土压平衡盾构泡沫剂性能与改良效能评价.docx

文 章 编 号 ：（）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（西南科技大学 四川省非金属复合与功能材料重点实验室 省部共建国家重点实验室培育基地 ， 四 川 绵 阳 ；东南大学 材料科学与工程学院 ，江 苏 南 京 ）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 量级，塌落度值最大可达，改良粘土的外摩擦角可降至左右。关键词：隧道；土压平衡盾构；泡沫剂；土体改良 中图分类号：文献标志码： ， ， （， ，； ，）： ， ， ， ：；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，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 和 法 国 对 泡 沫 剂 的 特 性 及 其 对 土 体 性 能 的 影 响 进行了研究；随后，和 剑 桥 大 学 的 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， 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 型收 稿 日 期 ：基 金 项 目 ：国家建筑材料行业科技创 新 计 划 项 目 （、）；四川省教育厅科研重点项目 （ ）；峨胜创新基金项目 （）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。 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 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 烘干、破 碎、筛分取 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。（）泡沫半衰期的测量 ：将泡沫剂与 水 生成的泡沫加入量筒，记 录 量 筒 底 部 出 液 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 。（）发 泡 倍 率：又 称 泡 沫 倍 数，是 指 一 定 体 积（）发泡剂溶液搅拌后所产生的泡沫体积 与原液体积 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。（）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 仪上 完成的，试验仪器 如 图 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，如 图所示。图 自制常水头渗透试验仪 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、 所示。图 自制外摩擦角测量仪 图 不同浓度泡沫剂的半衰期 图 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 。 粘土改良试验 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（、）下未改良粘 土 的 渗透系数分别为 、 ，含 水 率 为 时 粘 土 的 渗 透系数 最 小，阻 水 性 能 最 优，因此确定含水率为 ，并在此基 础上进行泡沫对 粘土渗透性的改 良试验，结果如图所示。图 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 （）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 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 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 、泡 沫注入率为 及泡沫剂的浓度为 时，粘 土 的 渗透系数最小，只有 ，远 远 小 于 改良前粘土的 渗 透 系 数 ，满 足 盾 构施工所要求的土体渗透系数在 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。 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 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 ，在 此 基 础 上 进 行 泡 沫 对粘土塑流性的改良试验，结果如图所示。图 改良前不同含水率的粘土塌落度 图 泡沫剂对粘土的塑流性改良试验结果 图中的（）、（）、（）分 别 是 含 水 率 为 且 泡沫剂浓度为、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，从图可以发现，经过泡沫改良后 的粘土的塌落度值 可 达 （在 含 水 率 为 、泡沫浓度为、泡沫注入率为的条件下 获得），而改良 前 的 粘 土 的 塌 落 度 值 为 左右，显 然，加 入 泡 沫 剂 后，粘 土 的 塌 落 度 提 高 了 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 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 。 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 。 粘土的含水率为时，外摩擦 角 为 ；含 水 率 为时，外摩擦角降为；含水率增加到 时，外摩擦角降到 ，此 时，土 体润滑性能最好 。 因此确定以 含 水 率 作 为 泡 沫 对 粘 土 外 摩 擦 角 的改良试验的基础，试验结果如图所示。图 泡沫剂对粘土的外摩擦角影响 由图可见，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 、泡 沫 浓 度 、泡 沫 注 入 率 的条件下，粘土 的 外 摩 擦 角 降 到 了 左 右，比 改良前的粘土最小外摩 擦 角 降 低 了 ，降 幅超过，改良效果尤为突出。结语（）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 。（）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 、泡沫注入率为、泡 沫 剂 浓 度 为 时 的 粘 土 的渗透系数最小 ，只 有 ，远远小于改良前的粘 土 渗 透 系 数 ，完全满足盾构隧道的要求 值（ ）。（）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 可 达，比相同条件下改 良 前 的 粘 土 塌 落 度 值 提高了倍，且能控 制 在 理 想 的 塌 落 度 值 范围（）。（）自制 泡 沫 剂 可 大大降低粘土的外摩擦角 ，在含 水 率 、泡 沫 浓 度 、泡 沫 注 入 率 的 条件下，改良粘土 的 外 摩 擦 角 降 到 左 右，比 改 良 前的粘土最 小 外 摩 擦 角 降 低 幅 度 超 过 ， 改良效果尤为突出 。参考文献： 刘 大 鹏 新型泡沫对土压平衡盾构土体改良