[精品]盾构用泡沫性能的试验研究

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1、盾构用泡沫性能的试验研究盾构用泡沫性能的试验研究摘要：土压平衡盾构机在圆砾、卵石地层中出现许多问题，如动态土压平衡难以形成、刀盘扭矩过大、刀具及刀盘磨损过快等，最有效的解决方法是土体改良。本文通过研制可以改变泡沫性能参数的新型发泡装置，研究了泡沫的性能，比较不同种类泡沫的优劣，为科学使用泡沫提供依据。关键词：土压平衡盾构；泡沫；研究屮图分类号：TH693.9文献标识码：A1概述土压平衡盾构机具有开挖速度快、劳动强度低、环境影响小及施工经济的优点，在地铁隧道开挖方面得到了广泛的应用。北京地区为砂层、卵石层与粘性土地层并存的地层条件，特别在圆

2、砾、卵石地层中，土压平衡盾构施工遇到了不同程度的困难。主耍有以下几个方面：1.1难以实现开挖面土压力的动态平衡。在圆砾、卵石地层中，土压平衡盾构施工中刀盘旋转切削下来的砂土塑流性差，设定的工作压力不能顺利地传递到掌子而，不易实现连续的动态平衡，掌子面容易失稳，导致发生超挖现象。1.2盾构机及螺旋输送机扭矩过大问题。圆砾、卵石地层触动后会变得松软，颗粒较大的卵右容易在刀盘底部堆积，使得盾构机运转扭矩过大，当刀盘停止一段时间后重新启动时，会产生刀盘被“抱死”现象，即刀盘不能转动。1.3刀具的异常磨损及磨损过快的问题。由于卵石本身的高摩擦性、刀

3、具与卵石的冲击作用及开挖后渣土对刀具的抱死作用，容易造成刀具的过快磨损、刀具的冲击磨损、滚刀的偏磨及刀盘的异常磨损。解决这些问题的主要途径就是进行土体改良，随着土体改良的发展，泡沫因其高效、无污染和经济等方而的优势得到了广泛的应用，成为盾构施工主要的添加剂；本文通过研制新型的适用于室内发泡的泡沫装置，对施工中使用的两种泡沫的性能进行对比，为施工中合理选择泡沫提供参考。2试验材料的制备1.1泡沫装置的研制本试验根据土压平衡盾构机中发泡装置，结合国内外室内发泡装置的研究经验自行研制了可以进行室内发泡的试验装置。本装置分为两个系统，气体系统和液

4、体系统。压缩空气是通过空气压缩机&成，发泡液通过增压泵输出，并通过各自系统的阀门调成特定的压强和流量，压缩空气和发泡液在混合器中混合形成气液混合体，通过发泡装置牛成泡沫。本装置可以通过调节气体和液体的流量和压强、以及发泡装置中网格的大小，生产出不同发泡倍率和稳定性的泡沫。由该泡沫装置制成的泡沫如图1所示。3泡沫试验发泡倍率和半衰期是评价泡沫性能的两个重要参数，发泡倍率（ER）是指一定体积的发泡液所发出的气泡体积与发泡液体积的比值,是发泡液发泡效力的指标。半衰期是指泡沫破灭到原来重量一半时所用的时间，是评价泡沫的稳定性的重要指标。本试验参照

5、欧洲的测量标准，利用半衰期实验和发泡倍率实验测得这两个参数，本试验所用的发泡液是国内某公司生产的发泡剂。研究表明泡沫的半衰期大于5分钟就能满足土压平衡盾构施工的要求。2.1泡沫随时间的变化规律①发泡液浓度1%;②发泡液浓度2%；③发泡液浓度3%；④发泡液浓度4%；⑤发泡液浓度5%；⑥发泡液浓度6%。从图2可以看出：（1）泡沫在最初的3〜4分钟期间，性能稳定，基本上没有破灭，而且稳定的时间随着浓度的增加而增长；泡沫从开始衰落到半衰期期间，气泡破灭的速度比较快，过了半衰期后破灭的速度趋于缓和。（2）当发泡液浓度较低时，泡沫的衰落速度比较快，当

6、发泡液浓度大于3%时，泡沫的衰落速度明显减慢，泡沫的稳定性较好，发泡液浓度对泡沫的稳定性与性能有显著的影响。3.2气体流量对泡沫性质的影响如图3、4所示，随着气体流量从24ml/min减小到15ml/min,半衰期从9分35秒增加到10分50秒。泡沫的发泡倍率明显的减大，从20增加到27左右。可以看出：随着气体流量增大，泡沫发泡倍率减小，单个泡沫的质量增加，即泡沫壁增厚或体积增大。由于泡沫的破灭主要受重力作用，质量大的泡沫破灭速度较快，故泡沫的半衰期随着气体流量的增大而缩短，相反当气体流量减小时,发泡液发泡更加充分，泡沫显得“干燥”，相应

7、的稳定性更好。3.3发泡液浓度对泡沫性质的影响随着发泡液浓度从1%增加到6%,泡沫的发泡倍率明显增大从11增加到22心右，特别是当浓度从1%增加到3%,发泡倍率增加最为明显；发泡液浓度继续增大吋，发泡倍率增加较缓慢；浓度大于5%时，发泡倍率儿乎不变。发泡液浓度从1%增加到3%,泡沫的半衰期从9分钟延长到10分钟14秒，但浓度再增大时，泡沫的半衰期反而减小，并维持在9分38秒左右。主要是因为随着发泡液浓度增大，发泡液粘稠性增强，泡沫的延展性变好，泡沫的直径变大，也容易破灭。通过以上试验可以发现：(1)当其他条件一定吋，泡沫的发泡倍率随着发泡

8、液浓度的增加而明显的增大，发泡液浓度较低吋，发泡倍率变化最明显，但存在一个临界浓度，当发泡液浓度达到这个浓度时(发泡液浓度为5%),发泡倍率仅有轻微的变化。(2)当发泡液超过•定的浓度吋，泡沫