土压平衡盾构泡沫剂性能与改良效能评价

张礼华+刘来宝+周永生

摘 要：开发了一种土压平衡盾构用新型泡沫剂，并与进口泡沫剂、国产原泡沫剂的发泡倍率和半衰期进行了比较，通过对改良后的粘土的渗透性、流动性、外摩擦角等参数的测试，对改良效果进行了评价。结果表明：自制新型泡沫剂对粘土的改良效果显著，合理地控制参数可使改良土体的渗透系数减小至10-6 m·s-1量级，3 h塌落度值最大可达11.25 cm，改良粘土的外摩擦角可降至29°左右。

关键词：隧道；土压平衡盾构；泡沫剂；土体改良

中图分类号：U455.43 文献标志码：B

0 引 言

目前中国正处于隧道工程建设迅猛发展的重要时期，而土压平衡盾构技术则是隧道建设施工的关键组成部分。这一技术的关键是土体的塑性流动状态[1]，而对于在施工中不易形成塑性流动状态的土体，解决的办法通常是向压力舱内、刀盘前方和螺旋输送机内注入一定的泡沫剂进行改良。较早研究土压平衡盾构用泡沫剂的是日本和欧洲一些拥有先进盾构制造技术的发达国家。德国Maidl和法国S.Quebaud对泡沫剂的特性及其对土体性能的影响进行了研究；随后，S.Quebaud和剑桥大学的Bargh指出泡沫剂在减少喷涌事故与改善盾构工作性能等方面可发挥重要作用，S.Quebaud还构建了关于泡沫砂土的试验方案，通过室内试验评价了不同种类泡沫剂的优劣。英国对泡沫剂的研究主要集中在不同土体条件下力学性能的评估。

到目前为止，国内自主开发的泡沫剂技术仍尚未成熟，所用的泡沫剂大多从德国、法国和日本进口，价格较高，因此，开发研制具有优异性能的新型泡沫剂已迫在眉睫。本文围绕土压平衡盾构用新型泡沫剂的开发和泡沫剂对土体的改良效果进行研究。

1 试验内容

试验用新型泡沫剂是按十二莞基硫酸钠∶十二醇∶聚丙烯酰胺∶水=10∶0.8∶0.2∶89的质量比配制而成的，进口泡沫剂来自法国某公司，国产原泡沫剂来自上海某公司。粘土取自四川绵阳红岩电站隧道口，试验前需对粘土进行105 ℃烘干24 h、破碎、筛分取2 mm筛下料备用等处理。

本试验测试内容包括泡沫剂半衰期、泡沫剂发泡倍率、粘土的渗透性、流动性以及外摩擦角等，具体解释如下。

（1） 泡沫半衰期的测量：将泡沫剂与100 mL水生成的泡沫加入量筒，记录量筒底部出液50 mL的时间，该时间即为泡沫半衰期，半衰期是衡量泡沫稳定性的重要指标，半衰期越长，泡沫剂稳定性越好。

（2） 发泡倍率：又称泡沫倍数，是指一定体积（V0）发泡剂溶液搅拌20 min后所产生的泡沫体积V1与原液体积V0之比。发泡倍率是衡量发泡剂质量的另一项重要指标，发泡倍率越大，泡沫剂性能越好。

（3） 粘土的渗透性系数测量试验是在以达西公式为理论基础自制而成的常水头渗透试验仪[2-4]上完成的，试验仪器如图1所示。粘土的塑流性测量是参照测量混凝土和易性的塌落度方法确定的。粘土的外摩擦角测量采用自制外摩擦角测量仪[5]，如图2所示。

2 自制泡沫剂性能评价

为了评价泡沫剂的性能好坏，本试验对比了自制泡沫剂、进口泡沫剂以及国产原泡沫剂的发泡倍率和半衰期随泡沫浓度的变化规律，结果如图3、4所示。

不同浓度泡沫剂的发泡倍率结果表明：三种泡沫剂的半衰期及发泡倍率均与泡沫剂的浓度呈正相关，显然，泡沫剂的浓度是影响半衰期和发泡倍率的因素之一；同时，不同种类的泡沫剂，其半衰期和发泡倍率也具有很大的差异。经过试验对比，自制泡沫剂的发泡倍率虽然略低于价格昂贵的进口泡沫剂，但其半衰期却是最长的，而国产泡沫剂的这两项参数都是最差的，综合两项指标，并结合成本因素，后续试验主要针对自制泡沫剂的土体改良效果进行研究。

3 粘土改良试验

3.1 渗透性改良试验

粘土的含水率对渗透性的影响显著，试验首先测定出不同含水率（15%、16.5%、18%）下未改良粘土的渗透系数分别为9.28×10-5、7.59×10-5、8.35×10-5 m·s-1，含水率为16.5%时粘土的渗透系数最小，阻水性能最优，因此确定含水率为16.5%，并在此基础上进行泡沫对粘土渗透性的改良试验，结果如图5所示。

泡沫剂对粘土的渗透性改良试验结果结果表明：当含水率和泡沫注入率（FIR）相同时，粘土的渗透系数是随着泡沫剂浓度的增加先减小后增大的，在泡沫剂浓度为3%时，粘土的渗透系数最小；当含水率和泡沫浓度相同时，粘土的渗透系数也是随着泡沫注入率的增加先减小后增加的，在泡沫注入率为30%时，粘土的渗透系数最小，阻水效果最佳。综合来看，在粘土含水率为16.5%、泡沫注入率为30%及泡沫剂的浓度为3%时，粘土的渗透系数最小，只有2.19×10-6 m·s-1，远远小于改良前粘土的渗透系数7.59×10-5 m·s-1，满足盾构施工所要求的土体渗透系数在10-5～10-6 m·s-1之间的条件。显然，自制泡沫剂对粘土渗透性的改良效果显著。

3.2 塑流性改良试验

利用泡沫对粘土的塑流性进行改良，要求控制粘土的含水量在合适范围，以保证粘土较好的塑流性和保水性。土压平衡盾构所用的发泡剂溶液成分中含有金属加工用的润滑剂，能够润滑土体颗粒，降低土颗粒间的摩擦系数，提高土体塑流性。此外，注入土体孔隙中的气泡很像机器里的轴承，对粘土的微片层叠聚体结构产生“轴承效应”，能够提高土体的流动性。

改良土的理想塑性流动状态是由泡沫注入率和地层含水量共同决定的，当土的含水量太低时，需要注入更多的泡沫，才能获得理想的塑流性。为了初步确定试验所需的含水率，首先进行了不同含水率下粘土塑流性的试验测定。粘土的塑流性常用塌落度值随时间的变化情况以及塌落试验的塌落程度来衡量，结果如图6所示。粘土的塌落度值是随着含水率的增大而显著提高的，但当超出一定范围时，会出现离析现象；而在本试验范围内，未见离析现象，因此本试验确定含水率为35%，在此基础上进行泡沫对粘土塑流性的改良试验，结果如图7所示。endprint

泡沫剂对粘土的塑流性改良试验结果图7中的（a）、（b）、（c）分别是含水率为35%且泡沫剂浓度为2%、3%、4%时的粘土塌落度测量曲线。在试验范围内未见离析现象，说明改良土的塌落状态良好。从图中可以看出，随时间的延长，粘土的塌落度值都逐渐变大。浓度相同的情况下，塌落度值是随着泡沫注入率的增加而显著增大的；而泡沫注入率相同的情况下，随着泡沫剂浓度的增大，塌落度值也逐渐增大，即泡沫剂的浓度和泡沫注入率越大，粘土的塌落度值就越大，而在不发生离析的范围内，塌落度越大，说明泡沫粘土的塑流性越好，这一点可以从上述“摩擦润滑效应”和“轴承效应”得到合理解释。另外，从图7可以发现，经过泡沫改良后的粘土的塌落度值3 h可达11.25 cm（在含水率为35%、泡沫浓度为4%、泡沫注入率为40%的条件下获得），而改良前的粘土的3 h塌落度值为1.5 cm左右，显然，加入泡沫剂后，粘土的塌落度提高了7.5倍，并且控制在合理的范围之内（理想的塑流性粘土的合理塌落度值应在10～16 cm之间），说明自制泡沫剂在改善粘土塑流性方面发挥了很大作用。

3.3 外摩擦角试验

泡沫改良土体的另一个重要方面在于泡沫的润滑作用，泡沫不仅能够减小土、砂颗粒对盾构刀盘的磨损，还可以减少刀盘板面和刀具的磨损，防止切下来的泥土对刀盘的堵塞，并对刀具起到一定的润滑和冷却作用，同时减小对盾构机排渣系统中易损件的磨损。土颗粒与刀盘间的摩擦可以通过土的外摩擦角来衡量。

试验测定了不同含水率对外摩擦角的影响，随着粘土含水率的增大，粘土的外摩擦角逐渐减小。粘土的含水率为15%时，外摩擦角为44.5°；含水率为16.5%时，外摩擦角降为42°；含水率增加到18%时，外摩擦角降到40.5°，此时，土体润滑性能最好。因此确定以含水率18%作为泡沫对粘土外摩擦角的改良试验的基础，试验结果如图8所示。

泡沫剂对粘土的外摩擦角影响由图8可见，泡沫的加入可显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随着泡沫剂浓度的增大而减小的；相同泡沫剂浓度下，泡沫注入率越高，粘土的外摩擦角越小，说明泡沫的润滑作用随着土中泡沫数量的增多而得到加强。在含水率18%、泡沫浓度4%、泡沫注入率30%的条件下，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°，降幅超过25%，改良效果尤为突出。

4 结 语

（1） 泡沫剂的浓度是影响半衰期和发泡倍率的重要因素，泡沫剂的半衰期随着泡沫浓度的增加而逐渐增长，泡沫剂的发泡倍率随着泡沫剂浓度的增加而增大。自制泡沫剂的发泡倍率略低于进口泡沫剂，但其半衰期却大于进口和国产原泡沫剂。

（2） 自制泡沫剂对粘土渗透性的改良效果显著，在粘土含水率为16.5%、泡沫注入率为30%、泡沫剂浓度为3%时的粘土的渗透系数最小，只有2.19×10-6 m·s-1，远远小于改良前的粘土渗透系数7.59×10-5 m·s-1，完全满足盾构隧道的要求值（10-5～10-6 m·s-1）。

（3） 自制泡沫剂在改善粘土塑流性方面发挥着很大作用，经过泡沫改良后的粘土塌落度值3 h可达11.25 cm，比相同条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围（10～16 cm）。

（4） 自制泡沫剂可大大降低粘土的外摩擦角，在含水率18%、泡沫浓度4%、泡沫注入率30%的条件下，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°降低幅度超过25%，改良效果尤为突出。

参考文献：

[1] 刘大鹏. 新型泡沫对土压平衡盾构土体改良作用评价[D].北京：中国矿业大学，2009.

[2] 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 王万杰，束龙仓，王志华.河床沉积物渗透系数试验研究[J].中国农村水利水电，2007（2）：140-142.

[4] 闫 鑫，龚秋明，姜厚停.土压平衡盾构施工中泡沫改良砂土的试验研究[J].地下空间与工程学报，2010，6（3）：449-453.

[5] 乔国刚，陶龙光，刘 波.泡沫改良富水砂层工程性质的实验研究[J].现代隧道技术，2009，329（12）：79-84.

[责任编辑：王玉玲]endprint

泡沫剂对粘土的塑流性改良试验结果图7中的（a）、（b）、（c）分别是含水率为35%且泡沫剂浓度为2%、3%、4%时的粘土塌落度测量曲线。在试验范围内未见离析现象，说明改良土的塌落状态良好。从图中可以看出，随时间的延长，粘土的塌落度值都逐渐变大。浓度相同的情况下，塌落度值是随着泡沫注入率的增加而显著增大的；而泡沫注入率相同的情况下，随着泡沫剂浓度的增大，塌落度值也逐渐增大，即泡沫剂的浓度和泡沫注入率越大，粘土的塌落度值就越大，而在不发生离析的范围内，塌落度越大，说明泡沫粘土的塑流性越好，这一点可以从上述“摩擦润滑效应”和“轴承效应”得到合理解释。另外，从图7可以发现，经过泡沫改良后的粘土的塌落度值3 h可达11.25 cm（在含水率为35%、泡沫浓度为4%、泡沫注入率为40%的条件下获得），而改良前的粘土的3 h塌落度值为1.5 cm左右，显然，加入泡沫剂后，粘土的塌落度提高了7.5倍，并且控制在合理的范围之内（理想的塑流性粘土的合理塌落度值应在10～16 cm之间），说明自制泡沫剂在改善粘土塑流性方面发挥了很大作用。

3.3 外摩擦角试验

泡沫改良土体的另一个重要方面在于泡沫的润滑作用，泡沫不仅能够减小土、砂颗粒对盾构刀盘的磨损，还可以减少刀盘板面和刀具的磨损，防止切下来的泥土对刀盘的堵塞，并对刀具起到一定的润滑和冷却作用，同时减小对盾构机排渣系统中易损件的磨损。土颗粒与刀盘间的摩擦可以通过土的外摩擦角来衡量。

试验测定了不同含水率对外摩擦角的影响，随着粘土含水率的增大，粘土的外摩擦角逐渐减小。粘土的含水率为15%时，外摩擦角为44.5°；含水率为16.5%时，外摩擦角降为42°；含水率增加到18%时，外摩擦角降到40.5°，此时，土体润滑性能最好。因此确定以含水率18%作为泡沫对粘土外摩擦角的改良试验的基础，试验结果如图8所示。

泡沫剂对粘土的外摩擦角影响由图8可见，泡沫的加入可显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随着泡沫剂浓度的增大而减小的；相同泡沫剂浓度下，泡沫注入率越高，粘土的外摩擦角越小，说明泡沫的润滑作用随着土中泡沫数量的增多而得到加强。在含水率18%、泡沫浓度4%、泡沫注入率30%的条件下，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°，降幅超过25%，改良效果尤为突出。

4 结 语

（1） 泡沫剂的浓度是影响半衰期和发泡倍率的重要因素，泡沫剂的半衰期随着泡沫浓度的增加而逐渐增长，泡沫剂的发泡倍率随着泡沫剂浓度的增加而增大。自制泡沫剂的发泡倍率略低于进口泡沫剂，但其半衰期却大于进口和国产原泡沫剂。

（2） 自制泡沫剂对粘土渗透性的改良效果显著，在粘土含水率为16.5%、泡沫注入率为30%、泡沫剂浓度为3%时的粘土的渗透系数最小，只有2.19×10-6 m·s-1，远远小于改良前的粘土渗透系数7.59×10-5 m·s-1，完全满足盾构隧道的要求值（10-5～10-6 m·s-1）。

（3） 自制泡沫剂在改善粘土塑流性方面发挥着很大作用，经过泡沫改良后的粘土塌落度值3 h可达11.25 cm，比相同条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围（10～16 cm）。

（4） 自制泡沫剂可大大降低粘土的外摩擦角，在含水率18%、泡沫浓度4%、泡沫注入率30%的条件下，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°降低幅度超过25%，改良效果尤为突出。

参考文献：

[1] 刘大鹏. 新型泡沫对土压平衡盾构土体改良作用评价[D].北京：中国矿业大学，2009.

[2] 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 王万杰，束龙仓，王志华.河床沉积物渗透系数试验研究[J].中国农村水利水电，2007（2）：140-142.

[4] 闫 鑫，龚秋明，姜厚停.土压平衡盾构施工中泡沫改良砂土的试验研究[J].地下空间与工程学报，2010，6（3）：449-453.

[5] 乔国刚，陶龙光，刘 波.泡沫改良富水砂层工程性质的实验研究[J].现代隧道技术，2009，329（12）：79-84.

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泡沫剂对粘土的塑流性改良试验结果图7中的（a）、（b）、（c）分别是含水率为35%且泡沫剂浓度为2%、3%、4%时的粘土塌落度测量曲线。在试验范围内未见离析现象，说明改良土的塌落状态良好。从图中可以看出，随时间的延长，粘土的塌落度值都逐渐变大。浓度相同的情况下，塌落度值是随着泡沫注入率的增加而显著增大的；而泡沫注入率相同的情况下，随着泡沫剂浓度的增大，塌落度值也逐渐增大，即泡沫剂的浓度和泡沫注入率越大，粘土的塌落度值就越大，而在不发生离析的范围内，塌落度越大，说明泡沫粘土的塑流性越好，这一点可以从上述“摩擦润滑效应”和“轴承效应”得到合理解释。另外，从图7可以发现，经过泡沫改良后的粘土的塌落度值3 h可达11.25 cm（在含水率为35%、泡沫浓度为4%、泡沫注入率为40%的条件下获得），而改良前的粘土的3 h塌落度值为1.5 cm左右，显然，加入泡沫剂后，粘土的塌落度提高了7.5倍，并且控制在合理的范围之内（理想的塑流性粘土的合理塌落度值应在10～16 cm之间），说明自制泡沫剂在改善粘土塑流性方面发挥了很大作用。

3.3 外摩擦角试验

泡沫改良土体的另一个重要方面在于泡沫的润滑作用，泡沫不仅能够减小土、砂颗粒对盾构刀盘的磨损，还可以减少刀盘板面和刀具的磨损，防止切下来的泥土对刀盘的堵塞，并对刀具起到一定的润滑和冷却作用，同时减小对盾构机排渣系统中易损件的磨损。土颗粒与刀盘间的摩擦可以通过土的外摩擦角来衡量。

试验测定了不同含水率对外摩擦角的影响，随着粘土含水率的增大，粘土的外摩擦角逐渐减小。粘土的含水率为15%时，外摩擦角为44.5°；含水率为16.5%时，外摩擦角降为42°；含水率增加到18%时，外摩擦角降到40.5°，此时，土体润滑性能最好。因此确定以含水率18%作为泡沫对粘土外摩擦角的改良试验的基础，试验结果如图8所示。

泡沫剂对粘土的外摩擦角影响由图8可见，泡沫的加入可显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随着泡沫剂浓度的增大而减小的；相同泡沫剂浓度下，泡沫注入率越高，粘土的外摩擦角越小，说明泡沫的润滑作用随着土中泡沫数量的增多而得到加强。在含水率18%、泡沫浓度4%、泡沫注入率30%的条件下，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°，降幅超过25%，改良效果尤为突出。

4 结 语

（1） 泡沫剂的浓度是影响半衰期和发泡倍率的重要因素，泡沫剂的半衰期随着泡沫浓度的增加而逐渐增长，泡沫剂的发泡倍率随着泡沫剂浓度的增加而增大。自制泡沫剂的发泡倍率略低于进口泡沫剂，但其半衰期却大于进口和国产原泡沫剂。

（2） 自制泡沫剂对粘土渗透性的改良效果显著，在粘土含水率为16.5%、泡沫注入率为30%、泡沫剂浓度为3%时的粘土的渗透系数最小，只有2.19×10-6 m·s-1，远远小于改良前的粘土渗透系数7.59×10-5 m·s-1，完全满足盾构隧道的要求值（10-5～10-6 m·s-1）。

（3） 自制泡沫剂在改善粘土塑流性方面发挥着很大作用，经过泡沫改良后的粘土塌落度值3 h可达11.25 cm，比相同条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围（10～16 cm）。

（4） 自制泡沫剂可大大降低粘土的外摩擦角，在含水率18%、泡沫浓度4%、泡沫注入率30%的条件下，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°降低幅度超过25%，改良效果尤为突出。

参考文献：

[1] 刘大鹏. 新型泡沫对土压平衡盾构土体改良作用评价[D].北京：中国矿业大学，2009.

[2] 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 王万杰，束龙仓，王志华.河床沉积物渗透系数试验研究[J].中国农村水利水电，2007（2）：140-142.

[4] 闫 鑫，龚秋明，姜厚停.土压平衡盾构施工中泡沫改良砂土的试验研究[J].地下空间与工程学报，2010，6（3）：449-453.

[5] 乔国刚，陶龙光，刘 波.泡沫改良富水砂层工程性质的实验研究[J].现代隧道技术，2009，329（12）：79-84.

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