发泡系统说明.docx

泡沫在土压平衡盾构施工中的应用本文论述了在土压平衡盾构隧道施工中，可通过加注泡沫改良开挖面土体，扩大土压平衡盾构机适用地层的范围，井结合深圳地铁一期工程华强路—岗厦区间的工程实践，分析总结了在盾构机穿越不同地层时泡沫的应用情况，论证了向开挖面压注泡沫材料来保证开挖面稳定和砂性塑流的优点1、前言一般土压平衡盾构机适用于内摩擦角小、渗透系数在10负6次m/s以下的易塑流的粘性土层在砂层、砾石层中，对于颗粒粒径较大的地层，土的摩擦力大，透水性高，切削土的流动性差，不能很好的传递压力，在这种土层中要保持开挖面稳定难度很大为解决砂性土的塑流，可在开挖土仓中注入泡沫并充分搅拌，改变土的成分，以保证土的流动性和减少土的透水性，使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城市地铁隧道大都需要穿越不同的地层，在一条线路上可能会有部分不适宜土压平衡盾 构机施工的地层，这就限制了土压平衡盾构的适应范围，但是如采用万能的泥水盾构则造价 比较高，而且需要很大的场地来安置泥水处理循环系统目前城市地铁施工可提供的场地越 来越小，因此为扩大土压平衡盾构机的使用范围，使其能够适应各种不同地层的变化，可采 取通过加注泡沫系统的办法来实现这目的，使土压平衡盾构机造价低、容易控制操作的优点 得到充分发挥。

加泡沫后改变土壤渗透系数、扩大土压平衡盾构机适用渗透系数土体及粒径 的范围2、泡沫的发泡原理和工艺流程2.1 发泡原理发泡系统由泡沫发生器、空压机、储料罐和各种管道泵组成，将发泡剂、聚合物与水混合后，人压缩空气将液体膨胀产生泡沫，通过刀盘上的 4 个性人口注人开挖仓内2.2 泡沫制造工艺流程2.3 泡沫的膨胀率和注入比（1） 泡沫的膨胀率（FER）FER=（液体的流速1/mm）：（空气的流速1 / mm）；FER越大说明泡沫越“稀”或越“湿”，一般取值在1： 6〜1： 15之间2） 泡沫的注入比（FIR）FIR=（泡沫加注速率）/（ 土壤的开挖速率）X100%；—般取值在 40％〜100％之间气泡剂技术在土压平衡式盾构施工中的功效基础摘要：鉴于国内目前气泡剂技术在辅助土压平衡式盾构施工中存在的一些问题，本文 在考虑气泡剂技术在土压平衡式盾构施工中的功效基础上，从气泡剂自身性质和气泡混和土 力学性质两方面着手，结合土压平衡式盾构施工的原理，阐述了气泡剂在盾构掘进施工中应 用效果评价的手段及相应的指标，为气泡剂技术在土压平衡式盾构中的应用和选择提供实际 参考关键词：土压平衡式盾构;气泡剂;效果评价1前言近几年来，我国许多大城市，伴随着城市交通流量的激增和地表空间的减小，地下空间不断 开发，城市隧道施工工程中，作为不影响城市商业、交通功能的盾构法以其施工对四周环境 影响小、快速的机械化施工等优点而被广泛应用于城市地下空间开发工程，尤其在地铁隧道 工程中，逐渐代替传统的明挖法、暗挖法，成为一种较为普及的隧道成型工法。

盾构法中， 土压平衡式盾构法因其适用地层范围较大、对四周环境要求较低及造价合理等优势而得到广 泛的应用，并且在国内外的隧道工程中应用规模不断扩大土压平衡式盾构法得以如此广泛应用，主要因素取决于辅助材料在盾构掘进中的使用，土压 平衡式盾构施工中，为了保证进入压力舱的土体具有满足正常施工条件的良好的塑性流动 性、止水性等力学性质，通常采取在开挖面及压力舱注入辅助材料进行土体改良，国内外常 用的添加剂主要有:①粘土矿物类;②界面活性材料类;③高吸水树脂类;④水溶性高分子类 其中，界面活性材料中的气泡剂具有现场制作方便、环保、渣土处理简单及功能多样等优点 而在土压平衡式盾构法中得到普遍采用盾构用气泡剂的使用至今已有近30年的历史，非凡是近十年来使用气泡来改良土质的做法 日益得到工程界的重视，应用范围和规模越来越大，但是受诸多因素的影响，对气泡添加剂 的使用多数停留在凭施工经验的基础上，理论上的研究不够，国内在发泡剂产品的选择、气 泡应用等方面存在极大的盲目性，对气泡注入效果的评价目前也没有确定的方法及标准因 此，提出一套评价气泡在盾构掘进施工中应用技术及效果评价方法，对气泡剂技术在盾构工 程中的应用有着积极的指导意义。

2气泡剂技术在土压平衡式盾构掘进中的应用气泡在盾构施工中的应用是通过无数小气泡组成的泡沫来实现的通常我们所称的注入气泡 实际上是注入泡沫泡沫是典型的气-液二相系，其90%以上为空气，不足10%为气泡剂溶液； 而气泡剂溶液90%~99%为水，其余为气泡剂原液气泡在土压平衡式盾构施工中的主要作用： 减少盾构机机械的磨损，土压平衡式盾构机在砂土等摩擦性较大土体中掘进时，与土体发生 摩擦的刀具极易磨损，通过在刀盘上注入气泡材料，可以降低土体的摩擦性，减小刀具的磨 损调整压力舱内土体塑性流动性，土压平衡式盾构法掘进工程中，压力舱内土体性质如何，将 直接影响盾构的顺利掘进，切削后的渣土具有良好的塑性流动性，不但可以能够使开挖面维 持较好的支护压力，而且保证排土顺利进行，在盾构掘进中，由于地层的变化，未经处理进 入压力舱的土体通常难以获得希望的塑性流动性，此时压力舱内轻易发生“结饼”、“闭 塞”等问题，影响施工气泡的注入可以有效解决上述问题降低渣土的透水性，土压平衡式盾构机在砂砾层等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排土器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，注入气泡可以有效降低渣土的渗透性，有效防止掘进中喷涌的发生及大量地下水的流失。

降低切削渣土的内摩擦力，减少刀盘、螺旋排土器、运输带的磨损，降低刀盘扭矩，防止机 器能耗过高发热而发生故障3气泡剂在应用中存在的问题及效果评价指标确定的意义盾构掘进工程中，盾构机经过的地层条件千变万化，有些区间地层以砂土为主，渗透系数大， 地下水易从开挖面渗入，导致开挖面失稳和螺旋排土器口喷涌发生有些区间粘粒含量高， 刀盘易发生黏附，导致开挖不畅、搅拌困难，压力舱内易发生结饼和闭塞要想在上述土体 中应用土压平衡式盾构顺利进行地铁隧道建设，必须对土压平衡式盾构压力舱内的土体进行 改良，使之满足如下力学性质：土体不易固结排水;土体处于较理想塑性流动状态;土体具有 较低的透水性目前，国内企业在地铁盾构隧道施工中从国外进口了发泡材料进行改善土压平衡式盾构土体 性质，但对气泡添加材料的性能和评价标准都没有可借鉴的实例和资料，造成气泡在使用的 过程中产生多种问题，例如：气泡的发泡倍率不够或过多的进行添加，对昂贵的添加材料造 成大量的浪费；由于在盾构施工中不能合理有效及时的使用气泡添加材料或为了减小成本气 泡的添加量不足，造成盾构舱内的土体性质没有得到有效的改良，“结饼”、“闭塞”、“喷 涌”等问题继续发生。

在广州、深圳地铁隧道施工中，由于压力舱发生“结饼”需要进行开 舱处理而造成的开挖面土体坍塌事故多次发生科学应用气泡添加材料，作到适时，适量的注入气泡，就能有效的改善土压平衡式盾构压力 舱内土体的状态，使“结饼”、“闭塞”、“喷涌”等问题少发生或不发生，做到上述的前提条件首先是能够对气泡剂注入土体的效果评价有着比较明确的方法及手段同时，目前国 内的盾构隧道所用的发泡材料多为国外进口，造价较高，国内自主生产的发泡产品目前多处 于研发阶段，尚未大量投入使用，面对未来各类品牌的发泡剂产品，有一套相应的气泡在盾 构掘进中的功效评价指标，才能够使得承包商合理选择适用于自己的气泡剂产品4气泡效果评价指标确定气泡剂在土压平衡式盾构掘进中的应用效果，可从两方面考虑，即气泡剂材料自身的性 质及气泡与开挖后土层混和所形成的气泡混和土的力学性质4.1气泡剂自身性质气泡剂自身的性质涉及气泡剂的发泡率、气泡的稳定性等4.1.1发泡率发泡率，又称“气泡倍数”，指一定质量发泡剂溶液所产生的气泡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其定义见下式ER=Vf/V1式中：Vf 产生的气泡体积；VI 气泡剂溶液体积。

目前应用于土压平衡式盾构施工中的气泡剂的发泡率为5~20，在同样情况下，发泡率越高, 等量气泡剂产生的气泡越多，说明其具有高效性，但是发泡率与生成气泡的稳定性二者是相 互影响的，较高的发泡率是牺牲气泡稳定性为代价的，当评价气泡性质时，仅仅发泡率高并 不能说明气泡剂的优越，而应该结合下述其产生的气泡稳定性进行综合考虑由于气泡在压力舱内处于受压状态，同时通常情况下，气泡与土体发生混合是在压力状态下 进行的假定压力X体积=常数，则当压力舱内支护压力为p时气泡的发泡率为：上式中：pa为标准大气压，ER为大气压下发泡率4.1.2气泡的稳定性气泡的稳定性是指气泡长时间静置于空气中而不破裂的性质，气泡的稳定性是衡量气泡优劣 的一个重要指标稳定性的好坏由消泡率来反应，消泡率是衡量气泡稳定性的重要参数之一， 其定义见下式FS=Vd/Vo=Md/Mo式中：Vd为消散的气泡体积;Vo为气泡初始体积;Md为消散的气泡质量;Mo为气泡初始质量 对于气泡的稳定性,有学者提出用半衰期的概念来描述，即气泡体积消散一半所需要的时间 可采用图1所示的装置进行消泡率的测定试验其过程如下：首先测定大容器中所盛的气泡的总质量，然后每隔一定时间测定量筒中气泡消散形成的液体质量，利用公式即得出消泡率 曲线，某气泡剂产品消泡率曲线示意图见图2。

盾构施工中，通常在刀盘、压力舱、螺旋排土器三处布置气泡的注入口，通过注入气 泡将压力舱土体改良成“塑性流动状态”，并应保持至螺旋排土器口顺利排出这就要求气 泡具有足够的稳定性，以满足能够存在于渣土中直至混合土从螺旋排土器排出所以气泡稳 定性的情况将直接影响其作用的发挥时间，通常盾构隧道所需气泡的稳定性要求可通过下述 方法估计： 气泡消散25%的时间不大于T：上式中:Rl, R2分别为压力舱及螺旋排土器直径;L1,L2分别为压力舱及排土器长度;V— 盾构机掘进速度;a—反应气泡与土体结合后稳定性增强的参数，与所混合的土体参数等有 关举例说明，某盾构隧道工程中，压力舱直径6m，长度1.2m,螺旋排土器长度9.5m,直径0.7m, 以天天推进12m速度考虑，a取值为1.5，则要求气泡稳定性到达消泡25%所需的时间大于 1.9h盾构施工是一个动态的过程，气泡材料作用的土体处于运动状态，气泡改良土体的作 用仅要求于从开挖面到排土器出口这段运动过程中，所以气泡的稳定性将直接关系到改良效 果的持续时间气泡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气泡剂下产生更多的气泡，但是过高的发泡率与气泡的 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地发挥气 泡的作用，需要针对不同盾构工程来进行决定。

4.1.3气泡对环境的影响由于气泡土的处理没有专门的措施，所以气泡剂的成分对环境的污染程度是确定气泡是否可 用的一个主要指标环保、无毒副作用的气泡剂是气泡应用的根本4.2从气泡混和土的性质指标进行评价气泡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，所以对气泡 的评价侧重于其与开挖面切削土体混合后的性质，即气泡混合土性质4.2.1气泡混合土渗透性土压平衡式盾构机在砂砾层等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 排土器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 刀盘及压力舱注入气泡来减小土体的渗透性此时评价气泡的指标是气泡混合土渗透系数的 减小程度一般要求，当用气泡减小土体渗透性时，要求渗透系数能够降低，见下表1由于气泡与土体混合的充分程度会。