土压平衡矩形顶管施工土体改良泡沫剂试验研究

时间：2024-07-28

许有俊，文中坤，闫履顺，白雪光，董素芬

(1．内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头014010;2．包头城建集团股份有限公司，内蒙古包头014030)

许有俊1，文中坤1，闫履顺2，白雪光1，董素芬1

(1．内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头014010;2．包头城建集团股份有限公司，内蒙古包头014030)

根据土压平衡矩形顶管施工对圆砾土改良泡沫剂性能的要求，所选用的泡沫半衰期需＞5 min，发泡倍率在5～20倍。鉴于此，本次试验选取了5种发泡剂和2种稳泡剂，通过单配和复配，配置出数组发泡体系。通过搅拌法及罗氏泡沫仪法试验测定了各种发泡体系的发泡倍率和半衰期，并对各组发泡体系的发泡性能及经济性进行了综合评价，最终提出2种满足土压平衡矩形顶管施工土体改良的新型发泡体系。

土压平衡矩形顶管土体改良发泡剂稳泡剂

近年来，土压平衡矩形顶管法多应用于软土地区城市过街人行地下通道或地铁车站过街出入口工程中。但随着城市交通的日益繁忙和对地下空间开发利用的强度增加，该种非开挖技术被逐渐应用于砂土、圆砾及卵石等地层中。这类土具有黏聚力小、成拱效应差、自稳时间短、刀盘上方土体极易形成小范围塌方、流塑性差、出土困难、土压舱土压力波动敏感等特点，很难保证土压舱与工作面土压的动态平衡，容易产生“闭塞”、“喷涌”、“结饼”，甚至导致施工中开挖面失稳坍塌［1-4］。在该类地层条件下，工作面及土舱内土体的改良是顶管顺利施工的关键，需将土体改良成塑性流动状态即良好的流动性、低摩擦角、中等压缩性、低渗透性等，确保满舱顶进，实现工作面土压动态平衡。因此，在矩形顶管隧道工程中须制定合理的管线控制标准，采用合理的顶进施工参数，从而确保既有地下管线的安全。

为实现全断面土体的切削，土压平衡矩形顶管机需配置大刀盘及仿形刀，多刀盘组合导致控制参数较多，对工作面土体多次扰动，较单刀盘的盾构机维持工作面稳定性的难度更大，因此对土舱内土体的性质要求更高。目前，施工中土体改良常用的外加剂一般分为4类:矿物类、高吸水树脂类、水溶性高分子类、界面活性材料类［5］。与其它改良方法相比，泡沫改良法具有土质适用性强、降低刀盘扭矩、减少刀具磨损和阻塞、调整土舱内土体塑性流动性、渣土无污染及容易处理等优点，可以满足矩形顶管工作面动态土压平衡及顶进施工的要求。

本文针对土压平衡矩形顶管法施工的特点，通过室内试验，试配出能满足圆砾土地层条件下矩形顶管施工土体改良要求的新型发泡体系。

1 顶管施工用泡沫的基本要求

1.1 泡沫改良渣土的机理

泡沫是由表面活性剂在液体内部或表面受到刺激所产生的一种典型的气—液二相系物质。在矩形顶管施工过程中，由于泡沫和土体混合时置换了土体中的孔隙水形成防水介质，从而降低土体的透水性及开挖黏附效果，提高渣土的流动性及可压缩性。同时，由于泡沫表面吸附有表面活性分子，从而在土体改良中可以起到减摩的作用。

1.2 泡沫的基本性能

1)稳定性。在矩形顶管施工过程中，土体从进入土舱到由螺旋排土器排出具有一定的时间间隔，因此在泡沫和舱内土体搅拌过程中要确保泡沫具备一定的稳定性。通常采用半衰期来评价泡沫的稳定性。所谓半衰期是指生成的泡沫质量衰变破灭到初始质量的一半时所用的时间，半衰期越长表明泡沫越稳定，一般半衰期＞5 min［6-8］时能满足矩形顶管施工的要求。

2)发泡倍率。发泡倍率是指一定体积的发泡液所发出的泡沫体积与原发泡液体积的比值。施工中为了使发泡剂具有良好的发泡效果，就要求发泡液具有一定的发泡倍率。由于发泡倍率与半衰期之间相互影响，较高的发泡倍率反而会造成泡沫的稳定性降低，因此并不是发泡倍率越高越好。相关研究表明，发泡液的发泡倍率介于5～20范围之内［9］时能够满足矩形顶管施工时土体改良要求。

1.3 泡沫剂的基本条件

1)对人体及动植物无害且对环境无污染。2)成本低，对起泡环境适应性强。3)具备较好的发泡倍率和半衰期。

1.4 泡沫与土质的对应关系

在土体改良技术中，泡沫性能与土质关系密切，不同的土质改良时所需的泡沫性能不同［10］。泡沫与土质的对应关系见表1。

表1 泡沫与土质的对应关系

由表1可知，砂砾石地层中土体改良宜选用发泡倍率较大、稳定性较好的泡沫剂。

2 发泡剂与稳泡剂的选取

2.1 发泡剂的选取

选用市场上常用的5种发泡剂，详见表2。

表2 试验用发泡剂

2.2 稳泡剂的选取

当发泡剂产生的泡沫稳定性不够时，需要在其中加入能够提高泡沫稳定性的稳泡剂。

试验用稳泡剂须具备:①与发泡剂相容性好;②不影响原有发泡剂的发泡能力;③对环境及人和动物无害;④稳泡性能好;⑤价格低、用量少。根据以上5种要求，选用两种稳泡剂，分别是羟甲基纤维素钠(CMC，12元/kg)、羟丙基甲基纤维素醚(HPMC，12元/kg)。

3 试验结果分析

本次试验主要采用搅拌法测定发泡体系的发泡倍率和半衰期。该方法操作简单，且试验环境与现场外部环境基本相似，但受人为因素影响，该试验方法对发泡倍率的测定具有一定的误差。

3.1 单一发泡剂

试验时，将发泡体系按照不同浓度配出200 ml溶液，然后放入带有刻度的塑料烧杯中，在电动机最高转速下搅拌2 min，记录生成泡沫的体积即发泡量用于评价发泡性能，并记录当泡沫破灭变成原来溶液体积一半时所用的时间即半衰期用于评价稳定性能。试验结果见表3和图1。

由表3、图1可得:①当AOS发泡体系浓度＞1.5 g/L时，发泡量较好并逐渐趋于稳定，但半衰期仍有增加的趋势，故该体系最佳浓度取2.0 g/L，半衰期为240 s，发泡倍率为6，编号为D1;②AS发泡体系的发泡效果较均匀，但半衰期较差，该体系最佳浓度取7.0 g/L，半衰期为112 s，发泡倍率为5.75，编号为D2;③LAS发泡体系的发泡效果较均匀，但半衰期较差，该体系最佳浓度取10.5 g/L，半衰期为86 s，发泡倍率为5.25，编号为D3;④当SDS发泡体系浓度＞2.5 g/L时，发泡量较好并逐渐趋于稳定，此时半衰期基本达到最大值，故该体系最佳浓度取2.5 g/L，半衰期为176 s，发泡倍率为5.75，编号为D4;⑤当AES发泡体系浓度＞1.0 g/L时，发泡量较好并逐渐趋于稳定，但此时半衰期仍继续增加，故该体系最佳浓度取2.5 g/L，半衰期为159 s，发泡倍率为5.75，编号为D5。

对比分析可知，D2，D3半衰期较短稳定性差且浓度高不经济，D1，D4，D5发泡性能较好，但三者性能仍不能满足施工要求，需要进行三者之间的复配性能试验。

3.2 复配发泡剂

由单配试验结果可知，发泡性能较好的发泡剂有AOS，SDS，AES 3种，选取该3种发泡剂发泡性能最佳时的浓度，进行复配正交试验，见表4。具体试验结果见表5。

由表5可知，F7即AOS(3.0 g/L)+SDS(3.0 g/L)+AES(1.5 g/L)发泡倍率为6，半衰期为255 s，发泡性能最好。比单一发泡剂的发泡性能有较大的改进，但半衰期仍然不满足顶管施工的要求，需要进一步改善。

表3 单一发泡剂试验结果

图1 单发泡剂发泡倍率与浓度关系

表4 正交试验

表5 正交试验结果

3.3 发泡剂与稳泡剂混合发泡体系

由于F7和D1(浓度2.0 g/L)二者发泡倍率与半衰期均接近，取两种体系分别与不同浓度的稳泡剂混合，进行发泡性能测试。

1)D1+稳泡剂体系:200 mL水+D1+不同浓度的CMC，200 mL水+D1+不同浓度的HPMC，试验结果见表6和图2。

由表6、图2可知，稳泡剂浓度的增加对体系发泡倍率的影响不大，但对半衰期有较大影响。随着CMC浓度的增大，发泡体系的半衰期先增大后减小，当CMC浓度为4.0 g/L时，效果最佳。随着HPMC浓度的增加，发泡体系的发泡倍率基本呈下降趋势，半衰期则显著增大。综合考虑确定HPMC最佳浓度为0.75 g/L。

2)F7+稳泡剂体系:200 mL水+F7+不同浓度的CMC，200 mL水+F7+不同浓度的HPMC。

由表7、图3可知，当CMC浓度超过2 g/L时，体系发泡倍率开始下降且之后保持不变，但半衰期则显著增大，综合考虑确定CMC最佳浓度为2 g/L。当HPMC浓度超过0.6 g/L时体系发泡倍率开始下降且之后保持不变，但半衰期则显著增大，综合考虑确定HPMC最佳浓度为0.6 g/L。

表6 D1+稳泡剂体系试验结果

图2 D1+稳泡剂体系发泡倍率与浓度关系

表7 F7+稳泡剂体系试验结果

图3 F7+稳泡剂体系发泡倍率与浓度的关系

3)发泡体系的优化

对比以上4种体系发泡性能，发现HPMC的稳泡效果比CMC的稳泡效果更加明显并且前者对发泡倍率的影响较后者小，同时HPMC的用量较CMC小。综合考虑，选出两种发泡体系:①F 7+HPMC(0.6 g/L)，其发泡倍率为6.0，半衰期为328 s，编号为FW1;②D1+HPMC(0.75 g/L)，其发泡倍率为5.5，半衰期为335 s，编号为DW1。FW1与DW1均满足矩形顶管隧道施工的要求。

发泡体系FW1涉及到的发泡剂种类较多不经济，实际工程中配置较为复杂且该发泡体系几种发泡剂组合的浓度未必最佳，因此需要在此基础之上进行进一步的优化。具体操作是:先保持3种药品浓度不变，另一种药品在原有浓度的基础之上逐渐减小，经发泡性能测试找出最佳的浓度，然后以此类推找出其它3种化学药品的最佳浓度。

经测试，由FW1最终优化出两组发泡体系:①AES(1.5 g/L)+SDS(1.0 g/L)+HPMC(0.6 g/L)，其发泡倍率为5.75，半衰期为330 s，编号为FW2;②SDS(2.0 g/L)+HPMC(1.0 g/L)，其发泡倍率为5.5，半衰期为420 s，编号为FW3。

4 罗氏泡沫仪试验验证

根据搅拌试验结果，得到3种满足矩形顶管施工的发泡体系，分别为DW1，FW2，FW3。由于搅拌试验中人为因素比较大，3种体系的发泡倍率的测定存在误差。因此，在恒温条件下，采用改进的罗氏泡沫仪对3种体系的发泡倍率做进一步的测定，试验仪器见图4。

图4 罗氏泡沫仪

4.1 试验结果分析

罗氏泡沫仪试验结果见表8。

表8 罗氏泡沫仪试验结果

由表8可知，3种发泡体系的半衰期均＞5 min，且FW2，FW3的发泡倍率较接近，DW1的发泡倍率最小。综合比较，FW2与FW3的发泡性能优于DW1，进一步验证了搅拌法试验结果。同时，与搅拌试验相比，罗氏泡沫仪法测定的发泡倍率远大于搅拌法，主要因为罗氏泡沫仪法基于恒温理想条件，生成单个泡沫体积较搅拌试验大。同时，罗氏泡沫仪法与施工现场空气压缩机生成的泡沫原理相差较大，因此罗氏泡沫仪法仅用于评价发泡体系发泡性能的好坏，泡沫体系的半衰期和发泡倍率仍采用搅拌法来确定。

4.2 经济性分析

配置1L发泡体系，DW1，FW3，FW2的材料费分别为0.039元、0.036元、0.031元。因此，配置3种发泡体系的材料费由高到低为DW1，FW3，FW2。

虽然3种发泡体系的材料费基本接近，但是配置DW1所需的发泡剂AOS为液态，不易运输及储藏，且与FW2，FW3相比，虽满足施工要求但发泡性能相对较差。因此，综合考虑，选取FW2，FW3作为本次试验可满足矩形顶管施工土体改良要求的最佳发泡体系。

5 结论

根据土压平衡矩形顶管在圆砾地层中施工的要求，所选用的泡沫半衰期需＞5 min，发泡倍率应在5～20倍。搅拌试验显示:随着发泡剂浓度的增加，发泡体系的发泡量逐渐趋于稳定，随着稳泡剂浓度的增加发泡体系的半衰期呈增加趋势，发泡倍率基本呈减小趋势。与此同时发泡量会有所减少。由搅拌法优化出的3种发泡体系DW1，FW2，FW3进一步用罗氏泡沫仪法验证。最终设计出能满足矩形顶管施工要求的两种最佳发泡体系:FW2，发泡倍率5.75，半衰期330 s; FW3，发泡倍率5.5，半衰期420 s。

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(责任审编葛全红)

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