中铁十八局集团轨道交通工程有限公司 广西南宁 530000
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
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。
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。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。
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（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。
（3）泡沫用于降低土体的黏附性：降低土体的黏附性可以防止土体黏附于刀具及土仓隔板及搅拌翼等结构而引起的刀具磨损、掘进扭矩及推力的增大，从而为保护盾构机顺利掘进。泡沫注人降低土体黏附性的效果判断，可以通过测定泡沫改良土体和金属表面黏附力的大小，即简单测定泡沫混合土体试样在一定角度倾斜后的金属平板上的滑溜情况。
（4）泡沫浸透试验：泡沫浸透试验目的是研究注入的泡沫对刀盘前方地层的浸透能力。在一定的压力下，泡沫过度的浸透能力将会导致泡沫用量增加，而且泡沫混合土体提供的支持压力也可能不够充分。在测试试验中，将土样置于透明的圆筒中，然后注入泡沫，施加压力，在活塞的推动作用下，观察泡沫浸透到土样的深度。
三．盾构机专用泡沫剂及其作用
盾构机专用泡沫剂是由多种表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂等复配而成，载体为水。在工作过程中，泡沫剂与水混合，在盾构机刀盘、压力舱和排土器的发泡装置内，经压缩空气的作用，发出无数直径为30－400微米的气泡，同时被注入到盾构机内与开挖土混合，对开挖土进行改良，使开挖土呈“塑性流动状态”，保证盾构的顺利进行。泡沫本身具有一定的强度，产生一定的支承作用，使开挖土的流动性提高，压力舱内土体不易堵塞，同时能降低刀盘和排土器的扭矩，利于稳定掘进。
盾构机专用泡沫剂可对开挖土进行改良，其具体作用如下：
（1）泡沫有良好的润滑作用和一定的强度，可降低压力舱内土体的内摩擦角，提高开挖土的流动性，防止“闭塞”现象发生，同时降低了刀盘和排土器的扭矩，利于稳定掘进。
（2）泡沫具有压缩性，可提高改良后的开挖土的压缩性，抑制“结饼”问题的发生。同时开挖土压变动小，利于开挖面的稳定。
（3）泡沫有一定的弹性和润滑作用，能降低土体的黏度，防止开挖土粘附于盾构机刀盘面板和压力舱内壁，有利于松散出土。
（4）泡沫能置换土颗粒间隙中的水，提高开挖土的止水性，防止地下水位高的砂地层中“喷涌”现象的发生。
（5）改良后的开挖土，出土容易，可用于回填，无残留、无毒害，泡沫喷射装置操作简单，泡沫对机器无腐蚀。
四．结语
泡沫应用于盾构施工中有着不同的目的，所以对泡沫剂优劣性判定应该结合工程使用泡沫的目的而言。同时泡沫性能的发挥是与原状土体的性质密切相关的，所以判断泡沫效果应该考虑所应用的土质参数，同样的泡沫对不同的土质会产生不同的泡沫混合土特性。
参考文献：
[1]周文波：盾构法隧道施工技术及应用[M]，北京：中国建筑工业出版社，2002.39-41
[2]唐益群，宋永辉，周念清等：土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究[J]，岩石力学与工程学报，2005，24，（1）：52-56
论文作者:王明亮
论文发表刊物:《基层建设》2015年25期供稿
论文发表时间:2016/3/23
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