盾构泡沫剂（精选4篇）
盾构泡沫剂 篇1
盾构使用泡沫剂的至今已有近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, 但是受诸多因素的影响, 对泡沫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。而且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———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。通过在刀盘前面注入泡沫, 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, 切削后的渣土具有良好的塑性流动性, 不但能够使开挖面维持较好的支护力, 从而保证排土顺利进行, 未经处理进入土仓的土体通常难以获得理想的塑性流动性, 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, 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。
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体混和所形成的泡沫混和土力学性质。
3.1 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。其定义见下式。
FER=Vf/V1…… (1) 式中:Vf为产生的泡沫体积;V1为泡沫剂溶液体积。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p时泡沫的发泡率为:FER= (P0/P) FER1…… (2)
上式中:P0为标准大气压, FER1为标准大气压下发泡率。
2) 泡沫的稳定性。泡沫的稳定性是指泡沫长时间静置于空气中而不破裂的性质。泡沫的稳定性是衡量泡沫优劣的一个重要指标。稳定性的好坏由消泡率来反应, 消泡率是衡量泡沫稳定性的重要参数之一, 其定义见下式。K=Vd/Vo…… (3) , 式中:Vd为消散的泡沫体积;Vo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口, 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间。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。
3) 泡沫对环境的影响。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。
3.2 从泡沫混和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。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口注入泡沫, 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。
4 结语
泡沫剂技术在土压平衡式盾构中的应用效用分析方法的确定具有积极的工程意义, 由文中分析可知:1) 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, 所以分析指标时重点考虑泡沫混合土的性质来进行。2) 目前, 在国内土压平衡盾构隧道工程应用中, 关于泡沫应用的效用分析建议采用上述指标进行控制以满足普通的工程需要。3) 泡沫剂效果是相对所处理的土层条件而言的, 不同的地质条件下, 选择合理适用的泡沫剂产品, 才能做到即保证顺利施工, 又经济节省。
盾构泡沫剂 篇2
我国目前正处于城市地铁等地下工程建设迅猛发展的重要时期。地铁建设本质上是“环境友好工程”[1,2,3,4],在我国,由于不同城市地层条件差异较大,施工难度大,加之前期研究不足、理论与实践脱节,设计不周或施工措施不利等造成地面沉陷、基坑垮塌、隧道涌水、建筑损害或倒塌、地下管线等城市生命线工程损害事故时有发生,往往造成严重的经济损失与社会影响[1,2,3,4]。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》将包括城市轨道交通在内的重大交通基础设施建设,突破建设和养护关键技术,提高建设质量作为优先主题;2006年“地下工程和基础设施公共安全科学问题”香山科学会议,专家的共识是:地下工程等大型高风险工程必须作风险分析评估,评估事故发生概率及灾害后果,提出防范措施及其依据,发展定量研究。因此,对复杂地层条件下地铁工程建设的安全、稳定性控制的技术难题加强研究是非常必要的[5,6,7,8]。在国家自然科学基金等资助下,本文将进行地铁的复杂地层泡沫剂土体改良的试验研究,以期为盾构施工中开挖面稳定性与渗害控制提供重要依据。
2地铁建设中诱发复杂地层损伤渗害与泡沫剂改良地层技术
2.1 地铁建设中环境损伤事故最重要的诱因—水
我国学者和工程技术人员在地铁建设领域已取得巨大成就和成功经验;对近年我国部分城市地铁建设中塌陷事故的初步统计表明,地铁建设中诱发地层与环境损伤仍是急待研究的最重要问题之一[3,7]。
以广州地铁为例:由于地层复杂性,突水、涌砂、涌泥、地面塌陷事故时有发生。如:1996年11月9日,广州1号线西段盾构施工泥饼引起螺旋出土口严重喷涌现象,开挖面与洪积砂层串通,引发地表塌陷,造成华贵路6栋房屋倒塌或严重破损,直接经济损失超过500万元。1999年11月27日,2号线海-公区间隧道突水诱发地表塌陷事故(塌陷坑50m2, 深4m)。2号线盾构隧道穿越珠江江底红层“泥饼”诱发富水松散砂层 “喷涌”, 3次引发江底隧道严重塌方事故。2003年以来,地铁施工发生过10余起喷涌、涌砂、涌泥和地面塌陷。2003年8月16日和2003年8月23日,3号线大沥盾构区间隧道多次发生喷涌,引起地表塌陷。2004年4月1日,3号线沥胺站,施工与降雨诱发严重塌方,形成面积超过1000 m2的塌陷坑,并造成30米外多栋楼房突然倒塌或严重倾斜。2004年6月22日,2号线延长线新港东路段隧道施工,路面塌方面积50m2。2004年9月25日,2号线琶洲隧道施工引起大量涌水造成地面400 m2塌方。2006年1月4日,5号线大文区间盾构施工扰动富含地下水砂土层,发生直径6m的路面塌陷。
以上海地铁为例:2003年7月1日,上海4号线联络通道冻结施工中,造成200多m范围上下行线隧道破坏,多栋建筑倒塌等直接经济损失1.5亿元,修复需3年以上。2004年9月22日, M9线一期嘉松路东侧浸水发生长50m约700 m2的地面塌陷。2005年12月7日,2号线西延伸段发生大面积渗水事故。
以北京地铁为例:2004年5月以来,地铁施工先后发生9起因地下水、自来水、污水管破裂等造成隧道涌水、塌陷事故。以北京地铁十号线为例:①2007年3月28日,北京地铁十号线苏州街地铁隧道工地,发生严重塌方,造成6人死亡的重大事故,工程救援与工程修复难度极大。②2006年6月27日,十号线3标段海淀南路段发生坍塌,致使2名工人被掩埋死亡,事故系流沙引起。③2006年1月3日,东三环路京广桥东南角辅路污水管线发生漏水事故,地铁十号线施工区间段,形成长20m宽10m深10m塌陷坑,导致三环路部分主路辅路塌陷的严重事故。④2005年11月30日,地铁十号线22标段熊猫环岛地段发生坍塌事故,至少500平方米范围的基坑塌陷,塌陷坑深达16米。
台湾高雄捷运(地铁):2005年12月4日,07工程段隧道渗水,诱发严重地面塌陷范围长50m,宽30m,深8m,主隧道100m严重受损,造成17户房屋塌陷,修复至少需要1年。
以上塌陷事故, 由于地层复杂多变,水源与水头压力各异,损害程度各异,诱因不尽相同,但共同点是:地铁施工扰动与水共同作用是复杂地层损伤及塌陷事故最重要的诱因,而且水诱发复杂地层损伤致害是一个渐进的、多因素、多场耦合的复杂过程。
2.2复杂地层中盾构隧道施工的泡沫剂改良地层技术
以广州地铁为例,施工遇到地层包括:淤泥和粉质沙、复杂红粘土层、富水的松散砂层、粉质泥岩、全风化花岗岩残积土、强风化泥质粉砂岩到坚硬的中风化花岗岩基岩层等。华南浅部复合地层,含淤泥—粘土—松散砂—岩石地层,极具复杂性和代表性。在华南富含水松散砂层、复杂红粘土、含膨胀矿物的全风化、强风化花岗岩复杂“红层”(天然状态坚硬完整、施工扰动遇水膨胀崩解、盾构施工泥饼化)中建设地铁,极易形成地面塌陷、突水、涌砂、涌泥等工程事故。盾构施工诱发的地层损伤致害事故主要有两类:①在富含水的松散砂土层掘进隧道极易引起隧道突水、涌砂诱发地层损伤或塌陷事故;②在复杂红粘土、全、强风化花岗岩残积土“红层”盾构掘进时极易形成泥饼,并引发碴土喷涌,突泥等地层损伤致害和塌陷事故。施工中的泥饼问题、喷涌、突水、涌砂诱发地层损伤问题长期困扰地铁盾构施工。泥饼与复杂粘土的水致膨胀和强粘滞性有关,形成大体积硬泥饼(单轴抗压强度超过5MPa)现象,使刀盘扭矩变小、推力巨增、推进速度显著降低(如日掘进约1.0m,甚至根本无法推进)、刀盘温度急剧升高(仓内达90℃,出土温度72℃)、刀圈偏磨或急剧磨损(如广州地铁施工690m隧道曾使66%的滚刀偏磨,58%刮刀严重磨损);螺旋输送器排土困难;土仓压力上升、出土口开启极易形成喷涌事故,并诱发地表塌方和盾构机严重损坏等。例如:频繁出现“泥饼”和螺旋输送器“喷涌”、3次引发广州地铁2号线过珠江江底隧道的严重塌方事故。
地层损伤控制涉及众多方面,除盾构机选型、设备改进(如搅拌系统)与新型复合盾构机研制外,复杂地层土体改良是地层损伤控制最重要的技术措施之一,其中泡沫剂土体改良研究尤为重要。
2.3泡沫剂改良渣土对盾构开挖面土体稳定性的影响
土压平衡式盾构属于封闭式盾构。盾构推进时其前端刀盘旋转切削地层土体,开挖下来的土体进入压力舱。当开挖土充满压力舱时,由于盾构的推进作用,致使开挖土体对开挖面加压。该支护土压力与开挖面地层的土压水压之和相等时,若能再维持螺旋排土器的排土量与掘削土量相等,则把这种稳定的出土状态称为开挖面平衡,即开挖面稳定。一般将压力舱内盾构施工的开挖土体的理想状态称为“塑性流动状态”。从土力学角度分析,压力舱内土体的“塑性流动状态”,包括3个方面的含义:(1)土体不易固结排水。(2)土体处于流塑状态。(3)土体具有不透水性。压力舱内土体的“塑性流动状态”主要从土压平衡式盾构的工作原理出发,舱内土体的“塑性流动状态”可由内摩擦角、渗透系数和压缩系数等指标进行衡量。此外,根据施工中出土的需要,舱内土体必须有一定的流动性,可以借用测试混凝土坍落度T指标进行衡量。
泡沫土砂对盾构开挖面土体稳定性的影响,气泡改良技术有以下优点:(l)对砂砾地层而言,由于气泡的支承作用使开挖土的流动性得以提高,故压力舱内土体不易发生堵塞。降低刀盘和排土器的扭矩,利于稳定掘进。(2)对硬质粘土等容易发生粘附的地层而言,由于气泡的存在防止了开挖土粘附刀盘面板和压力舱内壁,利于正常开挖。(3)由于气泡可以置换土颗粒间隙中的水,因此开挖土的止水性得以提高,在地下水位高的砂地层中,“喷涌”现象可被抑制。(4)因为气泡具有压缩性,开挖土改良后提高了开挖土的压缩性,可以抑制“结饼”问题的发生,此外开挖土压变动小,利于开挖面的稳定。(5)盾构施工时排出渣土中泡沫剂的含量不多,气泡在破灭后,渣土的物理成份基本与原状土相同,所以渣土处理容易。若要求迅速灭泡,则可在渣土中使用灭泡剂灭泡。(6)因不使用粘土、膨润土,故洞内洞外均无污染,作业环境良好。(7)气泡发泡设备、注入设备与加泥设备相比,设备规模要小。(8)气泡作为改良材料的土压平衡式盾构施工排出土的量少,故处理费用少。(9)气泡作为改良材料的土压平衡式盾构施工可靠性好。(10)发泡材、灭泡材均对人体和环境无影响。以上分析表明,气泡改良技术相对其它改良技术,不仅能够针对各种开挖土体的性质进行改良使其达到盾构施工中“塑性流动状态”的需要,而且不需要其它大型的外设装备。可以说泡沫剂是盾构施工中最先进的土体改良剂之一。
然而,我国在盾构复杂地层改良及泡沫土实验与理论方面研究极少。泡沫剂土体改良研究方面处于起步阶段,在盾构用泡沫剂性能评价方面缺乏依据。目前我国研究存在如下问题:
(1)盾构施工中气泡基本性质(如发泡率、稳定性、消散性)、气泡土的改良效果、盾构施工中各项参数缺乏系统的理论研究,造成施工中泡沫剂使用的盲目性。遇到复杂不良地层时,使用不当、改良效果降低,造成工程事故。
(2)尚缺乏可替代国外泡沫剂的综合性能优良的泡沫添加剂产品,伴随盾构国产化进程加快,泡沫添加剂研发与泡沫土性能研究显得非常迫切。
(3)盾构用泡沫剂性能尚无明确的鉴别方法与规范标准、甚至缺乏可供参考的理化性质、毒副作用、性能等基本指标。研究泡沫剂土体改良,必须对地层条件,尤其对复杂岩土的矿物组成及微结构特征有深入的研究,通过对复杂岩土微结构特征研究,搞清泡沫改良土砂的物理化学作用机理,从而为工程渗害控制提供实验依据。
3 泡沫剂改良复杂岩土的试验研究
3.1 泡沫剂发泡装置的研制
泡沫剂大致可分为以下几类:矿物类、高吸水性树脂、纤维类、多糖类和负离子类和表面活性剂材料。为了快速制取泡沫,自行研制了一种新型地下工程岩土改良泡沫发生器。该发生器通过有效控制气液比,改进发泡过程,产生了丰富泡沫,同时可实时观测发泡消泡效果,该泡沫发生器已获得国家专利。
3.2 泡沫剂对开挖土渗透性影响的试验研究
图2是粉质粘土的渗透系数和浓度的关系曲线。图2表明:泡沫加入粉质粘土后,粉质粘土的渗透系数得到显著改良,随时间的推移泡沫土的渗透系数有增大的趋势。在泡沫剂溶液的掺入比相同时,随着泡沫剂溶液浓度的增加,泡沫改良土的渗透系数显著减小。
图3是粉质粘土的渗透系数和体积掺入比的关系曲线。图3表明:在同一泡沫剂溶液浓度下,随着泡沫掺入比的增加,改良土的渗透系数先减小后增大。当掺入比超过40%后,随着泡沫剂溶液浓度的提高,粉质粘土渗透系数增加的速度得到了有效的抑制。
图4是砂土的渗透系数和浓度的关系曲线。由图4可得出和粉质粘土基本相似的结论:泡沫加入砂土后,砂土的渗透系数得到显著改良,改良后泡沫改良土的渗透系数随时间的推移有不断变大的趋势,但在4小时内数值并没有太明显的变化。在泡沫剂溶液的掺入比相同时,随着泡沫剂溶液浓度的增加,泡沫改良土的渗透系数显著减小。
图5是砂土的渗透系数和掺入比的关系曲线。由图5可得出和粉质粘土相似的结论:在同一泡沫剂溶液浓度下,随着泡沫渗入比的增加,改良砂土的渗透系数减小的趋势减缓,当掺入比超过40%后,粉质粘土的渗透系数甚至有可能增加。提高泡沫剂浓度,可有效降低土的渗透系数。
3.3 泡沫剂对开挖土流动性影响的试验研究
图6为塌落度和泡沫剂浓度的关系曲线,掺入比为20%、40%、60%,图6表明:当掺入比为40%、60%时,土体的流动性明显提高,在初始状态时改良土坍落度都在10cm以上,达到了“塑性流动状态”的要求。相同掺入比下,随着泡沫剂浓度的提高,泡沫土的坍落度先下降后上升。之所以出现这种情况,是因为3%浓度时,泡沫中含水率很高,加入土样后
土的流动性很好,故塌落度值很高。随着浓度增高,含水率降低,塌落度值逐渐减小。但是随着浓度的提高,发泡率也得到了提高,润滑效果越来越好,所以在相同掺入比下,加入7%浓度泡沫剂溶液改良土的塌落度值比5%浓度的有了一定提高。掺入比一定时,改良土的坍落度随时间推移迅速减小,该现象在0~60min内表现尤为明显。
图7分别是泡沫剂溶液浓度为3%、5%、7%时塌落度和掺入比的关系曲线,其中掺入比为20%、40%、60%,图7表明:泡沫土的塌落度值随泡沫掺入量的增加而增大;在0~60min时增加的最为明显。泡沫土塌落度值与掺入比增加的关系曲线近似为直线。当掺入比太低或泡沫剂浓度过高时,塌落度值将大幅减小,甚至为0,如5%、7%浓度时泡沫土的塌落度值为零。对于砂性土,高浓度并不会对土样的塌落度值带来显著的改善;因此,在不影响渗透性的前提下,采用低浓度的泡沫剂溶液的经济效益越好。
泡沫剂溶液对粘性土与砂土的流动性、渗透性的改良机理不尽相同,实验表明由于泡沫剂的添入,泡沫土沙可获得良好的止水性,同时显著改善粘性土砂的塑性流特性。通过对广州地铁复杂红层岩土的矿物组成及微结构特征,结合北京地铁典型粉质粘土和砂土的细观结构研究,由于泡沫剂溶液的表面活性剂的双电层效应,从理论上解释了泡沫剂溶液的电粘度效应及对粘土矿物微观结构的减摩、润滑作用的机理,改良岩土的性质,探明了泡沫改良土砂的物理化学作用机理,从而为工程渗害控制提供实验依据[6,7]。限于篇幅,另文论述。
4 结束语
地铁建设中,由于水的影响,地层渗害诱发地层移动与变形、地面建筑坍塌或其他环境土工公害是当前地下工程建设面临的难题,在复杂地层盾构隧道施工,泥饼封堵、闭塞、突水、土砂喷涌等问题造成工程事故频发,泡沫剂改良地层是地铁施工中控制渗害最有效的技术措施。研究获得如下结论:
(1)自行研制了用于地下工程岩土改良的新型泡沫发生器,该发生器可快速制取泡沫,通过有效控制气液比,改进发泡过程,发泡效果良好,可实时观测发泡消泡效果。
(2)获得了泡沫剂对土体渗透系数改良的试验规律。泡沫土的渗透系数随时间的推移有增大的趋势。在泡沫剂溶液的掺入比相同时,随泡沫剂溶液浓度的增加,泡沫土渗透系数显著减小。但在高含水率下当掺入比增加到一定值,土的渗透系数反而增加。
(3)得到了泡沫剂对土体流动性改良的试验规律。相同掺入比下,泡沫粘土的坍落度随泡沫剂浓度提高先下降后上升,且坍落度随时间的推移迅速减小。对于砂性土,高浓度并不会对泡沫砂土的塌落度值带来显著的改善,在不影响渗透性的前提下,应采用低浓度的泡沫剂溶液。
参考文献
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盾构用泡沫性能的试验研究 篇3
关键词：土压平衡盾构,泡沫,研究
1 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。主要有以下几个方面:
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碴土塑流性差, 设定的工作压力不能顺利地传递到掌子面, 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, 颗粒较大的卵石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、无污染和经济等方面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
2.1 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, 气体系统和液体系统。压缩空气是通过空气压缩机生成, 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, 通过发泡装置生成泡沫。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。
3.1 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%。
图2泡沫质量随时间的变化从图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左右, 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时, 发泡倍率增加较缓慢;浓度大于5%时, 发泡倍率几乎不变。
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) 当其他条件一定时, 泡沫的发泡倍率随着发泡液浓度的增加而明显的增大, 发泡液浓度较低时, 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) 当发泡液超过一定的浓度时, 泡沫的半衰期有所降低, 从这个角度看, 并不是发泡液的浓度越大越好, 反而造成发泡液的浪费。
总体上说, 浓度对泡沫的发泡倍率有明显的影响, 但是对泡沫的半衰期影响不大。可以得到当发泡液浓度为2%-3%时, 最为理想。
3.4 两种泡沫性质的对比
从图7可以看出, 发泡倍率随着发泡液浓度的增加而有明显的增加, foam1从11增加到22左右, foam2从10增加到23左右, 增幅达到100%。两种泡沫的发泡倍率随发泡液浓度变化规律相似。
从图8两种泡沫的比较来看, 两种泡沫的半衰期差距比较大, 平均相差1分钟左右。在发泡倍率方面, 两种泡沫的性能相近。从发泡液的形态来看, foam1发泡原液较稀薄, 容易流动;foam2发泡原液比较粘稠, 不易流动。
可以得到, foam1发泡液的性能比foam2发泡液强, 更适合于盾构施工的要求。
结语
本研究使用室内发泡装置成功生产泡沫, 并研究了泡沫的性质与发泡剂溶液的关系, 最终得到发泡液浓度为2%-3%的泡沫应用于土压平衡盾构施工较为理想。通过对两种施工中正在使用的泡沫的发泡倍率、半衰期等性能指标进行测试, 结果表明foam1的性能比foam2发泡液更好, 更适合于盾构施工的要求。
参考文献
[1]张凤祥, 朱合华, 傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社, 2004.
[2]宋克志, 汪波, 孔恒, 袁大军, 王梦恕.无水砂卵石地层土压盾构施工泡沫技术研究.岩石力学与工程学报[J], 2005, 24 (13) :2327~2332.
土压平衡盾构泡沫控制系统的设计 篇4
为了解决上述问题,当盾构在复杂地层施工时,我们要采用渣土改良系统,即向盾构土仓中注入泡沫、膨润土、水等其他添加剂。在实际工程应用中用到最多的就是加注泡沫的工法。
1 泡沫系统参数设计
土压平衡盾构渣土改良系统主要由泡沫系统和膨润土系统组成。泡沫是由发泡剂、水和压缩空气混合而成,经过泡沫发生器生成30~400m的乳状泡沫。泡沫对于增强土壤的塑性流动性和降低土壤的渗透系数也有不可替代的作用。
1.1 泡沫系统主要的工艺参数
发泡率=单条管路泡沫流量/单条管路液体流量
注入率=泡沫注入总量/开挖渣土容积
发泡液浓度=发泡剂总量/混合液总量
1.2 泡沫系统的参数计算
设盾构开挖面面积为S挖,掘进速度为V,开挖渣土流量F渣土,现设泡沫系统四条管路的发泡率依次为Ni,单条管路的泡沫体积百分比和泡沫流量分别为Ki和F泡沫i;单组管路的空气和发泡混合液的流量分别为F空i、F液i;泡沫注入比为R,泡沫剂浓度C浓度,发泡剂流量F发泡剂,水流量F水;f为土壤的松散系数,力矩系数为k。有如下计算公式
开挖渣土流量F渣土=S挖Vf(1)
需要的泡沫总流量
单条管路泡沫流量
单条管路的混合液流量F液i=F泡沫i/Ni(4)
单条管路的空气流量F空i=F泡沫i-F液i(5)
发泡剂流量 (6)
水流量 (7)
力矩系数k=(1+0.3T当前/T最大)(8)
发泡混合液流量可以通过变频器对电机调速控制,空气流量调节通过调节空气比例阀的开度实现。为使在刀盘力矩增大时注入较多的泡沫,因此引入了一个力矩系数,T当前是刀盘电机当前的平均力矩,T最大是刀盘电机的最大力矩,既当刀盘工作在最大力矩时,泡沫的注入量增加1.3倍。
1.3 参数选择
首先介绍注入比的选择,根据地质的不同选择合适的注入比,这样既能达到较好的渣土改良的效果,又能降低泡沫的消耗,在实际工程应用中,采用如下经验公式计算注入比R。
其中a为钧粒系数Vc决定的系数,当Vc<4时,a=1.6;当4
以上参数会在地质勘查报告中给出。注入比一般选在20%~70%之间,根据实际的地质情况可做适当调整。
松散系数V根据土壤类型不同取值也不相同,对于普通粘性土取值在1.0~1.28,对于砂砾土取值一般在1.26~1.32之间。
发泡剂浓度的选择,为使泡沫的渣土改良达到最佳效果,需要选择最佳泡沫溶液的配比,根据发泡剂浓度与发泡倍率和半衰期的关系(如图1),发泡剂浓度一般选在2%~5%之间,2%~3%为最佳,但在对刀具磨损比较严重的地质条件下施工时,应增大泡沫剂的浓度。
发泡率的一般选择在8~20之间,根据渣土特性如渣土含水量少可以选择较小的发泡率、较大的注入比。
2 泡沫控制系统设计
2.1 泡沫控制系统框图
泡沫系统框图如图2,水通过外部水泵提供,打开给水球阀,水添加到搅拌箱中,在打开原液球阀的同时,原液泵启动,将发泡剂泵入到搅拌箱中,水和原液在搅拌箱中通过搅拌电机搅拌混合成发泡液,发泡液被泡沫动力泵泵入到泡沫发生器中,发泡液和空气在这里混合生成泡沫。在输送混合液的每条管路上都装有压力和流量传感器,这些传感器将采集的数据传送到PLC,PLC通过这些参数调节变频器的输出频率,从而最终实现对每条管路的流量进行调节。
而空气流量的调节是通过装在每条空气管路的空气比例阀进行调节,PLC通过DA模块输出4~20mA的电流信号对空气比例阀的开度进行调节从而达到对空气流量的调节。
2.2 泡沫系统操作界面设计
泡沫系统的控制主要在操作室人机界面上进行,控制方式分为手动、半自动和自动模式,手动模式下需要设置的参数包括每条管路的混合液流量和空气流量,混合液流量和空气流量通过转换成变频器的频率和空气比例阀的电流参数最终控制泡沫混合液和空气输出流量的大小。自动调节需要设置的参数包括泡沫的发泡率、每条管路泡沫的流量占总泡沫流量的体积百分比和泡沫注入比,通过设置这些参数,在自动模式下,泡沫系统会根据盾构的推进速度和刀盘力矩计算出适合的泡沫注入速度。半自动模式直接设置每条管路的泡沫流量及发泡率,通过公式(4)、(5)计算出每条管路的混合液流量和空气流量。
2.3 监控显示单元
为了对泡沫系统的运行状态实时监测,将泡沫系统的运行参数采集并显示在人机界面上,这些数据包括管路的混合液压力和流量、空气压力和流量以及泡沫的压力,还包括各个气动球阀状态,混合液液位,水及原液流量。显示界面中显示各个传感器检测的“实际值”,同时也显示理论计算出来的“期望值”。在监视窗口中还提供了一个报警显示界面,包括液位高、低报警及系统是否有空气、混合液、水及原液等报警信息。4路泡沫输出管中任意一路压力高报警给出后,泡沫系统将停止工作。
3 结束语
土压平衡盾构施工已广泛应用于地铁隧道、城市给排水、过江隧道、铁路隧道的施工。泡沫工法作为盾构施工中的重要工法大量运用,为使泡沫系统在实际工程应用中达到最优的土壤改良效果,根据不同的地质情况还需在实践中对施工工艺参数和控制模型中各参数进行研究和实践。
摘要：为了使土压平衡盾构能更加广泛适应各种复合地层,需要对土壤改良,而泡沫是用得最多最广泛的一种改良添加剂。为达到好的控制效果,首先对泡沫工法工艺参数进行选择,在此基础上,进行泡沫控制系统设计,并设计交互的人机界面。
关键词：盾构,泡沫,参数,控制界面
参考文献
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[3]刘秀争.盾构泡沫系统参数设计及应用[J].山西建筑,2008,(1):344-345.