許有俊，文中坤，閆履順，白雪光，董素芬

(1．內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010;2．包頭城建集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭014030)

土壓平衡矩形頂管施工土體改良泡沫劑試驗(yàn)研究

許有俊1，文中坤1，閆履順2，白雪光1，董素芬1

(1．內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010;2．包頭城建集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭014030)

根據(jù)土壓平衡矩形頂管施工對(duì)圓礫土改良泡沫劑性能的要求，所選用的泡沫半衰期需＞5 min，發(fā)泡倍率在5～20倍。鑒于此，本次試驗(yàn)選取了5種發(fā)泡劑和2種穩(wěn)泡劑，通過(guò)單配和復(fù)配，配置出數(shù)組發(fā)泡體系。通過(guò)攪拌法及羅氏泡沫儀法試驗(yàn)測(cè)定了各種發(fā)泡體系的發(fā)泡倍率和半衰期，并對(duì)各組發(fā)泡體系的發(fā)泡性能及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，最終提出2種滿(mǎn)足土壓平衡矩形頂管施工土體改良的新型發(fā)泡體系。

土壓平衡 矩形頂管 土體改良 發(fā)泡劑 穩(wěn)泡劑

近年來(lái)，土壓平衡矩形頂管法多應(yīng)用于軟土地區(qū)城市過(guò)街人行地下通道或地鐵車(chē)站過(guò)街出入口工程中。但隨著城市交通的日益繁忙和對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用的強(qiáng)度增加，該種非開(kāi)挖技術(shù)被逐漸應(yīng)用于砂土、圓礫及卵石等地層中。這類(lèi)土具有黏聚力小、成拱效應(yīng)差、自穩(wěn)時(shí)間短、刀盤(pán)上方土體極易形成小范圍塌方、流塑性差、出土困難、土壓艙土壓力波動(dòng)敏感等特點(diǎn)，很難保證土壓艙與工作面土壓的動(dòng)態(tài)平衡，容易產(chǎn)生“閉塞”、“噴涌”、“結(jié)餅”，甚至導(dǎo)致施工中開(kāi)挖面失穩(wěn)坍塌［1-4］。在該類(lèi)地層條件下，工作面及土艙內(nèi)土體的改良是頂管順利施工的關(guān)鍵，需將土體改良成塑性流動(dòng)狀態(tài)即良好的流動(dòng)性、低摩擦角、中等壓縮性、低滲透性等，確保滿(mǎn)艙頂進(jìn)，實(shí)現(xiàn)工作面土壓動(dòng)態(tài)平衡。因此，在矩形頂管隧道工程中須制定合理的管線(xiàn)控制標(biāo)準(zhǔn)，采用合理的頂進(jìn)施工參數(shù)，從而確保既有地下管線(xiàn)的安全。

為實(shí)現(xiàn)全斷面土體的切削，土壓平衡矩形頂管機(jī)需配置大刀盤(pán)及仿形刀，多刀盤(pán)組合導(dǎo)致控制參數(shù)較多，對(duì)工作面土體多次擾動(dòng)，較單刀盤(pán)的盾構(gòu)機(jī)維持工作面穩(wěn)定性的難度更大，因此對(duì)土艙內(nèi)土體的性質(zhì)要求更高。目前，施工中土體改良常用的外加劑一般分為4類(lèi):礦物類(lèi)、高吸水樹(shù)脂類(lèi)、水溶性高分子類(lèi)、界面活性材料類(lèi)［5］。與其它改良方法相比，泡沫改良法具有土質(zhì)適用性強(qiáng)、降低刀盤(pán)扭矩、減少刀具磨損和阻塞、調(diào)整土艙內(nèi)土體塑性流動(dòng)性、渣土無(wú)污染及容易處理等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足矩形頂管工作面動(dòng)態(tài)土壓平衡及頂進(jìn)施工的要求。

本文針對(duì)土壓平衡矩形頂管法施工的特點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，試配出能滿(mǎn)足圓礫土地層條件下矩形頂管施工土體改良要求的新型發(fā)泡體系。

1 頂管施工用泡沫的基本要求

1.1 泡沫改良渣土的機(jī)理

泡沫是由表面活性劑在液體內(nèi)部或表面受到刺激所產(chǎn)生的一種典型的氣—液二相系物質(zhì)。在矩形頂管施工過(guò)程中，由于泡沫和土體混合時(shí)置換了土體中的孔隙水形成防水介質(zhì)，從而降低土體的透水性及開(kāi)挖黏附效果，提高渣土的流動(dòng)性及可壓縮性。同時(shí)，由于泡沫表面吸附有表面活性分子，從而在土體改良中可以起到減摩的作用。

1.2 泡沫的基本性能

1)穩(wěn)定性。在矩形頂管施工過(guò)程中，土體從進(jìn)入土艙到由螺旋排土器排出具有一定的時(shí)間間隔，因此在泡沫和艙內(nèi)土體攪拌過(guò)程中要確保泡沫具備一定的穩(wěn)定性。通常采用半衰期來(lái)評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性。所謂半衰期是指生成的泡沫質(zhì)量衰變破滅到初始質(zhì)量的一半時(shí)所用的時(shí)間，半衰期越長(zhǎng)表明泡沫越穩(wěn)定，一般半衰期＞5 min［6-8］時(shí)能滿(mǎn)足矩形頂管施工的要求。

2)發(fā)泡倍率。發(fā)泡倍率是指一定體積的發(fā)泡液所發(fā)出的泡沫體積與原發(fā)泡液體積的比值。施工中為了使發(fā)泡劑具有良好的發(fā)泡效果，就要求發(fā)泡液具有一定的發(fā)泡倍率。由于發(fā)泡倍率與半衰期之間相互影響，較高的發(fā)泡倍率反而會(huì)造成泡沫的穩(wěn)定性降低，因此并不是發(fā)泡倍率越高越好。相關(guān)研究表明，發(fā)泡液的發(fā)泡倍率介于5～20范圍之內(nèi)［9］時(shí)能夠滿(mǎn)足矩形頂管施工時(shí)土體改良要求。

1.3 泡沫劑的基本條件

1)對(duì)人體及動(dòng)植物無(wú)害且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。2)成本低，對(duì)起泡環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。3)具備較好的發(fā)泡倍率和半衰期。

1.4 泡沫與土質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在土體改良技術(shù)中，泡沫性能與土質(zhì)關(guān)系密切，不同的土質(zhì)改良時(shí)所需的泡沫性能不同［10］。泡沫與土質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 泡沫與土質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表1可知，砂礫石地層中土體改良宜選用發(fā)泡倍率較大、穩(wěn)定性較好的泡沫劑。

2 發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑的選取

2.1 發(fā)泡劑的選取

選用市場(chǎng)上常用的5種發(fā)泡劑，詳見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用發(fā)泡劑

2.2 穩(wěn)泡劑的選取

當(dāng)發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性不夠時(shí)，需要在其中加入能夠提高泡沫穩(wěn)定性的穩(wěn)泡劑。

試驗(yàn)用穩(wěn)泡劑須具備:①與發(fā)泡劑相容性好;②不影響原有發(fā)泡劑的發(fā)泡能力;③對(duì)環(huán)境及人和動(dòng)物無(wú)害;④穩(wěn)泡性能好;⑤價(jià)格低、用量少。根據(jù)以上5種要求，選用兩種穩(wěn)泡劑，分別是羥甲基纖維素鈉(CMC，12元/kg)、羥丙基甲基纖維素醚(HPMC，12元/kg)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)主要采用攪拌法測(cè)定發(fā)泡體系的發(fā)泡倍率和半衰期。該方法操作簡(jiǎn)單，且試驗(yàn)環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)外部環(huán)境基本相似，但受人為因素影響，該試驗(yàn)方法對(duì)發(fā)泡倍率的測(cè)定具有一定的誤差。

3.1 單一發(fā)泡劑

試驗(yàn)時(shí)，將發(fā)泡體系按照不同濃度配出200 ml溶液，然后放入帶有刻度的塑料燒杯中，在電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速下攪拌2 min，記錄生成泡沫的體積即發(fā)泡量用于評(píng)價(jià)發(fā)泡性能，并記錄當(dāng)泡沫破滅變成原來(lái)溶液體積一半時(shí)所用的時(shí)間即半衰期用于評(píng)價(jià)穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖1。

由表3、圖1可得:①當(dāng)AOS發(fā)泡體系濃度＞1.5 g/L時(shí)，發(fā)泡量較好并逐漸趨于穩(wěn)定，但半衰期仍有增加的趨勢(shì)，故該體系最佳濃度取2.0 g/L，半衰期為240 s，發(fā)泡倍率為6，編號(hào)為D1;②AS發(fā)泡體系的發(fā)泡效果較均勻，但半衰期較差，該體系最佳濃度取7.0 g/L，半衰期為112 s，發(fā)泡倍率為5.75，編號(hào)為D2;③LAS發(fā)泡體系的發(fā)泡效果較均勻，但半衰期較差，該體系最佳濃度取10.5 g/L，半衰期為86 s，發(fā)泡倍率為5.25，編號(hào)為D3;④當(dāng)SDS發(fā)泡體系濃度＞2.5 g/L時(shí)，發(fā)泡量較好并逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)半衰期基本達(dá)到最大值，故該體系最佳濃度取2.5 g/L，半衰期為176 s，發(fā)泡倍率為5.75，編號(hào)為D4;⑤當(dāng)AES發(fā)泡體系濃度＞1.0 g/L時(shí)，發(fā)泡量較好并逐漸趨于穩(wěn)定，但此時(shí)半衰期仍繼續(xù)增加，故該體系最佳濃度取2.5 g/L，半衰期為159 s，發(fā)泡倍率為5.75，編號(hào)為D5。

對(duì)比分析可知，D2，D3半衰期較短穩(wěn)定性差且濃度高不經(jīng)濟(jì)，D1，D4，D5發(fā)泡性能較好，但三者性能仍不能滿(mǎn)足施工要求，需要進(jìn)行三者之間的復(fù)配性能試驗(yàn)。

3.2 復(fù)配發(fā)泡劑

由單配試驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)泡性能較好的發(fā)泡劑有AOS，SDS，AES 3種，選取該3種發(fā)泡劑發(fā)泡性能最佳時(shí)的濃度，進(jìn)行復(fù)配正交試驗(yàn)，見(jiàn)表4。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，F(xiàn)7即AOS(3.0 g/L)+SDS(3.0 g/L)+AES(1.5 g/L)發(fā)泡倍率為6，半衰期為255 s，發(fā)泡性能最好。比單一發(fā)泡劑的發(fā)泡性能有較大的改進(jìn)，但半衰期仍然不滿(mǎn)足頂管施工的要求，需要進(jìn)一步改善。

表3 單一發(fā)泡劑試驗(yàn)結(jié)果

圖1 單發(fā)泡劑發(fā)泡倍率與濃度關(guān)系

表4 正交試驗(yàn)

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

3.3 發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑混合發(fā)泡體系

由于F7和D1(濃度2.0 g/L)二者發(fā)泡倍率與半衰期均接近，取兩種體系分別與不同濃度的穩(wěn)泡劑混合，進(jìn)行發(fā)泡性能測(cè)試。

1)D1+穩(wěn)泡劑體系:200 mL水+D1+不同濃度的CMC，200 mL水+D1+不同濃度的HPMC，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和圖2。

由表6、圖2可知，穩(wěn)泡劑濃度的增加對(duì)體系發(fā)泡倍率的影響不大，但對(duì)半衰期有較大影響。隨著CMC濃度的增大，發(fā)泡體系的半衰期先增大后減小，當(dāng)CMC濃度為4.0 g/L時(shí)，效果最佳。隨著HPMC濃度的增加，發(fā)泡體系的發(fā)泡倍率基本呈下降趨勢(shì)，半衰期則顯著增大。綜合考慮確定HPMC最佳濃度為0.75 g/L。

2)F7+穩(wěn)泡劑體系:200 mL水+F7+不同濃度的CMC，200 mL水+F7+不同濃度的HPMC。

由表7、圖3可知，當(dāng)CMC濃度超過(guò)2 g/L時(shí)，體系發(fā)泡倍率開(kāi)始下降且之后保持不變，但半衰期則顯著增大，綜合考慮確定CMC最佳濃度為2 g/L。當(dāng)HPMC濃度超過(guò)0.6 g/L時(shí)體系發(fā)泡倍率開(kāi)始下降且之后保持不變，但半衰期則顯著增大，綜合考慮確定HPMC最佳濃度為0.6 g/L。

表6 D1+穩(wěn)泡劑體系試驗(yàn)結(jié)果

圖2 D1+穩(wěn)泡劑體系發(fā)泡倍率與濃度關(guān)系

表7 F7+穩(wěn)泡劑體系試驗(yàn)結(jié)果

圖3 F7+穩(wěn)泡劑體系發(fā)泡倍率與濃度的關(guān)系

3)發(fā)泡體系的優(yōu)化

對(duì)比以上4種體系發(fā)泡性能，發(fā)現(xiàn)HPMC的穩(wěn)泡效果比CMC的穩(wěn)泡效果更加明顯并且前者對(duì)發(fā)泡倍率的影響較后者小，同時(shí)HPMC的用量較CMC小。綜合考慮，選出兩種發(fā)泡體系:①F 7+HPMC(0.6 g/L)，其發(fā)泡倍率為6.0，半衰期為328 s，編號(hào)為FW1;②D1+HPMC(0.75 g/L)，其發(fā)泡倍率為5.5，半衰期為335 s，編號(hào)為DW1。FW1與DW1均滿(mǎn)足矩形頂管隧道施工的要求。

發(fā)泡體系FW1涉及到的發(fā)泡劑種類(lèi)較多不經(jīng)濟(jì)，實(shí)際工程中配置較為復(fù)雜且該發(fā)泡體系幾種發(fā)泡劑組合的濃度未必最佳，因此需要在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。具體操作是:先保持3種藥品濃度不變，另一種藥品在原有濃度的基礎(chǔ)之上逐漸減小，經(jīng)發(fā)泡性能測(cè)試找出最佳的濃度，然后以此類(lèi)推找出其它3種化學(xué)藥品的最佳濃度。

經(jīng)測(cè)試，由FW1最終優(yōu)化出兩組發(fā)泡體系:①AES(1.5 g/L)+SDS(1.0 g/L)+HPMC(0.6 g/L)，其發(fā)泡倍率為5.75，半衰期為330 s，編號(hào)為FW2;②SDS(2.0 g/L)+HPMC(1.0 g/L)，其發(fā)泡倍率為5.5，半衰期為420 s，編號(hào)為FW3。

4 羅氏泡沫儀試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)攪拌試驗(yàn)結(jié)果，得到3種滿(mǎn)足矩形頂管施工的發(fā)泡體系，分別為DW1，F(xiàn)W2，F(xiàn)W3。由于攪拌試驗(yàn)中人為因素比較大，3種體系的發(fā)泡倍率的測(cè)定存在誤差。因此，在恒溫條件下，采用改進(jìn)的羅氏泡沫儀對(duì)3種體系的發(fā)泡倍率做進(jìn)一步的測(cè)定，試驗(yàn)儀器見(jiàn)圖4。

圖4 羅氏泡沫儀

4.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

羅氏泡沫儀試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 羅氏泡沫儀試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，3種發(fā)泡體系的半衰期均＞5 min，且FW2，F(xiàn)W3的發(fā)泡倍率較接近，DW1的發(fā)泡倍率最小。綜合比較，F(xiàn)W2與FW3的發(fā)泡性能優(yōu)于DW1，進(jìn)一步驗(yàn)證了攪拌法試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，與攪拌試驗(yàn)相比，羅氏泡沫儀法測(cè)定的發(fā)泡倍率遠(yuǎn)大于攪拌法，主要因?yàn)榱_氏泡沫儀法基于恒溫理想條件，生成單個(gè)泡沫體積較攪拌試驗(yàn)大。同時(shí)，羅氏泡沫儀法與施工現(xiàn)場(chǎng)空氣壓縮機(jī)生成的泡沫原理相差較大，因此羅氏泡沫儀法僅用于評(píng)價(jià)發(fā)泡體系發(fā)泡性能的好壞，泡沫體系的半衰期和發(fā)泡倍率仍采用攪拌法來(lái)確定。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

配置1L發(fā)泡體系，DW1，F(xiàn)W3，F(xiàn)W2的材料費(fèi)分別為0.039元、0.036元、0.031元。因此，配置3種發(fā)泡體系的材料費(fèi)由高到低為DW1，F(xiàn)W3，F(xiàn)W2。

雖然3種發(fā)泡體系的材料費(fèi)基本接近，但是配置DW1所需的發(fā)泡劑AOS為液態(tài)，不易運(yùn)輸及儲(chǔ)藏，且與FW2，F(xiàn)W3相比，雖滿(mǎn)足施工要求但發(fā)泡性能相對(duì)較差。因此，綜合考慮，選取FW2，F(xiàn)W3作為本次試驗(yàn)可滿(mǎn)足矩形頂管施工土體改良要求的最佳發(fā)泡體系。

5 結(jié)論

根據(jù)土壓平衡矩形頂管在圓礫地層中施工的要求，所選用的泡沫半衰期需＞5 min，發(fā)泡倍率應(yīng)在5～20倍。攪拌試驗(yàn)顯示:隨著發(fā)泡劑濃度的增加，發(fā)泡體系的發(fā)泡量逐漸趨于穩(wěn)定，隨著穩(wěn)泡劑濃度的增加發(fā)泡體系的半衰期呈增加趨勢(shì)，發(fā)泡倍率基本呈減小趨勢(shì)。與此同時(shí)發(fā)泡量會(huì)有所減少。由攪拌法優(yōu)化出的3種發(fā)泡體系DW1，F(xiàn)W2，F(xiàn)W3進(jìn)一步用羅氏泡沫儀法驗(yàn)證。最終設(shè)計(jì)出能滿(mǎn)足矩形頂管施工要求的兩種最佳發(fā)泡體系:FW2，發(fā)泡倍率5.75，半衰期330 s; FW3，發(fā)泡倍率5.5，半衰期420 s。

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(責(zé)任審編葛全紅)

U455．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．38

1003-1995(2015)03-0137-05

2014-12-07;

2015-01-20

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2012MS0713);內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金(2011NCL006);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(NJZY14167);內(nèi)蒙古科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作培育基金(PY-201206)

許有俊(1979—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，副教授，博士。