的增加而逐漸增長，泡沫劑的發泡倍率隨著泡沫劑濃度的增加而增大。自制泡沫劑的發泡倍率略低于進口泡沫劑，但其半衰期卻大于進口和國產原泡沫劑。

（2） 自制泡沫劑對粘土滲透性的改良效果顯著，在粘土含水率為16.5%、泡沫注入率為30%、泡沫劑濃度為3%時的粘土的滲透系數最小，只有2.19×10-6 m·s-1，遠遠小于改良前的粘土滲透系數7.59×10-5 m·s-1，完全滿足盾構隧道的要求值（10-5～10-6 m·s-1）。

（3） 自制泡沫劑在改善粘土塑流性方面發揮著很大作用，經過泡沫改良后的粘土塌落度值3 h可達11.25 cm，比相同條件下改良前的粘土塌落度值1.5 cm提高了7.5倍，且能控制在理想的塌落度值范圍（10～16 cm）。

（4） 自制泡沫劑可大大降低粘土的外摩擦角，在含水率18%、泡沫濃度4%、泡沫注入率30%的條件下，改良粘土的外摩擦角降到29°左右，比改良前的粘土最小外摩擦角40.5°降低幅度超過25%，改良效果尤為突出。

參考文獻：

[1] 劉大鵬. 新型泡沫對土壓平衡盾構土體改良作用評價[D].北京：中國礦業大學，2009.

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

[3] 王萬杰，束龍倉，王志華.河床沉積物滲透系數試驗研究[J].中國農村水利水電，2007（2）：140-142.

[4] 閆 鑫，龔秋明，姜厚停.土壓平衡盾構施工中泡沫改良砂土的試驗研究[J].地下空間與工程學報，2010，6（3）：449-453.

[5] 喬國剛，陶龍光，劉 波.泡沫改良富水砂層工程性質的實驗研究[J].現代隧道技術，2009，329（12）：79-84.

[責任編輯：王玉玲]endprint

泡沫劑對粘土的塑流性改良試驗結果圖7中的（a）、（b）、（c）分別是含水率為35%且泡沫劑濃度為2%、3%、4%時的粘土塌落度測量曲線。在試驗范圍內未見離析現象，說明改良土的塌落狀態良好。從圖中可以看出，隨時間的延長，粘土的塌落度值都逐漸變大。濃度相同的情況下，塌落度值是隨著泡沫注入率的增加而顯著增大的；而泡沫注入率相同的情況下，隨著泡沫劑濃度的增大，塌落度值也逐漸增大，即泡沫劑的濃度和泡沫注入率越大，粘土的塌落度值就越大，而在不發生離析的范圍內，塌落度越大，說明泡沫粘土的塑流性越好，這一點可以從上述“摩擦潤滑效應”和“軸承效應”得到合理解釋。另外，從圖7可以發現，經過泡沫改良后的粘土的塌落度值3 h可達11.25 cm（在含水率為35%、泡沫濃度為4%、泡沫注入率為40%的條件下獲得），而改良前的粘土的3 h塌落度值為1.5 cm左右，顯然，加入泡沫劑后，粘土的塌落度提高了7.5倍，并且控制在合理的范圍之內（理想的塑流性粘土的合理塌落度值應在10～16 cm之間），說明自制泡沫劑在改善粘土塑流性方面發揮了很大作用。

3.3 外摩擦角試驗

泡沫改良土體的另一個重要方面在于泡沫的潤滑作用，泡沫不僅能夠減小土、砂顆粒對盾構刀盤的磨損，還可以減少刀盤板面和刀具的磨損，防止切下來的泥土對刀盤的堵塞，并對刀具起到一定的潤滑和冷卻作用，同時減小對盾構機排渣系統中易損件的磨損。土顆粒與刀盤間的摩擦可以通過土的外摩擦角來衡量。

試驗測定了不同含水率對外摩擦角的影響，隨著粘土含水率的增大，粘土的外摩擦角逐漸減小。粘土的含水率為15%時，外摩擦角為44.5°；含水率為16.5%時，外摩擦角降為42°；含水率增加到18%時，外摩擦角降到40.5°，此時，土體潤滑性能最好。因此確定以含水率18%作為泡沫對粘土外摩擦角的改良試驗的基礎，試驗結果如圖8所示。

泡沫劑對粘土的外摩擦角影響由圖8可見，泡沫的加入可顯著降低粘土的外摩擦角。相同泡沫注入率下，泡沫粘土的外摩擦角是隨著泡沫劑濃度的增大而減小的；相同泡沫劑濃度下，泡沫注入率越高，粘土的外摩擦角越小，說明泡沫的潤滑作用隨著土中泡沫數量的增多而得到加強。在含水率18%、泡沫濃度4%、泡沫注入率30%的條件下，粘土的外摩擦角降到了29°左右，比改良前的粘土最小外摩擦角40.5°降低了11.5°，降幅超過25%，改良效果尤為突出。

4 結 語

（1） 泡沫劑的濃度是影響半衰期和發泡倍率的重要因素，泡沫劑的半衰期隨著泡沫濃度的增加而逐漸增長，泡沫劑的發泡倍率隨著泡沫劑濃度的增加而增大。自制泡沫劑的發泡倍率略低于進口泡沫劑，但其半衰期卻大于進口和國產原泡沫劑。

（2） 自制泡沫劑對粘土滲透性的改良效果顯著，在粘土含水率為16.5%、泡沫注入率為30%、泡沫劑濃度為3%時的粘土的滲透系數最小，只有2.19×10-6 m·s-1，遠遠小于改良前的粘土滲透系數7.59×10-5 m·s-1，完全滿足盾構隧道的要求值（10-5～10-6 m·s-1）。

（3） 自制泡沫劑在改善粘土塑流性方面發揮著很大作用，經過泡沫改良后的粘土塌落度值3 h可達11.25 cm，比相同條件下改良前的粘土塌落度值1.5 cm提高了7.5倍，且能控制在理想的塌落度值范圍（10～16 cm）。

（4） 自制泡沫劑可大大降低粘土的外摩擦角，在含水率18%、泡沫濃度4%、泡沫注入率30%的條件下，改良粘土的外摩擦角降到29°左右，比改良前的粘土最小外摩擦角40.5°降低幅度超過25%，改良效果尤為突出。

參考文獻：

[1] 劉大鵬. 新型泡沫對土壓平衡盾構土體改良作用評價[D].北京：中國礦業大學，2009.

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

[3] 王萬杰，束龍倉，王志華.河床沉積物滲透系數試驗研究[J].中國農村水利水電，2007（2）：140-142.

[4] 閆 鑫，龔秋明，姜厚停.土壓平衡盾構施工中泡沫改良砂土的試驗研究[J].地下空間與工程學報，2010，6（3）：449-453.

[5] 喬國剛，陶龍光，劉 波.泡沫改良富水砂層工程性質的實驗研究[J].現代隧道技術，2009，329（12）：79-84.

[責任編輯：王玉玲]endprint

泡沫劑對粘土的塑流性改良試驗結果圖7中的（a）、（b）、（c）分別是含水率為35%且泡沫劑濃度為2%、3%、4%時的粘土塌落度測量曲線。在試驗范圍內未見離析現象，說明改良土的塌落狀態良好。從圖中可以看出，隨時間的延長，粘土的塌落度值都逐漸變大。濃度相同的情況下，塌落度值是隨著泡沫注入率的增加而顯著增大的；而泡沫注入率相同的情況下，隨著泡沫劑濃度的增大，塌落度值也逐漸增大，即泡沫劑的濃度和泡沫注入率越大，粘土的塌落度值就越大，而在不發生離析的范圍內，塌落度越大，說明泡沫粘土的塑流性越好，這一點可以從上述“摩擦潤滑效應”和“軸承效應”得到合理解釋。另外，從圖7可以發現，經過泡沫改良后的粘土的塌落度值3 h可達11.25 cm（在含水率為35%、泡沫濃度為4%、泡沫注入率為40%的條件下獲得），而改良前的粘土的3 h塌落度值為1.5 cm左右，顯然，加入泡沫劑后，粘土的塌落度提高了7.5倍，并且控制在合理的范圍之內（理想的塑流性粘土的合理塌落度值應在10～16 cm之間），說明自制泡沫劑在改善粘土塑流性方面發揮了很大作用。

3.3 外摩擦角試驗

泡沫改良土體的另一個重要方面在于泡沫的潤滑作用，泡沫不僅能夠減小土、砂顆粒對盾構刀盤的磨損，還可以減少刀盤板面和刀具的磨損，防止切下來的泥土對刀盤的堵塞，并對刀具起到一定的潤滑和冷卻作用，同時減小對盾構機排渣系統中易損件的磨損。土顆粒與刀盤間的摩擦可以通過土的外摩擦角來衡量。

試驗測定了不同含水率對外摩擦角的影響，隨著粘土含水率的增大，粘土的外摩擦角逐漸減小。粘土的含水率為15%時，外摩擦角為44.5°；含水率為16.5%時，外摩擦角降為42°；含水率增加到18%時，外摩擦角降到40.5°，此時，土體潤滑性能最好。因此確定以含水率18%作為泡沫對粘土外摩擦角的改良試驗的基礎，試驗結果如圖8所示。

泡沫劑對粘土的外摩擦角影響由圖8可見，泡沫的加入可顯著降低粘土的外摩擦角。相同泡沫注入率下，泡沫粘土的外摩擦角是隨著泡沫劑濃度的增大而減小的；相同泡沫劑濃度下，泡沫注入率越高，粘土的外摩擦角越小，說明泡沫的潤滑作用隨著土中泡沫數量的增多而得到加強。在含水率18%、泡沫濃度4%、泡沫注入率30%的條件下，粘土的外摩擦角降到了29°左右，比改良前的粘土最小外摩擦角40.5°降低了11.5°，降幅超過25%，改良效果尤為突出。

4 結 語

（1） 泡沫劑的濃度是影響半衰期和發泡倍率的重要因素，泡沫劑的半衰期隨著泡沫濃度的增加而逐漸增長，泡沫劑的發泡倍率隨著泡沫劑濃度的增加而增大。自制泡沫劑的發泡倍率略低于進口泡沫劑，但其半衰期卻大于進口和國產原泡沫劑。

（2） 自制泡沫劑對粘土滲透性的改良效果顯著，在粘土含水率為16.5%、泡沫注入率為30%、泡沫劑濃度為3%時的粘土的滲透系數最小，只有2.19×10-6 m·s-1，遠遠小于改良前的粘土滲透系數7.59×10-5 m·s-1，完全滿足盾構隧道的要求值（10-5～10-6 m·s-1）。

（3） 自制泡沫劑在改善粘土塑流性方面發揮著很大作用，經過泡沫改良后的粘土塌落度值3 h可達11.25 cm，比相同條件下改良前的粘土塌落度值1.5 cm提高了7.5倍，且能控制在理想的塌落度值范圍（10～16 cm）。

（4） 自制泡沫劑可大大降低粘土的外摩擦角，在含水率18%、泡沫濃度4%、泡沫注入率30%的條件下，改良粘土的外摩擦角降到29°左右，比改良前的粘土最小外摩擦角40.5°降低幅度超過25%，改良效果尤為突出。

參考文獻：

[1] 劉大鵬. 新型泡沫對土壓平衡盾構土體改良作用評價[D].北京：中國礦業大學，2009.

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

[3] 王萬杰，束龍倉，王志華.河床沉積物滲透系數試驗研究[J].中國農村水利水電，2007（2）：140-142.

[4] 閆 鑫，龔秋明，姜厚停.土壓平衡盾構施工中泡沫改良砂土的試驗研究[J].地下空間與工程學報，2010，6（3）：449-453.

[5] 喬國剛，陶龍光，劉 波.泡沫改良富水砂層工程性質的實驗研究[J].現代隧道技術，2009，329（12）：79-84.

[責任編輯：王玉玲]endprint