土壓平衡盾構(gòu)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(fā)了一種土壓平衡盾構(gòu)用新型泡沫劑，并與進(jìn)口泡沫劑、國產(chǎn)原泡沫劑的發(fā)泡倍率和半衰期進(jìn)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(shù)的測試，對改良效果進(jìn)行了評價。結(jié)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(shù)可使改良土體的滲透系數(shù)減小至10-6 m·s-1量級，3 h塌落度值最大可達(dá)11.25 cm，改良粘土的外摩擦角可降至29°左右。

關(guān)鍵詞：隧道；土壓平衡盾構(gòu)；泡沫劑；土體改良

中圖分類號：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

目前中國正處于隧道工程建設(shè)迅猛發(fā)展的重要時期，而土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)則是隧道建設(shè)施工的關(guān)鍵組成部分。這一技術(shù)的關(guān)鍵是土體的塑性流動狀態(tài)[1]，而對于在施工中不易形成塑性流動狀態(tài)的土體，解決的辦法通常是向壓力艙內(nèi)、刀盤前方和螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入一定的泡沫劑進(jìn)行改良。較早研究土壓平衡盾構(gòu)用泡沫劑的是日本和歐洲一些擁有先進(jìn)盾構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)達(dá)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(jìn)行了研究；隨后，S.Quebaud和劍橋大學(xué)的Bargh指出泡沫劑在減少噴涌事故與改善盾構(gòu)工作性能等方面可發(fā)揮重要作用，S.Quebaud還構(gòu)建了關(guān)于泡沫砂土的試驗(yàn)方案，通過室內(nèi)試驗(yàn)評價了不同種類泡沫劑的優(yōu)劣。英國對泡沫劑的研究主要集中在不同土體條件下力學(xué)性能的評估。

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

1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)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(zhì)量比配制而成的，進(jìn)口泡沫劑來自法國某公司，國產(chǎn)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(yàn)前需對粘土進(jìn)行105 ℃烘干24 h、破碎、篩分取2 mm篩下料備用等處理。

本試驗(yàn)測試內(nèi)容包括泡沫劑半衰期、泡沫劑發(fā)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(wěn)定性的重要指標(biāo)，半衰期越長，泡沫劑穩(wěn)定性越好。

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

（3） 粘土的滲透性系數(shù)測量試驗(yàn)是在以達(dá)西公式為理論基礎(chǔ)自制而成的常水頭滲透試驗(yàn)儀[2-4]上完成的，試驗(yàn)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(yàn)對比了自制泡沫劑、進(jìn)口泡沫劑以及國產(chǎn)原泡沫劑的發(fā)泡倍率和半衰期隨泡沫濃度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖3、4所示。

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

3 粘土改良試驗(yàn)

3.1 滲透性改良試驗(yàn)

粘土的含水率對滲透性的影響顯著，試驗(yàn)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(shù)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(shù)最小，阻水性能最優(yōu)，因此確定含水率為16.5%，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行泡沫對粘土滲透性的改良試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

泡沫劑對粘土的滲透性改良試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果表明：當(dāng)含水率和泡沫注入率（FIR）相同時，粘土的滲透系數(shù)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(shù)最?。划?dāng)含水率和泡沫濃度相同時，粘土的滲透系數(shù)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(shù)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(shù)最小，只有2.19×10-6 m·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改良前粘土的滲透系數(shù)7.59×10-5 m·s-1，滿足盾構(gòu)施工所要求的土體滲透系數(shù)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(yàn)

利用泡沫對粘土的塑流性進(jìn)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(gòu)所用的發(fā)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(shù)，提高土體塑流性。此外，注入土體孔隙中的氣泡很像機(jī)器里的軸承，對粘土的微片層疊聚體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“軸承效應(yīng)”，能夠提高土體的流動性。

改良土的理想塑性流動狀態(tài)是由泡沫注入率和地層含水量共同決定的，當(dāng)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(yàn)所需的含水率，首先進(jìn)行了不同含水率下粘土塑流性的試驗(yàn)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(yàn)的塌落程度來衡量，結(jié)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(dāng)超出一定范圍時，會出現(xiàn)離析現(xiàn)象；而在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，未見離析現(xiàn)象，因此本試驗(yàn)確定含水率為35%，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行泡沫對粘土塑流性的改良試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。endprint

泡沫劑對粘土的塑流性改良試驗(yàn)結(jié)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(yàn)范圍內(nèi)未見離析現(xiàn)象，說明改良土的塌落狀態(tài)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(fā)生離析的范圍內(nèi)，塌落度越大，說明泡沫粘土的塑流性越好，這一點(diǎn)可以從上述“摩擦潤滑效應(yīng)”和“軸承效應(yīng)”得到合理解釋。另外，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過泡沫改良后的粘土的塌落度值3 h可達(dá)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(nèi)（理想的塑流性粘土的合理塌落度值應(yīng)在10～16 cm之間），說明自制泡沫劑在改善粘土塑流性方面發(fā)揮了很大作用。

3.3 外摩擦角試驗(yàn)

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(gòu)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(gòu)機(jī)排渣系統(tǒng)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(yàn)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(yàn)的基礎(chǔ)，試驗(yàn)結(jié)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(shù)量的增多而得到加強(qiáng)。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(jié) 語

（1） 泡沫劑的濃度是影響半衰期和發(fā)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(fā)泡倍率隨著泡沫劑濃度的增加而增大。自制泡沫劑的發(fā)泡倍率略低于進(jìn)口泡沫劑，但其半衰期卻大于進(jìn)口和國產(chǎn)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(shù)最小，只有2.19×10-6 m·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改良前的粘土滲透系數(shù)7.59×10-5 m·s-1，完全滿足盾構(gòu)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(fā)揮著很大作用，經(jīng)過泡沫改良后的粘土塌落度值3 h可達(dá)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(xiàn)：

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

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[4] 閆 鑫，龔秋明，姜厚停.土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫改良砂土的試驗(yàn)研究[J].地下空間與工程學(xué)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(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，329（12）：79-84.

[責(zé)任編輯：王玉玲]endprint

泡沫劑對粘土的塑流性改良試驗(yàn)結(jié)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(yàn)范圍內(nèi)未見離析現(xiàn)象，說明改良土的塌落狀態(tài)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(fā)生離析的范圍內(nèi)，塌落度越大，說明泡沫粘土的塑流性越好，這一點(diǎn)可以從上述“摩擦潤滑效應(yīng)”和“軸承效應(yīng)”得到合理解釋。另外，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過泡沫改良后的粘土的塌落度值3 h可達(dá)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(nèi)（理想的塑流性粘土的合理塌落度值應(yīng)在10～16 cm之間），說明自制泡沫劑在改善粘土塑流性方面發(fā)揮了很大作用。

3.3 外摩擦角試驗(yàn)

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(gòu)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(gòu)機(jī)排渣系統(tǒng)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(yàn)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(yàn)的基礎(chǔ)，試驗(yàn)結(jié)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(shù)量的增多而得到加強(qiáng)。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(jié) 語

（1） 泡沫劑的濃度是影響半衰期和發(fā)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(fā)泡倍率隨著泡沫劑濃度的增加而增大。自制泡沫劑的發(fā)泡倍率略低于進(jìn)口泡沫劑，但其半衰期卻大于進(jìn)口和國產(chǎn)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(shù)最小，只有2.19×10-6 m·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改良前的粘土滲透系數(shù)7.59×10-5 m·s-1，完全滿足盾構(gòu)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(fā)揮著很大作用，經(jīng)過泡沫改良后的粘土塌落度值3 h可達(dá)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。

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泡沫劑對粘土的塑流性改良試驗(yàn)結(jié)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(yàn)范圍內(nèi)未見離析現(xiàn)象，說明改良土的塌落狀態(tài)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(fā)生離析的范圍內(nèi)，塌落度越大，說明泡沫粘土的塑流性越好，這一點(diǎn)可以從上述“摩擦潤滑效應(yīng)”和“軸承效應(yīng)”得到合理解釋。另外，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過泡沫改良后的粘土的塌落度值3 h可達(dá)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(nèi)（理想的塑流性粘土的合理塌落度值應(yīng)在10～16 cm之間），說明自制泡沫劑在改善粘土塑流性方面發(fā)揮了很大作用。

3.3 外摩擦角試驗(yàn)

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(gòu)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(gòu)機(jī)排渣系統(tǒng)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(yàn)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(yàn)的基礎(chǔ)，試驗(yàn)結(jié)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(shù)量的增多而得到加強(qiáng)。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(jié) 語

（1） 泡沫劑的濃度是影響半衰期和發(fā)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(fā)泡倍率隨著泡沫劑濃度的增加而增大。自制泡沫劑的發(fā)泡倍率略低于進(jìn)口泡沫劑，但其半衰期卻大于進(jìn)口和國產(chǎn)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(shù)最小，只有2.19×10-6 m·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改良前的粘土滲透系數(shù)7.59×10-5 m·s-1，完全滿足盾構(gòu)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(fā)揮著很大作用，經(jīng)過泡沫改良后的粘土塌落度值3 h可達(dá)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(xiàn)：

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