頂管隧道砂土地層用高穩(wěn)定性泡沫劑的制備研究

侯茜茜，禹化偉，蔚寧哲，唐思偉

(1.深圳市交通工程試驗檢測中心有限公司，廣東 深圳 518049； 2.中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518000)

目前，盾構(gòu)法施工廣泛應(yīng)用于地鐵和城市道路等工程項目，盾構(gòu)包括TBM、泥水平衡盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)等多種形式，頂管也是一種盾構(gòu)形式，在市政隧道、人行通道、管涵工程方面應(yīng)用較多，多用于泥質(zhì)、砂質(zhì)地層。

在土壓平衡盾構(gòu)施工中，渣土改良是一項關(guān)鍵技術(shù)，良好的渣土改良方法及掘進參數(shù)控制，對掘進速率、地表穩(wěn)定、渣土外運、機械壽命有重要影響。

渣土改良方法主要有注水改良法、膨潤土改良法與泡沫改良法，其中，泡沫改良法應(yīng)用最為廣泛。

泡沫改良有以下幾個作用：泡沫注入刀盤前方，可改善土的流塑性，提高掘進速度，保證開挖土的順利排出；第二，泡沫可降低刀盤與土體的摩擦力，降低刀盤扭矩，對刀盤磨損有較大的改善作用；第三，泡沫的使用可降低渣土及前方地層的透水性，防止噴涌現(xiàn)象，保持地層穩(wěn)定。因此合理有效的使用發(fā)泡劑是提高盾構(gòu)施工工效的重要方法之一[1]。賈連輝通過對大斷面矩形頂管盾構(gòu)渣土泡沫改良試驗、膨潤土+泡沫改良試驗得出結(jié)論：對于下穿鄭州中州路項目粉土、粉細砂地層，采用泡沫和水的組合改良為最佳方法[2]。

國內(nèi)泡沫劑的品種主要有：松香膠泡沫劑、廢動物毛泡沫劑、樹脂皂類泡沫劑、水解血膠泡沫劑、石油硫酸鋁泡沫劑等[3]。目前的盾構(gòu)施工中，泡沫劑多為表面活性劑，且以陰離子表面活性劑占主要組分。表面活性劑是能使溶液表面張力顯著下降的物質(zhì)，有明顯的親水、親油基團，分離子型、非離子型，其中離子型表面活性又分為陰離子型、陽離子型、兩性型。常見的陰離子表面活性劑有羧酸鹽、硫酸鹽、磺酸鹽、磷酸酯鹽等，陽離子表面活性劑主要有胺鹽類，兩性型主要有氨基酸型和甜菜堿型，非離子表面活性劑主要有聚醚型和多元醇型。AES,SDS,AOS是幾種常用的陰離子表面活性劑，有很好的發(fā)泡力。CEDA是常用的非離子表面活性劑，具有較好的穩(wěn)泡及發(fā)泡性能。OA,CAB是常用的兩性表面活性劑，在酸性介質(zhì)中呈陽離子性，在堿性介質(zhì)中呈陰離子性。表面活性劑有良好的起泡性能和乳化性能，且有良好的生物降解性，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、日用化工、醫(yī)藥、建材、采礦等領(lǐng)域。表面活性劑的臨界膠束濃度CMC、油水平衡值HLB決定了其用途及性質(zhì)。

為應(yīng)對復(fù)雜多變的地層，在施工現(xiàn)場進行泡沫劑的復(fù)配生產(chǎn)比較普遍。例如，賀雄飛等研制出分散型泡沫劑DCA配方，使用了一種陰離子表面活性劑、一種非離子表面活性劑、兩種穩(wěn)泡劑、一種分散劑進行了泡沫劑的復(fù)配，對粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、泥巖等黏粒含量較高地層的刀盤防結(jié)泥餅效果明顯[4-5]。

現(xiàn)場復(fù)配生產(chǎn)泡沫劑有利于結(jié)合地質(zhì)情況對配方進行針對性調(diào)整，有利于材料成本控制和產(chǎn)品質(zhì)量控制。本文結(jié)合市場常用泡沫劑的配方情況，選用多種表面活性劑進行復(fù)配，并與某些市售產(chǎn)品及經(jīng)驗配方進行對比，以期得到一種起泡能力強、泡沫穩(wěn)定、砂土地層渣土改良效果好的泡沫劑，并確定相應(yīng)的檢驗評價方法，克服了常見的泡沫劑易破裂消散問題，為項目頂管機的順利掘進作好保障。

1 依托工程概況

1.1 工程簡介

珠海環(huán)屏路頂管隧道為超大斷面矩形土壓平衡盾構(gòu)頂管，下穿珠海大道，頂管隧道左右兩條長度均為188 m，結(jié)構(gòu)凈空寬度9 m，高度6.15 m，頂管管節(jié)結(jié)構(gòu)外尺寸為寬10.4 mm×高7.55 mm。

1.2 工程水文地質(zhì)

頂管隧道地面埋深平均為5 m。頂管隧道段自上而下分布的地層分別為：人工填土、粗砂、砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖等，隧道主要穿越粗砂及砂質(zhì)黏性土地層。

地下水主要以孔隙潛水和上層滯水為主。穩(wěn)定水位埋深在1.57 m～3.68 m，水位標(biāo)高在1.46 m～0.31 m。

2 泡沫劑的產(chǎn)品標(biāo)準及檢驗方法

2.1 常用的產(chǎn)品標(biāo)準及控制值

目前，國內(nèi)在泡沫劑方面無統(tǒng)一標(biāo)準，也無統(tǒng)一的試驗方法，不同的生產(chǎn)企業(yè)控制標(biāo)準也不一樣，關(guān)于泡沫劑的產(chǎn)品質(zhì)量參考標(biāo)準主要含GB/T 9985—2000手洗餐具用洗滌劑、JC/T 2199—2013泡沫混凝土用泡沫劑、JG/T 266—2011泡沫混凝土、QB/T 1224—2012衣料用液體洗滌劑、CECS 249:2008現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程、T/SCMES7—2020盾構(gòu)施工專用環(huán)保型泡沫劑；另外，部分泡沫劑生產(chǎn)企業(yè)所推行的企業(yè)標(biāo)準也具備一定借鑒價值，如廈門諾恩斯科技有限公司提出的Q/NOR002—2015盾構(gòu)泡沫劑，河北豐盾建筑材料有限公司提出的Q/FD001—2019盾構(gòu)泡沫劑，成都市康爾化工有限公司提出的Q/74362173-X.1-2017盾構(gòu)泡沫劑。各標(biāo)準所提出的檢測項目、檢測方法對比見表1。

2.2 檢驗方法

2.2.1 有效成分含量

各標(biāo)準除對pH、密度等勻質(zhì)性指標(biāo)有相似規(guī)定外，在有效成分含量方面，僅四川機械協(xié)會標(biāo)準作出了規(guī)定。有效成分是指產(chǎn)品配方中各材料的有效成分含量之和，指標(biāo)解讀與“濃度”“固體含量”接近，代表了泡沫劑原材料用量的多少。有效活性成分的檢驗，主要采用乙醇萃取法。實際工作中，采用烘干法、折光儀法檢測固體成分含量與之相似，但因表面活性劑中含有大量的可揮發(fā)成分，檢測偏差較大。

2.2.2 發(fā)泡能力

泡沫性能主要包括發(fā)泡能力與泡沫穩(wěn)定性，發(fā)泡能力常用發(fā)泡倍數(shù)或發(fā)泡力表示。

使用發(fā)泡機制泡時，發(fā)泡倍數(shù)與液體流量、空氣流量有關(guān)，發(fā)泡倍數(shù)可調(diào)，如郭彩霞等發(fā)明泡沫試驗裝置用以評價泡沫劑的發(fā)泡能力與泡沫穩(wěn)定性[6]。JC/T 2199—2013泡沫混凝土用泡沫劑規(guī)定了檢驗泡沫時的發(fā)泡倍數(shù)為15倍～30倍，CECS 249∶2008現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程要求泡沫密度為40 g/L～60 g/L，等效于發(fā)泡倍數(shù)為16.7倍～25倍，其發(fā)泡倍數(shù)的大小并不代表泡沫劑質(zhì)量的好壞，這里的發(fā)泡倍數(shù)一般作為檢驗其他指標(biāo)的基礎(chǔ)控制指標(biāo)，其本身并非檢驗評價指標(biāo)。

使用振蕩法、傾瀉法時，發(fā)泡倍數(shù)大小與有效成分濃度、表面活性劑的配比及性質(zhì)有關(guān)。此時的泡沫量可作為發(fā)泡力指標(biāo)，亦可稱為發(fā)泡倍數(shù)。

2.2.3 泡沫穩(wěn)定性

盾構(gòu)泡沫劑一般強調(diào)發(fā)泡能力、泡沫半衰期作為穩(wěn)定性指標(biāo)，其測試方法多采用泡沫質(zhì)量儀法進行。泡沫質(zhì)量儀為一廣口圓柱體容器，容積為5 L，內(nèi)徑200 mm，容器上有刻度，裝入泡沫刮平后放置一塊直徑190 mm、質(zhì)量25 g的圓形鋁板作為浮標(biāo)，底部開孔收集泌水，用于檢測泡沫1 h的沉降量及泌水率，作為泡沫穩(wěn)定性的評價指標(biāo)[7]。

對于泡沫半衰期，有的方法采用泌水量達一半的時間，有的方法采用泡沫體積降為一半的時間，泌水半衰期一般為幾分鐘至幾十分鐘，泡沫體積半衰期相對較長，一般為數(shù)小時甚至數(shù)日。

3 泡沫劑復(fù)配試驗

3.1 試驗用原材料

表面活性劑經(jīng)復(fù)配后pH一般呈中性，調(diào)節(jié)pH值的材料常選用檸檬酸，但復(fù)配以陰離子表面活性劑為主要成分的泡沫劑時，含兩性組分的泡沫劑宜合理調(diào)整pH值，否則可能會導(dǎo)致表面活性劑分子之間發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生沉淀失效。穩(wěn)泡劑采用多元醇、硅樹脂乳液、酰胺類較大分子非離子表面活性劑。對所用原材料進行表面張力與發(fā)泡力的測定，試驗采用0.007 2%體積濃度，發(fā)泡力采用100 mL和250 mL量筒振蕩法。通過試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)陰離子、兩性表面活性劑的發(fā)泡力較強，發(fā)泡力與表面張力無直接關(guān)系。絕大多數(shù)非離子表面活性劑的表面張力很小，但發(fā)泡力不大，具體試驗結(jié)果見圖1。

3.2 選材試驗

3.2.1 試驗方法

只有具有特定結(jié)構(gòu)的陰離子-陰離子表面活性劑的復(fù)配才產(chǎn)生加和增效作用，陰離子-陽離子復(fù)配體系在潤濕、穩(wěn)泡和乳化性能方面有較大提高，但易于生成不溶性的鹽從溶液中析出，失去活性，具有穩(wěn)泡作用的一般為非離子表面活性劑[8]。

陰離子單種材料的發(fā)泡能力強，但穩(wěn)定性差，為改善泡沫穩(wěn)定性，本方試驗采取陰離子材料與非離子材料復(fù)配的方法，測定泡沫的綜合性能。對AES,SDS,AOS三種陰離子材料分別進行復(fù)配，SDS,AOS體系發(fā)泡力降低明顯，AES體系相對較穩(wěn)定，本文以AES體系試驗為主。

發(fā)泡力采用振蕩法，即GB/T 15818附錄F規(guī)定的泡沫體積法，原液采用15%體積的濃度，試驗溶液采用原液與水的比例選擇3%∶97%，人工振蕩時吸取試驗溶液1 mL、水49 mL在100 mL量筒進行振蕩試驗，復(fù)配時AES試驗溶液與復(fù)配液分別吸取0.5 mL。發(fā)泡力以振蕩結(jié)束后30 s的泡沫體積計，相當(dāng)于3%的試驗液的振蕩發(fā)泡倍數(shù)。

半衰期采用發(fā)泡機制泡，因振蕩法、傾瀉法泡沫泌水速度過快，僅為幾十秒，且泡沫體積變化速度慢，泡沫體積消耗為初始一半所經(jīng)歷時間多在數(shù)個小時或1 d以上，且剩余的泡沫均為薄壁大泡，不易測量，故模擬盾構(gòu)機的發(fā)泡原理，采用30倍發(fā)泡機制泡法測定泡沫泌水50%所經(jīng)歷時間，以下稱為泡沫的半衰期，單位為min。

3.2.2 AES體系復(fù)配試驗結(jié)果

采用5種非離子表面活性劑與AES進行復(fù)配，檢測發(fā)泡力、泌水半衰期，具體試驗結(jié)果如圖2所示。

AES體系在其他非離子材料復(fù)配的情況下，發(fā)泡力、半衰期有明顯變化，大部分非離子表面活性劑對AES的發(fā)泡力有降低作用，僅E09的復(fù)配對發(fā)泡力有提升，F(xiàn)M(G)對發(fā)泡力降低明顯，但半衰期明顯延長。為平衡發(fā)泡力與泡沫穩(wěn)定性，引入泡沫綜合質(zhì)量指標(biāo)概念，以發(fā)泡力與半衰期的乘積作為泡沫質(zhì)量評價指標(biāo)，單位為mL·min。AES體系的綜合質(zhì)量指標(biāo)如圖3所示。

以泡沫綜合質(zhì)量指標(biāo)來評價，F(xiàn)M(G)，E09復(fù)配時指標(biāo)優(yōu)異，F(xiàn)M，CDEA中等；T07最差。

3.3 試驗配方

根據(jù)材料特性及AES體系的試驗結(jié)果，配制了幾種配方，并與某些施工項目泡沫劑產(chǎn)品進行對比。

1)A配方，市售產(chǎn)品，取自某市政道路施工項目泡沫混凝土用泡沫劑。2)B配方，市售產(chǎn)品，盾構(gòu)機用泡沫劑，取自某盾構(gòu)項目，用于卵石土地層。3)C配方，市售產(chǎn)品，盾構(gòu)機用泡沫劑，取自某盾構(gòu)項目，用于巖石地層。4)D配方，盾構(gòu)常用的經(jīng)驗配方D，AES：12%，SDS：7%。5)E配方，自制配方，陰離子AES等材料占16%、非離子E09與FM等材料占5%。6)F配方，自制配方，陰離子AES等材料14%、非離子CDEA，F(xiàn)M(G)等材料占6%。7)G配方，自制配方，陰離子AES等材料10%、非離子FM(G)占10%。

3.4 泡沫劑性能對比試驗

3.4.1 各產(chǎn)品試驗結(jié)果

對各配方泡沫劑進行表面張力、發(fā)泡力、半衰期測試，原液體積濃度配制為15%，試驗溶液采用原液與水的比例選擇3%∶97%，對于較低濃度的市售產(chǎn)品A,B,C調(diào)整稀釋比例為4.2%,4.8%,3.4%使各試驗溶液體積濃度相同，具體結(jié)果見表2。

表2 各種泡沫劑主要檢測結(jié)果

由表2中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，溶液的表面張力與發(fā)泡力、半衰期無直接聯(lián)系。一般情況下，要求的發(fā)泡力越大，表面張力則越小，復(fù)配產(chǎn)品中的一種低表面活性成分便可將整個溶液體系的表面張力值降低，但要保證稀釋后的濃度大于該成分的CMC值。

A～G各溶液發(fā)泡力接近，最小為B，為55 mL，A最大，為78 mL。半衰期相差很大，A，D最小，為13 min，G最大，為29 min。各溶液的發(fā)泡力與半衰期關(guān)系見圖4。

3.4.2 各產(chǎn)品泡沫綜合質(zhì)量指標(biāo)

以泡沫綜合質(zhì)量指標(biāo)進行評價時，F(xiàn),G兩個配方效果最佳，A,D,E雖然發(fā)泡力強，但半衰期短，泡沫破裂快，綜合質(zhì)量較差，見圖5。

3.4.3 泡沫質(zhì)量與濃度的關(guān)系

同時，取D，G配方泡沫劑，采用0.5%～3.5%的稀釋比例進行制泡，對泡沫劑的濃度與泡沫質(zhì)量的關(guān)系進行對比。發(fā)泡力與半衰期見圖6，泡沫綜合質(zhì)量指標(biāo)見圖7。

由統(tǒng)計結(jié)果可見，發(fā)泡力隨濃度增加均呈線性增長趨勢，半衰期在較低濃度時均較短，D配方在體積濃度達3%時明顯增大。

3.4.4 生物降解性

在提倡環(huán)保的今天，一般要求在法定試驗時間內(nèi)，初級生物降解應(yīng)達到80%以上，否則禁止使用。表面活性劑的生物降解是利用微生物把表面活性劑分解轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水的過程。世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織規(guī)定：初級生物降解大于80%，最終生物降解大于70%的表面活性劑才允許使用。采用GB/T 15818—2018表面活性劑生物降解度試驗方法中的方法檢測泡沫劑的生物降解性，將各產(chǎn)品濃度稀釋為1 g/L，生物降解性對比見圖8。

市售A產(chǎn)品及自制F產(chǎn)品7 d生物降解度約85%，其他各產(chǎn)品均在90%以上，C產(chǎn)品約在91%，B,D,E,G四個產(chǎn)品的7 d降解度均在95%左右，降解性較好。

從表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)來看，脂肪族比芳基更易降解，直鏈比支鏈更易降解；極性基團中磺酸基、硫酸基、羧基和乙氧基容易降解。隨著人類環(huán)保意識的增強，可生物降解表面活性劑的設(shè)計、生產(chǎn)和使用是未來的發(fā)展方向。

4 泡沫改良土試驗

4.1 地層土分析

根據(jù)工程地勘報告，頂管穿越地層粗砂的垂直滲透系數(shù)為0.04 cm/s，地基承載力350 kPa。砂質(zhì)黏性土地層垂直滲透系數(shù)為5.0×10-4cm/s，地基承載力300 kPa，孔隙比e為0.8，液性指數(shù)IL為0.23，壓縮指數(shù)為0.38 MPa-1。

在洞門加固樁基破除后，選用了開挖地層上半斷面、下半斷面兩種土樣甲、乙，其檢測結(jié)果見表3。

表3 兩種土樣的檢測結(jié)果

4.2 泡沫改良試驗

根據(jù)兩種土樣的試驗結(jié)果，對于甲、乙土樣分別采用D，G配方泡沫劑發(fā)泡試拌。甲土樣初始含水率(質(zhì)量分數(shù))調(diào)整至36%，乙土樣至53%，泡沫劑發(fā)泡倍數(shù)調(diào)整為30倍，摻入土的體積比為40%，采用臥軸砂漿攪拌機攪拌，測試各組合坍落度與1 h渣土沉降量。其中，渣土沉降量采用5 L容量筒法測試，試驗結(jié)果見圖9。

甲與乙兩土樣初始坍落度均較小，摻加泡沫劑后坍落度明顯增加，土和易性變好。

甲土樣細粒含量少，以砂為主，使用D泡沫較G泡沫坍落度小，且渣土沉降明顯，泡沫有明顯溢散現(xiàn)象。

乙土樣黏粒含量相對較大，無論采用D還是E泡沫均能獲得較好的和易性及體積穩(wěn)定性，泡沫在渣土中有良好的保持性。

5 結(jié)論與建議

本文通過對不同產(chǎn)品標(biāo)準、試驗方法的對比，梳理出一套有效的泡沫試驗方法，提出了砂土地層用泡沫劑的復(fù)配方法。

5.1 試驗方法及質(zhì)量控制指標(biāo)

1)有效成分含量是一種材料價值的重要體現(xiàn)，是實現(xiàn)其使用性能的基礎(chǔ)，一般情況下(稀釋比例為3%)泡沫劑的有效成分濃度(體積濃度)不宜低于15%，當(dāng)檢測固體含量(質(zhì)量分數(shù))時，不宜低于12%。有效成分含量采用萃取法，固體含量可采用烘干法與折光儀法。

2)泡沫劑的發(fā)泡力試驗方法很多，使用振蕩法檢驗泡沫劑的發(fā)泡力簡單快捷。通過本文的試驗數(shù)據(jù)，泡沫劑在很低體積濃度(1.5%左右)便可達到30倍以上的發(fā)泡倍數(shù)，實際應(yīng)用中，發(fā)泡力宜在50倍以上，并結(jié)合風(fēng)量、稀釋后的溶液量、刀盤前方壓力綜合計算需要的發(fā)泡倍數(shù)用以設(shè)定稀釋和注入比例。

3)泡沫穩(wěn)定性是泡沫的重要指標(biāo)，結(jié)合盾構(gòu)機的發(fā)泡原理，泡沫穩(wěn)定性試驗制泡宜采用發(fā)泡機制泡，并在此基礎(chǔ)上進行其他性能諸如泌水率、泌水半衰期、泡沫沉降距的試驗。泡沫質(zhì)量可采用發(fā)泡力與泡沫泌水半衰期的乘積表示，其值不宜低于1 000 mL·min，過高的發(fā)泡力往往犧牲了泡沫穩(wěn)定性，二者相互影響，對于砂土地層，泡沫綜合質(zhì)量系數(shù)可取1 500 mL·min甚至更高值。

4)其他指標(biāo)方面可選擇性檢測，在不使用兩性離子表面活性劑時，可不檢測pH值；泡沫劑比重一般在1.02左右，各廠家、各配方差別不大；表面活性劑產(chǎn)品常使用氯化鈉作為增稠劑，檢測黏度大小無實際意義；表面張力對泡沫質(zhì)量影響不大，一般在40 mN/m以下；確定的泡沫劑配方需要根據(jù)環(huán)境溫度情況進行高溫或低溫穩(wěn)定性試驗，以避免有效成分分層析出；生物降解性是泡沫劑的重要指標(biāo)，在不使用難降解材料時可不檢測。

5.2 復(fù)配方法

1)泡沫劑宜首選陰離子表面活性劑為主要原料，并在此基礎(chǔ)上篩選適宜的非離子或其他品種的穩(wěn)泡劑，不必刻意追求低的表面張力。使用兩性離子型表面活性劑復(fù)配時需根據(jù)特點調(diào)整泡沫劑的pH值，同時也應(yīng)謹慎使用陽離子與陰離子復(fù)配，以避免發(fā)生沉淀反應(yīng)造成不必要的損失。2)當(dāng)渣土含泥量較大時，復(fù)配時應(yīng)優(yōu)先考慮發(fā)泡力指標(biāo)，含砂量較大時優(yōu)先考慮泡沫穩(wěn)定性指標(biāo)。不含土的砂層或巖石地層應(yīng)輔以膨潤土或高聚物增黏改良的方法。陰離子表面活性劑用量越高發(fā)泡力越強，適宜的非離子表面活性劑用量越高，泡沫穩(wěn)定性越好，改性多羥基聚合物、脂肪醇聚氧乙烯醚是相對較好的非離子復(fù)配材料。3)常用的表面活性劑生物降解率一般在90%以上，特別是富含羥基成分時降解率最高，易達環(huán)保要求，不宜選用有毒性及生物降解率低的材料作為泡沫劑的組分，如含氟類及苯環(huán)類的材料。