土压平衡盾构施工泡沫剂效用分析

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1、土压平衡盾构施工泡沫剂效用分析盾构用泡沫剂的使用至今已有近30年的历史，特别是近十年来使用泡沫剂来改良渣土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，对泡沫添加剂的使用多数停留在施工经验的基础上，理论上的研究不够。国内在发泡剂产品的选择、泡沫应用等方面存在较大的盲目性，对泡沫注入效果的分析目前也没有确定的方法及标准。因此，提出一套分析泡沫在盾构掘进施工中应用技术及效用分析方法对泡沫剂技术在盾构工程中的应用有着积极的指导意义。1泡沫剂技术在土压平衡式盾构掘进中的应用泡沫剂在盾构施工中的应用是通过无数小气泡组成的泡沫混

2、入到渣土中来实现的。通常我们所称的注入泡沫实际上是注入气泡。泡沫是典型的气一液二相系，其90％，以上为空气，10％为泡沫剂溶液；而泡沫剂溶液90％～99％为水，其余为泡沫剂原液。泡沫在土压平衡式盾构施工中的主要作用：(1)减少盾构机机械的磨损。土压平衡式盾构机在摩擦性较大土体中掘进时，与土体发生作用的刀具极易磨损，通过在刀盘上注入泡沫材料，可以降低土体的摩擦性，减小刀具的磨损。(2)调整土仓内土体塑性流动性，土压平衡盾构法掘进过程中，土仓内土体性质如何，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

3、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，未经处理进入土仓的土体通常难以获得希望的翅性流动性，此耐土仓内容易发生“泥饼”、“堵塞”等问题，严重影响掘进效率。泡沫的注入可以有效解决上述问题。(3)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，注入泡沫可以有效降低渣土的渗透性，有效防止掘进中喷涌的发生。(4)降低切削渣土的内摩擦力，减少刀盘、螺旋输送机的磨损，降低刀盘扭矩，防止机器能耗过高发热而发生故障。2泡沫剂在

4、应用中存在的问题及效用分析指标确定的意义盾构施工中，盾构机穿越的地层千变万化，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输送机口喷涌发生；有些区间粘粒含量高，刀盘易发生堵塞，导致开挖不畅、搅拌困难，土仓内易发生结泥饼和闭塞。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土仓内的土体进行改良，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。科学应用泡沫添加材料，做到适时、适量的注人泡沫，就能有效的改善土压平衡式盾构土仓内土体的状态，使“结泥

5、饼”、“堵塞”、“喷涌”等问题少发生或不发生，往做到上述的前提条件是首先能够对泡沫剂注入土体的效用分析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(德旧及法国)，造价较高，国内自主生产的发泡产品目前多出于研发阶段，尚未大量投入使用，而对未来各类舳牌的发泡剂产品，一套相应的泡沫在盾构掘进中的功效分析指标，能够使得承包商合理选择适刚于门已的泡沫剂产品。3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。3．1泡沫剂自身性质

6、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

7、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

8、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