盾构用泡沫性能的试验研究

李小峰

（郑州市交通规划勘察设计研究院，河南 郑州 450052）

1 概述

土压平衡盾构机具有开挖速度快、劳动强度低、环境影响小及施工经济的优点，在地铁隧道开挖方面得到了广泛的应用。北京地区为砂层、卵石层与粘性土地层并存的地层条件，特别在圆砾、卵石地层中，土压平衡盾构施工遇到了不同程度的困难。主要有以下几个方面：

1.1 难以实现开挖面土压力的动态平衡。在圆砾、卵石地层中，土压平衡盾构施工中刀盘旋转切削下来的碴土塑流性差，设定的工作压力不能顺利地传递到掌子面，不易实现连续的动态平衡，掌子面容易失稳，导致发生超挖现象。

1.2 盾构机及螺旋输送机扭矩过大问题。圆砾、卵石地层触动后会变得松软，颗粒较大的卵石容易在刀盘底部堆积，使得盾构机运转扭矩过大，当刀盘停止一段时间后重新启动时，会产生刀盘被“抱死”现象，即刀盘不能转动。

1.3 刀具的异常磨损及磨损过快的问题。由于卵石本身的高摩擦性、刀具与卵石的冲击作用及开挖后渣土对刀具的抱死作用，容易造成刀具的过快磨损、刀具的冲击磨损、滚刀的偏磨及刀盘的异常磨损。

解决这些问题的主要途径就是进行土体改良，随着土体改良的发展，泡沫因其高效、无污染和经济等方面的优势得到了广泛的应用，成为盾构施工主要的添加剂；本文通过研制新型的适用于室内发泡的泡沫装置，对施工中使用的两种泡沫的性能进行对比，为施工中合理选择泡沫提供参考。

2 试验材料的制备

2.1 泡沫装置的研制

本试验根据土压平衡盾构机中发泡装置，结合国内外室内发泡装置的研究经验自行研制了可以进行室内发泡的试验装置。

图1 泡沫

本装置分为两个系统，气体系统和液体系统。压缩空气是通过空气压缩机生成，发泡液通过增压泵输出，并通过各自系统的阀门调成特定的压强和流量，压缩空气和发泡液在混合器中混合形成气液混合体，通过发泡装置生成泡沫。本装置可以通过调节气体和液体的流量和压强、以及发泡装置中网格的大小，生产出不同发泡倍率和稳定性的泡沫。由该泡沫装置制成的泡沫如图1所示。

3 泡沫试验

发泡倍率和半衰期是评价泡沫性能的两个重要参数，发泡倍率（ER）是指一定体积的发泡液所发出的气泡体积与发泡液体积的比值，是发泡液发泡效力的指标。半衰期是指泡沫破灭到原来重量一半时所用的时间，是评价泡沫的稳定性的重要指标。本试验参照欧洲的测量标准，利用半衰期实验和发泡倍率实验测得这两个参数，本试验所用的发泡液是国内某公司生产的发泡剂。研究表明泡沫的半衰期大于5分钟就能满足土压平衡盾构施工的要求。

3.1 泡沫随时间的变化规律

图2 泡沫质量随时间的变化

从图2可以看出：

（1）泡沫在最初的3~4分钟期间，性能稳定，基本上没有破灭，而且稳定的时间随着浓度的增加而增长；泡沫从开始衰落到半衰期期间，气泡破灭的速度比较快，过了半衰期后破灭的速度趋于缓和。

（2）当发泡液浓度较低时，泡沫的衰落速度比较快，当发泡液浓度大于3%时，泡沫的衰落速度明显减慢，泡沫的稳定性较好，发泡液浓度对泡沫的稳定性与性能有显著的影响。

3.2 气体流量对泡沫性质的影响

如图3、4所示，随着气体流量从24ml/ min减小到15ml/min，半衰期从9分35秒增加到10分50秒。泡沫的发泡倍率明显的减大，从20增加到27左右。可以看出：随着气体流量增大，泡沫发泡倍率减小，单个泡沫的质量增加，即泡沫壁增厚或体积增大。

图3 半衰期与气量的关系

图4 倍率与气量关系

由于泡沫的破灭主要受重力作用，质量大的泡沫破灭速度较快，故泡沫的半衰期随着气体流量的增大而缩短，相反当气体流量减小时，发泡液发泡更加充分，泡沫显得“干燥”，相应的稳定性更好。

3.3 发泡液浓度对泡沫性质的影响

随着发泡液浓度从1%增加到6%，泡沫的发泡倍率明显增大从11增加到22左右，特别是当浓度从1%增加到3%，发泡倍率增加最为明显；发泡液浓度继续增大时，发泡倍率增加较缓慢；浓度大于5%时，发泡倍率几乎不变。

发泡液浓度从1%增加到3%，泡沫的半衰期从9分钟延长到10分钟14秒，但浓度再增大时，泡沫的半衰期反而减小，并维持在9分38秒左右。主要是因为随着发泡液浓度增大，发泡液粘稠性增强，泡沫的延展性变好，泡沫的直径变大，也容易破灭。

通过以上试验可以发现：

（1）当其他条件一定时，泡沫的发泡倍率随着发泡液浓度的增加而明显的增大，发泡液浓度较低时，发泡倍率变化最明显，但存在一个临界浓度，当发泡液浓度达到这个浓度时（发泡液浓度为5%），发泡倍率仅有轻微的变化。

（2）当发泡液超过一定的浓度时，泡沫的半衰期有所降低，从这个角度看，并不是发泡液的浓度越大越好，反而造成发泡液的浪费。

总体上说，浓度对泡沫的发泡倍率有明显的影响，但是对泡沫的半衰期影响不大。可以得到当发泡液浓度为2%-3%时，最为理想。

3.4 两种泡沫性质的对比

从图7可以看出，发泡倍率随着发泡液浓度的增加而有明显的增加，foam1从11增加到22左右，foam2从10增加到23左右，增幅达到100%。两种泡沫的发泡倍率随发泡液浓度变化规律相似。

图7 两种泡沫发泡倍率的比较

从图8两种泡沫的比较来看，两种泡沫的半衰期差距比较大，平均相差1分钟左右。在发泡倍率方面，两种泡沫的性能相近。从发泡液的形态来看，foam1发泡原液较稀薄，容易流动；foam2发泡原液比较粘稠，不易流动。

图8 两种泡沫半衰期比较

可以得到，foam1发泡液的性能比foam2发泡液强，更适合于盾构施工的要求。

结语

本研究使用室内发泡装置成功生产泡沫，并研究了泡沫的性质与发泡剂溶液的关系，最终得到发泡液浓度为2%-3%的泡沫应用于土压平衡盾构施工较为理想。通过对两种施工中正在使用的泡沫的发泡倍率、半衰期等性能指标进行测试，结果表明foam1的性能比foam2发泡液更好，更适合于盾构施工的要求。

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