盾构机施工过程中泡沫剂的使用及配比

【摘要】目前，国内外盾构工程市场非常活跃，前景相当广阔，也形成了较成熟的结构设计计算理论和工程实践体系，但地铁盾构隧道施工的质量缺陷仍存在一些尚未得到很好解决的问题,如管片的渗漏、裂纹、错台、崩角、扭转等。本文在对盾构隧道质量缺陷的影响因素作简单分析基础上，提出了泡沫剂的作用及使用，以期在设计与施工过程中对上述缺陷加以弥补。

关键词：盾构机; 泡沫剂; 指标

【 abstract 】 at present, the shield tunnel construction market is very active, a broad prospect, but also formed a mature structure design and calculation theory and engineering practice system, but the subway shield tunnel construction of quality defects still has some has not been well settled, such as segment of the leakage, crack, wrong sets, collapse Angle, reverse, etc. In this paper the quality defects of shield tunnel of a simple analysis of the influence factors are put forward, based on the function and the use of foam agents, in order to design and construction process of the above defects to make up for.

Keywords: shield construction machine; Foam agent; index

目前，国内的地铁建设方兴未艾。在北京、上海、广州等大城市的地铁建设中已经较多使用盾构法施工，其中又以使用复合式土压平衡盾构机为多。土压平衡盾构机是指将盾构机刀盘上的圆盘滚刀和刮刀切削开挖面土体的同时，使碴土在土仓内堆积、混合并充满,并由盾构机提供推力对仓中土体施加压力,在推力作用下使仓中碴土压力和开挖面的水土压力实现动态平衡。达到既完成掘进又不会造成开挖面土体的失稳，以保持开挖面的稳定,控制地表的沉降。

在以土压平衡模式掘进时，如在砂层、砾石层，尤其是颗粒粒径较大的土层掘进施工中，由于土体粘性大、摩擦力大、透水性高和切削土的流动性差等原因，进入土仓内的土体和进入螺旋输送系统的土渣易被压实，而难于排出。为解决上述问题，在目前地铁施工现场中多使用一定浓度、压力和流量的泡沫剂加注到工作区域，在开挖过程中注入水、膨润土泥浆或泡沫剂，通过充分搅拌后，可以使土体的性能得到改良，保证土体的流动性，并减少土体的透水性，同时使得开挖面保持稳定。同时加注泡沫还可减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，减少壳体与刀盘上粘土的粘着力，有利于排土机构出土，所需的驱动功率就可减少。

一．泡沫剂的使用原理

泡沫剂的作用主要来自于其中的活性剂成分。活性剂是指添加量很少就可以大大降低溶剂表面张力的物质。活性剂具有渗透、乳化、发泡、减摩等作用,这些作用都源于活性剂分子在气—液界面和液—固界面上的吸附。在气—液界面和液—固界面上,泡沫剂中的活性剂分子会形成定向排列。这种定向吸附作用,形成了定向的吸附膜,可明显降低界面间的表面张力,同时也可增加界面膜的机械强

度,于是形成了泡沫并使泡沫能比较稳定地存在。

活性剂的润滑和减摩作用也是来自于摩擦界面上形成的这层吸附膜,它降低了固体表面的自由能,使得摩擦系数下降。活性剂分子不仅可以自动吸附在液体和固体颗粒的表面,而且还可以渗入到表面细微裂缝中,并在水力携压的作用下加速裂纹扩展,起到渗透作用。多余的活性剂分子很快地又吸附在这些新产生的表面上,以防止新裂缝的愈合或颗粒相互间的粘聚。这都有利于提高土体的破碎效率。

二．泡沫效用分析指标

确定泡沫剂在土压平衡式盾构掘进中的应用效果，从两方面考虑，即泡沫剂材料自身的性质及泡沫与开挖后土层混合所形成的泡沫混合土力学性质。

1.泡沫剂自身性质

泡沫剂自身的性质涉及泡沫剂的发泡率、泡沫的稳定性等。

(1)发泡率：发泡率，又称“泡沫倍数”，指一定质量发泡剂溶液所产生的泡沫体积与原液体体积之比，它是衡量发泡剂质量的一项重要指标。目前应用于土压平衡式盾构施工中的泡沫剂的发泡率为5～20，在同样情况下，发泡率越高，等量泡沫剂产生的泡沫越多，说明其具有高效性，但是发泡率与生成泡沫的稳定性二者是相互影响的，较高的发泡率是牺牲泡沫稳定性为代价的，当分析泡沫性质时，仅仅发泡率高并不能说明泡沫剂的优越，而应该结合下述其产生的泡沫稳定性进行综合考虑。由于泡沫在土仓内出于受压状态，同时通常情况下，泡沫与土体发生混合是在压力状态下进行的。

假定压力×体积=常数，则当土仓内支护压力为时泡沫的发泡率为：式中：V，为消散的泡沫体积；，为泡沫初始体积。盾构施工中，通常在刀盘、土仓、螺旋输送机三处布置泡沫的注入，通过注入泡沫将土仓土体改良成“塑性流动状态”，并应保持至螺旋输送机口顺利排出。这就要求泡沫具有足够的稳定性，以满足能够存在于渣土中直至混合土从螺旋输送机排出。

所以泡沫稳定性的如何将直接影响其作用的发挥时间，泡沫材料作用的土体处于运动状态，泡沫改良土体的作用仅要求从开挖面到螺旋输送机出口这段运动过程中，所以泡沫的稳定性如何将直接关系到改良效果的持续时问。泡沫的发泡率作为一项可变参数，使得盾构承包商对其参数的选择带来困难，较高的发泡率可以做到在一定数量的泡沫剂下产生更多的泡沫，但是过高的发泡率与泡沫的稳定性及土体改良效果都存在相互制约的关系，如何选择合理的发泡率来最大效用发挥泡沫的作用，需要针对不同盾构工程来进行决定。

(2)泡沫对环境的影响：由于泡沫渣土的处理没有专门的措施，所以泡沫剂的成分对环境的污染程度是确定泡沫是否可用的一个主要指标。环保、无毒副作用的泡沫剂是泡沫应用的条件。

2.从泡沫混合土的性质指标进行分析

泡沫应用于盾构掘进工程中时，其作用的发挥是通过与土体结合而体现出来的，所以对泡沫的分析侧重于其与开挖面切削土体混合后的性质，即泡沫混合土性质。

(1)泡沫混合土渗透性：土压平衡式盾构机在强透水层地基施工时，开挖面过高的水压力会导致盾构机螺旋输送机出口发生地下水大量流失，严重时会发生喷涌。影响掘进顺利进行，这时可以通过在刀盘及土仓注入泡沫来减小土体的渗透性。此时分析泡沫的指标是泡沫混合土渗透系数的减小程度。

由于泡沫与土体混合的充分程度会影响止水效果的差异。同时，不同的级配颗粒土体在加入泡沫后，渗透系数的降低差异很大。所以在分析泡沫剂技术的止水性时，要结合混合土体的颗粒级配情况而定。

(2)泡沫用于增加土体塑性流动性：土仓内的土体是一种非常特殊的土体，是由开挖面上切削下来的破碎土体，在刀盘和土仓部位注浆臼注入泡沫，经过搅拌翼的搅拌、混合而充填在土仓内的混合土体。目前，国内盾构隧道中使用泡沫材料主要的目的是增加土仓内土体的塑性流动性，防止或改善土仓内的“堵塞”、“结泥饼”现象。