盾构施工新型防结泥饼泡沫剂的研制与应用

贺雄飞， 张 迅， 李治国， 徐敬贺

(1. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州 511458； 2. 中铁隧道局集团有限公司隧道结构智能监控与维护重点实验室， 广东 广州 511458； 3. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458；4. 中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)

0 引言

随着我国经济持续发展，城市交通得到加速发展，但城市交通地上资源利用空间越来越少，应转而向地下空间发展，因此，地铁建设已经成为城市发展的重点。土压平衡盾构法依靠其机械化程度高、施工速度快、对地面交通影响小且适用地层范围较大等优点，已经广泛应用于地铁隧道修建。该工法成功的关键是将开挖面切削下来的土体在压力舱内调整成一种“流塑性状态”[1-3]，避免压力舱内发生结饼、成拱、喷涌等而引起开挖面失稳；但土压平衡盾构在可塑、硬塑状的黏土类地层，黏土质砂土地层，泥岩，泥质粉砂岩，母岩为花岗岩的残积土层，全风化岩层和强风化岩层等地层中掘进时，易自刀盘中心位置向四周逐步在刀盘面和土舱内壁形成泥饼[4]，堵塞刀盘开口，加重盾构刀盘和刀具的负荷，降低施工效率。此外，刀盘泥饼与土舱中隔板的长时间摩擦，会导致中隔板等位置的温度快速升高，引起回转中心橡胶密封件性能下降，威胁盾构施工的安全[5]。“结泥饼”问题一直是盾构法施工领域未能完全解决的一大难题，始终困扰着行业施工人员。

目前，国内外学者和工程技术人员对黏性土地层碴土改良技术开展了大量研究，但主要集中在工艺方面，对材料的研发极少。文献[6]针对长株潭城际铁路浅埋高黏性上软下硬不良地层，提出优化碴土改良参数的方案；文献[7-8]针对南昌地铁上软下硬地层进行了碴土改良试验研究，提出该地层条件下预防结泥饼的碴土改良参数建议；文献[9-11]分别针对硬塑粉质黏土、武汉老黏土等黏性土地层开展碴土改良方法及掘进参数选取研究；文献[12]在理论方面分析了细粒土造成结泥饼、盾构卡死的主要原因，提出了评价土“黏性”参数的试验方法和调整黏性性能的操作方法。文献[13-14]研制了新型泡沫剂，但研制的泡沫剂针对性不强，仅在室内对泡沫剂性能及改良土体效果进行了试验，未进行工程应用和推广，其工程应用效果不明。

目前国产的泡沫剂性能差异较大，稳定性、渗透性较差，对于黏性矿物含量较高、易结泥饼的黏性土地层的改良效果差，而对于该类特殊地层的碴土改良，还主要依赖于国外产品，施工成本高。针对现有技术的不足，本文研制了一种能够显著降低碴土的黏附性，减少碴土对刀盘的黏附和堵塞，提高碴土的流塑性且降低能耗的防结泥饼高效改良剂——分散型泡沫剂DCA，并在强风化泥岩夹砂卵石复合地层，砂质黏土层和强、全风化花岗岩等地层进行应用和推广研究。

1 分散型泡沫剂的配制及性能测试

1.1 分散型泡沫剂的配制

本文所配制的分散型泡沫剂主要成分为阴离子表面活性剂A、非离子表面活性剂B,其他成分为稳泡剂C和D、抗黏添加剂E等。首先将阴离子表面活性剂A溶解于水中，然后加入非离子表面活性剂B混溶后，再分别加入稳泡剂C和D，最后加入抗黏添加剂E，充分搅拌溶解后得无色透明液体，即为分散型泡沫剂。其主要物理化学指标见表1。

表1 分散型泡沫剂主要物理化学指标

1.2 泡沫剂性能测试

泡沫的性能主要由半衰期和发泡率2个指标衡量。半衰期为气泡衰变破灭到一半质量时所需的时间，发泡率是指一定体积的发泡剂溶液所发出的气泡体积与发泡剂溶液体积的比值。根据盾构现场施工实际情况，发泡系统发出泡沫到与土体混合改良，有一定的时间间隔，约2～3 min，满足盾构施工的气泡还需满足5 min内气泡基本不消散的要求，故本文还测试了泡沫5 min消泡率，即泡沫形成至5 min时泡沫衰变破灭的质量与泡沫质量的百分比。本试验参照欧洲的测量标准[15],通过自组装发泡系统在同一发泡参数(泡沫剂质量分数为2%、气液比为50)条件下对分散型泡沫剂及对比用泡沫剂——某进口泡沫剂的半衰期、发泡率及5 min消泡率进行了测量，筛选出5组性能比对比泡沫剂更优的分散型泡沫剂配方，其性能测试结果见表2。

表2分散型泡沫剂对比某进口泡沫剂发泡和稳泡性能

Table 2 Foaming and foam stabilizing performance of dispersible foam agent

泡沫剂类型发泡倍率5min消泡率/%半衰期/min分散型泡沫剂1#450.38232#381.53213#350.28234#380.30225#440.4022某进口泡沫剂404.2520

1.3 室内碴土改良试验

1.3.1 试验土样物理指标

分散型泡沫剂针对黏粒含量高、存在结泥饼风险的黏性土地层研发。试验土样取自于深圳地铁7号线工地，土样物理指标见表3。

表3 试验土样物理指标

由表3可知，试验土样属高液限、强塑性黏土，黏附性特别强，具有极高的结泥饼风险，符合分散型泡沫剂的改良地层特性。

1.3.2 碴土改良试验

选取以上性能优异的5组分散型泡沫剂进行碴土改良试验。每次试验之前，先取土样烘干，在烘干状态下取一定体积的试验土样；然后按照试验含水率所需水量向土样中添加水，搅拌均匀后，按照试验所需体积取新制的泡沫倒入土样后进行搅拌；再次搅拌均匀后，立即取新拌改良后碴土进行性能测试并记录碴土黏附搅拌臂的情况，并对碴土的流动度、表观密度进行分组同步测试。碴土流动度参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[16]试验步骤进行，其中跳桌跳动次数为10次。碴土表观密度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[17]中表观密度的试验方法进行。

通过对比不同改良参数下各泡沫的碴土改良效果，最终确定深圳粉质黏土地层优化改良参数范围为：泡沫剂质量分数为2%～5%，泡沫发泡倍率为25，碴土初始含水率为35%～39%，泡沫注入比为40%～50%。测试泡沫剂质量分数5%、含水率35%、泡沫注入比50%的改良参数条件下各泡沫剂改良后碴土的性能，观测碴土对搅拌臂的黏附情况，试验结果如表4和图1所示。

表4粉质黏土改良前后性能参数及性状

Table 4 Properties of silty clay before and after conditioning

泡沫剂类型流动度/mm表观密度/(g/cm3)黏附情况无泡沫剂(原土)121.41.38严重分散型泡沫剂1#135.61.29明显,泡沫较少2#125.21.31明显,泡沫较少3#137.41.30明显,泡沫较少4#161.21.14轻微,泡沫明显5#150.01.28轻微,泡沫明显某进口泡沫剂148.71.27一般,泡沫明显

由表4和图1可知，分散型泡沫剂中1#—3#泡沫剂对碴土的改良效果欠佳，碴土黏附较多； 4#—5#泡沫剂改良效果较好，碴土中可见明显泡沫分布，碴土流动度更大，较对比用的某进口泡沫剂的使用效果更优； 从碴土流动性及黏附情况的相关性来看，碴土流动度在155 mm左右时，碴土的黏附性较小。

(a) 改良前原土(含水率35%)

(b) 1#泡沫剂改良碴土

(c) 2#泡沫剂改良碴土

(d) 3#泡沫剂改良碴土

(f) 5#泡沫剂改良碴土

图1不同泡沫剂粉质黏土改良前后碴土性状及黏附情况

Fig. 1 Characteristics and adhesion of silty clay before and after conditioning by different foam agents

2 分散型泡沫剂DCA的现场应用

在室内配制试验的基础上，为进一步检验研制产品的工程实际应用效果，选用室内碴土改良效果最佳且性价比最高的4#分散型泡沫剂(简称DCA)进行试产和现场应用。现场应用试验在成都地铁7号线12标成都理工大学站至成华大道站区间(简称“成成区间”)左线及成华大道站至崔家店站区间(简称“成崔区间”)右线进行。

2.1 工程地质特点

根据地质勘查报告，成成区间左线试验段主要地层为强风化泥岩，上覆1层极薄的密实砂卵石土，存在较高的结泥饼风险；成崔区间右线试验段掘进断面主要以粉质黏土和砂土为主，部分区段含有砂卵石和少量泥岩。图2为具体地质剖面图。

(a) 成成区间左线

(b) 成崔区间右线

图2试验段地质剖面图

Fig. 2 Geological profile of test section

通过对2个应用段土质取样送检、测试其黏粒含量及塑性指标(结果见表5)可知，应用段黏性矿物蒙脱石含量为5%以上，黏粒含量为19%左右，塑性指数约为12.0，根据液塑限定名为粉质黏土层，盾构在掘进过程中易结泥饼，符合分散型泡沫剂的应用地层特点。

表5 应用段土层黏粒含量及塑性指标

2.2 碴土改良系统

试验段所用盾构的刀盘面板上共设计有5个碴土改良喷口，其中膨润土喷口2个，泡沫喷口3个(单管单泵)。膨润土喷口和泡沫喷口各自独立且可以互换，并添加5路刀盘喷水口。试验区间碴土改良主要采用泡沫剂和水进行改良。

2.3 现场应用概况

现场应用段分为2段： 1)分散型泡沫剂DCA在成成区间左线应用段为第487—503环，应用段前第460—486环和应用段后第504—519环使用某进口泡沫剂。2)分散型泡沫剂DCA在成崔区间右线应用段为第165—230环，应用段前第135—164环和应用段后第231—246环使用某国产泡沫剂；其中，应用段第195—218环穿越河流桥桩，工况发生变化，不计入统计对比。

为检验分散型泡沫剂改良效果，在应用新型泡沫剂DCA掘进期间，现场测试的主要技术指标包括盾构推力、掘进速度、刀盘转矩、螺旋输送机转矩、泡沫剂消耗量和改良碴土的坍落度、表观密度等，并取样观测碴土的性状，同时与同种地质条件下现场使用的其他泡沫剂的改良效果进行对比分析。

2.4 现场应用结果与对比分析

2.4.1 不同泡沫剂掘进参数分析

根据现场记录应用段内各环掘进参数与泡沫剂消耗量(见图3和图4)，以不同类型泡沫剂为对象，计算各项参数平均值(见表6和表7)。

由图3—4和表6—7可知，分散型泡沫剂DCA改良碴土效果良好，平均总推力和刀盘转矩值更小，掘进效率更高，速度更快。DCA各项掘进参数与现场使用的某进口泡沫剂相当，明显优于国产同类泡沫剂产品效果，满足强风化泥岩地层及砂卵石夹泥岩复合地层盾构施工对碴土改良的要求；相比国内外其他泡沫剂，自制分散型泡沫剂每环消耗量更少，经济性显著。

(a) 总推力

(b) 刀盘转矩

(c) 掘进速度

(d) 螺旋输送机转矩

(e) 泡沫剂消耗量

Fig. 3 Tunneling parameters and foam consumption of different foam agents at left line of Chengdu Univerisity of Technology Station to Chenghua Avenue Station

(a) 总推力

(b) 刀盘转矩

(c) 掘进速度

(d) 螺旋输送机转矩

(e) 泡沫剂消耗量

Table 6 Average values of tunneling parameters and foam consumption at left line of Chengdu Univerisity of Technology Station to Chenghua Avenue Station

泡沫剂类型环数总推力/kN刀盘转矩/(kN·m)掘进速度/(mm/min)螺旋输送机转矩/(kN·m)泡沫剂消耗量/(kg/环)DCA1716410373853.123.656.2某进口泡沫剂3617156379548.723.266.4

表7 成崔区间右线应用段掘进参数与泡沫剂消耗量平均值

2.4.2 不同泡沫剂碴土改良性状分析

在分散型泡沫剂以及对比用泡沫剂应用期间，现场取碴土进行坍落度和表观密度测定，测试结果平均值见表8和表9。观测各泡沫剂改良碴土性状如图5和图6所示。

表8成成区间左线应用段改良后碴土性状对比

Table 8 Comparison of soil properties of modified soil at left line of Chengdu Univerisity of Technology Station to Chenghua Avenue Station

泡沫剂类型坍落度/mm表观密度/(kg/m3)DCA1621662.91某进口泡沫剂1461679.28

表9成崔区间右线应用段改良后碴土性状对比

Table 9 Comparison of soil properties of modified soil at right line of Chenghua Avenue Station to Cuijiadian Station

泡沫剂坍落度/mm表观密度/(kg/m3)DCA1361813.73某国产泡沫剂1321872.30

由表8—9和图5—6可知：自制分散型泡沫剂DCA改良后碴土的改良效果最佳。碴土呈流塑性，碴土内可见大量微细泡沫均匀分布，蓬松度非常好，碴土在螺旋输送机皮带上铺展良好，未见球状碴土出现，出碴顺畅。在分散型泡沫剂整个应用过程中，盾构未出现结泥饼和掘进参数突变的情况。

2.5 现场应用效果评价

在相同工况、同种地质条件下，自制分散型泡沫剂DCA碴土改良效果与现场使用的某进口泡沫剂相当，产品性能优于国内外同类产品，能够有效控制盾构掘进总推力和刀盘转矩的大小，达到理想掘进状态，有效预防了盾构在强风化泥岩、粉质黏土及砂卵石夹泥岩复合地层盾构泥饼的形成；且经济优势明显，相比现场用其他泡沫剂，自制分散型泡沫剂每环可节省10%～15%的材料用量，具有广泛的推广应用价值。

(a) 手抓碴土

(b) 碴车内碴土

(c) 碴土坍落度测试

(a) 某进口泡沫剂改良碴土

(b) 某国产泡沫剂改良碴土

Fig. 6 Characteristics of soil conditioned by other foam agents on site

3 结论与建议

本文针对黏性土的特点研制了分散型泡沫剂DCA，通过现场应用，统计了应用期间及应用前后盾构掘进参数，并与相同工况条件下现场其他泡沫剂应用情况进行对比，对泡沫剂改良效果进行了分析。

1)通过大量的室内配制试验，筛选出5组稳泡性能比某进口泡沫剂更优的分散型泡沫剂配方。

2)通过对筛选的分散型泡沫剂进行碴土改良试验，利用室内试验条件测试泡沫剂的改良效果，并与某进口泡沫剂进行对比试验，验证分散型泡沫剂对粉质黏土的抗黏改良作用。选取性价比最佳的4#分散型泡沫剂，作为防结泥饼改良剂——分散型泡沫剂DCA配方。

3)现场应用试验表明： 同种地质条件下，分散型泡沫剂DCA改良碴土效果与现场使用的某进口泡沫剂相当，明显优于国产同类泡沫剂改良效果，满足强风化泥岩、粉质黏土及砂卵石夹泥岩复合地层盾构施工对碴土改良的要求；同时，使用DCA泡沫剂每环可节约10%～15%的材料用量，经济效益明显，具有广泛的推广应用价值。

分散型泡沫剂DCA主要针对黏性土地层研发，对粉质黏土、砂质黏土、泥岩等黏粒含量较高地层的分散、防结泥饼效果明显，但不适用于全断面砂层、卵石地层，典型砂卵石地层的碴土改良材料建议针对其地质特点进行专项研发。