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，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，通過單配和復(fù)配，配置出數(shù)組發(fā)泡體系。通過攪拌法及羅氏泡沫儀法試驗(yàn)測定了各種發(fā)泡體系的發(fā)泡倍率和半衰期，并對各組發(fā)泡體系的發(fā)泡性能及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了綜合評價，最終提出2種滿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，土壓平衡矩形頂管法多應(yīng)用于軟土地區(qū)城市過街人行地下通道或地鐵車站過街出入口工程中。但隨著城市交通的日益繁忙和對地下空間開發(fā)利用的強(qiáng)度增加，該種非開挖技術(shù)被逐漸應(yīng)用于砂土、圓礫及卵石等地層中。這類土具有黏聚力小、成拱效應(yīng)差、自穩(wěn)時間短、刀盤上方土體極易形成小范圍塌方、流塑性差、出土困難、土壓艙土壓力波動敏感等特點(diǎn)，很難保證土壓艙與工作面土壓的動態(tài)平衡，容易產(chǎn)生“閉塞”、“噴涌”、“結(jié)餅”，甚至導(dǎo)致施工中開挖面失穩(wěn)坍塌［1-4］。在該類地層條件下，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狀態(tài)即良好的流動性、低摩擦角、中等壓縮性、低滲透性等，確保滿艙頂進(jìn)，實(shí)現(xiàn)工作面土壓動態(tài)平衡。因此，在矩形頂管隧道工程中須制定合理的管線控制標(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)需配置大刀盤及仿形刀，多刀盤組合導(dǎo)致控制參數(shù)較多，對工作面土體多次擾動，較單刀盤的盾構(gòu)機(jī)維持工作面穩(wěn)定性的難度更大，因此對土艙內(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:礦物類、高吸水樹脂類、水溶性高分子類、界面活性材料類［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)、降低刀盤扭矩、減少刀具磨損和阻塞、調(diào)整土艙內(nèi)土體塑性流動性、渣土無污染及容易處理等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足矩形頂管工作面動態(tài)土壓平衡及頂進(jìn)施工的要求。

本文針對土壓平衡矩形頂管法施工的特點(diǎn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)，試配出能滿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)。在矩形頂管施工過程中，由于泡沫和土體混合時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挖黏附效果，提高渣土的流動性及可壓縮性。同時，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間間隔，因此在泡沫和艙內(nèi)土體攪拌過程中要確保泡沫具備一定的穩(wěn)定性。通常采用半衰期來評價泡沫的穩(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)量的一半時所用的時間，半衰期越長表明泡沫越穩(wěn)定，一般半衰期＞5 min［6-8］時能滿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］時能夠滿足矩形頂管施工時土體改良要求。

1.3 泡沫劑的基本條件

1)對人體及動植物無害且對環(huán)境無污染。2)成本低，對起泡環(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)改良時所需的泡沫性能不同［10］。泡沫與土質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 泡沫與土質(zhì)的對應(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

選用市場上常用的5種發(fā)泡劑，詳見表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，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對環(huán)境及人和動物無害;④穩(wěn)泡性能好;⑤價格低、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)主要采用攪拌法測定發(fā)泡體系的發(fā)泡倍率和半衰期。該方法操作簡單，且試驗(yàn)環(huán)境與現(xiàn)場外部環(huán)境基本相似，但受人為因素影響，該試驗(yàn)方法對發(fā)泡倍率的測定具有一定的誤差。

3.1 單一發(fā)泡劑

試驗(yàn)時，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)泡量用于評價發(fā)泡性能，并記錄當(dāng)泡沫破滅變成原來溶液體積一半時所用的時間即半衰期用于評價穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果見表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，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，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，編號為D3;④當(dāng)SDS發(fā)泡體系濃度＞2.5 g/L時，發(fā)泡量較好并逐漸趨于穩(wěn)定，此時半衰期基本達(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，編號為D4;⑤當(dāng)AES發(fā)泡體系濃度＞1.0 g/L時，發(fā)泡量較好并逐漸趨于穩(wěn)定，但此時半衰期仍繼續(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，編號為D5。

對比分析可知，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)泡性能最佳時的濃度，進(jìn)行復(fù)配正交試驗(yàn)，見表4。具體試驗(yàn)結(jié)果見表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)果見表6和圖2。

由表6、圖2可知，穩(wěn)泡劑濃度的增加對體系發(fā)泡倍率的影響不大，但對半衰期有較大影響。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，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，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2 g/L時，體系發(fā)泡倍率開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0.6 g/L時體系發(fā)泡倍率開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發(fā)泡倍率的影響較后者小，同時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，編號為DW1。FW1與DW1均滿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)泡性能測試找出最佳的濃度，然后以此類推找出其它3種化學(xué)藥品的最佳濃度。

經(jīng)測試，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3種體系的發(fā)泡倍率做進(jìn)一步的測定，試驗(yàn)儀器見圖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，與攪拌試驗(yàn)相比，羅氏泡沫儀法測定的發(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，生成單個泡沫體積較攪拌試驗(yàn)大。同時，羅氏泡沫儀法與施工現(xiàn)場空氣壓縮機(jī)生成的泡沫原理相差較大，因此羅氏泡沫儀法僅用于評價發(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)輸及儲藏，且與FW2，F(xiàn)W3相比，雖滿足施工要求但發(fā)泡性能相對較差。因此，綜合考慮，選取FW2，F(xiàn)W3作為本次試驗(yàn)可滿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，發(fā)泡倍率基本呈減小趨勢。與此同時發(fā)泡量會有所減少。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。