硕士土压平衡盾构土体改良微观机理试验

土压平衡盾构土体改良微观机理试验研究马超摘要土压平衡盾构通通过改良土体体的流塑性建建立土压舱的的动态土压平平衡和保证螺螺旋输土器把把渣土顺利排排出。施工中中土体具有良良好塑流性，成成为确保土压压平衡盾构顺顺利、高效施施工的重要一一环。目前，在在盾构隧道施施工中常采用用泡沫等外加加剂改良土体体，达到盾构构施工所需要要的效果。国国内外很多学学者对泡沫的的性质和泡沫沫改良土体做做了室内试验验研究和现场场研究。本课课题参考国内内外关于泡沫沫改良土体最最新的研究结结果，通过发发泡装置产生生满足盾构施施工要求的泡泡沫，使用该该泡沫对土试试样进行了改改良试验研究究，以及泡沫沫混合土体的的塌落度试验验，得出了不不同含水率下下不同泡沫注注入比的泡沫沫改良土体的的塌落度值等等反映混合土土体宏观特性性的试验参数数。参考塌落落度试验的结结果，取得最最优化的改良良后的混合土土样，借助工工业CT扫描成像系系统从微观角角度对土压平平衡盾构中泡泡沫改良土体体的机理开展展了研究。试试验中拍摄得得到了泡沫改改良后混合土土的微观结构构图像，并用用编制的计算算机程序分析析其微观结构构相关参数（孔孔隙率、最大大孔径、平均均孔径、孔隙隙方向角等）,从微细观的的角度对泡沫沫混合土体进进行描述。通通过对改良土土体微观结构构参数的总结结分析，验证证了塌落度试试验结果。本本课题中，通通过试验研究究，从泡沫混混合土体的宏宏观试验和微微观结构扫描描试验两个角角度对改良土土体进行研究究，总结得到到泡沫剂改良良土体原理，以以及混合土体体微观结构的的特征，为盾盾构施工中合合理使用泡沫沫改良土体提提供理论依据据。1.两个卵石土土的试验结果果揭示出这样样的规律：在在含水率和泡泡沫注入比比比较合理的状状态下，混合合土的结构比比较松散。在在含水率和泡泡沫注入比不不太合理的状状态下，混合合土的细观结结构密实2.三种不同类类型的土，黏黏性土，砂土土和卵石土因因为其颗粒大大小差异，其其细观结构也也呈现一定的的差异。黏性性土的黏粒粘粘结一起，包包裹其内部的的气泡；砂土土颗粒和气泡泡分布均匀，砂砂土颗粒和气气泡间错排列列。卵石土中中含有较大颗颗粒和黏性颗颗粒，其细观观结构往往是是以一个较大大颗粒为中心心，黏性颗粒粒粘结在大颗颗粒周围，外外面被气泡包包围。关键词：土压平平衡盾构;微观机理;土体改良;工业CT目录录摘要………………………ⅠABSTRACCT………………………=2\*ROMANIIIMACROBUTTONInsertCrossReferenceHYPERLINK土压平衡盾构构土舱内土体体的理想状态态7HYPERLINK添加剂的分类类和作用原理理8HYPERLINK盾构用气泡的的稳定性要求求24HYPERLINK盾构用气泡的的发泡倍率要要求25HYPERLINK试验设备266HYPERLINK试验步骤277HYPERLINK发泡液浓度对对泡沫性质的的影响28HYPERLINK泡沫的作用原原理31HYPERLINK水对土样塑流流性的影响336HYPERLINK泡沫对土样塑塑流性的影响响37HYPERLINK\l"_Toc324441175"4.4试样制制备40HYPERLINK\l"_Toc324441180"结论64HYPERLINK\l"_Toc324441181"参考文献66绪论土压平衡盾构隧隧道施工法的的发展和现状状盾构隧道施工法法，即用盾构构机挖土排土土构筑隧道的的工法，属于于暗挖法。目目前盾构工法法已在地铁隧隧道，污水排排放隧道，江江河湖海底交交通隧道，电电力、电信、供供水、引水、供供气及共同沟沟等城市建造造中占有重要要地位，是在在现代城市隧隧道建设卓有有成效的施工工方法。从Bruneel于1843年首次用盾盾构工法建造造横穿英国泰泰晤士河河底底隧道成功以以来，至今已已有166年的历史，随随后Great在1887年南伦敦铁铁道隧道施工工中使用了盾盾构和压气组组合工法获得得了成功，为为现在的盾构构工法奠定了了基础[1]]。20世世纪60年代中期至80年代期间，圆圆形截面的各各种不同平衡衡方式的盾构构工法得到不不断完善，主主要是土压平平衡盾构与泥泥水平衡盾构构工法为主[[2]。60年代初，英英国首先开发发了泥水加压压式盾构，用用泥浆代替气气压，一般不不再辅以其他他技术措施，施施工效率高、安安全可靠，大大大提高了施施工质量和工工程进度，盾盾构施工技术术的一座里程程碑。泥水加加压式盾构需需要一套泥水水分离设备，存存在占地面积积大和设备费费用高等确定定，为了弥补补泥水加压式式盾构的不足足，1974年日本制造造商IHI在东京研发发制造了第一一台土压平衡衡盾构，其外外径为3.72m，在含水砾砾层中修建1866m的隧道。之之后，很多生生产制造厂商商采用土压平平衡系统，生生产了不同样样式的土压平平衡盾构。这这两种施工方方法的出现，对对隧道建设产产生了深远的的影响，极大大的提高了生生产效率，并并为盾构工法法的快速发展展奠定了基础础。土压平衡盾构自自1974年在日本首首次使用以来来，以其独特特的优势广泛泛用于世界各各地的隧道工工程中。在国国内，土压平平衡盾构在地地铁、市政、能能源等工程建建设中也得到到广泛的应用用，其中上海海使用土压平平衡盾构施工工最多，从国国外引进和自自己设计生产产了不同型号号的盾构用于于地铁隧道的的施工建设。上上世纪八十年年代，上海率率先引进一台台日本川崎重重工制造的φφ4.33mm小刀盘土压压平衡盾构用用于芙蓉江路路排水隧道工工程施工，该该盾构具有机机械化切削和和螺旋机出土土功能，施工工效率高，对对地面影响小小的特点。接接着上海自行行研制了φ4.3m加泥土压平平衡盾构掘进进机，用于市市南站过江电电缆隧道工程程，穿越黄浦浦江底粉砂层层，隧道掘进进顺利解决了了高水压情况况下的密封和和砂性土加泥泥塑流技术难难题，施工性性能技术指标标达到80年代国际先先进水平[3]。九十十年代，在上上海地铁1号线工程中中，采用7台由法国FCCB公司、上上海隧道股份份、上海隧道道工程设计院院、上海船厂厂联合制造的的φ6.34mm土压平衡盾盾构机。据统统计，截至1995年上海隧道道工程施工中中使用盾构59台。随着我我国对盾构工工法的了解和和熟悉，上海海、北京、广广州以及其他他城市相继采采用盾构工法法修建城市地地下隧道。北北京在20世纪80-90年代末，由由于地铁建设设的大力发展展，促使盾构构施工技术得得到广泛的应应用和发展。从1999年开始，北京市政工程总公司开始在北京的污水睡到建设中成功应用盾构施工技术，北京城建集团也开始在北京做地铁盾构施工试验段工程，以此为标志揭开了盾构施工技术在北京地区的广泛应用，相应的研究工作也取得了相当的进步。随着北京地铁工程5号线、4号线、10号线（含奥运支线）、机场线的相继开工，可以预计盾构施工技术将会在北京市政基础建设中发挥更重要的作用，也必将得到更大的发展。2005年，三三台用于地下下隧道施工的的盾构机在首首钢问世，这这也是我国首首次制造这种种先进的大型型机械设备。这这三台设备长长70m、直径6.3m。这三台盾构构机用于北京京地铁4号线、10号线的隧道道施工中。在在隧道导向技技术、监控技技术方面的研研究也达到了了国际先进；；但是我国液液压泵和阀件件的加工制造造水平与国外外相比尚存在在一定差距[[3]。2006年上海海长江隧道工工程引进两台台φ15.433m泥水加压盾盾构机，“长江一号”盾构于2006年9月23日始发，“长江二号”盾构于2007年1月5日始发。2008年9月实现双线线贯通。该隧隧道内部结构构分上下层：：上层为单向向三车道高速速公路；下层层为轨道交通通预留空间。上上海长江隧道道隧道工程的的成功建设，开开创了我国超超大直径隧道道施工的新纪纪元。经过20多年的的发展，土压压平衡式盾构构适用的地质质条件由软弱弱黏性土和砂砂砾土，范围围不断扩展，得得到广泛应用用。2007年，成都地地铁施工引进进多台土压平平衡盾构和泥泥水盾构施工工，在施工过过程中遇到了了大面积的卵卵石地层，刀刀具和刀盘的的磨损比较严严重，地面沉沉降的控制难难度加大，经经过土体改良良取得了较好好的施工效果果。随着土体改良技技术等方面的的发展，土压压平衡盾构的的土层适用范范围将进一步步扩大，越来来越多的盾构构机应用于地地下隧道工程程中，将创造造巨大的社会会价值和经济济价值[4]]。实践证明明，土压平衡衡式盾构因其其能较好地控控制地表沉降降、保护环境境、适应在市市区和建筑密密集处施工等等优点，以及及在经济上的的优势，正在在我国的隧道道开挖中正走走向普及。土压平衡盾构的的基本构造和和开挖原理土压平衡盾构主主机结构，它它主要包括：：开挖系统及及泡沫、泥浆浆注入设备、刀刀盘驱动及推推进系统、盾盾壳及盾尾密密封、出渣运运输系统、管管片安装及同同步注浆设备备、导向系统统、控制系统统及数据采集集处理系统、人人行仓及材料料仓、供电系系统、通风设设备、后配套套车架等。其其构造如图1-2所示：刀盘盘位于土压平平衡盾构机的的前端，是主主要的掘削机机构，其上设设有土压力计计（土压力计计设在土压仓仓后壁上中下下几个位置），刀刀盘后方至隔隔板的封闭空空间是土压力力舱，开挖土土仓由刀盘、切切口环、隔板板及螺旋输送送机组成。盾构各部分主要要功能（1）刀盘是针针对区间隧道道的特殊地质质设计，为面面板式刀盘，用用来切削土体体，也有支撑撑掌子面的功功能，同时具具有泥土搅拌拌功能。由5块组成，上上面装有中心心刀，切刀、刮刮刀和超挖刀刀，其中超挖挖刀采用液压压控制，行程程20~500mm，可减少曲曲线段掘进的的超挖量。刀盘采用液压驱驱动，驱动系系统由8个液压驱动动马达减速器、大小齿齿轮、三滚子子轴向径向主主轴承及密封封组成，驱动动刀盘旋转。刀刀盘转速通过过液压系统调调节。（3）渣土改良良功能，土压压平衡盾构维维持工作面稳稳定的介质为为渣土，为维维持土舱内土土压力的稳定定和渣土的排排出，土舱内内的渣土必须须具有良好的的塑性和流动动性、良好的的粘稠度、低低的内摩擦力力、低的透水水性。（4）良好的土土压平衡功能能。通过调节节螺旋输送机机转速或调节节盾构推进速速度，就能调调节土舱内的的压力与周围围的水压及土土压力平衡，保保持地层稳定定，控制地表表隆馅值不超超标。土压平衡盾构的的工作原理就就是将刀盘开开挖下来的砂砂土填满土仓仓室，在切削削刀盘后面及及隔板之间装装有能使土仓仓室内土砂搅搅拌混合的搅搅拌臂。借助助盾构推进液液压缸的推力力通过隔板进进行加压，产产生泥土压，这这一压力作用用于整个作业业面使其稳定定，如图1-3所示。掘进时时土舱内土压压力与掌子面面的土压力和和水压力相平平衡是保持掌掌子面是否稳稳定的关键因因素，盾构在在掘进过程中中刀盘切削下下来的渣土量量与螺旋输送送机向外输送送量相平衡，维维持土仓内压压力稳定在预预定的范围内内。土仓内的土压力力通过土压力力传感器进行行测量，为保保证一定的土土压力，可通通过控制推进进力、推进速速度、螺旋输输送机转速来来控制。刀盘盘、土舱内和和螺旋输送机机内留有添加加剂的注入口口；土舱里有有搅拌机构，包包括掘削刀盘盘、掘削刀盘盘背面上的搅搅拌叶片、隔隔板上有固定定或可动的搅搅拌机、舱内内有单独驱动动的搅拌叶片片；土舱底部部设有排土口口，渣土由排排土口进入螺螺旋输送机，然然后排出；盾盾构的中央部部位是盾构的的主体构造部部，支撑盾构构的全部荷载载，隔板的中中部是刀盘的的驱动装置，盾盾构四周的千千斤顶直接作作用在管片上上；盾构的尾尾部主要是管管片的拼装器器和尾封设备备。盾构的后后方拖着数节节后续台车，台台车上安放了了动力、液压压、操纵、控控制等系统，通通过牵引杆将将盾构和后续续台车连成一一体。台车的的数量主要根根据需安放设设备的大小和和台数以及隧隧道内水平运运输车队的长长短而定[33]。图1-1土压压平衡式盾构构主机结构图图土压平衡盾构掘掘进过程中，刀刀盘掘削的土土体进入土舱舱，通过螺旋旋输送机和刀刀盘的转速来来调整掘进速速度，保证开开挖土量和排排土量保持或或接近平衡，调调整土舱里土土压力的大小小，使得土舱舱内的土压力力与掌子面上上的土压力和和水压力相平平衡；盾构外外壳四周的千千斤顶伸缩方方向应与隧道道轴线平行，千千斤顶伸缩杆杆的顶端均匀匀作用在管片片上，提供向向前掘进的动动力，盾构外外壳与土体之之间的摩擦力力和盾构千斤斤顶共同提供供刀盘的扭矩矩；一环掘进进完毕后，千千斤顶收缩，管管片拼装器安安装管片，管管片之间用螺螺栓连接，并并用真圆保持持器确保管片片的安装位置置[4]；为了了防止周围地地层的地下水水流进盾构机机和地表沉降降，在管片和和地层间产生生的空隙进行行填充注浆[[7]。土压平衡盾构构属于封闭式式盾构，是否否能够顺利掘掘进，一个重重要的因素就就是要使土舱舱内的土压力力和掌子面的的水土压力保保持动态平衡衡，如图1-3所示，如果果土舱内的土土压力大于开开挖面的水土土压力，地表表将发生隆起起；反之，如如果土舱内的的土压力小于于开挖面的水水土压力，会会发生超挖现现象，地表将将发生沉陷[[8]。从而而不难得到土土压盾构掘削削面稳定的必必要条件：Ⅰ、泥土压必须须可以对抗开开挖面上地层层的土压和水水压；Ⅱ、必须可以利利用螺旋输送送机等排土设设备来调节排排土量，从而而调节土舱的的压力；Ⅲ、对于不满足足塑流性和抗抗渗性的土质质而言，必须须注入添加剂剂来改良土体体性质满足盾盾构施工要求求。图1-2盾构掘掘进机土压平平衡工作原理理示意图土压平衡式盾构构施工中的土土体改良技术术土压平衡盾构土土舱内土体的的理想状态在土压平衡盾构构施工过程中中，保持土压压仓内的压力力和开挖面前前方水土产生生的压力相平平衡，是维持持掌子面的稳稳定性的关键键因素。要保保持土压仓内内的压力保持持恒定就要求求掌子面开挖挖土量和螺旋旋输送机的排排土量相等，开开挖下来的土土进入土压仓仓后保持一个个理想状态。这这个理想状态态的土具有一一定的塑流性性和抗渗性。开开挖土量是由由盾构前进速速度和刀盘的的转动速度决决定的，关键键是排土量的的控制，为了了保证土舱里里的渣土顺利利排出，必须须保证土体具具有一定的塑塑流性和抗渗渗性。但是很很多情况下，天天然地层的开开挖土很难满满足塑流性要要求，从而给给排土量控制制带来困难。当当开挖土体不不能达到开挖挖面稳定和排排土要求而使使施工发生困困难时，就必必须向盾构机机的土舱内添添加土体改良良材料，对开开挖土进行改改良使之满足足施工的要求求[7]。土体在刀盘开挖挖下的进入土土舱，在搅拌拌翼的搅拌作作用下形成了了平衡掌子面面土压力和水水压力的特殊殊介质，这种种土体性质直直接决定了土土压平衡盾构构施工的成败败，一般将土土舱内盾构施施工的开挖土土体的理想状状态称为“塑性流动状状态”。本节将对对这一状态的的力学特性进进行说明。从土力学角度分分析，压力舱舱内土体的“塑性流动状状态”，包括3个方面的含含义[6]。（1）土体不易易固结排水。当当推力通过隔隔板传递到土土舱内时，如如果土舱内土土体迅速排水水固结，就会会在压力舱内内形成固结“土饼”，土水分离离会影响压力力舱内土体的的循环和排土土，因此土体体要保持不易易固结排水的的状态。（2）土土体处于塑流流状态。压力力舱内的土体体应处于高含含水率，土的的强度较低而而易于翼板的的搅拌。这一一流塑状态可可保证土体受受到挤压时向向螺旋输送机机内发生塑性性流动，而顺顺利完成排土土，就是所谓谓的“挤牙膏”效应。（3）土土体具有不透透水性。只有有压力舱的土土体具有足够够的不透水性性，才能保证证维持开挖面面上的水压力力，同时也能能防止排土口口发生“喷涌”现象。压力舱内土体的的“塑性流动状状态”主要从土压压平衡盾构的的工作原理出出发，压力舱舱内土体的“塑性流动状状态”主要可以由由以下力学指指标进行衡量量：内摩擦角角φ、渗透系数数k和压缩系数数av。下面将对对这些进行说说明。渗透系数k：在在渗透性方面面，开挖土体体的渗透系数数越小则对盾盾构施工中“喷涌”防治效果越越好，一般认认为要想避免免盾构中“喷涌”问题的发生生，开挖土体体的渗透系数数要小于1.0×10-5m/s，工程上渗渗透系数达到到1.0×10-5m/s是一个上限限；但是“喷涌”问题的发生生还与盾构施施工的其它条条件有关，因因此还必须对对具体工程进进行具体分析析[16]。内摩擦角φ：内内摩擦角是土土体的强度参参数，在避免免盾构施工过过程中出现的的“闭塞”问题时，开开挖土体的内内摩擦角是主主要影响参数数；土舱内开开挖土体的强强度越低，内内摩擦角越小小，则对“闭塞”的防治效果果越，因此根根据国内外的的施工经验，开开挖土体的抗抗剪强度小于于25kPa时，强度性性质已经达到到了塑性流动动状态的要求求[17]。坍落度T：土舱舱内土体的流流动性直接决决定了螺旋输输送机的排土土状态。如果果土体的流动动性较好，螺螺旋输送机的的排土量就容容易控制，从从而可以较好好的控制开挖挖面的稳定；；一般对于压压力舱内土体体的流动性可可以用坍落度度来衡量，土土体的坍落度度在10~155cm的范围内，认认为其状态满满足塑性流动动状态的要求求[17]。压缩系数av：：土舱内土体体压缩系数是是盾构机“结饼”问题防治的的关键参数，压压力舱内开挖挖土的压缩系系数越大则盾盾构施工时越越有利于避免免“结饼”的发生，一一般土体坍落落度在10~155cm之间，渗透透系数小于1.0×10-5m/s时，开挖土土体的压缩系系数av>0.1MMPa-1（压力范范围取值100kPPa~2000kPa）时，己经经能够满足盾盾构施工的需需要[18]]。此外，根据土压压平衡盾构在在施工中出土土的需要压力力舱内的土体体必须有一定定的流动性，可可以用坍落度度T指标进行衡衡量。添加剂的分类和和作用原理土压平衡盾构在在施工过程中中将开挖的渣渣土进行改良良，使渣土塑塑流性满足盾盾构施工的要要求，对某些些地层来说，如如卵石地层，并并不具备这样样的性质，必必须对其加入入添加剂进行行改良，主要要土体改良方方法有：加水水，膨润土，粘粘土，高分子子聚合物和泡泡沫等施工工工艺[19]]。用于盾构施施工有代表性性的添加剂有有如下几种[[20]：（1）矿物类矿物类添加材料料其主材主要要包括膨润土土、粘土、陶陶土等天然矿矿物。土体改改良中注入该该类添加剂的的目的是补充充土体的微、细细粒组分，使使土压仓内土土体的内摩擦擦角变小，促促使其在土压压作用下发生生变形，提高高土体的流动动性和止水性性。矿物类添添加剂主要是是泥浆的形式式，其浓度和和注入量根据据开挖土的级级配、不均匀匀系数等确定定[22]。（2）高吸水性性树脂高吸水水性树脂的用用料是高分子子类、不溶性性聚合物的高高吸水性树脂脂（高吸收自自重几百倍水水的胶状材料料），这种材材料吸水而不不溶于水，不不会被地下水水稀释劣化，在在高水压的地地层中使用该该添加剂可防防止高水压地地层的地下水水喷出。树脂脂能填充砂土土颗粒间的空空隙，减小颗颗粒之间的摩摩擦，提高土土体的流动性性。（3）纤维类、多多糖类、负离离子类此材料是粘稠性性的高分子类类水溶性聚合合物，首先是是以CMC（羧甲基纤纤维素钠）为为代表的纤维维类，此类添添加剂可以把把砂颗粒间隙隙中的自由水水挤走，使土土颗粒间发生生粘结。负离离子类乳胶添添加剂可在砂砂颗粒与水之之间形成絮状状凝聚物，使使其发生粘结结，可以减小小内摩擦角，提提高流动性。（4）表面活性性材料表面活性材料是是特殊发泡剂剂，也有在特特殊气泡剂中中添加高分子子类水溶性聚聚合物的气泡泡添加剂。这这种发泡剂与与水按一定比比例混合形成成发泡剂的水水溶液，发泡泡剂水溶液与与压缩空气产产生的气泡和和开挖土混合合后，可以达达到改良开挖挖土体流动性性和不透水性性的目的。在在砂性土和砂砂砾土地层中中，由于气泡泡的支撑作用用，增加了渣渣土的流动性性；而在粘性性土地层中，气气泡起着界面面活性剂的作作用，防止渣渣土附着在土土舱内壁。另另一方面，由由于气泡置换换了土颗粒间间的自由水，提提高了土体的的止水性。气气泡的注入比比与泥浆一样样，也是根据据土层的级配配、不均匀系系数等决定[[21]。（5）复合添加加剂根据添加剂的特特性和掘削地地层的性状，发发展了两种添添加剂混合使使用发挥其优优势互补，近近年来两种添添加剂的例子子逐渐增加。如如图2-1所示[1]：图1-3添添加剂的种类类从现场施工中添添加的添加剂剂来看，泡沫沫和膨润土是是最常见的两两种，并得到到了广泛的应应用，并取得得了良好的效效果。土压平衡盾构适适用范围较广广，可用于粘粘土、砂土、砂砂砾、卵石等等土层以及这这些土层的混混合土层，是是土层适应性性较强的盾构构类型，用于于世界各地的的隧道工程中中，尤其在软软土地层施工工中优势明显显，在掘进时时一般不需要要辅助技术措措施，但因土土压平衡盾构构刀具和土体体改良技术的的局限性，其其传统的使用用界限可以用用土体的颗粒粒级配表示[[12]，如如图1-4所示。土体粒径/mm小于某粒径百分数/％土体粒径/mm小于某粒径百分数/％图1-4土压压平衡式盾构构施工传统适适用地层随着对土压平衡衡盾构工法研研究的不断深深入，以及各各种添加剂料料应用于土体体改良中，土土压平衡式盾盾构工法适用用的土层范围围不断扩大。使使用土体改良良技术，通过过对不良土层层进行土体改改良，土压平平衡盾构可以以在砂砾、砂砂、粉砂，粘粘土等密实程程度低、软、硬硬相间的地层层以及砾层、砂砂层等地层中中使用[222]，如在塑流性不不能满足土压压平衡盾构施施工的地层中中，需注入大大量泥浆和泡泡沫添加剂来来改善土体的的塑流性和渗渗透性，这样样可以大大增增加土压平衡衡盾构的适用用范围，经土土体改良土压压平衡盾构增增加的土层范范围如图1-6所示[14]]：小于某粒径百分数/％小于某粒径百分数/％土体粒径/mm图1-5土压压平衡式盾构构施工突破传传统的适用地地层界限[114]文献综述土体改良室内试试验的国内外外研究状况（1）室内土体体改良试验国国内外研究现现状从上世纪80年年代初期，日日本开发出来来气泡改良技技术以来，各各国对气泡及及气泡对土体体的改良效果果的研究就一一直在不断的的进行。早期期，欧洲各国国和日本等发发达国家，在在大量的隧道道建设中，针针对土压平衡衡盾构的广泛泛应用，研究究开发了各种种性能的发泡泡剂，并在实实验室设计了了可以进行室室内发泡的试试验装置和现现场对这些发发泡剂的性能能进行了进一一步的研究。国内河海大学朱朱伟研制了一一套可以室内内发泡的试验验装置[3][6]，装置的的示意图如图图2-17所示。此设设备分为独立立的两个系统统，分别为气气体系统和液液体系统，可可以独立的调调节两个系统统的参数制作作不同的泡沫沫，更好的研研究泡沫的性性质[26]]。在起泡剂剂对开挖土的的改良研究中中，国内有魏魏康林和张晶晶波对气泡改改良后的砂土土（广州地铁铁和北京地铁铁）进行了相相关分析。魏魏康林采用朱朱伟教授研制制的发泡剂和和发泡装置进进行发泡，用用所得到气泡泡对两地的砂砂土进行改良良，并通过改改进了的变水水头渗透试验验对改良后的的砂土的渗透透系数进行了了量测；经过过以渗透系数数为参数的计计算，得出气气泡对两种砂砂土的喷涌有有很好的防治治效果。张晶晶波采用和魏魏康林相同的的发泡剂和发发泡装置得到到气泡，对上上述的两种砂砂土改良，并并使用直剪试试验对改良后后砂土的强度度进行了研究究得出两种砂砂土在加入气气泡后强度都都明显的降低低，并且气泡泡的加入量在在一定范围内内增加时，改改良砂土的强强度不断降低低。图2-1泡沫沫装置示意图图北京工业大学龚龚秋明[100]研制了可可以进行室内内发泡的试验验装置，试验验装置示意图图如图1所示。该装装置分为2个系统，气气体系统和液液体系统。压压缩空气是通通过空气压缩缩机生成，发发泡液通过增增压泵输出，并并通过各自系系统的阀门调调成特定的压压强和流量，压压缩空气和发发泡液在混合合器中混合形形成气液混合合体，通过发发泡装置生成成泡沫。本装装置可以通过过调节气体和和液体的流量量和压强、以以及发泡装置置中网格的大大小，生产出出不同发泡倍倍率和稳定性性的泡沫。并并使用该装置置生成气泡，全全面研究泡沫沫的性质，对对于本试验所所用的发泡液液，质量浓度度为2%~3%时应用于土土压平衡盾构构施工较为理理想。将泡沫沫研究的结果果用于圆砾地地层土体的改改良试验，得得出改良圆砾砾地层土体的的最佳泡沫使使用量。姜厚厚停和闫鑫使使用该装置生生成泡沫，分分别用于圆砾砾地层和砂土土进行土体改改良，得出对对圆砾地层和和砂土进行泡泡沫改良的规规律。由于圆圆砾土中细颗颗粒含量低，在在加入泡沫改改良的同时也也加入膨润土土颗粒，增加加土体中的细细颗粒的含量量，改良圆砾砾土体的颗粒粒级配，有助助于混合土体体性状的改良良。图2-2泡沫装装置示意图牛津大学研制了了一套可以进进行室内发泡泡的试验装置置，示意图如如图2-3所示[13]]。SotirrisPssomas通通过搅拌试验验、压缩试验验、渗透性试试验和直剪试试验对改良土土体进行了一一系列的室内内试验，使用用的材料是粗粗砂和细砂，其其颗粒级配如如图2-4所示。泡沫混合砂表现现出高压缩性性，而且能承承受较高的竖竖向压力，试试验后砂的空空隙比大于干干砂在最松散散状态下的空空隙比。泡沫沫混合砂表现现出较小的剪剪切力，泡沫沫能大大减小小混合砂的抗抗剪力。泡沫沫混合砂的渗渗透性显著减减小，渗透系系数是饱和砂砂1/10左右。泡沫沫混合粗砂和和泡沫混合细细砂的性能相相似，但是颗颗粒的大小仍仍然是决定土土体性能的一一个重要参数数。土粒颗粒/mm土粒颗粒/mm图2-3颗粒粒级配曲线图2-4牛津大大学泡沫装置置示意图改良土体的塑流流性、渗透性性和抗剪力等等性能是关系系到土压平衡衡盾构施工成成败的关键参参数，为了测测定这些参数数国内外学者者做了大量的的室内试验。郭郭涛[7]利用朱朱伟发明的发发泡装置，并并通过渗透试试验对泡沫改改良后砂的渗渗透性做了研研究，所用的的砂的颗粒级级配如图2-5所示。图2-5土粒颗颗粒级配曲线线实验结果表明加加入泡沫后土土体的流动性性明显提高，相相同泡沫注入入比下，泡沫沫半衰期增大大，改良土的的坍落度上升升，但随半衰衰期增长，上上升的趋势减减缓；在泡沫沫注入比加大大后，泡沫半半衰期大于10min后，这种上上升趋势的减减缓更加明显显；泡沫注入入比一定时，改改良土的坍落落度随时间的的推移减小，减减小的速度与与泡沫稳定性性直接相关；；泡沫稳定性性越好，半衰衰期越长，改改良土坍落度度减小的速度度越慢，而反反之则越快。里尔力学实验室室[27]对泡泡沫混合土体体进行了研究究。试验研究究共两部分：：第一部分研研究气泡特征征：稳定性、发发泡率、可压压缩性；第二二部分研究通通过搅拌试验验、坍落度试试验、滑板试试验、渗透试试验，浸透试试验研究了气气泡混合土体体（气泡与土土体的混合物物）的特性。其其试验结果表表明：气泡有有助于改善土土压平衡盾构构在砂土中的的掘进性能。QiuLinngFenng[28]]对不同土体体进行了研究究，对细颗粒粒含量少的砂砂，注入比为为35％，发泡率为10的泡沫，通通过坍落度试试验表明，混混合土体几乎乎不透水，螺螺旋输送机也也有良好的输输送能力，现现场试验中的的土体通过注注入泡沫和生生物高聚物改改良土体，也也取得了良好好的效果。其其研究结果表表明对粘性土土体和砂性土土体应该用不不同的泡沫进进行改良，作作者使用小型型搅拌机对混混合土体进行行搅拌，通过过混合土体对对搅拌翼的表表观粘附程度度评价了泡沫沫改良的效果果。NikolKKochmaanova[[23]对土土体改良及理理论研究做了了一系列的室室内试验，使使用的材料是Feldsspar公司生产的EPK高岭土和美美国silicca公司生产的ASTM20/300砂。所使用用的发泡剂是是FoameexEC、FoameexTR和FoameexSLDDC，其发泡液液的浓度为1％、3％和5％，发泡倍率率为10和30，泡沫注入入比为30％、45％和60％。其结果表明，无无论加不加泡泡沫，坍落度度随高岭土的的含水量的增增加而增大，另另外同浓度不不同发泡剂的的作用效果没没有明显差别别，但对比这这三种发泡剂剂，FoameexEC的作用效果果最好。当不不加泡沫时，试试样坍落度随随着含水量的的增加而增大大，但当含水水量较低（1.5%~2.0%）；发泡剂剂是FoameexEC时，坍落度度随含水量的的增加而急剧剧减小，从170mmm~190mmm减小到20mm，直到含水水量达到7％时，坍落度度才随着含水水量的增加而而增大，别的的发泡剂也有有类似的现象象。为了更好的模拟拟改良土体的的状态变化，国国外学者对泡泡沫混合砂进进行了土压力力舱模型试验验。在压力舱舱和螺旋输土土器内分别安安置土压力计计，测量土压压平衡盾构施施工过程中土土舱和螺旋输输送机内改良良土体土压力力变化。荷兰代尔夫特大大学A.bezzuijenn[29]等研研究制作了一一个直径50cm，高125cm的模型压力力舱，盖板上上设置加载装装置和排土装装置，容器中中央有搅拌设设备并可以向向土中注入添添加剂，使用用这一装置对对土舱内的土土压力分布进进行测量，研研究土体的塑塑流性；同时时也对砂土中中加入泡沫后后形成的混合合物的渗透性性、压缩性、粘粘滞性及空隙隙压力进行了了相关研究。得得到渗透性和和泡沫注入比比有直接的关关系，剪切抵抵抗是与泡沫沫混合土体的的孔隙率有关关等结论。RaffaelleVinnai，ClauddioOgggeri[[30]等通通过室内坍落落度试验和压压力舱模型试试验对改良土土的塑流性进进行了研究，压压力舱模型是是一个直径600mm，高为800mm的圆筒，并并设有加压系系统和排土设设备（螺旋输输送机），螺螺旋输送机的的顶部有测量量扭矩的装置置，压力舱和和螺旋输送机机设置了4个压力计，监监测土压的变变化。具体如如图2-6所示：图2-6压力力舱模型塑流性好的改良良土，压力沿沿着螺旋输送送机连续减小小，而对于饱饱和砂土或含含水量较大的的混合土体，土土压力沿着螺螺旋输送机变变化不明显，其其扭矩大小是是改良土扭矩矩的4倍还要大。压力舱模型试验验能较好的反反应混合土体体的状态变化化，如混合土土体在土舱和和螺旋输送机机内的压力随随时间的变化化等。由于砂砂卵石的重量量比较大，注注入添加剂的的砂卵石土体体较之细砂类类土体更加不不稳定，如容容易产生“离析”现象，压力力舱模型试验验能更加有效效地对砂、卵卵石混合土体体进行观察研研究。（3）国内外研研究中存在的的不足在国外做的大量量研究中，只只是对气泡改改良后开挖土土的基本性质质进行了最基基本的研究；；荷兰、日本本和法国所做做的研究是在在气泡使用初初期对气泡能能否改良土体体性质和能够够改变土体那那些性能指标标进行了初步步研究，并未未考虑气泡的的性能对土体体改良效果的的影响。英国国学者做的研研究，也只是是针对气泡改改良后土体的的性质进行，其其使用的发泡泡剂为个别公公司的固定产产品，所以未未研究不同气气泡对土体改改良效果的影影响。国内，魏魏康林和张明明晶的研究主主要重点为‘喷涌’和‘蔽塞’的发生机理理及其解决，对对气泡改良后后开挖土性质质的研究知识识偏重其所针针对的问题，并并未对发泡剂剂及气泡开展展全面工作。这这些外加剂改改良土体的微微观原理现在在还是停留在在理论分析阶阶段，还没有有真正通过实实验去验证。本本文在理论分分析并结合大大量试验数据据的基础上，通通过室内研究究盾构用泡沫沫性能和评价价改良土体塑塑流性，并通通过工业CT对改良土样样进行观察，通通过实验的方方法，去观察察和采集外加加剂改良土体体的微观机理理的图片和数数据，通过对对比实验数据据和改良前后后土体的微结结构图片去说说明外加剂对对土体的微观观结构有哪些些改变以及改改变土体结构构的微观机理理。CT仪器用于岩岩土工程研究究的原理介绍绍X射线CT技术术可以无损地地获取材料内内部细观结构构图像，为描描述材料内部部结构提供了了强有力的手手段。CT图像多为灰灰度位图，可可以看作材料料扫描断面的的密度分布图图。图像中的的每一个像素素（Pixeel）灰度值代代表的是材料料每个单元体体积（体素，Voxell,1Vooxel=11Pixeel*1Pixell*每层扫描厚厚度）线性衰衰减系数平均均值。图像中中高灰度值表表示材料的高高密度区，低低灰度值表示示低密度区[[50]。图图像描述理论论就是利用某某些算法对图图像中的关心心对象（长度度、面积、纹纹理）的数量量进行计算，称称为“定量描绘子”；对关心对对象间的关系系进行表征，称称为“定性描绘子”。图像描述述可分为对边边界的描述和和对区域的描描述，以及它它们之间关系系的描述。图图像描述的核核心内容就是是各种描绘子子的获取。一一般，岩土材材料所含空隙隙、砂土、石石材矿物分别别在CT图像中对应应着低灰度值值、中灰度值值和高灰度值值区域。扫描描实验采用中中国矿业大学学（北京）国国家重点实验验室FXE—225X射线工业CT系统。CT图像的像素素矩阵为1024**1024,,视场18mm**18mm,,像素分辨率率为18微米，密度度分辨率在直直径10mm区域可达0.2%。图2-7工业业CT层析试验系系统后勤工程学院[[45]为研研究非饱和土土与特殊土的的结构性与其其本构关系，把把非饱和土三三轴仪与CTT机结合，研研制了与CTT机相匹配配的专用土工工三轴仪，在在陕西省汉中中市建立了后后勤工程学院院CT–三轴试验研研究工作站，如如图1所示。湿湿陷三轴仪的的底座为二元元结构，既可可控制吸力，又又可浸水；浸浸水时用GDDS压力/体积控制器器控制水头（水水压力控制精精度为1kkPa）并精精确量测浸水水量（精度为为1mm³）；试样体体变用精密体体变量测装置置量测，精度度为0.0006cm³³。CT机是prosspeedAI卧式式螺旋扫描机机，为GE公司生产，其其空间分辨率率为0.388mm，密密度分辨率为为0.3%（3Hu）。配配套后的仪器器能够控制吸吸力、精确量量测体变、精精确量测浸水水量、动态无无损地观测试试样内部细观观结构的变化化。图2-8后勤工工程学院CTT–三轴试验研研究工作站[[34]CT在土体微观观结构研究中中的应用目前土结构层次次的划分主要要有两种:一种是按宏宏观与微观划划分为两个层层次;另一种是是按宏观、细细观和微观划划分为三个层层次。宏观结结构是指可以以用肉眼、放放大镜或光学学显微镜观察察到的特征,,如裂隙、孔孔洞等,主要着重重研究土层赋赋存状态及不不同性状土体体在空间的相相对位置;微观结构是是土的物质组组成在空间排排列以及土粒粒的联结特征征,着重研究究颗粒内部的的晶体结构、矿矿物组成、形形态及相互关关系;细观结构构是指土颗粒粒或颗粒聚合合体之间的相相对位置、排排列特征、接接触状态、粒粒间连接、胶胶结物及胶结结状态、粒间间孔隙大小与与形态,着重研究究的对象是颗颗粒间所发生生的作用、结结构及内在的的原因.图2-9[333]为细观观结构示意图图。结构中的的孔隙由水或或水和气或气气所占据,不可溶相包包括难溶矿物物颗粒和难溶溶盐组成的胶胶结物。图2-9假想想的饱和土三三相比例研究土的细微观观结构常用的的试验分析方方法有用理想想材料（钢、化化纤、塑料、光光弹材料等）代代替实际砂颗颗粒，通过光光弹试验、切切片法、X射线法、CT方法、磁共共振法等细观观试验手段来来分析颗粒集集合体的组构构演化与受力力性状。Alshiibi等（2006）[38]以带带孔圆形塑料料珍珠球为试试验材料，利利用CT扫描技术研研究了三轴剪剪切过程中局局部应变的演演化规律。扫扫描试验分析析法也有直接接针对实际砂砂土进行。Autheer等（1964）[39]采用用了X射线技术研研究了实际砂砂土的原生各各向异性。Mahmoood等（1974）[40]针对对实际砂土采采用切片法研研究其细观组组构特性。220世纪90年代中中后期，中科科院寒旱所采采用CT技术研研究冻土的结结构性（19995－1997年）；之后后，杨更社[[42]、葛修润院院士[43]等开展了对对岩石细观结结构的研究，他他们分别在岩岩石细观结构构定量描述和和仪器研制方方面做了开拓拓性工作，各各自的研究成成果已出版了了专著。蒲毅毅彬等[44]率先将CT应用于原状状黄土内部结结构的观察（2000年）。自2000年起，以CT-三轴仪为工具，在细观研究方面做了一系列工作，主要探讨了膨胀土（包括原状土和重塑土）与黄土（包括Q3和Q2）的细观结构及其在荷载和水分变化条件下的演化特性。Alshibli等（2000）[41]针对Ottawa干砂，在微重力条件下进行了位移控制低围压三轴剪切试验，利用CT扫描技术分析了剪切过程中内部组构演化及局部变形发展规律，并研究了围压水平、重力条件对试验剪切带分布的影响。朱元青陈正汉[46]使用后勤工程学院CT配套仪器对原状Q3黄土在加载和湿陷过程中细观结构动态演化的三轴试验研究，得到湿陷性黄土在加载过程中的土细观结构变化的相关图片和数据。图2-10试样样第2层在各级级偏应力下的的CT图像图2-11试样样第5层在各级级偏应力下的的CT图像他们通过对所得得到的CT图片进行分分析得到湿陷陷性黄土的结结构性参数及及结构损伤演演化规律。陈陈正汉方祥位位[47]等使使用该CT—三轴试验仪仪对膨胀土和和黄土细观结结构及其演化化规律进行研研究，得到膨膨胀土在不同同应力路径和和湿干循环过过程中的结构构演化特性以以及黄土在加加载过程、湿湿陷过程及湿湿陷后加载过过程中的结构构演化特性。该该试验中使用用制备的土样样如图所示，图2-12陶岔岔渠坡原状膨膨胀土样试验验后的照片对制备的膨胀土土试样在CT—三轴试验仪仪观察，并拍拍摄得到了在在不同应力路路径和湿干循循环过程中的的结构演化的的CT图片，如图2-13所示：图2-13靳靳岗村原状土土2号土样的的三轴剪切CCT图片姚志华等[488]等做了膨膨胀土在湿干干循环和三轴轴浸水过程中中细观结构变变化的试验研研究，得出在在三轴浸水条条件下土体裂裂隙的变化特特征以及含水水率对裂隙闭闭合的影响。试试验采用的试试样如图2-14和图2-15所示。图2-14第第1次干燥后的的试样照片图2-15浸水水试验后的试试样照片李加贵等[499]等通过试试验对考虑细细观结构变化化的原状Q33黄土变形形和强度特性性进行研究，在在试验剪切过过程中,利用CT机对试样样进行跟踪扫扫描,根据剪切的的轴向变形量量决定CT扫描控制时时刻,即轴变为为0%,22.5%,,5%,7.5%%,10%%,12..5%,15%时时扫描,共7次,每次扫描描2个断面共得得到168张CT图像。基基于试验数据据建立了细观观结构参数,,并利用该该参数来反映映非饱和原状状Q3黄土的变变形和强度特特性,从而得到到能反映细观观结构性影响响的非线性应应力-应变关系系以及摩尔--库伦强度度公式。论文的所做的工工作土压平衡盾构在在我国隧道施施工中的应用用越来越广泛泛，土压平衡盾盾构在施工过过程中将开挖挖的渣土进行行改良，使渣渣土塑流性满满足盾构施工工的要求，对对某些地层来来说，如卵石石地层，并不不具备这样的的性质，必须须对其加入添添加剂进行改改良，主要土土体改良方法法有：加水，膨膨润土，粘土土，高分子聚聚合物和泡沫沫等工艺。1理论分析（1）本文了分分析泡沫的性性质以及泡沫沫与土体作用用的原理，宏宏观上分析泡泡沫含量和混混合土塌落度度的关系以及及相互作用。（2）编程分析析CT横断面灰度度图象的各种种参数，微观观上分析泡沫沫与土颗粒的的排列关系，含含量比例关系系。2试验研究（1）通过实验验室自制的泡泡沫产生装置置可以通过改改变网格的大大小制造出不不同直径、稳稳定性和发泡泡倍率的泡沫沫，方便系统统地研究泡沫沫的性质，从从中找到符合合盾构施工要要求的泡沫。对对气泡稳定性性的衡量参数数—半衰期和发发泡倍率与发发泡剂浓度等等参数的关系系进行试验，得得出影响气泡泡稳定性的关关键影响因素素。（2）由于砂卵卵石地层的特特殊性，本文文使用适当的的添加剂（如如泥浆和泡沫沫等）进行土土体改良，并并通过坍落度度试验找出最最优的混合土土体，并明确确以下内容：：不同稳定性性气泡和不同同泡沫注入比比对改良土流流动性的影响响；泡沫改良良土的孔隙比比随不同泡沫沫注入比的变变化规律；泡泡沫改良土体体随试样不同同含水率的变变化规律。（3）对通过塌塌落度试验得得出的最佳状状态混合土体体，放在工业业CT扫描平台上上进行CT扫描试验，得得出扫描的横横断面灰度图图。盾构用泡沫的室室内试验研究究泡沫性能的基本本要求在土压平衡盾构构进行施工过过程中，气泡泡作为优良的的土体改良剂剂已经在工程程中得到了广广泛的应用。其其对土体改良良后，保证盾盾构施工的顺顺利进行的有有效性也在实实际工程中得得到验证。由由于气泡是复复杂的气液二二相体，是由由液体发泡剂剂和其他的混混合物，发泡泡倍率和半衰衰期是泡沫性性能的两个重重要参数，是是评价泡沫优优劣的主要依依据，参照欧欧洲标准，本本文利用半衰衰期实验和发发泡倍率实验验测得这两个个参数，研究究泡沫的性能能，本试验设设备和装置参参照欧洲的测测量标准[332]。盾构用气泡的稳稳定性要求泡沫在盾构中的的应用是通过过无数个小气气泡组成的泡泡沫来实现的的。通常我们们所说的向盾盾构机内注入入气泡实际上上是注入泡沫沫。泡沫是典典型的气液二二相体系，其其90%以上的体积积为空气，不不足10%的体积为发发泡剂溶液，而而发泡剂溶液液95%以上是水，其其余为发泡剂剂，其多为各各种表面活性性剂的高浓度度混合液。泡沫是气体与液液体形成的分分散体系，气气相是分散相相，液相是分分散介质。就就其本质而言言，泡沫是热热力学不稳定定体系，泡沫沫中的气泡一一旦破裂，液液体的总表面面积大为减小小，能量(自由能)便降低。泡泡沫的稳定性性是指泡沫存存在时间的长长短，是泡沫沫流体的主要要性能。泡沫沫中的气泡是是由液膜和包包裹在液膜中中的气体组成成的，在气泡泡产生后，气气泡与气泡之之间的液膜在在重力和曲面面压力的作用用下就会发生生流失，随着着液膜流体的的流失，液膜膜的厚度会变变薄，气泡中中的气体就会会透过液膜进进入另一气泡泡中，两个或或者多个气泡泡合并为一个个体积更大的的气泡，直到到气泡破灭、消消失。因此，目目前普遍认为为泡沫的衰变变机理是：泡泡沫中液体的的流失和气体体透过液膜的的扩散。盾构施工时，泡泡沫从发泡装装置发出到与与开挖土混合合，进行土体体改良有一个个间隔时间，根根据盾构机的的制造工艺，这这一间隔时间间约为2~3miin，因此，盾盾构用泡沫必必须有一定的的稳定性，在在与开挖土体体混合之前不不至过量衰变变破灭，失去去对开挖土改改良目的；此此外，开挖土土体从被开挖挖进入压力舱舱到被螺旋输输送机排出有有一个时间过过程，这一过过程根据施工工的情况不同同有一定差别别，因此气泡泡与开挖土混混合后，对开开挖土的改良良效果必须能能够维持一段段时间，而气气泡的稳定性性越好，则泡泡沫对开挖土土改良后的效效果维持的时时间越长，由由此，盾构用用气泡的稳定定性也必须达达到一定的效效果，才能够够满足盾构施施工的要求。泡沫的稳定性可可通过测定泡泡沫消泡率与与时间的关系系来进行研究究，消泡率是是衡量气泡稳稳定性的重要要参数之一，其其定义见公式式3.1[332]（3-1）式中：——消消泡率——消散泡沫的的质量——泡沫的初始始质量消泡率率和时间的关关系曲线中，消消泡率为50%所对应的时时间称为气泡泡的“半衰期”。在对气泡泡的稳定性进进行评价时，对对比气泡的半半衰期，半衰衰期越长气泡泡越稳定。根据盾构施工中中的实际情况况，盾构用气气泡的稳定性性一般要求气气泡的半衰期期大于5min。盾构用气泡的发发泡倍率要求求发泡倍率是一定定体积的发泡泡剂溶液所发发出的气泡体体积与发泡剂剂溶液体积的的比值，即每每体积发泡剂剂溶液所发出出气泡的体积积。发泡倍率率是衡量发泡泡剂质量的一一个重要指标标。其定义见见公式3.2[322]。（3-2）式中：——发泡泡倍率——泡沫体积——发泡溶液体体积在土压平衡盾构构施工中，泡泡沫对开挖土土体的改良是是通过无数微微小气泡作用用的，发泡剂剂的液体溶液液必须能发出出泡沫状态良良好的气泡，来来进行土体改改良。泡沫溶溶液发泡率越越高，则气泡泡的发泡状态态越好，相同同发泡溶液发发出的气泡体体积多，泡沫沫体内存留的的未发挥作用用的发泡剂溶溶液越少，发发泡剂利用越越充分，对开开挖土的改良良效果越好。土土压平衡盾构构施工中用的的泡沫溶液必必须有一定的的发泡率，达达到施工所要要求的发泡状状态。此外，相相同发泡条件件下（空气压压力、发泡剂剂溶液压力和和气液混合比比）发泡倍率率越高，说明明发泡剂溶液液越易发泡，对对盾构机发泡泡装置的性能能要求越低，越越有利于盾构构施工中泡沫沫发泡状态的的控制。盾构施工中为了了达到良好的的发泡状态，泡泡沫的发泡率率一般为10~15倍。但实际际工程中气泡泡的发泡率是是在盾构机压压力舱的有压压状态下测出出的，其与大大气压下测得得的发泡率不不同。常压下泡沫的发发泡倍率与特特定压力下泡泡沫发泡倍率率的换算方法法如下，设定定液体为不可可压缩的，在在压力舱内气气泡的压缩只只有气泡内气气体的压缩所所引起的；根根据空气热力力学定律：在在无外力功时时，气体压强强与体积的乘乘积为常数，所所以由公式3.2可得式3.3[7]][32]]：（3-3）式中：——大气气压下的发泡泡倍率——大气压力——土舱内压力力——特定压力下下的发泡倍率率取大气压力为1100kPaa，根据施工工经验，由公公式3.3，可知气泡泡的大气压下下盾构用气泡泡的发泡倍率率在20倍左右。试验设备和试验验步骤试验设备（1）发泡装置置。发泡试验验装置系统示示意图如图3-1所示，装置置实物照片如如图3-2所示。图3-1泡沫沫装置示意图图1-发泡液容器器2-容器开关3-液体开关4-气体开关5-液体流量计6-气体流量计7-液体压力计8-气体压力计9-混合器10-增压泵11-发泡器12-空气压缩机机图3-2盾构构用泡沫的室室内发泡装置置（2）铁三脚架架，如图3-3所示；（3）不锈钢铁铁桶（600ml），用途为为盛泡沫破灭灭后由衰落筒筒流出的液体体；（4）衰落筒，体体积为2000mml，厚度为0.5cm的塑料筒，上上部开口，下下部为直径为为10cm的锥形盖子子，盖子中部部留有直径1cm的圆孔，为为了方便液体体的顺利流出出，衰落筒下下部铺设一层层钢丝过滤网网，过滤网可可以防止衰落落筒内的泡沫沫下落，但泡泡沫衰落后的的液体可以顺顺利流出。（5）电子天平平，量程为1000g，精度为0.1g，其用途是是称量由衰落落筒内流出的的液体的质量量。1-衰落桶22-三角架3-量筒4-电子天平图3-3泡沫沫半衰期试验验装置试验步骤（l）将衰落筒筒内壁用水湿湿润，然后放放到电子天平平上，置零；；（2）按照试验验要求配制发发泡剂溶液浓浓度，调节气气体和液体的的流量和压强强进行发泡，直直至得到所要要求的泡沫；；（3）将生产出出来的泡沫注注入电子天平平上的衰落筒筒中，注满后后读取泡沫的的质量，忽略略泡沫中气体体的质量，则则泡沫的质量量全部为发泡泡剂溶液的质质量，利用发发泡剂溶液密密度约为1.0gg/ml得出发泡剂剂溶液的体积积，利用发泡泡倍率计算公公式得出发泡泡倍率。（4）在三脚架架上部铺设过过滤网格，把把盛满泡沫的的衰落桶立即即放到三角架架上，同时开开动秒表，然然后把不锈钢钢铁桶放到电电子天平上，置置零，使衰落落筒的液体流流出的小孔对对准不锈钢铁铁桶的中央。（第第三、四步为为测量泡沫半半衰期的关键键步骤，为了了试验的准确确性，整个步步骤的完成不不得超过1分钟）（5）观察并记记录不锈钢容容器内液体质质量随时间的的变化，不锈锈钢容器内液液体质量达到到衰落桶内泡泡沫质量的一一半所需时间间即为泡沫的的半衰期。实验结果分析发泡液浓度对泡泡沫性质的影影响经过试验测量，泡泡沫发泡倍率率随发泡液浓浓度的变化规规律如图3-10所示，随着着发泡液浓度度从1%增加到4%，泡沫的发发泡倍率明显显增大从21增加到35左右，特别别是当浓度从从1%增加到3%，发泡倍率率增加最为明明显；发泡液液浓度继续增增大时，发泡泡倍率增加较较缓慢；浓度度大于5%时，发泡倍倍率几乎不变变。泡沫半衰期随发发泡液浓度的的变化规律如如图3-4所示，发泡泡液浓度从1%增加到4%，泡沫的半半衰期从8分钟延长到到10分钟，但但浓度再增大大时，泡沫的的半衰期反而而减小，并维维持在8分40秒左右。图3-4泡沫沫的发泡倍率率试验图3-5泡沫沫的半衰期试试验通过以上试验可可以发现：a当其他条件一一定时，泡沫沫的发泡倍率率随着发泡液液浓度的增加加而明显的增增大，发泡液液浓度较低时时，发泡倍率率变化最明显显，但存在一一个临界浓度度，当发泡液液浓度达到这这个浓度时（发发泡液浓度为为5%），发泡倍倍率仅有轻微微的变化。b当发泡液超过过一定的浓度度时，泡沫的的半衰期有所所降低，主要要是因为随着着发泡液浓度度增大，发泡泡液粘稠性增增强，泡沫的的延展性变好好，泡沫的直直径变大，也也容易破灭，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，浓度度对泡沫的发发泡倍率有明明显的影响，但但是对泡沫的的半衰期影响响不大。可以以得到此种发发泡液浓度为为2%-3%时，比较经经济，最为理理想。泡沫改良土体的的室内试验研研究土层改良的意义义和方法土压平衡盾构施施工中，在土土舱内形成良好好塑流性土体体，是盾构顺顺利施工的重重要前提。砂砂卵石地层具具有力学不稳稳定性、塑流流性差[155]，为了使使开挖土体有有良好的流动动性，必须有有30%左右的的微细颗粒，砂砂卵石地层中中微细颗粒很很难达到这个个含量，因此此，在盾构机机掘进时向开开挖面添加膨膨润土泥浆，与与开挖面切削削下来的土体体经过充分搅搅拌，形成具具有较好塑流流性和低透水水性的混合土土体，同时通通过伺服机构构控制盾构机机千斤顶速度度与螺旋输送送机向外排土土的速度相匹匹配，经土舱舱内塑流状态态良好的土体体向掌子面传传递设定的平平衡压力，实实现盾构机始始终在保持动动态平衡的条条件下连续向向前推进，在在砂卵石地层层中这是一种种常用的土体体改良方法。另外，砂砂卵石土层含含水量低、土土质较硬，一一方面，当盾盾构刀盘切削削土体时容易易使刀盘过热热，影响盾构构的机械性能能；另一方面面，刀盘切削削进来的土体体须经螺旋机机运出至皮带带运输机，当当遇到土质含含水量低、较较硬的情况下下，螺旋输送送机也会因工工作扭矩过大大而发热，影影响其性能，严严重时甚至停停转。因此，必必须通过往泥泥仓内加注改改良后的泥浆浆的方式来改改善土质，起起到减摩的作作用，满足螺螺旋输送机的的性能，并起起到冷却刀盘盘的作用。施工中如果加泥泥量过大，土土舱内较大的的卵砾石会在在重力的作用用下沉至土舱舱底部，土体体不能均匀混混合，产生“离析”现象，容易易造成刀盘“抱死”现象。因此此，泡沫土体体改良技术可可以在一定程程度上解决此此类问题。因此，加泥、加加泡沫的功效效主要表现为为以下几个方方面：（1）保持开挖挖面的稳定。泥浆和泡沫使开挖面土体的强度和刚度得到加强，提高了开挖面土体的竖向抗力，对开挖面土体起到了支护作用，减少了掌子面上方土体失稳的可能。（2）砂卵石地地层颗粒松散散，无粘聚力力，颗粒之间间的传力方式式为点对点，向向开挖面土体体添加泥浆后后，泥浆包围围在颗粒周围围，形成了一一层泥膜，增增加了颗粒之之间的粘聚力力，使得颗粒粒之间的传力力得到扩散，改改善了土体的的受力状况，另另外，泡沫的的体积极小，混混合后泡沫的的泥浆扩散性性得到增强，可可以在刀盘的的搅拌下迅速速渗透到土层层中，将砂卵卵石颗粒包裹裹起来，降低低了土体的密密实度，改善善了土体的塑塑流性。（3）防止渣土土粘附在刀盘盘及螺旋输送送机内，避免免闭塞现象，减减轻机械负荷荷，降低刀盘盘扭矩，同时时也提高了掘掘进速度。利利用泡沫优良良的润滑性能能，改善土体体粒状构造，同同时吸附在颗颗粒之间的气气泡可以减少少土体颗粒与与刀盘系统的的直接摩擦。降降低土体的渗渗透性，又因因其比重小，搅搅拌负荷轻，容容易将土体搅搅拌均匀，从从而做到既能能平衡开挖面面土压，又能能连续向外顺顺畅排土。同同时泡沫具有有可压缩性或或称之为弹性性，对土压的的稳定也有积积极作用。从以上试验总结结可以看出，通通过坍落度试试验、搅拌试试验渗透试验验、直剪试验验等，能较好好的研究改良良土体的性能能，并取得了了良好的效果果，但是以上上的试验都是是针对细砂类类地层的改良良而言的，是是否适用于卵卵石地层的土土体改良试验验还有待于进进一步研究。鉴鉴于砂、卵石石颗粒比较大大，本项目主要要采用坍落度度试验检测改改良土体的塑塑流性，寻找找砂、卵石地地层土压平衡衡盾构最优添添加剂配比方方案。泡沫的作用原理理隧道周围土体的的地质条件（地地下水位置、土土体渗透性等等）和盾构机机的特性（刀刀盘开口大小小、添加剂注注入口位置、发发泡装置等）决决定了所要选选择的泡沫类类型和聚合物物种类[1]]。泡沫是发泡液液（表面活性性剂）和压缩缩空气经过发发泡装置产生生的，作为发发泡液的主要要成分表面活活性剂是由聚聚合而成的长长链分子构成成的，含有憎憎水基和亲水水基，如图4-1所示。图4-1表面面活性剂分子子[30]表面活性剂是按按亲水基的性性质分类的，而而且憎水基和和亲水基有不不同形式的组组合，本文把把表面活性剂剂分成以下四四类：阴离子子、阳离子、两两性离子和非非离子表面活活性剂，其示示意图如图4-2所示[25]]。图4-2表面面活性剂形式式[30]不同分子长度、空空间结构的憎憎水基与不同同离子形式的的亲水基有着着不同的组合合，这些不同同的组合决定定表面活性剂剂不同的性质质，如表面（内内）摩擦力的的减小，发散散能力，可溶溶行，乳化性性，发泡能力力，泡沫稳定定等性质。表面活性剂的性性质可以总结结如下：（1）减小水的的表面张力水分子之间由氢氢键相连，当当表面活性剂剂溶于水后，憎憎水基致使水水分子之间的的氢键断裂，同同时重新构建建周围水分子子的结构，使使得憎水基受受到水分子的的排斥，因此此，水的表面面覆盖了一层层表面活性剂剂，其憎水基基与空气接触触，从而减小小了水的表面面张力，如图图4-3所示。（2）吸附性当表面活性剂加加入液体中，他他吸附在固体体-液体、液体-气体和不同同液体分界面面上，如图2-4所示[23]]，在交界面面上活性剂的的浓度比溶液液中的浓度大大的多。图4-3不不同分界面的的表面活性剂剂的吸附[228]（3）润滑作用用表面张力的减小小增加了润滑滑作用，由于于结合水的流流动使得原先先被结合水束束缚的土颗粒粒可以自由流流动，如图4-4所示。图4-4表面面活性剂的性性质[29]]（4）静电排斥斥作用表面活性剂吸附附在土体内的的微小裂缝的的表面，增加加裂缝的深度度，减弱微小小裂缝愈合的的能力，增强强扩散能力，并并使得土颗粒粒带有相同的的电荷而相互互排斥。如图图4-5所示，使得得由静电力结结合的土粒分分开。泡沫产生机理：：当发泡溶液液与空气混合合，亲水基溶溶于水中而憎憎水基在空气气中，表面张张力和排斥力力共同作用产产生气泡，发发泡过程如图图4-6所示，形成成的气泡其实实不是真正的的圆形，而是是近似的六边边形，发泡液液的浓度和发发泡倍数决定定气泡壁的厚厚度。图4-6发泡泡过程[255]泡沫的微观结构构：试验中使使用的泡沫主主要是由发泡泡剂和压缩空空气在发泡装装置中形成。典典型的泡沫由由许多非常小小的泡沫组成成,为了简化研研究，其内部部结构可看成成一种二维平平面结构,在这个二维维平面结构中中,气相与薄层层液膜之间由由一个二维界界面隔开,薄层液膜及及其两侧的界界面这个区域域被称作“薄片”。泡沫的二二维平面结构构可以参见图图4-7图4-7泡沫二二维平面结构构示意图破灭和消散机理理：泡沫经发发泡装置产生生后，泡沫自自身重力和泡泡沫之间的压压力作用在泡泡沫上，泡沫沫中的液体在在自身重力的的作用下逐渐渐排出，使得得泡沫壁变薄薄，液膜壁变变薄就会导致致液膜的破裂裂和泡沫整体体的坍塌。泡泡沫中气体的的压力与气泡泡的大小成反反比，即气泡泡的体积越大大，气压越小小，气泡之间间气压的不同同使得小气泡泡向大气泡运运动，这就是是气泡能够发发散的原因。图4-8表面面张力的增加加使液体从液液膜厚层流向向薄层泡沫与土体的相相互作用是关关系到泡沫土土体改良效果果的关键因素素，加入泡沫沫的混合土体体的密实度有有较大的变化化，泡沫置换换了渣土中的的一部分土颗颗粒和水分，使使得混合土体体密度减小，某某一程度上减减小了颗粒之之间的接触，气气泡起到一定定的润滑作用用，降低了接接触面的粗糙糙度，使摩擦擦系数降低；；另外，泡沫沫混合土具有有一定的弹性性，能维持土土舱内必要的的土压，并使使其均匀变化化防止产生较较大的起伏，泡泡沫混合土的的微观示意图图如图4-9所示。图4-9泡沫沫混合土的微微观示意图[[12]室内坍落度试验验步骤目前，评价改良良土体塑流性性的试验方法法中，坍落度度试验得到广广泛的认可和和使用试验方方法之一，国国内外研究表表明，满足盾盾构施工的土土体最佳坍落落度范围，其其值在100~150mmm之间[7]。为了了全面考察试试样在注入不不同添加剂情情况下的塑流流性状况，首首先做不同含含水量的塌落落度试验，试试样的含水量量从零增加到到饱和含水率率，比较试样样塌落度随含含水量增大的的变化规律，得得到能接近盾盾构施工要求求最佳的含水水量，并观察察这时改良土土体的形态。接接着研究试样样在不同膨润润土泥浆注入入量后塑流性性的变化规律律，并比较与与只加水时试试样改良效果果的差别。最最后用不同发发泡液浓度的的泡沫分别以以不同的泡沫沫注入比改良良试样，研究究泡沫对试样样的改良作用用，并对混合合土体的微观观结构形态进进行研究。试验仪器：塌落落桶，其用3mm厚的铁皮制制成，桶内壁壁光滑，桶的的上下面相互互平行，并垂垂直于轴线。上上口直径100mm，下口直径200mm，高300mm。桶外壁上上部焊有两只只手柄，下部部焊有两只脚脚踏板。试验时注意事项项：试验时将将气泡改良土土分三层装入入桶内，每层层体积大致相相等（底层厚厚度大约7cm，底中两层层厚度共约厚厚15~166cm）。每装一一层，用捣棒棒垂直插捣25次，插捣至至桶内全部面面积上。顶层层插捣完毕后后，用鏝刀将将改良土沿桶桶口抹平，并并清除桶外改改良土。将塌塌落桶徐徐垂垂直提起，不不得歪斜，轻轻放于试样旁旁边，用钢尺尺量出试样顶顶部中心点与与塌落桶的高高度差，既得得塌落度。整整个实验过程程在2~3miin内完成[311]。黏性土的坍落度度试验黏性土取自北京京工业大学实实验楼施工现现场，黏性土土的液限是28.004%塑限是10.433%，塑性指数10.43，属于粉质质粘土。在每次试验验之前，先取取土样烘干，在在烘干状态下下取土样体积积为7L，然后向试试样中添加水水和泡沫进行行搅拌，搅拌拌均匀后做坍坍落度试验。根根据上文中泡泡沫试验结果果，本试验选选择发泡液浓浓度为3%、发泡倍率率为15的泡沫进行行砂土的室内内改良试验。试试验结果如下下图5所示表4-1黏性土土物理参数土样液限塑限塑性指数干密度(g//cm³)黏性土28.317.610.72.2水对土样塑流性性的影响在烘干的土样中中添加不同量量的水进行土土体改良，坍坍落度试验结结果如图3-1所示。在添添加水的试验验曲线中，水水注入比（水水的体积与所所改良渣土体体积的比值）从0增加到28%时，坍落度从190mm减小到135mm，试验后土样自然坍塌，呈松散状；随着水注入比的增加，坍落度从135mm急剧减小到零（水注入比为30%时），随后坍落度从0急剧增大到160mm（水注入比为40%时），这时土样呈流动状态，试验后土体不成形，流动性较强。图4-10不不同含水率下下的塌落度值值不同含水率黏性性土试样的坍坍落度试验结结果试验数据据如下表表4-2不同同含水率黏性性土试样的坍坍落度试验编号含水率/%坍落度/mm备注W010190土质松散，无粘粘附性W022185土质松散，无粘粘附性，自然然坍塌W034190土质松散，无粘粘附性，自然然坍塌W046190土质松散，无粘粘附性，自然然坍塌W058185无粘附性，自然然坍塌W0610180粘附性小，自然然坍塌W071