盾構機施工過程中泡沫劑的使用及配比

目前，國內的地鐵建設方興未艾。在北京、上海、廣州等大城市的地鐵建設中已經(jīng)較多使用盾構法施工，

其中又以使用復

合式土壓平衡盾構機為多。

土壓平衡盾構機是指將盾構機刀盤上

的圓盤滾刀和刮刀切削開挖面土體的同時，使碴土在土倉內堆

積、混合并充滿

并由盾構機提供推力對倉中土體施加壓力

在推

力作用下使倉中碴土壓力和開挖面的水土壓力實現(xiàn)動態(tài)平衡。到既完成掘進又不會造成開挖面土體的失穩(wěn)，

以保持開挖面的穩(wěn)

定

控制地表的沉降。在以土壓平衡模式掘進時，如在砂層、礫石層，尤其是顆粒粒徑較大的土層掘進施工中，由于土體粘性大、摩擦力大、透

水性高和切削土的流動性差等原因，

進入土倉內的土體和進入螺

旋輸送系統(tǒng)的土渣易被壓實，而難于排出。為解決上述問題，在

目前地鐵施工現(xiàn)場中多使用一定濃度、

壓力和流量的泡沫劑加注

到工作區(qū)域，在開挖過程中注入水、膨潤土泥漿或泡沫劑，通過

充分攪拌后，可以使土體的性能得到改良，保證土體的流動性，

并減少土體的透水性，

同時使得開挖面保持穩(wěn)定。

同時加注泡沫

還可減少刀盤與土體的摩擦，

降低扭矩，

減少殼體與刀盤上粘土

的粘著力，有利于排土機構出土，所需的驅動功率就可減少。．泡沫劑的使用原理泡沫劑的作用主要來自于其中的活性劑成分?；钚詣┦侵柑砑恿亢苌倬涂梢源蟠蠼档腿軇┍砻鎻埩Φ奈镔|。

活性劑具有滲

透、乳化、發(fā)泡、減摩等作用

這些作用都源于活性劑分子在氣

—液界面和液—固界面上的吸附。

在氣—液界面和液—固界面上泡沫劑中的活性劑分子會形成定向排列。這種定向吸附作用

形成了定向的吸附膜

可明顯降低界面間的表面張力

同時也可增

加界面膜的機械強度

于是形成了泡沫并使泡沫能比較穩(wěn)定地存

在?；钚詣┑臐櫥蜏p摩作用也是來自于摩擦界面上形成的這層吸附膜

它降低了固體表面的自由能

使得摩擦系數(shù)下降。

活性劑分子不僅可以自動吸附在液體和固體顆粒的表面

而且還可以滲入到表面細微裂縫中

并在水力攜壓的作用下加速裂紋擴展起到滲透作用。

多余的活性劑分子很快地又吸附在這些新產(chǎn)生的

表面上

以防止新裂縫的愈合或顆粒相互間的粘聚。這都有利于

提高土體的破碎效率。二．泡沫效用分析指標確定泡沫劑在土壓平衡式盾構掘進中的應用效果，

從兩方面

考慮，即泡沫劑材料自身的性質及泡沫與開挖后土層混合所形成

的泡沫混合土力學性質。

泡沫劑自身性質泡沫劑自身的性質涉及泡沫劑的發(fā)泡率、泡沫的穩(wěn)定性等。

發(fā)泡率：發(fā)泡率，又稱“泡沫倍數(shù)”，指一定質量發(fā)泡

劑溶液所產(chǎn)生的泡沫體積與原液體體積之比，

它是衡量發(fā)泡劑質

量的一項重要指標。

目前應用于土壓平衡式盾構施工中的泡沫劑

的發(fā)泡率為

,在同樣情況下，發(fā)泡率越高，等量泡沫劑產(chǎn)

生的泡沫越多，

說明其具有高效性，但是發(fā)泡率與生成泡沫的穩(wěn)

定性二者是相互影響的，

較高的發(fā)泡率是犧牲泡沫穩(wěn)定性為代價

的，當分析泡沫性質時，

僅僅發(fā)泡率高并不能說明泡沫劑的優(yōu)越，

而應該結合下述其產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性進行綜合考慮。

由于泡沫在

土倉內出于受壓狀態(tài)，

同時通常情況下，

泡沫與土體發(fā)生混合是

在壓力狀態(tài)下進行的。假定壓力

體積常數(shù)，則當土倉內支護壓力為時泡沫的發(fā)泡率為：式中：

為消散的泡沫體積；，為泡沫初始體積。盾

構施工中，通常在刀盤、

土倉、螺旋輸送機三處布置泡沫的注入，通過注入泡沫將土倉土體改良成“塑性流動狀態(tài)”，

并應保持至

螺旋輸送機口順利排出。

這就要求泡沫具有足夠的穩(wěn)定性，

足能夠存在于渣土中直至混合土從螺旋輸送機排出。

以滿所以泡沫穩(wěn)定性的如何將直接影響其作用的發(fā)揮時間，泡沫材料作用的土體處于運動狀態(tài)，

泡沫改良土體的作用僅要求從

開挖面到螺旋輸送機出口這段運動過程中，

所以泡沫的穩(wěn)定性如

何將直接關系到改良效果的持續(xù)時問。

泡沫的發(fā)泡率作為一項可

變參數(shù)，

使得盾構承包商對其參數(shù)的選擇帶來困難，

較高的發(fā)泡

率可以做到在一定數(shù)量的泡沫劑下產(chǎn)生更多的泡沫，

但是過高的發(fā)泡率與泡沫的穩(wěn)定性及土體改良效果都存在相互制約的關系，

如何選擇合理的發(fā)泡率來最大效用發(fā)揮泡沫的作用，

需要針對不

同盾構工程來進行決定。

泡沫對環(huán)境的影響：由于泡沫渣土的處理沒有專門的措施，所以泡沫劑的成分對環(huán)境的污染程度是確定泡沫是否可用的

一個主要指標。環(huán)保、無毒副作用的泡沫劑是泡沫應用的條件。

從泡沫混合土的性質指標進行分析泡沫應用于盾構掘進工程中時， 其作用的發(fā)揮是通過與土體結合而體現(xiàn)出來的，

所以對泡沫的分析側重于其與開挖面切削土

體混合后的性質，即泡沫混合土性質。

泡沫混合土滲透性：土壓平衡式盾構機在強透水層地基施工時，開挖面過高的水壓力會導致盾構機螺旋輸送機出口發(fā)生地下水大量流失，嚴重時會發(fā)生噴涌。影響掘進順利進行，這時可以通過在刀盤及土倉注入泡沫來減小土體的滲透性。

此時分析泡沫的指標是泡沫混合土滲透系數(shù)的減小程度。由于泡沫與土體混合的充分程度會影響止水效果的差異。

同

時，不同的級配顆粒土體在加入泡沫后，

滲透系數(shù)的降低差異很

大。所以在分析泡沫劑技術的止水性時，

要結合混合土體的顆粒

級配情況而定。

泡沫用于增加土體塑性流動性：

土倉內的土體是一種非

常特殊的土體，

是由開挖面上切削