盾构机泡沫系统原理与应用

1、盾构机泡沫系统原理与应用0 引言泡沫是一种调节介质，由发泡剂与水的混合液和压缩空气相混合，经泡沫发生器发泡成30400um微细乳状泡沫，注入到掘削面和土仓，确保渣土顺利排出，保持掘削面稳定，适合于靠土压支持的盾构在掘进过程中泥土粘性非常高的意外情况。由于经泡沫调节后的土壤具有良好的流动性和塑性以及防水渗透性，所以泡沫的使用扩大了土压平衡盾构机适宜开挖的土壤范围，同时大大降低了刀盘扭矩，减少了刀具的磨损。目前，土压平衡盾构机大都配备了泡沫系统，泡沫也成为渣土改良必不可少的添加剂。1 泡沫系统的组成与原理1.1泡沫系统由以下部件组成，如图1：刀盘上有8个注入点土仓压力板上有4个注入点螺旋输送机上有

2、4x2个注入点1个水泵，流量为133l/min1个泡沫泵流量为5l/min混合液控制装置压缩空气控制装置 图1 4个泡沫发生器 测量装置及其控制 用水冲洗时的切换装置1.2泡沫系统的原理水和发泡剂的混合是在混合液的控制装置完成。发泡剂装在可更换的罐中，发泡剂通过定量泡沫泵供给，水通过定量水泵供给，二者混合后再通过流量控制装置供给到相关管路。泡沫是在泡沫发生器内用空气对液体进行搅拌混合而获得的。空气和液体的剂量是通过SPC操作单元和流量计来计量的。是否进行调整主要是根据掘进速度、支持压力和所给的配方来决定。泡沫发生系统有三种操作模式：手动、半自动和全自动。通过控制可控制球阀，盾构机操作手通过泡沫

3、系统的显示面板按钮或开关元件向有关注入点将泡沫注入到刀盘前端、土仓和螺旋输送机内。2 泡沫系统的操作图2 图3图2是泡沫系统参数的输入面板，其中管路1-4为泡沫系统四条管路的流量（l/min）；FER为发泡率=单条管路泡沫流量/单条管路液体流量；FIR为注入率=注入泡沫总量/开挖渣土的容积；流量为自动模式下每条管路泡沫量占总泡沫量的百分比；泡沫浓度为发泡剂在水溶液中的浓度；工作仓最大土压为泡沫系统自动停止工作时的最大土仓压力。图3是泡沫系统参数的显示面板，泡沫系统工作状态有四种：停止、自动、半自动和手动。泥土压力为1号土仓压力与3号土仓压力的平均值，该值如果超过工作仓最大土压，泡沫系统就停止。

4、混合液流量显示了混合液的流速与总流量，每环更新；压力显示泡沫管路当前压力值；空气实际值显示管路空气流量实际值；空气目标值显示管路空气流量目标值；混合液体实际值显示管路混合液体流量实际值；混合液体目标值显示管路混合液体流量目标值=每条管路流量/FER。泡沫系统的操作方式有三种，分别是手动模式、半自动模式和自动模式。在启用泡沫系统前，需设定泡沫浓度和工作仓最大土压。泡沫浓度可以在1-5%之间设定。手动模式时，按下手动模式按钮，再按下想要注入泡沫管路的管路按钮，再通过SPC操作单元旋钮手动控制空气的流量和泡沫混合液体的流量，还可以在显示面板中空气实际值和混合液体实际值旁边的加减按钮控制。半自动模式时

5、，按下半自动模式按钮，按下想要注入泡沫管路的管路按钮。通过参数的输入面板设置每条管路的流量和FER，对注入的泡沫进行控制。FER设置范围为0-30。自动模式时，按下自动模式按钮，按下想要注入泡沫管路的管路按钮。通过参数的输入面板设置每条管路的流量比、FER和FIR，对注入的泡沫进行控制。3 泡沫系统应用泡沫系统有三种调节模式：手动、半自动、自动，在实际掘进施工中，主要以半自动模式和自动模式为主，现在就以两个工程实例来说明泡沫系统的使用。3.1采用半自动模式适应基岩隆起地层的推进深圳滕创瑞科技有限公司经营的泡沫所在深圳地铁三号线3102标工程刚刚通过38米长的，基岩高度最大为3.8米的基岩隆起区

6、。隧道下层为花岗岩，强度高达160MPA，上层为砂层，是典型的上软下硬型地层，在这种地层中掘进需要防止坍塌和刀具磨损。盾构机在这种地层推进，必须控制好掘进参数和注入合适的添加剂。我们选用的掘进参数为：刀盘转速1.1-1.3r/min,推进速度为5mm/min，土仓压力为土仓水头压力加0.4bar,并注入干燥泡沫。泡沫系统采用半自动模式，泡沫原液采用滕创瑞科技有限公司的泡沫，泡沫浓度设定为3%，每管流量设定为200l/min，FER设定为25，开四条管路。在掘进过程时，检查渣样，并对比泡沫效果。泡沫发出的效果很好，致密细腻，有张力，有粘力，存在时间长，能充分融入渣土，起到了改善渣土，保护刀具的作

7、用。实践证明，我们通过控制掘进参数和注入干燥泡沫，在没有更换刀具的情况下，顺利通过了基岩隆起区。3.2 采用自动模式适应砾质粘土地层的推进自动模式一般在推进速度稳定的情况下使用。在深圳地铁3号线3102标工程有部分地层为砾质粘土，其中上部为砂层，下部为砾质粘土，且粘土成分高达60%，刀具非常容易结泥饼。盾构机在这种地层推进，必须控制好掘进参数和注入合适的添加剂。我们选用的掘进参数为：刀盘转速为1.2r/min,推进速度为40mm/min，土仓压力为土仓水头压力加0.2bar,并注入湿润泡沫。在掘进速度正常的情况下，我们一般采用自动模式注入泡沫，FER设定为12，每管流量比设定为25%，那么FI

8、R设定多少呢?FIR为注入率=注入泡沫总量/开挖渣土的容积，决定注入泡沫量的多少。根据实验结果和至今的实绩综合考虑，注入率Y的估算公式如下：Y（）a2×（60-4×D0.8）（80-3.3×E0.8）（90-2.7×F0.8）；式中Y泡沫注入率（）；D0.075mm粒径的通过百分率，4×D0.860时，取4×D0.860；E0.42mm粒径的通过百分率，3.3×E0.880时，取3.3×E0.880；F2mm粒径的通过百分率，2.7×F0.890时，取2.7×F0.890；a均粒系数VC决定的系数，VC4时，a1.6；4VC15时，a1.2